Johdatus sähköenergiajärjestelmiin. Luento 1 Sähköenergiajärjestelmän yleisesitys Matti Lehtonen

Transkriptio

1 Johdatus sähköenergiajärjestelmiin Luento 1 Sähköenergiajärjestelmän yleisesitys Matti Lehtonen

2 Sähkön kokonaiskulutus Suomessa TWh 120 Tilasto Ennuste Energiateollisuus

3 Sähkön kulutushuiput Tilasto Ennuste Energiateollisuus 2008

4 Sähkön kokonaiskulutus 2012 (85,2 TWh) Metallinjalostus 9% Kemianteollisuus 8 % Muu teollisuus 5% Asuminen ja maatalous 28 % Teollisuus yhteensä 46 % Muu kulutus yhteensä 51 % Metsäteollisuus 24 % Häviöt 3 % Palvelut ja rakentaminen 23 %

5 Sähkön kokonaiskulutus TWh Teollisuus Muu kulutus * Häviöt * Pitää sisällään asumisen, maatalouden, palvelut ja rakentamisen

6 Teollisuuden sähkönkulutus TWh Metsäteollisuus Kemianteollisuus Metallinjalostus Muu teollisuus

7 Sähkön nettohankinta 2012 Vesivoima 19,5 % (85,2 TWh) Tuulivoima 0,6 % Ydinvoima 25,9 % Nettotuonti 20,5 % Yhteistuotanto, kaukolämpö 15,8 % Erillistuotanto 6,7 % Yhteistuotanto, teollisuus 11,0 %

8 Sähkön hankinta energialähteittäin 2012 Ydinvoima 25,9 % (85,2 TWh) Jäte 0,9 % Turve 4,9 % Kivihiili 8,1 % Öljy 0,4 % Biomassa 11,8 % Maakaasu 7,4 % Vesivoima 19,5 % Tuuli 0,6 % Nettotuonti 20,5 %

9 Sähkön tuotanto energialähteittäin Maakaasu 9,3 % Kivihiili 10,2 % Öljy 0,5 % 2012 (67,7 TWh) Vesivoima 24,5 % Uusiutuvat 41 % Tuulivoima 0,7 % Hiilidioksidivapaat 73 % Turve 6,2 % Ydinvoima 32,6 % Jäte 1,1 % Biomassa 14,9 %

10 Sähkön hankinnan aikavaihtelu (viikkokeskiteho) Ydinvoima Yhteistuotanto, teollisuus Vesivoima viikko Yhteistuotanto kaukolämpö Erillistuotanto Nettotuonti

11 Vesivoiman tuotanto Normaalivuosi TWh

12 Tuulivoiman viikkokeskitehot ja kapasiteetti Tuulivoiman kapasiteetti viikko Tuulivoiman viikkokeskiteho

13 Tuulivoimatuotanto ja kapasiteetti vuosittain Asennettu kapasiteetti vuoden lopussa (MW) Tuotanto (GWh)

14 Sähkön tuotanto pohjoismaisilla sähkö-markkinoilla

15 Sähkön tuonti Venäjältä tunneittain (viikko 47 vuonna ) MW Ma Ti Ke To Pe La Su Viikko 47/2010 Viikko 47/2011 Viikko 47/

16 Vaihto Pohjoismaiden ja Keski- Euroopan välillä Tuonti (viikkotaso) Vienti viikko Pohjoismaat - Saksa Pohjoismaat - Puola Pohjoismaat - Hollanti Lähde: SKM Syspower

17 Pohjolan vesivarantojen erotus normaalivuoteen ja sähkön hinnan GWh käyttäytyminen /MWh Erotus normaaliin vesivuoteen Systeemihinta Suomen aluehinta Lähde: SKM Syspower

18 Siirto- ja jakeluverkoston periaatekaavio Voimalaitos - generaattori (10,5 kv, 20 kv) - generaattorimuuntaja (20/400 kv) Kaukovoimansiirto - tehovälimuuntaja (400/220 kv) - 400, 220 (ja 110) kv johdot - kytkinasema (220 kv) - muuntoasema (400/220 kv) Suurjännitejakelu kv johdot - syöttöasema (110/20 kv) Keskijännite- (välijännite-)jakelu - 20 kv johdot Pienjännitejakelu - 0,4 kv johdot ja kuluttajat

19 Pohjoismainen yhteiskäyttöverkko vuonna 2008 Nordel 2008

20 Voimalaitosten ominaisuudet Lauhdevoimalaitos (fossiilinen polttoaine) Lauhdevoimalaitos (painevesireaktori) Vastapainelaitos Kaasuturbiinilaitos

21 PERINTEINEN HÖYRYVOIMALAITOS

22 Höyryvoimalaitosten ominaisuuksia Polttoaineena kivihiili, öljy tai turve Hyötysuhde parhaimmillaan 40% Perus- tai välikuormalaitoksia Suuri ympäristörasitus: CO 2, SO 2 ja NO x Kokonaishyötysuhde paranee jos jäännäslämpö voidaan hyödyntää lämmitykseen ÞLauhdutin korvataan lämmönvaihtimella Þ vastapainevoimalaitos

23 Kombivoimalaitos

24 Kombivoimalaitosten ominaisuuksia Yksi generaattori kaasuturbiinin perässä, toinen höyryrurbiinin Kaasuturbiinin hukkalämpö hyödynnetään höyryn tuotannossa SO 2 ja NOx emissiot paremmin hallinnassa kuin perinteisissä voimalaitoksissa Vastapainekäytössä terminen hyötysuhde on erittäin hyvä. Sähkön ja lämmön suhde noin 50/50

25 YDINVOIMALAITOKSET Painevesi- ja kiehutusvesireaktori

26 YDINVOIMALAITOSTEN OMINAISUUKSIA Reaktoria lukuunottamatta perinteisiä höyryvoimalaitoksia Kalliit investoinnit & halpa polttoaine => peruskuormalaitoksia Ei emissioita: CO 2, SO 2, tai NO x Käytetyn polttoaineen jälkikäsittely ja loppusijoitus Nykyiset laitokset perustuvat U-235:n fissioon (0,7% luonnonuraanista 235:ttä) Hyötöreaktori: U-238 muunnetaan plutoniumiksi Fuusioenergia: deuterium + deuterium = tritium + energiaa???

27 Voimalaitosten ominaisuudet ja tuotantokustannukset Vesivoima kalliit investoinnit vaihtelevat virtaamat varastointi Aurinkovoima kennon pieni hyötysuhde n. 15 % ja suuri hinta ( x 10 ) valon riittävyys meillä ongelma hyvät tehonsäätömahdollisuudet käytön rajoitukset tulvat vedenpinnan tason rajoitukset säännöstelyssä luonnollinen vesistö tai tekoallas Tuulivoima taloudellinen laitoskoko ~ 1 MW suuria tuulivoimapuistoja MW sähköverkkoon liittäminen voi olla ongelmallista Suomessa alkaa olla rakennettu A B C U A verkon jännite normaalisti U DU jos pisteessä C tuulivoimala U U C U A UBDU UB x x x

28 Tuotantotavat Vesivoima epätahti- tai tahtigeneraattori teho riippuu veden virtauksesta veden virtausvaihtelut allaskapasiteetti P = QHhrg P = teho (W) Q = virtaus (m³/s) H = putouskorkeus (m) h = kokonaishyötysuhde r = veden tiheys (1000 kg/m³) g = putoamiskiihtyvyys (9,8 m/s²) 28

29 Tuotantotavat Tuulivoima P = 1 2 C p rv 3 A Sijoitetaan paikkaan, jossa tuulen nopeuden vuotuinen keskiarvo on korkea Useita laitevalmistajia, erilaisia laitekonstruktioita Nopeasti kasvava tuotantomuoto Suurin yksikkökoko nyt noin 5 MW Isoja off-shore-tuulipuistoja rakenteilla P = teho (W) C p = kerroin V = tuulen nopeus (m/s) A = roottorin pyyhkäisyala (m²) r = ilman tiheys (1,225 kg/m³) 29

30 Tuulivoimalaitokset Toimintaperiaatteita roottori Tuotantotavat vaihde laatikko generaattori verkko U s I s kompensointikondensaattorit Oikosulkumoottori generaattorina 30

31 Tuotantotavat Tuulivoimalaitokset roottori vaihde laatikko epätahti generaattori verkko Kaksoissyötetty epätahtigeneraattori U r Ir konvertteri I c roottori Taajuusmuuttajan kautta syötetty tahtigeneraattori tahtigeneraattori U s I s konvertteri verkko 31

32 Aurinkopaneelin tehontuottoon Auringon säteilyvoimakkuus vaikuttavia tekijöitä Säteiden voimakkuus vaihtelee Auringon paikasta riippuvan säteilyn tulokulman mukaan Pilvet estävät suoran säteilyn, mutta ilmakehässä sironnutta hajasäteilyä tulee aina jonkin verran Ilmakehän puhtaus vaikuttaa myös säteiden läpäisykykyyn Ulkolämpötila ja Auringon säteilyvoimakkuus nostavat paneelin lämpötilaa, jolloin paneelin hyötysuhde laskee Paneelin muut ominaisuudet Kaupallisten piikennojen ominaisuudet ovat keskenään lähes samat

33 Säteilyenergian mallintaminen Merkitsevin Parametri on Auringonpaiste- Tunnit ssh (%) Kirkas taivas: ssh = 100%

34 Auringonpaistetuntien jakauma Suomessa (%)

35 Sähkön siirto- ja jakeluverkot Suomen kantaverkosta vastaa Fingrid Oyj. Sillä on suurjännitteisiä voimajohtoja yhteensä noin km ja sähköasemia

36 Sähkönsiirtojärjestelmä 36

37 400kV ilmalinja 400 kilovoltin avojohdossa on tavallisesti 3 vaihejohdinta (tai johdinparia) ja 2 ukkosjohdinta. Eristinketjun pituus on noin 4 metriä (18 21 lautasta). Johdon etäisyys maasta on yleensä vähintään n. 8 metriä ja tiestä n. 9 metriä. 37

38 110kV ilmalinja 110 kilovoltin avojohdossa on tavallisesti 3 vaihejohdinta (tai johdinparia) ja 2 ukkosjohdinta. Eristinketjun pituus on noin 1 metri (6 8 lautasta) Johdon etäisyys maasta on yleensä vähintään n. 6 metriä ja tiestä n. 7 metriä. 38

39 Tehomuuntajat Muuntajan varusteet: -läpivientieristimet -öljyn jäähdyttimet -käämikytkin -paisuntasäiliö suoja- ja valvontalaitteet 110 kv sähköaseman muuntaja 39

40 Kytkinasemalaitteet Ylijännitesuoja Virtamuuntaja Katkaisija Tukieristin Kokoomakisko Erotin 40

41 Kytkinasemalaitteet Virtamuuntajat 110kV katkaisijat Ylijännitesuojat Muuntajan läpivientieristimet 41

42 Kytkinasemalaitteet Jännitemuuntaja 42

43 Sähköaseman kaavio haja-alue 123kV 2-KK järjestelmä 1. kokoojakisko(kk) I 2. KK II 3. KK-erottimet 4. Katkaisija 5. Virtamuuntaja 6. Jännitemuuntaja 7. Linjaerotin 8. Ylijännitesuoja T kenttäleveys (m) 43

44 Kytkinlaitosten rakenne 44

45 Jakeluverkon rakenne Perinteinen järjestelmä voimalaitos kantaverkko alueverkko jakeluverkko 45

46 Sähkönjakelun periaate 46

47 Jakeluverkon rakenne 110 kv 110 / 20 kv Sähköasema 20 kv 20 / 0.4 kv Jakelumuuntamoita 10 km 47

48 20 kv avojohto ja PAS -johto Eristämätön johdin 20 kv avojohto voidaan rakentaa myös käyttäen ohuella muovikerroksella päällystettyjä johtimia. Tällaisissa PAS -johdoissa johtimet ovat selvästi lähempänä toisiaan kuin tavallisessa 20 kv avojohdossa 20 kilovoltin avojohto muodostuu kolmesta paljaasta metallisesta vaihejohtimesta, jotka ovat yleensä rinnakkain. Johtimet on kiinnitetty orressa oleviin eristimiin. Pylväät ovat useimmiten puuta. Johtoa käytetään pääasiassa jakeluverkkoyhtiöiden verkoissa taajamien ulkopuolella paikalliseen voimansiirtoon sähköasemien ja kuluttajamuuntajien välillä PAS -johto= Päällystetty Avojohto Suurjännitteelle PAS johto 48

49 Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (1/3) 3-vaiheinen, 20 kv ei nollajohdinta silmukoitu, käytetään säteittäisenä erottimet, osassa kauko-ohjaus korvausmahdollisuudet vikatilanteissa maasta erotettu tai sammutettu (kompensoitu) suojaus releillä + katkaisijoilla tyypillinen siirtomatka km (Lapissa jopa 100 km) tyypillinen siirtoteho muutamia megawatteja 49

50 Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (2/3) Ilmajohdot teräsalumiinijohtimet mm 2 hinta k /km Päällystetyt ilmajohdot, PAS-johdot ohut eristys pinnassa - ei täyttä jännitekestoisuutta kapeampi johtokatu; usein kaksois- tai kolmoisjohtona % kalliimpi kuin vastaava avojohto 50

51 Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (3/3) Maakaapelit täysi eristyskyky, muovieristys poikkipinnat mm 2 hinta k /km kaivuolosuhteista riippuen trendinä mm. Tanskassa ja Ruotsissa Keskijänniteilmakaapeli SAXKA - vähän käytetty Maakaapeli Keskijänniteilmakaapeli 51

52 Sähköjohdot Kaapelit Ilma- ja maakaapelit 110/20/1kV täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat mm2 Ilmakaapeli 52

53 Jakeluverkon rakenne Jakelumuuntamo 20 kv johdon ja muuntajan välissä yleensä erotin ylijännitesuoja tai suojakipinäväli Muuntamorakenne + muuntaja ilmajohdoissa pylväsmuuntamo, 1- tai 2-pylväsrakenne kaapeliverkoissa puisto- tai kiinteistömuuntamo Pienjännitekeskus pylväsmuuntamossa pylväsvarokekotelot puistomuuntamossa oikea keskus Muuntajan runko on suojamaadoitettu 53

54 Jakelumuuntamot Muuntajatyyppejä Pylväsmuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöttömiä Normaalit jakelumuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöllä varustettuja Väliottokytkimet ± 5 % kva kva Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat kva Palamattomia Hermeettiset jakelumuuntajat kva Öljyn ja ilman yhteys estetty, kosteus ei pääse muuntajaan Þ vanheneminen hidastuu 54

55 Jakelumuuntamot 20 / 0,4 kv pylväsmuuntamoita 55

56 Jakelumuuntamot Ring main unit (RMU) kj-syöttö kj/pj-muuntaja kj-syöttö 56

57 Jakelumuuntamot Jakelumuuntamo (muuntaja kva) öljynkeräysastia betonijalusta 57

58 Jakelumuuntamot 20 kv 20 kv 0,4 kv asiakas Maaseutu jakokaappi Taajama 58

59 Jakelumuuntamot, pienjänniteverkot PJ-kaapeli AMKA KJ-avojohto 100 m 59