ELEC-A8001. Sähköntuotannon ja kulutuksen tasapaino ja verkon stabiilisuus

Transkriptio

1 ELEC-A8001 Johdatus sähköenergiajärjestelmiin Sähköntuotannon ja kulutuksen tasapaino ja verkon stabiilisuus Henrik Nortamo Elmer Bergman Anssi Mäkinen 10. lokakuuta 2017

2 Sisältö 1 Johdanto 2 2 Yli- ja alituotanto sähköverkossa 2 3 Sähköntuotannon ja kulutuksen vaihtelu 2 4 Sähköverkon stabiilisuus Taajuusstabiilius Kulmastabiilius Jännitestabiilius Epätasapainon vaikutukset 6 6 Tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen Säätövoima Joustava kulutus Sähkön varastointi Yhteenveto 7 1

3 1 Johdanto Nyky-yhteiskunta tarvitsee jatkuvasti sähköä ja ilman sähköä useimmat järjestelmät ja palvelut lakkaavat toimimasta. Sähkön ylituotanto aiheuttaa suuria energiahäviöitä ja rahallista tappiota. Sähkön alituotannosta seuraa toimintavarmuuden heikkeneminen, kalliin sähkön ostaminen ja pahimmassa tapauksessa mahdolliset sähkökatkokset. Sähköverkon stabiilisuuden varmistamiseksi on tuotanto ja kulutus tämän takia tasapainotettava. Uusiutuviin energialähteisiin siirtyminen vaikuttaa olennaisesti sähköntuotannon ennustettavuuteen. Uusiutuvat sähköntuotantomenetelmät, kuten aurinkovoima ja tuulivoima, tuottavat huomattavasti epäsäännöllisemmin sähköä verrattuna tavallisiin voimalaitoksiin. Useimpien uusiutuvien energiamuotojen sähköntuotanto riippuu nimittäin pitkälti sääolosuhteista. Näitä sääolosuhteita, kuten tuulen nopeutta tai auringonvalon määrää, on vaikea ennustaa tarvittavalla tarkkuudella. Tästä seuraa, että sähköntuotanto ei aina vastaa kulutusta. Uusiutuvien energiamuotojen käyttö ei ole ainoa tekijä kulutuksen ja tuotannon epätasapainossa. Kulutus ei välttämättä aina ole täysin säännöllistä, mistä seuraa joustotarve tuotannossa. Tämän lisäksi vakavat toimintahäiriöt voimalaitoksissa voivat aiheuttaa erittäin suuria epätasapainoja sähköverkossa. Esimerkki tällaisesta häiriöstä olisi yhden tai useamman olkiluodon ydinvoimalaitoksen reaktorin sammuminen. Yhdessä reaktorit vastaavat noin 24%:sta suomessa tuotetusta sähköstä [1, 2]. Tässä työssä tarkastellaan sähköntuotannon ja kulutuksen epätasapainon syitä ja seurauksia. Yli- ja alituotannon tekninen merkitys sähköverkossa esitellään lyhyesti. Epätasapainon vaikutukset sähköverkkoon, kuluttajaan ja tuottajaan käydään läpi. Tämän lisäksi esitellään mahdollisia ratkaisuja verkon stabiilisuuden varmistamiseen. 2 Yli- ja alituotanto sähköverkossa Sähköverkon ylituotannolla tarkoitetaan tilannetta, jossa kaikkien sähköä tuottavien laitoksien yhteenlaskettu teho ylittää verkon kuluttaman tehon. Vastaavasti sähköverkon alituotannolla tarkoitetaan vastakkaista tilannetta, jossa verkon tarvitsema teho ylittää tuotetun tehon. Ideaalitapauksessa tuotanto ja kulutus vastaavat täysin toisiaan, mutta tämä ei ole käytännössä mahdollista, joten pienet variaatiot ovat sallittuja. Tasapainoon pyritään ennustamalla kulutus ja tuotanto mahdollisimman tarkasti ja ylläpitämällä tuotanto- ja kulutusreserviä. Sähköverkon toimivuuden kannalta on erittäin tärkeää, että verkon taajuus pidetään melkein samana koko ajan. Taajuus saa normaalitilanteessa vaihdella 49.9 Hz ja 50.1 Hz välillä [3]. Kun taajuus on alle 50 Hz, kulutus on suurempi kuin tuotanto. Vastaavasti taajuuden ollessa yli 50 Hz tuotanto on suurempi kuin kulutus. Tästä seuraa suoraan, että taajuus kuvaa kulutuksen ja tuotannon tasapainoa [3]. Taajuudenmuutos johtuu sähköä tuottavien generaattoreiden suorasta kytkennästä verkkoon. 3 Sähköntuotannon ja kulutuksen vaihtelu Sekä sähkönkulutus että tuotanto vaihtelee vuorokauden aikana. Kuvista 1 ja 2 voidaan nähdä sähkön kulutuksen vaihtelu ajankohdan mukaan. Alhaisimmillaan kulutus on aamuyöllä noin klo Suurimmillaan sähkönkulutus on klo ja klo Viikonloppuna sähkönkulutus on pienempää kuin arkipäivinä, eikä ensimmäistä kulutuspiikkiä ole havaittavissa. Erotus maksimi- ja minimikulutuksen välillä vuorokauden aikana on noin 2000 MW. 2

4 Kuva 1: Sähkönkulutus (punainen) ja sähköntuotanto (musta) aikavälillä Sähköntuotannon vaihtelu noudattaa pitkälti kulutuksen vaihtelua. Sähkötuotanto on pienimmillään klo 0-5 ja suurimmillaan klo 9-12 ja klo Viikonloppuna sähköntuotanto on myös pienempää kuin arkipäivinä. Erotus maksimija minimi tuotannon välillä on noin 1000 MW. Tuotanto ei siis vaihtele yhtä paljon kuin kulutus. [4] Kellonajan lisäksi vuodenaika vaikuttaa sähkönkulutukseen. Talvella sähkönkulutus on suurempaa kuin kesällä. Sama pätee sähköntuotantoon. Vaihtelu sähkön kulutuksessa johtuu muun muassa vaihtelevasta lämmitystarpeesta eri vuodenaikoina, vaihtelevista liikennemääristä, teollisuuden vaihtelevasta sähköntarpeesta ja kauppojen aukioloajoista [5]. Kuva 2: Sähkönkulutus (punainen) ja sähköntuotanto (musta) aikavälillä Uusiutuvien energialähteiden käyttö lisää huomattavasti sähkötuotannon vaihtelua ja vaikeuttaa ennustettavuutta. Kuvassa 3 voidaan nähdä aurinkovoiman tuottama teho. Tehon vaihtelua voidaan havaita, mutta se seuraa yö-päivä-sykliä ja ennustetta verrattavan hyvin. 3

5 Kuva 3: Aurinkovoiman tuottama teho aikavälillä Punainen käyrä kuvaa mitattua arvoa ja keltainen käyrä ennustettua arvoa. Tuulivoiman tuottamaa tehoa on huomattavasti vaikeampi ennustaa ja vaihtelu on voimakkaampaa verrattuna aurinkovoimaan. Esimerkiksi kuvassa 4 voidaan nähdä erittäin suuria vaihteluja ja suurin erotus on 100 MW. Kuva 4: Tuulivoiman tuottama teho aikavälillä Musta käyrä kuvaa mitattua arvoa ja keltainen käyrä ennustettua arvoa. Nämä vaihtelut johtuvat melkein pelkästään sääolosuhteiden vaihtelusta, kuten esimerkiksi tuulennopeus tai auringonvalon määrä. Sähköntuotanto ei välttämättä aina seuraa lineaarisesti sääilmiöiden voimakkuutta. Esimerkiksi tuulivoimaloita voidaan joutua sammuttamaan, jos tuuli on liian voimakasta ja vahingoittaisi turbiineja. 4 Sähköverkon stabiilisuus Sähköverkon stabiilius tarkoittaa verkon kykyä palata häiriötilanteen jälkeen tasapainotilaan ja säilyttää verkon taajuus ja jännite sekä generaattorien vaihekulmat hyväksyttävissä rajoissa. Stabiiliutta voidaan tarkastella erikseen kunkin parametrin kohdalla: taajuusstabiilius, jännitestabiilius ja kulmastabiilius [6]. 4

6 4.1 Taajuusstabiilius Taajuusstabiilius liittyy verkon kuorman ja tuotannon tasapainoon. Verkon kuorman ja tuotannon tasapainoa säädetään verkon taajuutta tarkkailemalla. Kuorman kasvaessa kasvaa generaattoreiden pätövirta, joka aiheuttaa tahtigeneraattoreissa pyörimistä vastustavan vääntömomentin. Verkon taajuus on suoraan verrannollinen tahtigeneraattoreiden pyörimisnopeuteen, joten kuorman kasvu voidaan havaita taajuuden laskuna ja tuotantoa nostetaan vastaamaan kuormaa lisäämällä generaattoreita pyörittävää mekaanista vääntömomenttia. Vastaavasti kuorman laskiessa taajuus nousee, jolloin tuotantotehoa voidaan laskea.taajuuden noustessa liian suureksi osa generaattoreista kytketään irti verkosta, ja taajuuden laskiessa liiaksi joudutaan irrottamaan osa kuormista [7, 8]. Jos epätasapainoon ei reagoida tarpeeksi nopeasti ja voimakkaasti, kuormia tai tuotantolaitoksia alkaa kytkeytyä irti verkosta välttääkseen yli- tai alitaajuuden aiheuttamia vaurioita. Hallitsemattomat irrottautumiset voivat pahentaa epätasapainoa entisestään, ja lopulta taajuus romahtaa koko verkossa, jolloin se täytyy sulkea ja käynnistää asteittain uudelleen. Taajuusstabiiliutta pidetään yllä varmistamalla, että verkossa on tarpeeksi kapasiteettia ja reagoimalla nopeasti taajuusvaihteluihin. Moottoreihin ja generaattoreihin varastoitunut pyörimisenergia hidastaa taajuusmuutoksia ja antaa siten enemmän aikaa reagoida vaihteluihin [6]. 4.2 Kulmastabiilius Kulmastabiilius on kykyä pitää verkon ja generaattorien väliset vaihekulmat sopivina. Jos yksittäisen generaattorin tehonsäätö ei reagoi kuorman muutoksiin riittävän nopeasti, vaihe-ero voi kasvaa liian suureksi ja alkaa heilua edestakaisin tai pudota kokonaan tahdista. Tahdista putoaminen voi tapahtua myös jos generaattorin lähdejännite on alimagnetoinnin vuoksi liian paljon verkon jännitettä pienempi. Tahdista pudonnut sähkökone aiheuttaa verkossa tehoheilahteluja, ja se on irrotettava verkosta ja synkronoitava uudelleen. Generaattorin tai suuren moottorin irtikytkeminen vaikuttaa sähköverkon tehotasapainoon vähintäänkin paikallisesti [6, 9]. 4.3 Jännitestabiilius Jännitestabiilius on kyky pitää verkon jännite normaaliarvossaan häiriötilanteessa. Generaattorin lähdejännite on verrannollinen generaattorin magnetointivirtaan. Useita generaattoreita käsittävässä sähköverkossa yhden generaattorin lähdejännitteen nostaminen tai laskeminen ei kykene muuttamaan koko verkon jännitettä. Generaattori sen sijaan tuottaa tai kuluttaa loisvirtaa siten, että generaattorin oma jännitehäviö tasaa eron verkon ja lähdejännitteen välillä. Häiriötilanteessa jännitestabiilius vaarantuu, jos verkossa ei ole riittävästi loistehoa kaikkien generaattorien ja kuormien tarpeisiin, ja generaattoreiden tuottama jännite putoaa. Loistehon puute voi johtaa myös generaattoreiden tahdista putoamiseen, mikä pahentaa tilannetta jäljellä olevissa tuotantolaitoksissa. Loisvirta myös vie osan generaattorin maksimivirrasta, jolloin se voi tuottaa vähemmän pätövirtaa. Loistehon siirtäminen verkon yli aiheuttaa lisäksi siirtohäviöitä, mikä lisää myös pätötehon tarvetta. Lisääntyneet siirtohäviöt ja generaattorin heikentynyt tuotanto on korvattava toisista tuotantolaitoksista tai kulutusta vähentämällä [6, 9]. 5

7 5 Epätasapainon vaikutukset Sähkön tuotannon ja kulutuksen epätasapaino voi edellä kuvatusti heikentää sähköverkon stabiiliutta. Tästä voi aiheutua sähkökatkoja, mikäli verkko joutuu irrottamaan kuormia stabiiliuden ylläpitämiseksi ja palauttamiseksi liikakulutuksen, generaattorien verkosta irtoamisen tai muun häiriötilanteen seurauksena. Katkosten lisäksi häiriöt heikentävät sähkön laatua esimerkiksi ylitai alijännitteen, jännite- tai taajuusvaihteluiden tai särön muodossa. Heikko sähkön laatu voi aiheuttaa toimintahäiriöitä sähkölaitteisiin, heikentää niiden tehokkuutta tai jopa vahingoittaa niitä [10, 11]. Tuottajalle sähkön laadun ongelmat tai sähkökatkot voivat aiheuttaa kustannuksia, mikäli kuluttajalle on maksettava korvauksia [12]. Lisäksi häiriöiden torjunta tuotantovajetilanteessa vaatii usein säätö- tai varavoiman käyttöä. Varavoima vaatii suuret ennakkoinvestoinnit, jotta sitä on käytettävissä riittävästi, minkä lisäksi sen käyttökustannukset ovat suuret lukuun ottamatta vesivoimaa, jota voidaan rakentaa vain rajatusti. Ylituotantotilanteessa sähköä myydään vähemmän, ja huippukulutuksen kattamiseksi rakennetut säätö- ja varavoimalaitokset ovat toimettomana [13]. 6 Tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen Tuotannon ja kulutuksen tasapainottamiseen on olemassa kolme lähestymistapaa. Joko kulutus sopeutuu tuotantoon, tuotanto sopeutuu kulutukseen tai sähkö varastoidaan myöhempään käyttöön. Nykyteknologialla suuren mittakaavan sähkön varastoiminen ei ole mahdollista. Joten tuotantoa ja kulutusta pitää käytännössä koko ajan pitää tasapainossa [14]. 6.1 Säätövoima Nykytilanteessa suuri osa tasapainottamisesta tapahtuu säätövoimalla. Säätövoimalla tarkoitetaan sähköntuotantoa jolla voidaan tasapainottaa sähkön tuotantoa ja kulutusta. Säätövoiman sähköntuotantoa voidaan tarvittaessa vähentää ja lisätä. Tällä hetkellä suomessa noin 85% säätövoimasta koostuu vesivoimalaitoksista. Vesivoimalaitokset soveltuvat hyvin säätövoiman tuottajiksi, koska vesivoimalan sähköntuotantoa voidaan muuttaa hyvin nopeasti. Vesivoimalassa pystytään lisäämään ja vähentämään tuotanto jopa 40%:lla yhdessä minuutissa. Vesivoimaa voidaan vielä jonkin verran lisätä Suomessa. Vesivoimaa voitaisiin lisätä niin uusilla voimaloilla kuin olemassa olevien voimaloiden parantamisella. Luonnonsuojelu lainsäädäntö vaikeuttaa kuitenkin uusien vesivoimaloiden rakentamista. Lauhdevoiman kyky toimia säätövoimana on rajallinen. Lauhdevoimalan sähköntuotannon säätö on melko hidasta. Lauhdevoimaa soveltuu kuitenkin säätövoimaksi tilanteissa jossa lisääntynyt tai vähentynyt sähkön tarve on ennustettavissa. Ydinvoimaloilla pyritään pääsääntöisesti tuottamaan täydellä teholla sähköä jatkuvasti, tämä johtuu pääsääntöisesti taloudellisista syistä. Ydinvoiman investointikustannukset ovat suuret mutta käyttökustannukset pienet, tämän takia kannattaa tuottaa sähköä täydellä teholla ydinvoimaloissa. Taloudellisten syiden lisäksi ydinvoimaloiden tehon säätäminen lisää häiriön riskiä voimalassa. Teoriassa voidaan kuitenkin pienentää ydinvoimalan sähköntuotantoa tarvittaessa melko nopeasti. Ydinvoimaa ei siis sovellu erityisen hyvin säätövoimaksi. Kaasuturbiinien sähkötuotantoa voidaan säätää nopeasti. Kaasuturbiinien käyttökustannukset ovat kuitenkin erittäin korkeat, joten kaasuturbiinia käytetään vain kun sähköntarve on erityisen suuri [13, 15]. 6

8 6.2 Joustava kulutus Kuluttajien sähkönkulutukseen pyritään vaikuttamaan muuttuvalla sähkön hinnalla. Monessa sähkölämmitteisessä talossa on automaatio joka kytkee päälle lämmitysveden lämmityksen yöksi kun sähkönkulutus on pienempi valtakunnallisesti [16]. Tulevaisuudessa joustavan kulutuksen tarve tulee kasvamaan, kun uusiutuvien energialähteiden osuus sähköntuotannosta kasvaa. Tämä johtuu siitä että, esimerkiksi tuulivoiman ja aurinkovoiman tuottavuuteen on vaikeaa vaikuttaa. Joustavalla kulutuksella tarkoitetaan kulutusta jossa kuluttaja pyrkii käyttämään sähköä silloin kun sähköä on paljon tarjolla. Kuluttaja voisi esimerkiksi ladata akkuja ja lämmittää vettä käyttöön kun sähköä olisi poikkeuksellisen paljon tarjolla. Joustavan kulutuksen toteuttaminen vaatisi jonkin järjestelmän millä kuluttaja voisi helposti saada tiedon siitä että sähkö tuotetaan liikaa. Jotta teollisuus rupeaisi kuluttamaan joustavammin sähköä tarvittaisiin niin suuret hinnanvaihtelut sähkölle että, kuluttajajousto olisi kannattavaa teollisuudelle [13, 14, 15]. Jotkut teollisuuden laitokset toimivat irtikytkettävinä kuormina. Irtikytkettävät kuormat voidaan kytkeä irti verkosta jos sähkönkulutus on liian suuri tuotantoon verrattuna. Irtikytkettävillä kuormilla voidaan nopeasti pienentää sähkönkulutusta hetkellisesti [15, 13]. Sähkön tuonnilla ja viennillä voidaan myös vaikuttaa kulutuksen ja tuotannon tasapainoon. Nykyhetkellä Suomi ei itse pysty tuottamaan tarpeeksi sähkö kylminä talvipäivänä kun sähkönkulutus on suurimmillaan. Tällöin suomi on riippuvainen tuontisähköstä. Sähköä tuodaan pääsääntöisesti pohjoismaisilta sähkömarkkinoilta, mutta tuonti Venäjältä tai Virosta on myös mahdollista [5]. 6.3 Sähkön varastointi Tulevaisuudessa jos sähkön varastointi menetelmät kehittyvät, voitaisiin varastoida sähköä kun sitä tuotetaan liikaa ja laittaa sähköä varastoista sähköverkkoon kun kulutus kasvaa. Tällä hetkellä ainoa kaupallisessa käytössä oleva sähkön varastoimismenetelmä on pumppulaitokset. Pumppulaitokset koostuvat kahdesta altaasta. Yksi ylä- ja yksi ala-allas. Kun sähköä tuotetaan liikaa, osa sähköstä käytetään veden pumppaamiseen ala-altaasta yläaltaaseen. Kun varastoitua energiaa halutaan muuttaa takaisin sähköksi, vesi yläaltaasta lasketaan turbiinin läpi takaisin alaaltaaseen [15]. Kaikki sähköverkon tasapainottaminen vaatti jonkinlaista mallinnusta tuotannosta ja kulutuksesta. Mitä paremmin voidaan ennustaa vaihteluita ja mahdollista epätasapainoa sähköverkossa, sitä helpompi niihin on reagoida. Ensisijainen vastuu tasapainottaa kulutus ja tuotanto etukäteen on markkinatoimijoilla. Tämän jälkeen järjestelmävastaava hoitaa reaaliaikaisen säätämisen, joka pitää verkon tasapainossa [8]. 7 Yhteenveto Sähkötuotannon ja kulutuksen epätasapainoon on olemassa monia eri syitä. Päivällä ja talvella kuluu enemmän sähköä kuin yöllä ja kesällä. Uusiutuvien energiamuotojen käytön kasvu johtaa suurempaan joustotarpeeseen kulutuksessa ja tuotannossa. Ylituotannossa tuotettu teho on pienempi kuin kulutettu teho ja alituotannossa tuotettu teho ei ole riittävä. Ylituotannossa sähköverkon taajuus nousee ja alituotannossa taajuus laskee. Taajuus pyritään pitämään välillä 50 ± 0.1 Hz. Jos taajuus eroaa liian paljon tästä arvosta, voidaan joutua kytkemään irti generaattoreita tai kuormia verkosta. Pahimmassa tapauksessa 7

9 järjestelmä pitää sammuttaa ja asteittain käynnistää uudestaan. Toimittamatta jäänyt sähkö on aina erittäin kallista teollisuudelle. Koska suuren mittakaavan sähkönvarastoiminen ei ole mahdollista nykytekniikalla, sähkön kulutus ja tuotanto joudutaan pitämään jatkuvasti tasapainossa. Suurin osa tasapainottamisesta tapahtuu säätövoiman avulla. Säätövoima koostuu sähköntuotannosta, jota voidaan nopeasti vähentää tai lisätä tarvittaessa. Noin 85% säätövoimasta koostuu vesivoimasta,vesivoiman tuotantoa voidaan nopeasti säätää. Tasapainottaminen voi myös tapahtua joustavalla kulutuksella, jossa kuluttaja pyrkii käyttämään sähköä kun sitä on paljon tarjolla. Muuttuvalla hinnoittelulla voidaan kannustaa joustavaan kulutukseen. Tulevaisuudessa voidaan verkon tasapainoa ylläpitää paremmilla varastointimenetelmillä. Viitteet [1] Fingrid, Sähkön kulutus ja tuotanto. Sivut/default.aspx. [Haettu 1.10 ]. [2] TVO, Ydinvoimalaitosyksiköt olkiluoto 1 ja olkiluoto 2. tvo.fi/uploads/file/yksikot-ol1-ol2.pdf, [3] Fingrid, Taajuuden ylläpito sähköjärjestelmässä. ABCtaajuuden_yllapito.aspx. [Haettu ]. [4] Fingrid, Sähkön kulutus ja tuotanto. Sivut/default.aspx?beginDate= &endDate= & showchart=1&showtable=0. [Haettu ]. [5] Huoltovarmuuskeskus, Miten sähköjärjestelmä toimii?. https: // sahkojarjestelma_toimii. [Haettu ]. [6] J. Seppänen, Voimalaitoksen kyky selviytyä häiriötilanteessa, Master s thesis, Oulun ammattikorkeakoulu, [7] J. Leppinen, Kulutuksen ja tuotannon liittäminen suurjännitteiseen jakeluverkkoon, Master s thesis, Vaasan ammattikorkeakoulu, [8] Fingrid, Taajuuden ylläpito sähköjärjestelmässä. fi/fi/verkkohankkeet/kantaverkonabc/sivut/abctaajuuden_ yllapito.aspx. [Haettu ]. [9] L. Korpinen, Sähkövoimatekniikkaopus [10] Sähkölaadun seuranta, Fingrid-lehti, no. 1, p. 24, [11] J. Jaanila, Sähkön laatu toimistoverkossa, Master s thesis, Metropolia Ammattikorkeakoulu,

10 [12] Korvaukset. energiateollisuus ry. sahkokatkot/korvaukset. [Haettu ]. [13] J. Laine, Tasehallinnan kehittäminen suomen sähkömarkkinoilla, Master s thesis, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, [14] Sähköä kannattaa käyttää joustavasti. energiamarkkinat/sahkomarkkinat/kysyntajousto. [Haettu ]. [15] Energiateollisuus-ry, Mistä lisäjoustoa sähköjärjestelmään. sahkojarjestelmaan_loppuraportti_28_11_2012.pdf. [Haettu ]. [16] Yle, Fingrid ehdottaa luopumista yösähköohjauksesta. [Haettu ]. 9