SÄHKÖENERGIATEKNIIKKA

Transkriptio

1 SÄHKÖENERGIATEKNIIKKA LUKU 15 TULEVAISUUDEN SÄHKÖJÄRJESTELMÄT Matti Lehtonen

2 Yhdyskuntarakenne ja verkkomuodot Vaikuttavia kehitystekijöitä Väestön keskittyminen taajamiin Käyttövarmuusvaatimukset kasvavat Elinkaarikustannusten kokonaisoptimointi Sähkön hinnan ja käytön kasvu regulaation kehitys Jakeluverkkovisioita

3 Kehityssuuntia Väestöä muuttaa aluekeskuksiin ja taajamiin Keskusten ulkopuolella kuorma pienenee tärkeitä pistekuormia Vaikutus sähköverkkoon pistekuormien varmennus paikallisesti ( Kainuun maakuntakaava)

4 Väestömäärän kehitys Kainuu Helsingin seutu

5 Uudenmaan maakuntakaava

6 Kuormitustiheys Kuormitustiheys ja asiakasrakenne määrittää sähkönjakelutehtävän eli liittymispisteiden lukumäärän ja kuormitusprofiilit maantieteellisellä alueella. Kuormitustiheys kuvaa myös verkonrakentamisympäristöä, koska suuri kuormitustiheys merkitsee suurta rakentamistehokkuutta, mikä johtaa rajoitteisiin maankäytössä ja kasvaviin rakenteellisiin vaatimuksiin. Kaupungeissa suuresta kuormitus- ja liittymispistetiheydestä koituva kustannushyöty pienenee, koska siellä on käytettävä yksikkökustannuksiltaan kalliimpia komponentteja

7 Metropolialueen kehittyminen Sähköyhtiön oltava yhteistyössä kaavoittajan kanssa Urban zones Urban Core Metropolitan Growth and Urban Redevelopment. Urban Suburban Outskirts (Rural) (odottamassa kaavoitusta ja sen kautta muuttumista esikaupungiksi) Load density Distance from city core

8 Metropolialue ja maaseudun muutokset Suuri kuormitustiheys Alueella tarvitaan useita 110/10 kv sähköasemia Suurien tehonsiirtojen ja käyttövarmuussyiden takia tarvitaan useita rinnakkaisia yhteyksiä / tiheästi silmukoitua 110 kv verkostoa Alueen tehon kasvaessa tehonsiirtojen hallinta saattaa edellyttää rakenteellisia muutoksia 110 kv verkossa Sähköasemien ja 110 kv verkon sijoittuminen tiiviiseen kaupunkirakenteeseen Kaupunkirakennetta edelleen tiivistetään, keskustamainen rakentaminen laajenee, kävelykeskusta toteutetaan, yhdyskunta- ja muu huolto maan alle

9 Metropolialue ja maaseudun muutokset

10 Metropolialue ja maaseudun muutokset Urban Urban core Suburban Rural

11 Metropolialue ja maaseudun muutokset Urban Urban core Suburban Rural

12 Käyttövarmuusvaatimukset 7 6 KHI 5 Sähkön kulutus BKT BKT / sähkön kulutus Kotitalous Maatalous Teollisuus Julkinen Palvelu KAH-arvojen kehitys: BKT/Sähkön kulutus arvot 2-kertaistuneet noin 20 vuodessa Katkottomuuden vaatimus: sairaalat 5 min /vuosi pankit 30 sek / vuosi Sähköinen kaupankäynti 30 ms

13 Elinkaarikustannusten kokonaisoptimointi MONIMUUTTUJAOPTIMOINTI PÄÄOMAKULUT INVESTOINTI HÄVIÖT, KORVAUKSET, VERKKOMAKSUT OPERATIIVISET MUUT (TYÖ, LAITTEET, ETC) KUNNOSSAPITO RCM (TBM, CM, CBM) SÄHKÖNLAATU LUOTETTAVUUS YMPÄRISTÖTEKIJÄT

14 Kaupunkijakeluverkko tulevaisuudessa silmukoitu PJ-verkko, useita KJ-syöttöpisteitä Automaattinen varmennus sekä KJ- että PJ-puolelta 10 kv 10 kv 10 kv Strahlennetz mit Verbindungskabel stationsweise vermascht Strahlennetz mehrstrangig gespeistes Niederspannungsnetz a) mehrstrangig gespeist Trennstelle einstrangig gespeistes Niederspannungsnetz stationsweise gespeistes Netz b) einstrangig gespeist c) stationsweise Trennstelle gespeist d) Strahlennetz Strahlennetz

15 AC vs. DC jakeluverkoissa ja rakennusten verkoissa 15

16 AC vs. DC jakelussa Muuntähäviöiden vähentäminen /2/ 16

17 Tulevaisuuden talon DC verkot /2/ 17

18 Ohjaus ja automaatio

19 TULEVAISUUDEN JAKELUVERKOT Älykkäät sähköverkot ja verkostoautomaatio Kaukovalvonta ja kauko-ohjaus Automaattisen kytkennät vikatilanteissa Nopea vian ilmaisu ja paikannus Mikä johtaa Lyhyisiin katkosaikoihin Parempaan sähkön laatuun Parempaan verkon kunnossapitoon Tulevaisuuden jakeluverkoissa sähkönsyötön luotettavuus on tärkein asia

20 Ohjaus ja automaatio Sähkönjakeluverkon automaatiolla (DA,Distribution Automation ) tarkoitetaan yleisesti erilaisten jakeluverkostojen hallintaa, käyttöä ja valvontaa eli sähköaseman toisiolaitteiden integroimista kokonaisjärjestelmäksi, joka huolehtii sähkönjakelun kaikista valvonta, suojaus- ja ohjaustarpeista. Integroitu kokonaisjärjestelmä huolehtii informaation siirrosta ja jalostamisesta toisiolaitteilta sähkönjakelujärjestelmän tietojärjestelmiin Sovellusalueet vaihtelevat sähkö- ja lämpöverkoista vesi- ja kaasuverkkoihin. Automaation perustoiminnot ja -vaatimukset ovat kaikilla verkoilla samat; automaatiolla toteutetaan erilaisia ohjauksia ja mittauksia, välitetään tilatietoja ja hälytyksiä jne

21 Vain KJ-puolelta varmennettu verkko säteittäinen PJ-verkko silmukoitu KJ-verkko, varmennettu automaatiolla Distribution Automation 20 kv Substation Automation DI M (HSAR) Feeder Automation DI DI C (HSAR) DI (HSAR) I B A = NOP

22 Ohjaus ja automaatio Automaatio ja tiedonsiirto sähkönjakeluverkossa

23 Alykäs sähköverkko (Smart Grid) integroi energialähteet Ja ohjattavat kuormat sekä energiavarastot Source: European technology plateform (ETP)

24 Siirtoverkko, keskitetty tuotanto, jakeluverkko ja paikalliset energia resurssit Sähköjärjestelmän aktiivinen ohjaus on ulotettava asiakastasolle saakka ó valtaisa ohjaustehtävä

25 Uusiutuvan energian haaste tuotannon ja kuorman tasapaino Tuulivoiman vaihtelu Saksassa kolmena perättäisenä päivänä Aurinkovoiman vaihtelu Suomessa kolmena perättäisenä päivänä

26 Smart Grid ja tasapainon hallinta Nykyisissä verkoissa jo vaatimatonkin osuus uusiutuvaa tuotantoa voi aiheuttaa ongelmia: Tanskassa tuulivoiman tuotanto ajoittain ylittää kysynnän ó negatiivinen hinta sähköpörssissä! Saksassa 3% osuus aurinkoenergiaa on johtanut 50.2 Hz ongelmaan ó vaatimuksia aurinkovoiman säätämiseksi! Uusiutuvan tuotannon olennainen lisäys ei onnistu ilman Smart Grid - tekniikoita

27 Uusiutuvan energian vaikutus Euroopan energiamarkkinaan TWh Surplus and deficit areas Wind power surplus area TWh TWh 20 TWh Surplus area Deficit area Area with 50 storage hydro Picture: M. Supponen Euroopan energiamarkkinat yhtenäistyvät ja hinta-alueet laajenevat Uusiutuvien energiamuotojen määrä kasvaa voimakkaasti ongelmallisia systeemin tasapainon kannalta etenkin tuuli ja aurinko Pohjoismainen vesivoima tulevaisuudessa yhä enemmän Keski-Euroopan uusiutuvien tasapainottamiseen Kuva oikealla: esimerkki sähkön hinnasta Saksassa ja Norjassa (pun / sin)

28 Smart Grid tehon tasapainottamisessa jha energian tehokkaassa käytössä Paikallinen tuotanto Paikallinen tuuli ja aurinkovoima huonoa säädön kannalta Paikallinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto joka perustuu biopolttoaineisiin (kaasuun?) hyvä säätöpotentiaali Energiavarastot Lämpövarastot Akut ja sähköautot Kysynnän jousto (DR) Merkittävä osa kuormasta voi osallistua Kuorman tasapainottaminen & häiriöreservi Energian käytön seuranta ja ohjaus Energian käytön reaaliaikainen mittaus Energiatehokkuutta palvelevat ohjaukset

29 Kysynnän jousto (DR, Demand Response) Kotitalouden kuormista noin 50 % on joustavia ajan suhteen Tämä vastaa 10-20% muutosta huipputehoissa Kysynnän jousto tasapainottaa uusiutuvan tuotannon vaihtelua Sähköautojen lataamisesta Odotetaan myös % Kysyntäjouston potentiaalia 29

30 Tasapainon hallinta ja hajautetut resurssit 8 GW Demand Mix of different energy sources for base load and peak load Sähköntarve vaihtelee vuorokaudenajan viikonpäivän ja vuodenajan mukaan Samoin vaihtelee uusiutuva tuotanto Tehon riittävyyden varmistamiseksi tarvitaan reservejä sekä tuotanti että kulutuspäässä Kysynnän jousto tuskin riittää kattamaan kaikkea tasapainotustarvetta ó energian varastointi tulee tärkeämmäksi Monilla kulutuskojeilla voi olla kyky lyhytaikaiseen tasapainon säätöön (15 min) ilman että niin toiminnallisuus heikkenee Tuntitason joustoa esimerkiksi lämmitys- ja jäähdytyskuormilla 00 h 12 h 00 h 12 h 00 h Tulevaisuuden energiajärjestelmä on sekoitus monia erilaisia resursseja ja ohjattavia kuormia sekä varastoja

31 Kysynnän jousto ja lämmityskuorma T e H ae A H T U s H as T C a a f hc H ame T g H ag Kysynnän jousto kun osittainen lämpövarasto Rakennuksen malli (vas) ja ohjattavat kohteet (oik). Sekä lämpövarasto että talon massat osallistuvat Energian varastointiin

32 Kysynnän jouston eräs optimi Kysynnän jousto osittaisen lämpövaraston avulla ó kysynnän siirto halvemman energian tunneille

33 Schematic of Energy Hub Heat Gains TES Losse s

34 Kysynnän jousto tehoreservinä TEHONVAJAUSTILANNE CENTRALIZED ó Nykyinen keskitetty säätö Primary ó Puoliksi hajautettu säätö Decentralized DR ó Täysin hajautettu säätö

35 Smart Grid verkon vikatilanteissa s Control Strategies Communication hops Delay time due to communication hops M MIN m max M MIN m max Centralized n 2 +7n+5=1253 n 2 +7n+5= Dt 1253Dt Distributed Agent 2m min +2=4 2m max +2=66 4Dt 66Dt Autonomous Agent 4 m max +5=37 4Dt 6Dt Time delays in network fault management. Number of substations n = 32, for different faulty sections between substations m = 1 n. And Dt is the communication latency.

36 Tuulipuistoja Lisääntyvät tuulipuistot vaativat uusia ratkaisuja mm. sähkön siirrossa

37 Suomen tuuliolosuhteet

38 Tuulipuistoja Saksassa Lisääntyvä tuulivoiman käyttö aiheuttaa tarvetta uusille kytkinasemille. Mallina Saksassa olevat tuulipuistot

39 Off-shore tuulipuistoja On-/Off shore tuulipuistojen liitäntä 33kV kaapelilla yhteen pisteeseen, josta syöttö SJverkkoon kaasutäytteisellä ja -eristeisellä GIL-johdolla

40 Kaasueristeiset siirtojohdot Kaasueristeiset suurjännite (~400kV) johdot Off-shore tuulipuistoista mantereelle

41 Merikaapeli 170 kv kolmivaihe merikaapeli 3x1x 630 mm2... 3x1x 1200 mm

42 Sähköauton lataaminen S Sähköenergian käyttösovelluksia Luento 9 Sähköautot Pirjo Heine 42

43 Polttomoottorin hyötysuhde Lähde: Ahmad Karnama, Analysis of Integration of Plug-in Hybrid Electric Vehicles in the Distribution Grid, Master Thesis, KTH, Stockholm, 2009 S Sähköenergian käyttösovelluksia Luento 9 Sähköautot Pirjo Heine 43

44 Sähköautojen kehitys Lähde: Ahmad Karnama, Analysis of Integration of Plug-in Hybrid Electric Vehicles in the Distribution Grid, Master Thesis, KTH, Stockholm, 2009 S Sähköenergian käyttösovelluksia Luento 9 Sähköautot Pirjo Heine 44

45 Sähköautojen osuus uusista autoista tulevaisuudessa - ennuste PHEV EV Diesel Gasoline S Sähköenergian käyttösovelluksia Luento 9 Sähköautot Pirjo Heine 45

46 Akut teho ja energia / kg Energia per kg määrittää kantaman km Teho per kg määrittää suorituskyvyn Lakun elinikä latausjaksoina? Akun hinta? S Sähköenergian käyttösovelluksia Luento 9 Sähköautot Pirjo Heine 46

47 h kotona 2. akunvaihtoasema 5 min h työpaikalla 4. pikalatausasema min S Sähköenergian käyttösovelluksia Luento 9 Sähköautot Pirjo Heine 47

48 Aurinkoenergian potentiaali

49 Supergrid Jännite 735 kv AC 500 kv DC 800 kv DC Tehohäviöt/1000 km 6,7 % 6,6 % 3,5 % Siirtokapasiteetti 3 GW 3 GW 6,4 GW

50 AC versus DC voimansiirrossa LCC line commutated converter VSC voltage source converter

51 Merituulipuistojen liittäminen DC-superverkkoon?

52 Desertec aurinkovoimaa Pohjois-Afrikasta Eurooppaan? Mahdollisia HVDC-linjoja Euroopan kulutuskeskuksille CSP-tuotantolaitoksilta (keskittävä aurinkovoimalaitos)