Älykkään sähköverkon mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi

Transkriptio

1

2 Älykkään sähköverkon mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi Energiaomavaraisuusilta Imatra, Janne Karppanen

3

4 Sisältö Toimintaympäristön muutokset kehitystarpeita Älykkäät sähköverkot konsepti ja tärkeimmät osa-alueet Uudenlainen jakelujärjestelmä esimerkkinä pienjännitteinen tasasähkönjakelujärjestelmä LUT Green Campus kampuksen älykäs sähköverkko Toimitusvarmuus, luotettavuus Kilpailukyky, tehokkuus Kestävä kehitys, ilmastonmuutos Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2013, Polkuja vähähiiliseen tulevaisuuteen. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.

5 Älykkäät sähköverkot Aiheita mediassa Lähteet: YLE:n verkkosivut

6 Keskeiset infraverkot ja saneeraustarpeet SÄHKÖ ( km, > km/a) TELE ( km v mennessä) VESI ( km, tarve km/a) VIEMÄRI ( km, tarve 900 km/a) KAUKOLÄMPÖ ( km km/a) Osuus jakeluverkon puupylväistä 5.0 % 4.5 % 4.0 % 3.5 % 3.0 % 2.5 % 2.0 % 1.5 % 1.0 % 0.5 % 0.0 % Verkon ikäjakauma 1980 Lohjala, J., 2009, Age Distribution of Wood Poles in Medium-Voltage Networks. Järvi-Suomen Energia Oy. Julkaisematon dokumentti MAANTIET ( km, tarve km/a) RAUTATIET (5 900 km, tarve km/a) Lähteet: Maa- ja Metsätalousministeriö, 2008, Vesihuoltoverkostojen nykytila ja saneeraustarve. FCG Planeko Oy. Viitattu Saatavilla: Liikenneviraston verkkosivut. Viitattu Saatavilla: Sirola, V-P., 2010, Kaukolämpöverkon lämpöhäviöt - Perusparantamisen ja uudisrakentamisen energiansäästövaikutus. Energiateollisuus. Seminaariesitys. Viitattu: Saatavilla: Energiateollisuuden verkkosivut. Viitattu: Saatavilla:

7 Sähköverkkoliiketoiminnan valvonta Taloudellinen regulaatio, valvontajakso Riskien hallinta, pääoman tuotto Vakiokorvaukset (pitkät keskeytykset, > 12 h) h, 10 % asiakkaan verkkomaksusta h, 25 % asiakkaan verkkomaksusta h, 50 % asiakkaan verkkomaksusta > 120 h, 100 % asiakkaan verkkomaksusta Uudet korvausluokat erityisen pitkille keskeytyksille 150 % jos keskeytyspituus > 194 h (8 päivää) 200 % jos keskeytyspituus > 288 h (12 päivää) Enimmäiskorvaus 2000 /keskeytys Sähköalan oma toimitusvarmuuskriteeristö. Esimerkiksi kokonaiskeskeytysaika maaseudulla enintään 6 h/a. Laki keskeytysten maksimipituutta koskien Taajamissa; 6 tuntia Haja-asutusalueilla; 36 tuntia Lähteet: FINLEX,Sähkömarkkinalaki 588/2013. Energiaviraston verkkosivut. Viitattu Saatavilla: Keskeytyksestä aiheutuneet kustannukset [ ] Partanen et Al., 2012, Sähkönjakelun toimitusvarmuuden parantamiseen sekä sähkökatkojen vaikutusten lieventämiseen tähtäävien toimenpiteiden vaikutusten arviointi. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. 24 h (kompensaatio 25%) 12 h (kompensaatio 10%) 72 h (kompensaatio 50%) 120 h (komp. 100%) 0 h Keskeytyksen pituus [h] Muokattu lähteestä: Lassila, J., 2009, Strategic Development of Electricity Distribution Networks Concepts and Methods. Väitöskirja. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.

8 Muutoksia sähkönkäytössä Teho E. A. sähkönkäyttökojeiden (esim. LED-lamput) energiatehokkuus B. sähkönkäyttökojeiden määrä K. A. Verkkoyhtiön kannalta haasteellisia muutoksia D1. C. I. J. H. G. B. Verkkoyhtiön kannalta myönteisiä muutoksia D3. D2. Footer F. Energia Energia = Teho x Aika Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2012, Jakeluverkkoyhtiöiden tariffirakenteiden kehitysmahdollisuudet. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. C. energiansäästö elämän asenteena D1. lämpöpumput sähkölämmityskohteessa D2. lämpöpumput muissa kuin sähkölämmityskohteissa D3. sähkön käyttö muulla tavoin lämmityksessä E. sähköautot ; ohjaamaton lataus F. sähköautot ; älykäs lataus G. asiakkaan energiavarastot H. kuorman ohjaus myyjän/aggregaattorin toimesta I. kuorman ohjaus asiakkaan toimesta J. kuorman ohjaus verkkoyhtiön toimesta K. asiakkaiden oma sähkön tuotanto

9 Muutoksia sähkönkäytössä Lämpöpumppujen kokonaismäärän kehitys Lähde: Suomen lämpöpumppuyhdistys ry, Lämpöpumppujen kokonaismäärän kehitys kappaleina. Viitattu Saatavilla: n%20kokonaism%c3%a4%c3%a4r%c3%a4n%20kehitys% pdf Lähde: Koch, B., 2012, "The Smart Grid by Siemens, Constant energy in world of constant change". Siemens AG Viitattu: Saatavilla: pe/documents/conference%20presentations/koch/siemens_koch_re newable_integration_v06.pdf

10 Sähkön kulutus ja tuotanto Sähkön kulutus 300 Sähköntuotanto Power (kw) Sat Sun Mon Tue Wed Thu Fri Tuotanto = kulutus Time (d) Älykkäät sähköverkot Pyritään eroon teho- ja hintapiikeistä Piikit vaikuttavana tekijänä: - Voimalaitosten nimellistehot ja ajokustannukset - Verkon mitoitus - Häviöt - Häiriöriski Lisää kustannuksia Kannusteita älykkäille sähköverkoille

11 Toimintaympäristö perussäännöt Tuotanto Perussäännöt Kulutus Perinteiset voimalaitokset Tehotasapaino Tuotanto = kulutus Markkinaperusteinen tuotanto Älymittarit Aurinkosähkö Reserviteho Tuotantolaitoksen irtoaminen, voimajohtoviat Kotitaloudet Tuulipuistot Hajautettu tuotanto Sähköhinta elää voimakkaasti Tuotantotyyppi, lämpötila, vesivarannot,... Huipputeho määrittää tuotannon ja mitoituksen (MW) Säästä huipuissa säästä euroissa Sähköautot Teollisuus Muokattu lähteistä: Partanen, J., 2014, Kurssin BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka luentomateriaali. Smart Grids - luento. Viitattu Saatavilla: Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: Saatavilla:

12 Toimintaympäristö kehitystrendejä Tuotanto Trendejä Kulutus Perinteiset voimalaitokset Aurinkosähkö Tuulipuistot Hajautettua tuotantoa Haasteena tehotasapaino Ohjaamatonta tuotantoa Energiatehokkuus Energian säästö ja energian tehokas käyttö Online asiakasrajapinta Mahdollistaa energiaresurssien hyödyntämisen Energiavarastot Sähköautot ja paikalliset energiavarastot Älymittarit Kotitaloudet Sähköautot Hajautettu tuotanto Teollisuus Muokattu lähteistä: Partanen, J., 2014, Kurssin BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka luentomateriaali. Smart Grids - luento. Viitattu Saatavilla: Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: Saatavilla:

13 Kysyntäjouston rooli Tuotanto Kysyntäjousto Kulutus Perinteiset voimalaitokset Aurinkosähkö Tuulipuistot Tehotasapaino Ohjattavaa tuotantoa ja kulutusta Reserviteho Myös kuormat joustavat Sähköhinta elää voimakkaasti Optimoidaan käyttö hinnan mukaan Huipputeho määrittää tuotannon ja mitoituksen (MW) Säästetään huipuissa säästetään euroissa Älymittarit Kotitaloudet Sähköautot Hajautettu tuotanto Teollisuus Muokattu lähteistä: Partanen, J., 2014, Kurssin BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka luentomateriaali. Smart Grids - luento. Viitattu Saatavilla: Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: Saatavilla:

14 Älykkään sähköverkon ominaisuudet Tuotanto Älykäs sähköverkko Kulutus Perinteiset voimalaitokset Aurinkosähkö Tuulipuistot Hajautettu tuotanto Avoin kaiken tyyppisille ja kokoisille tuotantoyksiköille Kulutuksen ja tuotannon välinen vaikutus, kulutus joustaa Tehokkuus, toimitusvarmuus, luotettavuus Kustannustehokas ratkaisu täyttämään tulevaisuuden vaatimukset Älymittarit Kotitaloudet Sähköautot Teollisuus Muokattu lähteestä: Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: Saatavilla:

15 Perinteinen vs. älykäs sähköverkko Muokattu lähteestä: ABB, 2008, When Grids Get Smart ABB s Vision for the Smart Grid. Viitattu: Saatavilla: c12f6ec12575bb002a5be9/$file/abb+paper+smart+grids+jun e+version.pdf Smart Grid visio 2035; Asiakasnäkökulma - Hallitsen helposti yhdessä sähkön toimittajieni kanssa omaa yksilöllistä nollapäästöistä sähkönkäyttöäni (räätälöitävyys) - Sähkökäyttöni jatkuu verkko- ja tuotantohäiriöidenkin aikana - Saan sähköä ilman yllätyksiä kohtuulliseen hintaan - Tuotan osan tarvitsemastani energiasta, ylijäämän tai alijäämän toimitan markkinoille ja/tai lähiyhteisölle. - On yhteisöjä, jotka elävät energiaomavaraista elämäänsä ilman verkkoyhteyttä. - Käytän huolettomasti sähköautoa kotimaassa ja ulkomailla - Tunnen systeemin luotettavaksi ja turvalliseksi - Ilman päivittäisiä puuhailuja ja aktiivisuutta Muokattu lähteestä: Honkapuro, S., Interaktiivisen asiakasrajapinnan hyödyntäminen energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa ja energiasäästötoimien vaikutus sähköverkkoliiketoimintaan. Seminaariesitys. Viitattu: Saatavilla: ehokkuus/lu_honkapuro inca_101110_uusi.pdf

16 Asiakasrajapinta Markkinatoimijat Fingrid, Verkkoyhtiöt, Sähkökauppiaat, Aggregaattorit Verkko Energiankäytön ja tehon aktiivinen monitorointi ja ohjaus Ohjaussignaalit, riippuen toimijasta Aktiivinen asiakasrajapinta Informaatiojärjestelmät Energiavarastot Kuormat ohjattavat, ei-ohjattavat Tuotanto Aurinko, tuuli, polttokennot, biokaasu jne. Muokattu lähteestä: Kaipia, T., Partanen, J., Järventausta, P., 2010, Concept of Interactive Customer Gateway. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto. Viitattu: Saatavilla:

17 Energiavarastot ja käytön optimointi Teho EE Sähköautot 400 Ilman sähköautoja Suora lataus yösähköllä Optimoitu lataus Purku 350 Power [ kw ] Lataus Ilta Yö Päivä Ilta Muokattu lähteistä: Time 48 [ tuntia minutes ] Lassila et Al., 2012, "Methodology to Analyze the Economic Effects of Electric Cars as Energy Storages," Smart Grid, IEEE Transactions on, vol.3, no.1, pp.506,516, March Järventausta et Al., 2010, INCA - Interaktiivinen asiakasliityntä ja sen hyödyntäminen sähköjärjestelmän hallinnassa ja energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto. VTT.

18 Pienjännitteinen tasasähkönjakelu Keskijänniteverkko (20 kv) Asiakas 4 Asiakas 3 Tiedonsiirto Vaihtosuuntaus (DCAC) Pienjännitemaakaapeli ±750 VDC AMC95A Asiakas 2 Tasasuuntausasema (ACDC) Valvonta Muokattu lähteestä: Nuutinen et Al., 2014, "Research Site for Low-Voltage Direct Current Distribution in a Utility Network Structure, Functions, and Operation," Smart Grid, IEEE Transactions on, vol.5, no.5, pp.2574,2582, Sept Asiakas 1

19 Pienjännitteinen tasasähkönjakelu esimerkki kaupunkiympäristöstä Tuotantoyksiköitä Kaupunkialue Kiinteistö-DC Tuotantoyksiköitä Julkinen valaistus Varayhteys Taajama-alue Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2010, Tehoelektroniikka sähkönjakelussa Pienjännitteinen tasasähkönjakelu. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto.

20 Kampuksen älykäs sähköverkko

21 LUT Green Campus

22 LUT Green Campus älykäs sähköverkko (luonnos) 20 kw (toiminnassa) Tuulivoimala Sähkö, kaukolämpö ja vesi LOAS Aurinkopaneelit ~ 200 kw (toiminnassa) LUT 30 kwh (testikäytössä) Energiavarasto Energianhallintajärjestelmä Energia Hybridi, Sähköauto Hybridi (4.4 kwh, G2V + V2G, käytössä) Sähköstä kaasuksi Vauhtipyörä Kommunikaatio Superkondensaattori Sähköauto (24 kwh, G2V, käytössä) ~ Satoja kilowatteja ~ Satoja kilowatteja Muokattu lähteestä: Makkonen et Al., Green Campus Smart Grid. NORDAC 2012, Tenth Nordic Conference on Electricity Distribution System Management and Development. Espoo, Finland, September 2012

23 Rakennamme maailmasta sellaista kuin sen pitäisi mielestämme olla. Kiitos! Janne Karppanen Lappeenranta University of Technology Lappeenranta University of Technology (LUT)