Paikallissähkö. Maaseudun paikallinen sähkönjakeluja sähkönkäyttöjärjestelmä, verkkoonliittymistekniikan kehittäminen

Transkriptio

1

2 Paikallissähkö Maaseudun paikallinen sähkönjakeluja sähkönkäyttöjärjestelmä, verkkoonliittymistekniikan kehittäminen Henrik Sikanen Risto Rissanen Juhani Rouvali Savonia-ammattikorkeakoulu Tekniikka, Kuopio

3 Savonia-ammattikorkeakoulu Julkaisutoiminta PL 6 (Microkatu 1 D) KUOPIO puh: (017) fax: (017) julkaisut@savonia-amk.fi 1. painos Tämän teoksen kopioiminen on tekijänoikeuslain (404/61) ja tekijänoikeusasetuksen (574/95) mukaisesti kielletty lukuun ottamatta Suomen valtion ja Kopiosto ry:n tekemässä sopimuksessa tarkemmin määriteltyä osittaista kopiointia opetustarkoituksiin ISBN-10: ISBN-13: ISBN-10: (PDF) ISBN-13: PDF) ISSN: Savonia-ammattikorkeakoulun julkaisusarja D 7/2006 Kustantaja: Taitto: Painopaikka: Savonia-ammattikorkeakoulu Tekniikka Tapio Aalto Kuopion kaupunki Painatuskeskus

4 TIIVISTELMÄ Tekesin koordinoimassa DENSY-tutkimusohjelmassa (Hajautettujen energiajärjestelmien teknologiaohjelma) kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiä sekä niihin liittyviä palveluita. Yksi DENSY:n hankkeista on Savonia-amk:n toteuttama Paikallissähköprojekti, jossa on kehitetty maaseudun paikallista sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmää, erityisesti siihen tarvittavaa verkkoonliittymistekniikkaa. Hankkeessa on kartoitettu paikallisen sähköntuotannon potentiaalia Pohjois-Savossa. Puun osuus on kokonaisuutena merkittävä, mutta pienen teholuokan sähköntuotannossa maatalouden biokaasun tuotantoa tarkasteltiin tarkemmin. Lähtökohdaksi otettiin, että Pohjois-Savossa noin 20 maatilaa voisi toteuttaa sähköä tuottavan biokaasulaitoksen. Tällöin tilan omasta lietelannasta saatavalla biokaasulla voidaan tuottaa yhteensä jopa 2250 MWh sähköenergiaa vuodessa. Lietelannan lisäksi muun biojätteen tai kasvinosien käyttö mädätysprosessissa olisi tärkeää, jotta laitoksen kaasuntuotto olisi riittävää. Tavoitteeksi kirjattiin, että projektissa suunnitellaan ja toteutetaan paikallisten sähköntuotantoyksiköiden verkkoonliittyminen. Verkkoonliittymiskonsepteja kehitettiin ja toteutettiin kaksi kappaletta. Kiuruvedellä sijaitseva Pitkäkosken vesivoimalaitos edustaa perinteistä sähköntuotantoteknologiaa. Tahtigeneraattoriin suunniteltiin uusi ohjaus- ja suojausjärjestelmä sekä valvonta ja kaukokäyttö modernilla automaatiojärjestelmällä. Ensisijaisena tavoitteena oli pyrkiä integroimaan vesivoimalaitoksen automaatio ja suojaus ohjelmoitavina ominaisuuksina automaatiojärjestelmään. Pitkäkosken projektissa tässä onnistuttiin ja saatiin rakennettua piensähköntuotantoon taloudellisesti järkevä ja joustava ohjausjärjestelmä, joka on sopiva ja avoin myös biovoimalaitoksen prosessiohjauksessa. Projektin loppuvaiheessa saatiin myös arvokasta tietoa järjestelmän toiminnasta, jolloin voitiin tehdä tarpeellisiksi katsottuja säätöjä ja virityksiä. Toisena toteutettuna verkkoonliittymisratkaisuna toteutettiin ja testattiin staattinen verkkoonliittymismalli. Hankittu laitteisto on suunniteltu toimimaan kiinteän sähköverkon kanssa. Laitteisto saatiin toimimaan kestomagneettigeneraattorin kanssa verraten hyvin rinnankytkentätilanteessa eli kiinteän sähköverkon kanssa. Staattisen liittymismallin jatkotutkimusta on suunnattava kehittäminen myös saarekkeessa toimivaan itsenäiseen järjestelmään vaatii lisätutkimusta ja on kestomagneettigeneraattoritekniikan yleistyessä ensiarvoisen tärkeää. Hakusanat: paikallinen sähköntuotanto, verkkoonliittymistekniikka 3

5 4

6 SISÄLLYSLUETTELO SLUETTELO ALKUSANAT PAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAUS... 8 xx1.1 Paikallissähkö osana DENSY-tutkimusohjelmaa... 8 xx1.2 Raportin rakenne... 8 xx1.3 Paikallissähköhankkeen ohjausryhmä SÄHKÖNTUOTANTO PIENTUOTTAJAN NÄKÖKULMASTA xx2.1 Pienimuotoisen sähköntuotannon määrittely ja verkkoon pääsy xx2.2 Verkkoonliittyjän tekniset laatuvaatimukset Sähköverkkoyhtiön suositus verkkoon liittymisestä Jännite- ja taajuuspoikkeamat Suojaus xx2.3 Esimerkkejä pienimuotoisesta sähköntuotannosta Yleistä Maatalouden biovoimalaitokset Biokaasulla tuotetun energian käyttökokemuksia MAATALOUDEN BIOVOIMALAITOSTEN xxsähköntuotantomahdollisuudet POHJOIS-SAVOSSA xx3.1 Valtakunnallisia arvioita maatalouden energiantuotannon potentiaalista ja käytöstä xx3.2 Potentiaalikartoitus xx3.3 Taustatietoja potentiaalikartoituksen tarkentamiseen, lietelannasta biokaasua xx3.4 Skenaariot maatalouden lietteistä saatavan biokaasun sähköntuotantopotentiaalista xx3.5 Energiataseselvitys PIENIMUOTOISEN SÄHKÖNTUOTANNON VERKKOONLIITTYMISEN xxsuunnittelun TAVOITTEET xx4.1 Yleisiä tavoitteita xx4.2 Automaation tarve xx4.3 Tekninen ympäristö ja käytettävyys xx4.4 Tekninen taloudellisuus VERKKOON LIITTYMINEN VESIVOIMALAITOSKOHTEESSA xx5.1 Pitkäkosken vesivoimalaitos Francis-turbiini Turbiinin säätölaite Tahtigeneraattori Tahtigeneraattorin vanha sähkökeskus Magnetoinnin säätölaite Putkiturbiini xx5.2 Uusi sähköpääkeskus Voimalan liittyminen verkkoon Oma energiankäyttö Katkaisijat Elektroninen suojarele Alijännitelaukaisija

7 xx5.3 Verkkoyhtiön suosituksen mukainen verkkoonliittyminen xx5.4 Verkkoonliitäntälaitteisto Logiikka Logiikan I/O-kortit Ohjelmointiohjelma PL7 pro Valvomo Vikatilanteet Pyörimisnopeusvalvonta Tehoanalysaattori Tahdistin Ohjelmalliset suojat ja liityntäautomaatio Energiamittari xx5.5 Automaation toimintaselostus Tahtigeneraattorin tehotasapainon hallinta Loistehon tuotanto xx5.6 Kokeet ja mittaukset xx5.7 Seurantatietoja xx5.8 Verkkoonliityntäsautomaation kustannukset xx5.9 Verkkoonliittymisratkaisun tuotteistaminen STAATTINEN VERKKOONLIITTYMISLAITTEISTO xx6.1 Suunnitelma xx6.2 Käyttöönotto ja koestus xx6.3 Laitteiston jatkokehitysnäkymiä TULEVAISUUDEN NÄKYMIÄ YHTEENVETO LÄHTEET Liite 1 Energiataseselvitys nautakarjatila Liite 2 Energiataseselvitys sikatila

8 ALKUSANAT Tekesin koordinoimassa DENSY-tutkimusohjelmassa (Hajautettujen energiajärjestelmien teknologiaohjelma) kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiä sekä niihin liittyviä palveluita. Ohjelma käynnistyi vuonna 2003 ja se jatkuu vuoteen Yksi DENSY:n hankkeista on Savonia-amk:n toteuttama Paikallissähköprojekti, jossa on kehitetty maaseudun paikallista sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmää, erityisesti siihen tarvittavaa verkkoonliittymistekniikkaa. Paikallissähköprojekti aloitettiin vuoden 2003 lopulla. Tuolloin oli tiedossa mm. se, että valtakunnallinen työryhmä valmistelee uutta piensähköntuottajan verkkoonliittymissuositusta. Oli myös tiedossa, että Tekesin DENSY-tutkimusohjelma on alkamassa. Paikalliset toimijat (verkkoyhtiö, maatilat) olivat myös hyvin kiinnostuneita hajautetusta sähköntuotannosta. Kun kaikki tarpeet koottiin yhteen, nähtiin varsin selkeänä tavoitteena, että Savonia-amk rakentaisi uuden standardin mukaisen verkkoonliittymiskonseptin käyttäen uuden automaatiotekniikan laitteita ja järjestelmiä. Tavoitteena oli selkeän tuotekonseptin määrittäminen. Projekti määriteltiin varsin toteutuspainotteiseksi. Suunnitelmassa asetettiin tavoitteeksi kolmen erilaisen konseptin toteuttaminen: laboratoriolaitteisto, vesivoimalaitoksen verkkoonliittyminen ja maaseudun biovoimalaitoksen verkkoonliittyminen. Kaksi ensimmäistä pystyttiin toteuttamaan; valitettavasti biovoimalaitoskohdetta ei Pohjois-Savosta vielä projektin aikana löytynyt. Alkuvaiheessa kartoitettiin paikallisen sähköntuotannon potentiaali Pohjois-Savossa. Varsinkin maatalouden sähköntuotantopotentiaalin määrittäminen katsottiin tarpeelliseksi. Tässä projektiraportissa kerrotaan maatalouden sähköntuotantopotentiaalikartoituksen tuloksia, esitellään vesivoimalaitoksen verkkoonliittymisen toteutus uudella automaatiotekniikalla, ja esitellään staattinen verkkoonliittymislaitteisto, joka rakennettiin oppilaitoksen laboratorioon. Molemmat rakennetut laitteistot (järjestelmät) esitellään siten, että ne voisivat olla tuotteina rakennettavissa tuleviin esim. maatalouden biovoimalaitoksiin. Tekijät haluavat kiittää rahoittajia ja yhteistyökumppaneita ohjauksesta ja mielenkiinnosta projektiamme kohtaan. Erityiskiitos Seppo Pietikäiselle, joka luovutti voimalaitoksensa projektin ajaksi koelaboratoriokäyttöön. Toivomme, että hankkeen tuloksena syntyneet toteutuskonseptit voidaan ottaa käyttöön ja niitä sovelletaan tulevissa sähkön pientuotannon kohteissa. Kuopiossa Henrik Sikanen, Risto Rissanen, Juhani Rouvali Savonia-ammattikorkeakoulu 7

9 1. PAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAUS US 1.1 Paikallissähkö osana DENSY-tutkimusohjelmaa Hajautetulla, paikallisella ja pienimuotoisella sähköntuotannolla tarkoitetaan käytännössä samaa asiaa. Kyse on sähköntuotannosta, jolla on tehona määriteltävä kokoluokka ja joka liitetään ns. pienjänniteverkkoon. Kansallista merkitystä kuvaa se, että Tekes käynnisti DENSY-tutkimusohjelman, jossa kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiä sekä niihin liittyviä palveluita. Ohjelma käynnistyi vuonna 2003 ja se jatkuu vuoteen Yksi DENSY:n hankkeista on Savonia-ammattikorkeakoulun (lyh. Savonia-amk) toteuttama "Paikallissähköprojekti", jossa on kehitetty maaseudun paikallista sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmää, erityisesti siihen tarvittavaa verkkoonliittymistekniikkaa. Projektin pitkäksi työnimeksi asetettiin "Maaseudun paikallinen sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmä". Paikallissähköprojekti on Savonia-ammattikorkeakoulun, Tekniikka Kuopion tutkimusprojekti. Projekti käynnistyi ja päättyi syksyllä Rahoitusta projektille ovat myöntäneet Tekes, Savon Voima Myynti Oy, Voimatel Oy ja MTK. Maaseudun sähköntuotantopotentiaalin kartoitus oli yksi ensimmäisistä projektin selvityskohteista. Keskityttiin erityisesti maaseudun biovoimantuotannon mahdollisuuksiin. Tätä potentiaaliarviota tarkennettiin projektin kuluessa useasti. Tavoitteeksi kirjattiin, että projektissa suunnitellaan ja toteutetaan paikallisten sähköntuotantoyksiköiden verkkoonliittyminen. Tavoitteena oli etsiä Itä-Suomen alueelta kaksi erilaista sähköenergiaa tuottavaa pienen kokoluokan sähköntuotantoyksikköä, joista ainakin toinen olisi biokaasulaitos. Näihin kohteisiin suunniteltaisiin ja rakennettaisiin verkkoonliittymislaitteisto. Tämän lisäksi asetettiin tavoitteeksi, että Savonia-amk:n sähkölaboratorioon rakennetaan erillinen tutkimus- ja simulaatiojärjestelmä. Tavoitteena oli selkeän tuotekonseptin määrittäminen. 1.2 Raportin rakenne Tässä tutkimusraportissa käsitellään aluksi taustatekijöitä, joiden vuoksi paikallinen sähköntuotanto katsotaan nykyisin varteenotettavaksi ja kannattavaksi sähköntuotantomuodoksi. Erityisesti ns. biokaasulaitokset muodostavat tärkeän, uuden teknologian paikallisessa sähköntuotannossa. Esitetään katsaus biokaasulaitosten nykytilanteesta. Raportissa esitellään myös viime aikoina tehtyjä päätöksiä ja suosituksia liittyen paikallisen sähköntuotannon tekniikkaan ja taloudellisuuteen. Paikallisen sähköntuotannon potentiaalia Itä-Suomessa arvioidaan eri lähteistä saaduista tiedoista. Lähtötietoina on käytetty valtakunnallisia selvityksiä ja tämän tutkimushankkeen osana tehdyn insinöörityön tuloksia. Maatalouden biovoimalla tuotetun paikallisen sähköntuotannon potentiaali on laskettu em. insinöörityössä, mutta tästä saatua arviota on täydennetty mm. todellisista lantaanalyyseista saaduilla tiedoilla lannan sisältämästä metaanista. Potentiaali esitetään skenaarioina. Koekohteiden suunnittelun periaatteena oli, että paikallinen sähköntuotantoyksikkö voisi tuottaa sähköä mahdollisimman luotettavasti ja turvallisesti. Luonnollisesti laitteiden ja järjestelmien vikavirtasuojaus, laiteturvallisuus ja työturvallisuus ovat silloin tärkeimmät kriteerit. Toiminnallisesti eritellään kolme vaihtoehtoa: - rinnankäyttö eli verkkokäyttö, jolloin paikallinen tuotantoyksikkö toimii verkon kanssa rinnan, 8

10 ja jakeluverkon jännite on edellytys toiminnalle (kuten "valtakunnan verkkoon" kytketty voimalaitos), tai - saarekekäyttö, jolloin paikallinen tuotantoyksikkö toimii vain, kun ulkoinen jakeluverkko on kytketty irti ja tuotantoyksikkö tuottaa paikallisesti tarvittavan sähkön esim. tilan sähkölaitteille (kuten varavoimakone), tai - rinnan/saarekekäyttö, jolloin paikallinen tuotantoyksikkö voi tuottaa sähköä erilaisissa kytkentätilanteissa. Kiuruvedeltä löydettiin vesivoimalaitos, joka otettiin koekohteeksi. Voimalaitoksen verkkoonliittyminen suunniteltiin uudella tavalla, suunnitelma toteutettiin, ja järjestelmän toimintaa seurattiin projektin lopussa. Tämä kohde uudistettiin modernilla automaatiotekniikalla rinnan/saarekekäyttöön. Kohteen kokemusten perusteella esitetään yksi verkkoonliittymiskonsepti kustannusarvioineen. Vaikka kyseessä on vesivoimalaitos, konsepti sopii myös mm. biovoimalaitoksen verkkoonliittymiseen. Todettakoon tässäkin yhteydessä, että yrityksistä huolimatta sellaista itäsuomalaista biovoimalaitoskohdetta ei löytynyt, joka olisi voitu liittää sähköverkkoon. Toisena verkkoonliittymiskonseptina esitetään laboratoriolaitteisto, jossa verkkoonliittyminen toteutetaan ns. staattisella laitetekniikalla. Kyse on tehoelektroniikan sovelluksesta, jossa tehon siirrossa käytetään tasasähkövälipiiria. Tekniikkaa on käytetty jonkin verran mm. tuulivoimasovelluksissa, mutta yleisen tuotekonseptin tekeminen vaatii vielä yhteistyötä laitetoimittajien kanssa. 1.3 Paikallissähköhankkeen ohjausryhmä Paikallissähköhankkeen ohjausryhmätyöskentelyyn ovat osallistuneet: teknologia-asiantuntija Pasi Heiskanen myyntipäällikkö Hannu Koistinen laboratorioinsinööri Risto Rissanen yliopettaja Juhani Rouvali toiminnanjohtaja Juhani Savolainen projekti-insinööri Henrik Sikanen palvelupäällikkö Hannu Tervonen Tekes Voimatel Oy Savonia-ammattikorkeakoulu Savonia-ammattikorkeakoulu MTK-Pohjois-Savo ry Savonia-ammattikorkeakoulu Savon Voima Oyj 9

11 2. SÄHKÖNTUOTANT ANTO O PIENTUOTT TTAJAN NÄKÖKULMASTA 2.1 Pienimuotoisen sähköntuotannon määrittely ja verkkoon pääsy Avoimilla sähkömarkkinoilla sähkön tuotanto on kilpailtua. Kuka tahansa saa tuottaa sähköä verkkoon toteuttaessaan ympäristö- ja laatuvaatimukset. Sähkömarkkinalain mukaan verkonhaltijoilla (verkkoyhtiöt) on liittämisvelvollisuus verkkoonsa liittymään haluavalle sähköntuotannolle ja siirtovelvollisuus siirtää tuotettu sähkö markkinapaikalle kohtuullista korvausta vastaan. Sähkön ja lämmön yhteistuotantoa tuetaan antamalla investoinneille harkinnanvaraista investointiavustusta ja myöntämällä verotuksen kautta tuotantotukea. Loppuvuodesta 2005 hallituksen eduskunnalle antamassa energia- ja ilmastopoliittisessa selonteossa todetaan, että yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon edistämiseksi sekä biopolttoaineiden ja uusiutuvien energialähteiden käytön lisäämiseksi pienvoimalaitosten verkkoon liittymistä helpotetaan energiamarkkinoiden sääntelyä kehittämällä. Kauppa- ja teollisuusministeriön ja Energiamarkkinaviraston yhteisenä virkatyönä on keväällä 2006 valmisteltu ehdotukset verkkoon pääsyn helpottamisesta (Pienimuotoisen ). Työryhmän mukaan pientuotannon verkkoon pääsyn erityiskysymykset liittyvät jakeluverkkoon. Pientuotannolle tulee kustannuksia jakeluverkkosiirrosta toisin kuin ylemmille verkkotasoille liittyville suurille voimaloille. Lisäksi liittymispisteet voivat olla etäällä muusta verkosta, jolloin joudutaan rakentamaan paljon uutta verkkoa pientä tuotantomäärää varten. Pienvoimaloita rakennetaan myös usein pienien maaseutuverkkojen alueille, joissa verkonhaltijalla ei ole aiempaa kokemusta tuotannon liittämisestä verkkoon. Verkkoyhtiöiden siirtotariffit voivat eri yhtiöillä poiketa voimakkaastikin toisistaan, ilman että kalliimpien yhtiöiden hinnat olisivat lainvastaisia. Yhtiöiden väliset hintaerot voivat johtua yhtiöiden erilaisista toimintaolosuhteista tai hinnoittelussa käytettyjen periaatteiden erilaisuudesta. Edellä mainitut tekijät voivat muodostaa pienimuotoisen tuotannon kannalta sen kilpailukykyä ratkaisevasti heikentäviä kynnyksiä markkinoille pääsyssä. Yksityiskohtaiset ehdotukset pienimuotoisen sähköntuotannon verkkoon pääsyn edistämiseksi liittyvät pienimuotoisen tuotannon rajaukseen, liittymisjohdon rakentamisen kustannuksiin, liittymismaksun tukikelpoisuuteen ja tuotannon siirtomaksulle asetettavaan valtakunnalliseen ylärajaan. Lähitulevaisuus osoittaa, miten työryhmän ehdotukset voivat toteutua. VTT:n tutkimusraportissa esitetään, että pientuotantoa ei pitäisi määritellä tehon perusteella, koska tehorajan määrittäminen on keinotekoista. Voimalan käsite on myös määriteltävä yksiselitteisesti. Energiamarkkinaviraston täyttöohjeiden mukaan yhdeksi voimalaksi voidaan nykyisin määritellä useiden yksiköiden muodostamaa teknisesti yhtä toimintakokonaisuutta. Verkon ja siirtomaksujen kannalta on yhdentekevää onko liittymispisteen takana yksi vai useita tuotantoyksiköitä. Toisaalta yksittäinen tuotantoyksikkö voi toimia itsenäisesti ja siten täyttää voimalan tunnusmerkit. Jos pientuotanto määritellään tuotantotehon perusteella, tehorajaa on hyvin vaikea määritellä. Selkeintä ja suoraviivaisinta olisi siten määritellä pientuotanto jännitetason mukaan eikä tehon mukaan. Määritelmä voisi kuulua: pienvoimala on sähköntuotantolaitos, joka on liitetty verkonhaltijan pien- tai keskijänniteverkkoon (400 V...70 kv) tai siihen liitetyn asiakkaan verkkoon (Lemström 2006). 10

12 2.2 Verkkoonliittyjän tekniset laatuvaatimukset Sähköenergialiitto ry SENER on julkaissut suosituksen pienvoimaloiden liittämisestä jakeluverkkoon vuonna Suosituksessa on esitetty eri voimalaitostyyppejä koskevat keskeiset vaatimukset koskien niiden turvallisuutta, suojausta ja häiriövaikutuksia. Julkaisu on suunnattu ohjeeksi verkonhaltijoille yleiseen jakeluverkkoon liitettävän pienvoimalan tapauskohtaisesta menettelystä. Yleistä valtakunnallista verkkoon liittämistä koskevaa suositusta ei vielä ole julkaistu. Sähköyhtiöt ovatkin koonneet omat suosituksensa Senerin antamien ohjeiden pohjalta. Energiateollisuus ry on julkaissut sähköntuotannon verkkopalveluehdot TYPE 05 suosituksen, jossa kohdan mukaan: "Standardien puuttuessa sopijapuolet voivat sopia noudatettavista ohjeista. Jakeluverkon haltija voi myös antaa kansainväliseen käytäntöön ja hyvään sähkölaitteistojen rakennus- ja käyttötapaan perustuvia suosituksia tai ohjeita sähköntuottajan laitteistojen jakeluverkkoon liittämiseksi. Sopijapuolet vastaavat omien laitteistojensa sääntöjen ja määräysten mukaisuudesta mahdollisista ohjeista ja suosituksista riippumatta." Sähköverkkoyhtiön suositus verkkoon liittymisestä Jakeluverkonhaltijana Savon Voima (SV) on tehnyt suositusluonnoksen siitä, kuinka liittyminen tulisi toteuttaa. Seuraavaksi on esitelty osioita tuosta luonnoksesta. Ohjeen tarkoitus on määritellä ehdot, joiden avulla mahdollistetaan asiakkaiden omien, kiinteästi asennettujen voimalaitteistojen käyttö Savon Voiman jakeluverkossa, aiheuttamatta häiriöitä jakeluverkolle ja sen muille käyttäjille tai varaa sen kanssa tekemisissä oleville henkilöille. Erityisesti jakeluverkon haltijan tietämättä syntyvät takajännitteet ja yleisen jakeluverkon eroaminen erilliseksi asiakkaan voimalaitteiden syöttämäksi saarekkeeksi tulee olla estetty. SV:n jakeluverkkoon liitetyt voimalaitokset jaotellaan neljään ryhmään seuraavasti: Lk 1 Yleisestä jakeluverkosta aina erillään toimivat voimalaitteistot Lk 2 Yleisestä jakeluverkosta erillään käyvät automaattisella syötönvaihdolla toteutetut voimalaitteistot Lk 3 Yleisen jakeluverkon kanssa rinnan käyvät voimalaitteistot Lk 4 Yleisen jakeluverkon kanssa rinnan käyvät pienvoimalaitokset, joiden ylijäämäenergia voidaan myydä jakeluverkkoon. Koekohteena oleva vesivoimalaitos kuuluu luokkaan 4, joten keskitytään siihen. Ohjeet voimalaitosten käytölle ja relesuojaukselle määritellään aina tapauskohtaisesti. Yleisohje: - voimalaitteisto ei saa aiheuttaa häiriötä sähköverkkoon käynnistymisen eikä normaalinkäytön aikana. Laitteiston syöttämän sähkön tulee täyttää yleiseen jakeluun tarkoitetun sähkön laatustandardien vaatimukset. Laitteisto on tätä varten varustettava tarpeellisilla säätölaitteilla. - asynkronigeneraattorin sähköverkkoon kytkeminen tulee yleensä tapahtua % synkronisella pyörimisnopeudella. Mikäli generaattorin käynnistysvirta on niin pieni, ettei se aiheuta häiriöitä sähköverkkoon, voidaan sopia muunlaisesta käynnistymisestä. 11

13 - voimalaitteisto on varustettava laitteilla, joilla sen voi erottaa yleisestä jakeluverkosta. Näiden laitteiden on oltava jatkuvasti SV:n käytettävissä. - SV:llä on oikeus erottaa voimalaitteisto verkosta, jos verkkotyöt niin edellyttävät. - SV voi erottaa voimalaitteiston verkosta ilman eri ilmoitusta, jos se ei täytä liittymälle asetettuja vaatimuksia tai aiheuttaa häiriöitä muulle verkolle. - laitteistolla täytyy olla nimitetty käytönjohtaja ja paikallinen vastuuhenkilö. Voimalaitteisto ei saa jäädä syöttämään SV:n jakeluverkkoa silloin, kun verkkoa ei syötetä muualta, koska verkon uudelleen syöttäminen on voitava aloittaa ilman asiakkaan voimalaitteistoon kohdistuvia toimenpiteitä. Erottaminen on tarpeen myös jakeluverkon työturvallisuuden varmistamiseksi ja sen vuoksi, että pienvoimalaitteiston sähkölaitteita ei yleensä pystytä estämään verkkoon liitetyille sähkölaitteille vaarallisten jännite- ja taajuuspoikkeamien syntymistä silloin, kun voimalaitteisto jää yksinään syöttämään verkkoa. Voimalaitteisto on varustettava vähintään seuraavilla turvallisen ja tarkoituksenmukaisen toiminnan edellyttämillä suojalaitteilla: - Yksinään syötön estämiseksi jänniterele, joka laukaisee generaattorin irti verkosta, kun jännite poikkeaa enemmän kuin 15 % nimellisjännitteestä, tai taajuusrele, joka laukaisee generaattorin irti verkosta, kun taajuus poikkeaa enemmän kuin 3 Hz nimellistaajuudesta (50 Hz). Jännitettä tai taajuutta valvova rele tarvitaan paitsi synkronigeneraattoreilla myös asynkronigeneraattoreilla, koska jännitettä ylläpitävää kondensaattoritehoa voi olla kytkeytyneenä verkon osaan, jota se voi jäädä yksinään syöttämään. - Kuluttajalaitteiden suojaus vaarallisilta jännite- ja taajuuspoikkeamilta: xx- ylijännitesuoja U> xx- alijännitesuoja U< xx- ylitaajuussuoja f> xx- alitaajuussuoja f< Jännitereleiden tulee olla kolmivaiheisia. - Oikosulkusuoja: - ylivirtarele - ylikuormitussuoja. - Koneisto on oman suojauksen kannalta tarpeen varustaa muillakin suojalaitteilla. SV ei vastaa sähköverkkonsa häiriöiden mahdollisista vaikutuksista asiakkaan voimalaitokseen. - SV suosittaa voimalaitteiston suojaukselle ja rakenteelle asetettavan sellaisia vaatimuksia, että voimalaitteisto sietää rinnankäyntitilanteissa rikkoutumatta SV:n verkon käyttöhäiriöt, so. oikosulut, maasulut pikajälleenkytkentöineen, yllättävät jakelukeskeytykset ja taajuushäiriöt. Em. häiriöt voivat aiheuttaa voimalaitokselle jännitteen palatessa tahdistamattoman jälleenkytkeytymisen elleivät suojareleet ole erottanet voimalaitteista SV:n verkosta (SV:n 20 kv:n keskijännitejakeluverkon automaattinen pikajällenkytkentä voi tapahtua 0,4 s keskeytyksen jälkeen). 12

14 SV:lle tulee toimittaa luokan 4 laitteistosta seuraavat tiedot hyvissä ajoin ennen suunniteltua verkkoon liittymistä: - voimakoneen ja generaattorin valmistaja ja sarjanumero - voimakoneen laji (vesi, tuuli, kaasu, diesel jne.) - generaattorin laji ja vähintään seuraavat arvot: - nimellisteho S n - nimellisjännite U n - reaktanssit X d '', X d ', X d, X 2 - aikavakiot T do '', T do ' - särökerroin - magnetointilaitteiston tyyppi - mahdollisimman tarkat tiedot oikosulkukäyttäytymisestä (oikosulkuvirran muutokset ajan funktiona säätölaitteiden toiminta huomioon ottaen) - jos generaattori on blokkikytkentäinen, lisäksi blokkimuuntajan arvot: xx- nimellisteho S n xx- muuntosuhde xx- kytkentäryhmä xx- oikosulkuimpedanssi u k - asiakkaan verkon kytkentäkaavio - generaattorin suojauskaavio toiminta-arvoineen - asiakkaan keskijänniteverkon suojauskaavio toiminta-arvoineen Suojareleiden toiminta-arvojen asetteluarvojen määritys tapahtuu yhteistyössä SV:n kanssa. Laitos saadaan kytkeä SV:n verkkoon vasta kun SV on antanut siihen luvan. Ennen käyttöönottoa SV:lle on toimitettava suojareleiden koestuspöytäkirjat. Luokan 4 laitoksissa suositellaan liittämiskohdan sähkön siirron mittauksen olevan varustettu kahdensuuntaisella tuntienergiaa rekisteröivällä, kaukoluettavalla mittauksella, erityisesti yli 2 MW generaattoritehon asiakaslaitoksissa. Luokan 4 voimalaitteista tehdään aina erillinen käyttösopimus verkonhaltijan kanssa riippumatta siitä kuka on sähkön myyjä. 13

15 2.2.2 Jännite- ja taajuuspoikkeamat Yleisen jakeluverkon jännitettä ja taajuutta koskevat säännökset määräävät standardissa SFS-EN 50160, että jännitteen jokaisen viikon aikaisten 10 minuutin tehollisarvoista tulee 95 % olla välillä ± 10 % nimellisjännitteestä. Taajuus voi vaihdella rajoissa, missä 99,5 % on sovittava välille 49, ,5 Hz ja kaikki muutokset eli 100 % välille Hz. Pienvoimaloille on asetettu omat raja-arvonsa, joiden sisällä laitteiston tuottaman sähkönlaadun tulee pysyä. Nämä arvot poikkeavat yleiselle jakeluverkolle asetetuista vaatimuksista ja ovat standardiarvoja tiukempia, sillä nykyaikaisten laitteiden tulee pystyä saavuttamaan standardia pienemmät arvot. Vesivoimalaitoskohteessa voimalan syöttäessä energiaa jakeluverkkoon kohoaa liittymispisteen jännite noin 10 volttia yli nimellisen, mikä on tyypillistä voimantuotannossa. Tosin verkon jännite on hieman yli nimellisen arvon jo sen takia, että jakelumuuntaja sijaitsee voimalan välittömässä läheisyydessä. Generaattorin verkkoonliittyminen ja verkosta eroaminen hoidetaan standardin määrittelemissä rajoissa. Saarekekäytön aikana, jolloin syötetään tilan omaa verkkoa, näitä esitettyjä raja-arvoja ei voida täysin noudattaa. Syynä tähän menettelyyn on tavoite pitää saareke jännitteellisenä verkon sortuessa jonkin vian seurauksena. Tämä verkosta irtoamistilanne on yleensä niin raju, että saarekkeen suojauksessa ei voida käyttää samoja jännite- ja taajuusrajoja kuin verkon suojauksessa. Saarekkeelle on määritelty jännitteen raja-arvoiksi alarajaksi 180 V ja ylärajaksi 270 V. Taajuus saa vaihdella Hz välillä saarekekäytössä, muutostilanteiden aikana Suojaus Suojaukselle asetettavia vaatimuksia ovat selektiivisyys, aukottomuus ja luotettavuus. Pienvoimalan liittäminen jakeluverkkoon nostaa esille monia huomioon otettavia asioita, jotka liittyvät verkon suojauksen toimivuuteen ja yleiseen turvallisuuteen. Taulukossa 1 on esitelty suojareleiltä vaadittavia toiminta-aikoja. Toimivan suojauksen avulla on mahdollista voimalan käyttö jakeluverkossa siten, että siitä ei aiheudu häiriöitä tai vaaraa verkolle ja muille kuluttajille tai verkolla työskenteleville henkilöille. Esitellyt suojauksen perusvaatimukset tarkoittavat pienvoimalan tapauksessa seuraavaa: - suojauksen on erotettava pienvoimala verkosta silloin, kun verkkoa ei syötetä muualta tai kun verkon jännite katoaa kokonaan tai osittain. Erottaminen on tarpeen mm. työturvallisuuden varmistamiseksi. - verkon uudelleen syöttäminen on voitava aloittaa ilman pienvoimalaan kohdistuvia toimenpiteitä. - pienvoimala ei saa aiheuttaa johdon jälleenkytkennän epäonnistumista pitämällä valokaarta yllä vikapaikassa. - suojauksen on erotettava pienvoimala verkosta, jos verkon jännite ja taajuus poikkeavat normaalista. - pienvoimalaa ei saa kytkeä verkkoon, jos yleisen jakeluverkon kaikki vaiheet eivät ole jännitteellisiä. - muiden asiakkaiden turhia verkosta erottamisia on vältettävä. Pienvoimalan suojauksen on oltava selektiivinen verkon muun suojauksen kanssa. Myöskään itse voimalaitos ei saisi tarpeettomasti erota verkosta. (Sener 2001) 14

16 Taulukko 1. Suojausreleiltä vaadittavia toiminta-aikoja. (Kuopion Energia 2006) Rele Ylijännite Alijännite Ylitaajuus Alitaajuus Asetteluarvo Un + 15 % Un + 10 % Un - 15 % Un - 50 % 51 Hz 48 Hz Toiminta-aika 0.15 s 1.5 s 5 s s 0.2 s 0.2 s 2.3 Esimerkkejä pienimuotoisesta sähköntuotannosta Yleistä Pienet, suuruusluokaltaan alle 100 kw tuotantolaitokset voidaan liittää pienjänniteverkkoon (400 V) joko oman liittymispisteen kautta tai sähkönkäyttöpaikan rinnalle yhteisen liittymispisteen taakse. Jakelumuuntajan napoihin liitetty voimala voi olla suurempi, suuruusluokaltaan muutamia satoja kilowatteja. Pienjänniteverkkoon liitettäviä tuotantoteknologioita ovat esimerkiksi maatilojen biokaasulaitokset, aurinkosähköjärjestelmät ja mikroturbiinit. Keskijännitteeksi lasketaan jännitetasot 6-70 kv. Keskijänniteverkko on Suomessa tavallisesti 20 kv tai 10 kv. Voimalan maksimikoko riippuu liittymispisteen oikosulkutehosta ja siten vahvasti liittymispisteen etäisyydestä sähköasemalta. Lähelle sähköasemaa tai omalla keskijännitelähdöllä suoraan 110/20 kv sähköasemaan voi liittää tuotantoa noin MW verran. Yli 500 kw voimaloilla on yleensä voimalaitoskohtaiset jakelumuuntajat, jonka kautta ne liittyvät keskijänniteverkkoon. Suomessa on, määrittelystä riippuen, kolmisen sataa pienvoimalaa. Alle 1 MW laitoksia näistä on noin Taulukossa 2. on esitetty arvio Suomen lämpö-, vesi- ja tuulivoimaloiden määristä ja pienten voimaloiden osuus voimalatyypeittäin. Aurinkosähköjärjestelmät, joita on vain muutama, eivät ole mukana taulukon tiedoissa. Taulukko ei ole ajantasainen, koska vuoden 1996 jälkeen voimaloiden teho- ja tuotantotiedot lakkasivat olemasta julkisia. Taulukko 2. Suomen lämpö-, vesi- ja tuulivoimaloiden lukumäärät ja osuus kokoluokittain (Lemström 2006). Lämpövoima Vesivoima Tuulivoima Laitoksia yhteensä n. 280 n MW 15 % 11 % 2,5-5 MW 12 % 10 % 2 % 1-2,5 MW 5 % 19 % 37 % alle 1 MW 3 % 31 % 61 % 15

17 Valtaosa näistä voimaloista on liitetty keskijänniteverkkoon. Jakeluverkonhaltijat ilmoittivat vastaanottaneensa vuonna 2004 pienjänniteverkossa olevilta voimaloilta 35 GWh ja keskijänniteverkon voimaloilta 1735 GWh. Suomessa tuotettiin biokaasulaitosrekisterin mukaan vuonna 2005 yhteensä 144,9 miljoonaa m 3 biokaasua reaktorilaitoksilla. Ylivoimaisesti suurin kaasuntuotanto on kaatopaikoilla, joilla tuotettiin118,4 miljoonaa m 3 biokaasua. Yhdyskuntien ja teollisuuden jätevedenpuhdistamot tuottivat 26,5 miljoonaa m 3 biokaasua. Maatalouden biokaasuntuotanto oli m 3. (Kuittinen 2006) Edellä mainitusta kokonaismäärästä noin 65 % hyödynnettiin lämmön ja sähkön tuotannossa. Lämpöä tuotettiin biokaasulla 380,5 GWh ja sähköä 42,1 GWh. Sähköstä 27,7 GWh tuotettiin yhdyskuntien jätevedenpuhdistamoissa. Esimerkkilaitoksena esitetään maatalouden biokaasulaitokset (luku 2.3.2) ja Kuopion Lehtoniemen jätevedenpuhdistamon biokaasulaitos (luku 2.3.3) Maatalouden biovoimalaitokset Maataloudessa lannan ja muiden orgaanisten jätteiden käsittelyssä anaerobinen käsittelytapa on varteenotettava vaihtoehto. Tätä puoltavat mm. paraneva hygienia, hajuhaittojen väheneminen ja tuotetun biokaasun kautta saatava taloudellinen hyöty. Tilakohtaisia biovoimalaitoksia oli vuoden 2005 lopulla toiminnassa Halsualla, Kalajoella, Jepualla, Nivalassa, Laukaassa ja Taipalsaaressa. (Kuittinen 2006) Kiinnostusta biokaasulaitosten rakentamiseen ovat lisänneet parantuva energiaomavaraisuus, mahdollisuus kaasun ajoneuvokäyttöön sekä ympäristönäkökohtien huomioiminen. Vuoden 2005 lopussa uusia reaktorihankkeita oli valmistumassa tai jo toiminnassa Haapavedellä, Kalannissa, Nivalassa, Orivedellä, Säkylässä ja Virroilla. Vuoden 2005 tuotantotilastojen mukaan biokaasua tuotettiin m3, josta melkein kaikki hyödynnettiin lämmön ja sähkön tuotantoon. Lämpöä tuotettiin toiminnassa olevilla laitoksilla 1149 MWh. Vain kahdella tilalla tuotettiin sähköä: Halsualla 104 MWh ja Laukaalla 47 MWh (yhteensä 151 MWh). Kuvassa 1 esitetään periaatekuva biokaasun tuottamisesta ja käytöstä maatilalla. Kuva 1. Biokaasun käyttö maatilalla. 16

18 Halsualla toimii Metener Oy:n suunnittelema ja rakennuttama 250 m 3 biokaasureaktori. Raaka-aineena laitoksella käytetään sikalietettä, kunnan puhdistamo- ja sakokaivolietettä, perunajätettä sekä paperiteollisuuden massoja ym. biohajoavaa jätettä. Energiaa tuotetaan biokaasuaggregaatilla ja lämpökattilalla. Vuonna 2005 laitos tuotti m 3 biokaasua, josta saatiin lämpöä 386 MWh ja sähköä 104 MWh. Tuotettu sähkö ja lämpö käytetään sikalan ja biokaasulaitoksen tarpeisiin. Ylijäämälämpö johdetaan lauhduttimen kautta ulos. Ylijäämäsähkö ohjataan valtakunnan verkkoon Korpelan Voimalle. Laitoksen toimintavarmuus on ollut hyvä. Elokuusta 2005 alkaen reaktorin prosessilämpötila on nostettu +55 ºC:een. Kalmarin tilalla Laukaassa toimii tilan omana työnä valmistunut biokaasulaitos, jossa käsitellään tilan lietelannan lisäksi elintarviketeollisuuden sokeri- ja rasvajätteitä. Laitos tuottaa koko tilan tarvitseman lämpöenergian; sähköä tuotetaan lähinnä talvipäivisin. Aggregaatin tuottama hukkalämpö hyödynnetään lämmönvaihtimilla tilan keskuslämmityksessä. Tilalle on hankittu Suomen ensimmäinen biokaasulla toimiva henkilöauto vuoden 2002 lopulla. Jyväskylän yliopisto jatkaa tilalla tutkimuksiaan eri kasvimassoilla kahdessa eri pilottireaktorissa. Kalmarin tilalla tuotettiin biokaasua m 3 vuonna 2005, josta saatiin lämpöä 274 MWh ja sähköä 47 MWh. Energia tuotetaan biokaasukäyttöisellä Sisun ottomoottorilla, joka on muunnos Valtralle valmistettavasta dieselmoottorista. Kokoluokka tällä ns. Micro-CHP-laitoksella on sähkötehona 30 kw ja lämpötehona 60 kw. Virroilla on käynnistetty vuoden 2005 lopulla maatilaratkaisu, jossa on NHK-Keskus Oy:n ja Greenvironment Oy:n yhdessä kehittämä laitteisto, joka perustuu ns. mikroturbiinitekniikkaan. Rakenteeltaan mikroturbiini on käytännössä sama kuin polttomoottoreissa käytetty turboahdin. Ahdin syöttää erilliseen polttokammioon ilmaa ja johon syötetään polttoainetta. Kuuma palava pakokaasu purkautuu voimalla ulos turbiinin läpi pyörittäen sitä. Ahtimen päässä on 30 kw generaattori. Laitoksen lämpöteho on 60 kw. Mikroturbiinit ovat vielä melko kalliitta verrattuna kaasumoottoreiden hintoihin, mutta niiden huoltotarve on puolestaan vähäistä. Maatilaratkaisuissa (Halsua, Laukaa, Virrat) sähköntuotanto perustuu generaattoriin, joka toimii rinnan jakeluverkon kanssa. Verkkohäiriöiden seurauksena tällaiset generaattorit kytkeytyvät pois käytöstä eikä niitä käytetä ns. varavoimakoneena. Biokaasun mitoituksessa kaasun saannin arviointi on hyvin tärkeätä pystyä määrittämään tarkasti, jotta sitä polttavan laitteen mitoitus onnistuisi. Kaasua polttavan moottorin sähköntuottoteho on oltava riittävän suuri, jotta kaasun polttaminen kannattaa muuttuvien kulujen kannalta. Tämä tarkoittaa sitä, että maatilan kaasuntuottomäärät ohjaavat sitä, kannattaako kaasusta tuottaa lämmön lisäksi sähköä. Moni maatila on päätynyt polttamaan saadun kaasun kattilassa pelkästään lämpöenergiaksi. Aina ei siis ole tarve tuottaa sähköä biokaasusta, vaan maatilan oma energiantarve määrittelee minkä tyyppistä energiaa kannattaa tuottaa Biokaasulla tuotetun energian käyttökokemuksia Biokaasua on hyödynnetty jo vuosia teollisuusprosesseissa, joissa käsitellään suuria jätemääriä, sillä käsittelyprosesseissa muodostuvaa metaania kannattaa kerätä talteen ja polttaa lämpöenergiaksi. Yhdeksi esimerkkikohteeksi valittiin Kuopion Veden Lehtoniemen jätevedenpuhdistamo, joka on toiminut vuodesta 1974 lähtien. Laitoksella on biokaasumoottorilla toteutettu CHP- voimalaitos. Laitos käyttää bioreaktorista saatavaa biokaasua energianlähteenään. Laitos on suunniteltu niin, että se pystyy käymään valtakunnan verkon kanssa rinnan ja se voi syöttää ylijäämäenergiaa verkkoon tai pelkästään saarekkeena syöttäen omia varmennettuja kuormiaan. 17

19 Lehtoniemen jätevesipuhdistamo on otettu käyttöön Vuonna 1988 otettiin käyttöön mädättämö, josta saadaan biokaasua. Samassa yhteydessä laitoksella uusittiin lietteen kuivaus ja varastointi sekä osa automaatiota. Laajempi automaation uusiminen tapahtui vuonna Puhdistamon ensimmäinen kaasumoottori oli asennettu pyörittämään kompressoria, joka kehitti jäteveden puhdistamiseen tarvittavaa paineilmaa. Vuonna 2003 laitokselle asennettiin uusi kaasumoottori-generaattori-yhdistelmä ja samalla aloitettiin sähköntuotanto. Kaasumoottorin tuottama lämpö käytetään bioprosessin lämmitykseen ja saatava sähköenergia käytetään pääasiassa laitoksella. Biokaasumoottorin tekniset tiedot: Valmistaja: Jenbacher AG, Itävalta Toimintaperiaate: Turboahdettu ottomoottori Tyyppi: J C21 Kokonaisteho: 869 kw Kaasun teho: 132 Nm³/h Sähköteho: 330 kw Sylintereiden lukumäärä: 8 kpl Sylinteritilavuus: 16,6 litraa Puristussuhde: 12,00 Sähköhyötysuhde: 38 % Lämpöhyötysuhde: 48,5 % Kokonaishyötysuhde: 86,4 % Kokonaismassa: 2000 kg Generaattorin tiedot: Valmistaja: Stamfors Tyyppi: HCI 534 E2, 600 kva Toimintaperiaate: Tahtigeneraattori Hyötysuhde (cos f = 1): 96,5 % Nimellisjännite: 400 V Kuva 2. Lehtoniemen biokaasumoottorin tunnin huolto käynnissä. 18

20 Kaasumoottoria ajetaan saatavan kaasumäärän mukaan tehotasoilla 80%, 70% ja 50%. Koneen keston kannalta on edullista ajaa tiettyä tehotasoa, eikä säätää tehoa kokoaikaa muuttuvan kaasumäärän mukaan. Vuonna 2004 puhdistamo käsitteli jätevettä keskimäärin m 3 /d ja koko vuoden aikana yhteensä noin 8,4 Mm 3. Tästä määrästä eri käsittelyvaiheiden jälkeen saadaan lietettä mädättämöön keskimäärin noin 300 m 3 /d, jonka viipymä on noin 20 päivää. Mädättämöiden yhteistilavuus on 6000 m 3. Mädättämöihin pumpattavan lietteen kuiva-ainepitoisuus on noin 3 %. Mädätysprosessissa syntyvä biokaasu poltetaan kaasumoottorissa ja lämpökattiloissa. Biokaasun muodostuksen ja kulutuksen välistä eroa tasataan kaasukellolla, jonka tilavuus on 1000 m 3 ja kaasun käyttöpaine 3 kpa. Biokaasua syntyy noin 1,2 Mm 3 /a ja sen metaanipitoisuus on keskimäärin 66 %. Vuositasolla biokaasulla tuotetaan sähköä 2000 MWh ja lämpöä 3600 MWh. Kaasumoottorin ja lämpökattiloiden varajärjestelmänä on ylijäämäkaasupoltin, joka syttyy automaattisesti kaasukellon täytyttyä ja polttaa ylimääräisen kaasun. Tarvittaessa lämpökattiloissa voidaan käyttää polttoaineena myös kevyttä polttoöljyä. Puhdistettu jätevesi ohjataan Kallaveteen ja mädätetty jäteliete kuivataan ja sitä käytetään maisemointiin ja viherrakentamiseen hyvien ravinne ominaisuuksiensa vuoksi. Kuva 3. Puhdistamon prosessikaavio, josta selviää jäteveden kierto ja loppusijoitus. 19

21 Kuva 4. Kaasumoottorin valvontaikkuna, josta seurataan prosessin toimintaa valvomosta käsin. 20

22 3. MAATALOUDEN ALOUDEN BIOVOIMALAIT OIMALAITOSTEN OSTEN 3. SÄHKÖNTUOTANT ANTOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAVOSSA OSSA 3.1 Valtakunnallisia arvioita maatalouden energiantuotannon potentiaalista ja käytöstä Suomen maatilojen energiatuotantopotentiaalia on arvioitu Jyväskylän yliopistossa vuonna 2006 julkaistussa tutkimuksessa. Energiantuotantoon soveltuvien kasvien (viljat, heinät, sokerijuurikas, rypsi, rapsi) primäärienergiasato vuonna 2005 oli selvityksen mukaan noin 41,7 TWh. Puun ja lannan tuotanto mukaan lukien maatilojen bioenergian tuotto oli 66,7 TWh eli yli 6-kertainen maatilojen primäärienergiankulutukseen verrattuna ja 16 % Suomen primäärienergian kulutuksesta. (Lampinen 2006) Tästä potentiaalista maatilat käyttivät vuonna 2005 yhteensä 1670 GWh eli 2,5 %. Siitä 1330 GWh käytettiin maatiloilla (polttopuu) ja 330 GWh vietiin keskitettyyn tuotantolaitokseen (ruokohelpi). Oljen energiakäyttö on noin 6000 tonnia vuodessa eli promille 5,4 miljoonan tonnin tuotannosta. Energiasatoisimmat nykyisistä peltokasveista ovat sokerijuurikas ja ruokohelpi. Ruokohelpeä voidaan viljellä koko Suomessa, mutta sokerijuurikas soveltuu viljelyyn vain Etelä- ja Keski-Suomessa. (Lampinen 2006) Koko maassa ruokohelpin viljelyala vuonna 2005 oli hehtaaria. MTT on esittänyt, että valtakunnallisesti energiantuotantoon voidaan suhteellisen lyhyessä ajassa saada peltohehtaaria! Tästä saatavan vuosisadon energiasisältö on ainakin 15 TWh. Vapo on esittänyt, että ruokohelpin viljelyala voisi olla jo vuonna 2010, joskin MTT ennakoi vähän pienempää toteutumaa. (Rikkonen 2006) Kanta-Hämeessä on tehty ammattikorkeakoulun opinnäytetyönä selvitys maakunnan biokaasun tuotanto- ja käyttömahdollisuuksista. Tutkimuksessa on selvitetty mm. maatalouden biokaasutuotantomahdollisuuksia yhdeksän suuren maatalousyrittäjän tilatiedoista. Tilojen lietelantamäärät vaihtelevat välillä m 3 /a. Yhteensä näiden yhdeksän tilan lietelannan tuotto on m 3 /a ja arvioitu biokaasuntuotanto 1,3 milj. m 3 /a. Tästä yhteismäärästä on arvioitu varsin korkealla kuivaainepitoisuudella biokaasun sähköntuotantomääräksi MWh/a. (Hatsala 2004) 3.2 Potentiaalikartoitus Projektin alkuvaiheessa Savonia-ammattikorkeakoulun insinööriopiskelija Jari Tuomainen teki insinöörityön aiheesta "Hajautetun energiantuotannon potentiaali Pohjois-Savossa". Työ kuului osaksi tätä paikallissähköprojektia. Tuomaisen insinöörityön tuloksena löydettiin hajautettuun energiantuotantoon soveltuvat biopolttoaineet, joista tärkeimpiä ovat biokaasu ja puu. (Tuomainen 2004) Pohjois-Savossa energiantuotantoon soveltuvaa puuraaka-ainetta on saatavilla paljon. Metsähakkeella ja mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteilla voitaisiin Pohjois-Savossa tuottaa yhteensä noin 2600 GWh energiaa vuodessa. Sähköä tästä energiamäärästä voitaisiin tuottaa noin 910 GWh/a. Metsähakkeen osuus tästä energiamäärästä on noin 420 GWh/a ja mekaanisen metsäteollisuuden osuus on noin 490 GWh/a. Puun potentiaali yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa jää kuitenkin alhaiseksi, koska sähköntuotantoon soveltuvaa tekniikkaa ei ole olemassa pienessä kokoluokassa. Höyryturbiinilaitokset ovat kokoluokaltaan liian suuria, ja kaasutustekniikka on vielä liian kallista ja sillä saavutettava sähköteho ei usein riitä kattamaan tuotantolaitosten tarvitsemaa sähköenergiaa. (Tuomainen 2004) Peltobiomassoista saatavien kiinteiden ja nestemäisten polttoaineiden määrä Pohjois-Savossa on pieni, joskin niiden käyttö lietelannan kanssa bioreaktoreissa voisi olla kannattavaa. 21

23 Varteenotettavin vaihtoehto hajautetun energiantuotannon kannalta on maatalouden jätteiden käsittelyllä tuotettu biokaasu. Pohjois-Savon maaseutukeskus arvioi, että vuonna 2004 Pohjois-Savossa oli noin 15 potentiaalista tilaa (lietteen tuotto vähintään 2000 m 3 /a), jotka soveltuisivat biokaasuntuotantoon. Näille tiloille olisi mahdollista rakentaa biokaasulaitokset, jotka voisivat teoriassa tuottaa sähköenergiaa yhteensä noin 544 MWh/a. Yhden tilan sähköntuotanto tapahtuu noin 12 kw sähköteholla, jos sähköntuotannon käyttöaika on 8 h/vrk. Viidellä tilalla voisi olla mahdollisuuksia lietteen tuottoon 4000 m 3 /a, jolloin yhteinen sähköntuotantopotentiaali kasvaisi arvoon 726 MWh/a. (Tuomainen 2004) 3.3 Taustatietoja potentiaalikartoituksen tarkentamiseen, lietelannasta biokaasua Tuomaisen tekemä potentiaalikartoitus perustui niihin yleisiin tietoihin, joita hänellä oli käytettävissään. Esimerkiksi Pohjois-Savon ammattikorkeakoulun Malla-hankkeet antoivat varsin hyvät lähtötiedot lietteiden ja lantojen käsittelystä ja potentiaalista Pohjois-Savossa (Taavitsainen 2002, Taavitsainen 2006). Paikallissähköprojektissa teetettiin kahden tyypillisen lantanäytteen analysointi Hämeen ammattikorkeakoululla keväällä Toinen lietelantanäyte oli sikatilalta ja toinen nautatilalta. (Lantanäytteiden ) Lisäksi yhdeltä järjestelmätoimittajalta on saatu arvio sikatilan biovoimapotentiaalista (Biokaasulaskelma 2004). Näiden tietojen perusteella voidaan määrittää erilaisia potentiaaliskenaarioita, joilla maakunnan mahdollisten maatalouden biovoimalaitosten sähköntuotantomäärää voidaan arvioida. Lietelanta mädätetään hallitussa prosessissa, jolloin muodostuu mm. metaania. Tämän kaasuntuotannon määrää arvioidaan. Lähtökohdaksi otetaan erikseen suuret nautatilat ja sikatilat, joiden biovoiman tuotantoa arvioidaan lietteen määrän perusteella. Lietteen kaasun tuotto arvioidaan kuiva-ainepitoisuuden, orgaanisen aineen määrän, metaanipitoisuuden (CH 4 ) ja biokaasun tuoton perusteella. Arvioidaan, että tiloilla käytetään vain karjan lietelantaa. Laskelmien lähtökohdaksi otetaan metaanin tuotto yksikkönä litraa CH 4 / kg lietelantaa, koska metaani on tärkein biokaasu. Vaikeutena tämän yksikön käytössä on se, että metaanin tuotto riippuu varsin paljon muista tekijöistä, kuten kuiva-ainepitoisuudesta ja mädätysprosessin olosuhteista. Kuitenkin metaanin tuotto on se tekijä, joka voidaan kerätä aikaisemmin tehdyistä selvityksistä. Teoriatietona tunnetaan, että lietteen metaanipotentiaali on 0,4-0,9 m 3 -metaania/kg orgaanista kiintoainetta (Taavitsainen 2002). MaLLa2-hankkeessa maatalouden lietenäytteistä teetettiin metaanintuottomääritykset, joiden tuloksena saatiin metaanintuotoksi 0,279-0,598 m 3 -metaania/kg orgaanista kiintoainetta (6 näytettä). Metaanin tuotto yksikkönä litraa CH 4 / kg lietelantaa voidaan muuttaa yksiköksi energiapotentiaali / kg lietelantaa kertomalla metaanin litramäärä lantakilossa metaanin lämpöarvolla ja tiheydellä. Metaanin lämpöarvo (polttoarvo) on noin 50 MJ/kg = 50 kj/g = 50 kws/g ja metaanin tiheys on 72 kg/m 3 = 72 g/litra. Energiapotentiaali saadaan siten yhtälöstä: (1) missä: W = energiapotentiaali (kwh / kg lietelantaa) TS = lietteen kiintoainepitoisuus 22

24 M = metaanin tuotto litroina lietekilossa (l / kg orgaanista kiintoaineena) A = metaanin polttoarvo (kws/g) p = metaanin tiheys (g/l) Laskuesimerkkinä esitetään tapaus, jossa lähtötiedot ovat: TS = 0,05 M = 0,4 m3-metaania / kg orgaanista kiintoainetta = 400 litraa metaania / kg orgaanista kiintoainetta A = 50 kws/g? = 0,72 g/litra Tällöin voidaan arvioida, että mitattu lietteen määrä kiloina sisältää energiaa Laskuesimerkki perustuu arvioon, että lietteen kiintoainepitoisuus (TS) on 5 % ja metaanin tuotto (M) on 0,4 m 3 -metaania/kg orgaanista kiintoainetta. Lietelannan määräksi arvioidaan kymmenellä tilalla 2000 m 3 /a ja viidellä tilalla 4000 m 3 /a, kuten Tuomainen on yhdeksi lähtökohdaksi asettanut. Arvioidaan, että nautatiloja on potentiaalissa enemmän kuin sikatiloja. Skenaarioissa arvioidaan myös muita lukumääriä. Sähköntuotantopotentiaali arvioidaan metaanin energiasisällöstä siten, että saatu kaasu poltettaisiin mikroturbiinissa tai aggregaatissa, jolloin noin 1/3 kaasun energiasisällöstä voitaisiin muuttaa sähköenergiaksi. Tällä hyötysuhteella sähköä voitaisiin tuottaa optimaalisissa olosuhteissa ottamatta huomioon esim. mädätysprosessin vaatimaa lämpöenergiaa. Arvioidaan sähköntuotantopotentiaalia myös muulla hyötysuhteella kuin 1/ Skenaariot maatalouden lietteistä saatavan biokaasun sähköntuotantopotentiaalista Lietelannasta saatavan metaanin energiantuotosta on eri laskelmissa ja tutkimuksessa käytetty seuraavia arvioita perustuen aikaisemmin esitettyyn laskumalliin (yhtälö 1) ja eri selvityksissä näytteistä saatuihin kiintoainepitoisuuksiin ja metaanintuottolukuihin (Taavitsainen 2002, Taavitsainen 2006, Biokaasulaskelma 2004, Lantanäytteiden ): - sikalan lietelanta: - 0,11 kwh / kg lietelantaa näyteanalyysin mukainen tulos - 0, laitetoimittajan minimiarvio - 0, laitetoimittajan käyttämä keskiarvo 23

25 - 0, laitetoimittajan maksimiarvio - 0, näyteanalyysin tulos - nautatilan lietelanta: - 0,18 kwh / kg lietelantaa näyteanalyysin mukainen tulos - 0, Malla-projektissa käytetty arvio - 0, insinöörityössä käytetty arvio - 0, näyteanalyysien minimiarvo Hämeen ammattikorkeakoulun näyteanalyysien raportissa on esitetty, että verrattuna muihin samanlaisiin analyyseihin lantanäytteiden kaasutuotot ovat korkeita! Sähköntuotantopotentiaali voidaan arvioida kaasutuoton (bruttoenergia) perusteella. Eri lähteissä on kaasutuoton perusteella arvioitu sähköntuotantopotentiaalia kertoimella (hyötysuhteella) 0, ,33. Kuten Tuomaisen insinöörityössä on arvioitu, Pohjois-Savossa on noin 15 potentiaalista tilaa, jotka voisivat muuttaa lannankäsittelyn bioreaktoripohjaiseksi, jolloin vapautuvaa energiaa voitaisiin käyttää lämpönä ja tuottaa myös sähköä. Tuomainen arvioi, että viidellä tilalla voisi olla mahdollisuudet tuottaa 4000 m 3 lietelantaa ja kymmenellä tilalla muodostuvan lietteen määrä olisi 2000 m 3. Käytetään tätä lantamäärää pohjana arvioitaessa bioreaktoreiden sähköntuotantopotentiaalia. Sikatilojen lietteen määräksi arvioidaan m 3 ja nautalietteen määräksi m 3. Käytettäessä analysoitujen näytteiden tulosten arvoja, saadaan kokonaispotentiaaliksi: Tämä on biokaasun (metaanin) sisältämä bruttoenergiamäärä, josta saatava sähköenergia on korkeintaan 1/3 eli 2167 MWh/a. Jos biovoimalaitos käy 8 h/vrk tasaisella teholla, tämä teho olisi 742 kw. Tuomaisen insinöörityössään laskema sähköenergian tuotantopotentiaali on 726 MWh/a, jolloin sähköteho olisi 246 kw (Tuomainen 2004). Laitevalmistajan käyttämillä metaanin muodostumismäärillä (keskiarvo) päästäisiin jopa MWh/ a bruttoenergiamäärään ja 3250 MWh/a sähköenergiamäärään (hyötysuhde 28 %), mutta tämä arvio lienee liian korkea. Malla-hankkeessa on käytetty metaanin tuottokertoimena 0,11 kwh/kg lantaa, josta laskelmat antavat bruttoenergiamääräksi 4400 MWh/a (Taavitsainen 2002). Arvioidaan, että tämä luku voisi edustaa todellista energiantuotantoprosessia. Sähköntuotannon hyötysuhde ei voi olla kovin korkea, koska osa energiasta tarvitaan bioreaktion lämpötilan ylläpitämiseen ja koska reaktorin tuotto ei välttämättä joka tilanteessa ole sama kuin voimantuotantojärjestelmän mitoitustehot edellyttäisivät. Bruttoenergian tuotantomäärä olisi siten 4400 MWh/a. Käytetään hyötysuhteelle arviota 25 %. Tällä arviolla ja käyttöajalla 8 h/vrk, sähköntuotantopotentiaali olisi 1100 MWh/a sähköteholla 377 kw. 24

26 Tehdään kolme skenaariota maatilojen biokaasupohjaisesta sähköntuotantopotentiaalista Pohjois- Savossa seuraavin lähtötiedoin: Skenaario 1 (optimistinen arvio): - Pohjois-Savossa 20 tilaa, yhteensä m 3 lietelantaa - Metaanin tuotto 0,15 kwh / kg lantaa - Sähköntuotannon hyötysuhde 30 % Skenaario 2 (varsinainen arvio): - Pohjois-Savossa 15 tilaa, yhteensä m 3 lietelantaa - Metaanin tuotto 0,11 kwh / kg lantaa - Sähköntuotannon hyötysuhde 25 % Skenaario 3 (pessimistinen arvio): - Pohjois-Savossa 10 tilaa, yhteensä m 3 lietelantaa - Metaanin tuotto 0,06 kwh / kg lantaa - Sähköntuotannon hyötysuhde 20 % Skenaariot antavat maatalouden biovoiman sähköntuotantopotentiaaliksi Pohjois-Savossa seuraavat arvot: Skenaario 1: - Sähköntuotantopotentiaali 2250 MWh/a - Sähköteho 770 kw (38 kw/yksikkö) Skenaario 2: - Sähköntuotantopotentiaali 1100 MWh/a - Sähköteho 377 kw (25 kw/yksikkö) Skenaario 3: - Sähköntuotantopotentiaali 360 MWh/a - Sähköteho 123 kw (12 kw/yksikkö) Skenaariot on määritelty ottamatta mitenkään huomioon tilakohtaisen generaattoritehon suuruutta. Pikemminkin skenaariot osoittavat, mikä olisi tilakohtainen generaattoriteho keskimääräisellä käyntiajalla 8 h/vrk. Laitetoimittajien mitoitusteho on tehty tyypillisesti 30 kw sähköteholle, ja tätä pienempiä tehoarvoja ei esitetä. Vain optimistinen skenaario johtaa vähintään 30 kw sähkötehoon. Tässä yhteydessä voidaan myös arvioida pienin yksikkökoko (lietelantamäärä), jolla päästään haluttuun vähintään 30 kw sähkötehoon käyttöajalla 8 h/vrk. Tämä tarkoittaisi vuositasolla tuotettavaa sähköenergiaa 87,6 MWh/a. Sähköntuotannon hyötysuhteella 30 % tämä vastaisi bruttoenergiaa (biokaasun energiasisältöä) 292 MWh/a. Keskimääräisellä biokaasun energiasisällöllä (0,15 kwh / kg lietelantaa) päästäisiin vähimmäismäärään 1,95 milj. kg lietelantaa vuodessa ( = 1950 m 3 /a). Jos käyttöaikaa voisi kasvattaa suuremmaksi kuin 8 h/vrk, se lisäisi selvästi laitoksen energiataseen perusteella määriteltävää kannattavuutta (luku 3.5). Esimerkiksi käyttöajalla 16 h/vrk ja lietteen energiasisällöllä 0,15 kwh / kg tarvittaisiin lietelantaa vähintään 3900 m 3 /a, jotta biokaasua riittäisi 30 kw sähköteholle. 25

27 Tilakohtaista biokaasuntuottoa voi nostaa lisäämällä lietelantaan muuta materiaalia. Suomessa toimivat maatalouden biokaasulaitokset käyttävät karjanlannan lisäksi muita biohajoavia jätteitä, joista esimerkkeinä ovat kunnan puhdistamo- ja sakokaivoliete, perunajäte, paperiteollisuuden massat, elintarviketeollisuuden sokeri- ja rasvajätteet ja ruokohelpi. Tuomaisen arvio siitä, että peltobiomassoista saatavien kiinteiden ja nestemäisten polttoaineiden käyttö lietelannan kanssa bioreaktoreissa olisi kannattavaa, on oikeansuuntainen. 3.5 Energiataseselvitys Maatilan biovoimalaitoskohdetta ei löydetty tämän projektin aikana, eikä biovoiman verkkoonliittymistä suunniteltu sen pitemmälle, sillä ratkaisu olisi ollut jokseenkin samanlainen kuin vesivoimalakohteessa. Jos generaattorityyppi olisi ollut sama kuin suomalaisissa maatalouden biokaasukohteissa, liityntälaitteisto olisi ollut hyvinkin yksinkertainen. Syynä, miksi toivottua kohdetta ei löytynyt, oli uuden tekniikan käyttökokemusten puute ja kokonaisinvestoinnin suuruus tämän hetken tekniikalla, mikä lykkäsi maatilojen investointipäätöksiä kauemmaksi tulevaisuuteen. Projektin aikana kuitenkin selvitettiin kahden maatilan energiataseet ja mahdollisen biovoimalan tuottaman energian vaikutus energiataseeseen. Taseella tarkoitetaan tässä tapauksessa vuositasolla ja eri vuodenaikoina arvioituja energiamääriä erikseen jaoteltuna tuotettuun, käytettyyn, myytyyn ja ostettuun energiaan. Maatilan kannalta nämä energiat ovat erihintaisia. Tässä selvityksessä ei oteta kantaa hintoihin. Tyyppitiloina olivat maitotila ja sikatila, joille energiataseselvitykset tehtiin. Selvitys pohjautui tiettyjen kriteereiden mukaan luokiteltuihin mallitiloihin, joiden pohjalta sähköyhtiöt ovat muodostaneet kuluttajakohtaiset sähköenergian käyttömallit. Tässä selvityksessä näiden kahden tilan kulutustiedot sovitettiin niitä vastaaviin malleihin. Karjan tuottaman lannan määrän ja kaasuntuottoarvojen perusteella selvitettiin laskentamallin avulla kuinka suuri osa tilan energiasta voitaisiin tuottaa omalla sähkön ja lämmön tuotannolla. Laskentamallilla simuloidut tilanteet paljastivat energian tuotannon ja oman kulutuksen osalta sen seikan, että tuotanto on ajoitettava oman kulutushuipun kohdalle, jotta verkosta ei tarvitsisi ostaa sähköä eikä toisaalta siirtää sitä verkkoonkaan päin. Syynä tähän on sähkötaseselvityksen paljastamat laskelmat, jotka kertovat mikä kulutus- / tuotantomalli on taloudellisesti kannattavaa. Kuvassa 5 on laskentamallilla tulokseksi saatu maitotilan energiatasemalli, jossa lähtötietoina on ollut todellinen lantamäärä ja sen metaanintuottoarvot, vuosittainen sähkön- ja lämmönkulutus, tilatyypin mukaiset kulutusmallit ja biovoimalan tapauskohtaisesti suunniteltu käyttö. Näiden tietojen avulla on saatu määritellyksi sähkön- ja lämmönkulutus ja tuotanto. Laskentamallissa on käytetty generaattorina mikroturbiinia, jonka teho on 30 kw ja se tuottaa sähköä noin 8 tuntia päivässä. Kuvassa 5 kulutus tarkoittaa tilan kiinteää vuosittaista sähkönkulutusta, Osto tarkoittaa sitä energiaosaa, joka on vielä ostettava, vaikka tilalla toimii oma biovoimala. Tuotanto kertoo, kuinka paljon biovoimala tuottaa sähköenergiaa. Oma käyttö tarkoittaa, kuinka paljon tila pystyy käyttämään omasta sähköstään, ja Myynti vastaavasti, kuinka suuri osa omasta tuotannosta pitää myydä verkkoon ylijäämäsähkönä. Lämmön tuotanto kertoo, kuinka paljon sähköntuotannossa syntyy hukkalämpöä, ja Oma käyttö kertoo tilan oman lämpöenergiatarpeen. Liitteissä 1 ja 2 on esitetty täydelliset raportit kahden maatilan biovoiman käytön energiataseesta. Yhteenvetona energiataseesta voidaan todeta, että on erittäin tärkeää mitoittaa laitos oikein. Sähköntuotannon kannalta tarvitaan pitkä käyttöaika, jolloin seisokit jäävät lyhyiksi, ja oma sähköntuotanto 26

28 kattaa omaa sähköntarvetta. Pitkä käyttöaika saadaan vain silloin, kun kaasua riittää tasaiseen energiantuotantoon pienelläkin teholla. Sähkötehon ylimitoitus ei ole suotavaa. Ei ole taloudellisesti kannattavaa myydä ylijäämäsähköä, mutta vastaavasti taas ostaa sähköä silloin, kun laitos ei tuota energiaa kaasuntuotannon loppuessa. Ostosähkön hinta lienee korkeampi kuin ylijäämäsähköstä saatu korvaus! Myös lämmöntarpeen kannalta tasainen lämmöntuotanto on perusteltua. Kuva 5. Laskentamallilla on saatu erään maitotilan energiatasemalli. 27

29 4. PIENIMUOTOISEN OISEN SÄHKÖNTUOTANNON VERKKOONLIITTYMISEN 4. SUUNNITTELUN TAVOITTEET 4.1 Yleisiä tavoitteita Projektin tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa kaksi voimalaitoskohdetta. Projektin aikana saatiin kuitenkin suunnitelluksi ja toteutetuksi vain vesivoimalaitoskohde, sillä biokaasuvoimalaitoskohdetta ei saatu lähtemään liikkeelle. Syynä biovoimalan estymiselle olivat uuden tekniikan käyttökokemusten puute ja hankkeen suuret kustannukset. Myös monet maatilat, jotka olivat mukana ehdokkaina voimalan kohdepaikaksi, eivät pystyneet lähtemään mukaan edellisten suurten investointien vielä rasittaessa tilojen taloutta. Vesivoimalaitoskohde saatiin käyntiin heti projektin alkuvaiheessa ja sen suunnittelua päästiin viemään eteenpäin. Tämän kohteen valintaa helpotti pakottava tarve saneerata voimalaitos ja toisaalta tämän mittakaavan laitoksia ei ollut muita lähialueella. Verkkoonliityntämallin kehittely alkoi suunnittelemalla voimalan sähköistys uudelleen ja saareke- ja verkkokäytön yhdistäminen. Perinteisen suojareletekniikan korvaaminen ohjelmoitavalla logiikalla nousi esille suunnittelun aikana. Tämä edellytti sähköntuotantoprosessin tehokasta analysointia suojauksen tehokkaan toiminnan turvaamiseksi. Tähän löytyi ratkaisu automaatiotoimittajalta. Esisuunnitteluvaiheen jälkeen, kun tarvittavat laitteet oli saatu hankituksi, käynnistyi uuden voimalaitosprosessin suunnittelu sähkölaboratoriossa simulaatiomallin avulla. Simulointia varten rakennettiin kohdetta vastaava sähköntuotantoprosessi, jolla pystyttiin mallintamaan voimalan käyttäytymistä eri tilanteissa. Simuloinnin tuloksena syntynyt malli toteutettiin vesivoimalassa. Sen toimintaan saaminen vaati ponnisteluja uuden ja vanhan tekniikan yhteensovittamisessa. Kuitenkin uudella turbiinin säätimellä ja generaattorin magnetoinnin uusimisella saatiin vanha laitteisto tottelemaan logiikan komentoja. Prosessin viritysvaiheessa tuli kuitenkin vastaan asioita, joita ei voitu simuloinnin aikana havaita, kuten hitausmassoista johtuvia viiveitä ja vanhan laitteiston kulumisen aiheuttama epätarkkuus. Myös vesitilanne vaikuttaa merkittävästi laitoksen hallintaan ja prosessin viiveisiin, sillä vedenpinnan vaihtelu on 70 cm ylärajalta alarajalle. Projektin aikana saatiin suunnitelluksi ja testatuksi yksi verkkoonliittymismalli, jonka todettiin toimivan kohteessaan sille asetetulla tavalla. Tämä malli toteutettiin osittain perinteistä tekniikkaa hyväksi käyttäen ja osittain uudella automaatiolla. Biovoimalaitoskohteen jäädessä pois suunnitelmista korvattiin sille varatut suunnitteluvarat staattisen verkkoonliittymislaitteiston suunnitteluun ja tutkimukseen. Laitteisto pohjautuu osittain jo tunnettuun tuulivoimatekniikkaan. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, soveltuuko se myös saarekekäyttöön ja mitä parannuksia laitteisto vaatii toimiakseen suunnitellulla tavalla. 4.2 Automaation tarve Projektin verkkoonliittymiskohteiden suunnittelun perustaksi otettiin karjatila ja sen sähköntuoton ja laadun turvaaminen normaalin käytön aikana ja varsinkin verkostohäiriötilanteiden aikana. Maatilojen tuotannon laajennuksien ja tuotantoyksiköiden kasvun mukanaan tuoma työpanos vie kaiken ajan yrittäjiltä, jolloin tuotantoprosessien toimivuutta ei ehdi enää itse valvoa, vaan sen saa hoidettavakseen automaatio. 28

30 Taustalla on inhimillinen tuotantoprosessi, joka on teollista tuotantoprosessia vaativampi. Eläinten hyvinvointi on etusijalla! Karjatiloille on lähes elintärkeää turvata jatkuva sähköenergian saanti jo eläinten hyvinvoinnin turvaamiseksi. Pitkät sähkökatkot aiheuttavat suuria haittoja niin eläimille kuin tuotannollekin. Jo olemassa olevat automaattiset prosessit kuten esimerkiksi ilmastointi, valaistus, ruokinta ja lypsy häiriytyvät ja saattavat lakata toimimasta sähkökatkon jälkeen. Edellä esitetyt seikat puoltavat tarvetta varmennetulle automaattiselle sähköntuotannolle. Tämä asettaa tiettyjä teknisiä vaatimuksia, kuten riittävä kokemus ja asiantuntemus esimerkiksi traktorigeneraattorin käytöstä. Traktorigeneraattoreiden varmatoimisuudesta huolimatta niiden käytön yhteydessä on sattunut muutamia vaaratilanteita, joista yhdessä sähköasentaja sai vakavia vammoja saadessaan sähköiskun 20 kv:n linjasta. Tässä onnettomuudessa oli traktorigeneraattori jäänyt erottamatta jakeluverkosta sähkönjakelun keskeytyksen aikana kun alettiin syöttää omaa tilan kuormitusta. Onnettomuus olisi voitu estää käyttämällä asianmukaista erotuskytkintä, jolla valitaan joko verkkosyöttö tai generaattorisyöttö. Toinen esimerkkitapaus, jossa verkosta erotus oli kunnossa, mutta traktorigeneraattorin käytöstä ei ollut riittävästi kokemusta, sai aikaan melkoista tuhoa tilan sähkölaitteissa. Generaattoria oli pyöritetty aivan liian suurella nopeudella, minkä seurauksesta syntynyt korkea ylijännite ja ylitaajuus tuhosivat lähes kaikki sähkölaitteet. Näiden asioiden valossa automaatiolla voidaan turvata ja estää mahdolliset käyttäjän tekemät inhimilliset erehdykset, joilla voi olla hyvinkin vakavat seuraukset. 4.3 Tekninen ympäristö ja käytettävyys Maatiloilla on yleisesti useamman laitetoimittajan prosesseja, kuten ruokinta, valvonta, jne., jotka vaativat mahdollisimman avointa liityntäpintaa ja automaation integroitavuutta, jotta niitä pystytään hallitsemaan keskitetysti. Maatilojen sähkötehot kasvavat uusien investointien ja laajennuksien seurauksesta nopeasti. Tehoalueella kw olevasta kulutuksesta on varmennettu kw, johon sisältyy ilmastointi, valaistus, lämmitys ja muut kriittiset kuormat. Suuresta tehojen vaihtelusta seuraa joissain tapauksissa kompensointitarpeen muuttuminen ja sen vaikutukset sähkönlaatuun. Yleisesti kompensointi on hoidettu automaattiparistoilla, joissa kompensointitarpeen mukaan lisätään tai vähennetään kompensointia porrasmaisin muutoksin. Tästä voi seurata yliaaltoongelma ja joskus jopa resonanssivaara sekä varavoimalaitteen käytön yhteydessä laitteistolle ilmeneviä jännitteensäätöongelmia. Tämäkin seikka puoltaa tehokkaan automaation käyttöä prosessien hallinnassa. 4.4 Tekninen taloudellisuus Tavoitteena on toteuttaa automaatiolaitteisto edullisilla ja avoimilla prosessiohjausjärjestelmillä, joissa on liitäntöjä esimerkiksi sähköenergiaprosessiin, josta voidaan mitata näiden antureiden - joskus pelkästään yksittäinen anturi - avulla tehot, virrat, vaihesiirto, taajuus ja yliaallot. Tällaisten prosessien toteutukseen tarvitaan erikoisanturointia, kuten lantaprosesseissa on tarpeen mitata metaanipitoisuuksia kaasupitoisuusantureilla. Ilmanlaatuantureita tarvitaan valvomaan laitetiloja ja turvaamaan laitoksen toimintaa sekä sähköverkon antureita, kuten PM500-tehoanalysaattori, jonka avulla pystytään mittaamaan tarvittavat sähköiset suureet. Tällaisilla teknisesti hyvin toteutetuilla ja hinta/laatu-suhteeltaan edullisilla järjestelmillä, joita voidaan vapaasti yhdistää laajemmiksi kokonaisuuksiksi, saavutetaan huomattavia säästöjä ja järjestelmän hallinta on helpompaa yhdestä keskitetystä valvontapisteestä. 29

31 5. VERKKOON LIITTYMINEN VESIVOIMALAIT OIMALAITOSK OSKOHTEESSA OHTEESSA 5.1 Pitkäkosken vesivoimalaitos Vesivoimalaitoskohteeksi valittiin Kiuruvedellä sijaitseva Pitkäkosken voimalaitos. Voimalaitos on perustettu tilalle 1930-luvulla ja sitä ennen samalla paikalla on toiminut mylly jo 1800-luvulla ja toimii yhä nykypäivänäkin. Voimalaitos on tilan isännän, Seppo Pietikäisen, omistuksessa luvulla laitokseen on asennettu kaksi Francis-turbiinikäyttöistä tahtigeneraattoria, josta toinen on korvattu 1990-luvun alussa putkiturbiinilla. Voimalassa on nykyään 60 kva tahtigeneraattori ja 100 kw epätahtigeneraattori, joiden yhteinen huipputeho on noin 160 kw. Voimalaitoksen energian tuotosta osa kulutetaan tilan myllyssä ja asuinrakennuksessa ja loppu energia toimitetaan Savon Voiman verkkoon. Voimalaitos kuuluu säännöstelyn piiriin ja hoitaa samalla yläpuolella olevan järven säännöstelyä. Voimalaitoksen sähköistys oli lähes alkuperäisen asennuksen jäljiltä 1930-luvulta, minkä takia laitteisto ei vastannut enää nykypäivän vaatimuksia. Kuva 6. Pitkäkosken voimalaitos ja mylly. 30

32 5.1.1 Francis-turbiini Pitkäkosken voimalaitoksessa on käytössä pystyakselinen Francis-turbiini, jolta teho siirtyy lattahihnaa myöten pystyasennossa olevan tahtigeneraattorin akselille. Turbiini on alkuperäinen ja sen säätölaitteisto on kulunut jo sen verran, että turbiinin kiinni ollessa se läpi virtaava vesi saa sen pyörimään itsekseen. Tämä seikka vaikuttaa generaattorin käyttöön ja turbiinin säätöön tässä kohteessa positiivisesti, sillä jo valmiiksi pyörivästä generaattorista saadaan käyttösähköä turbiinin säätöön, vaikka laitos on sammutettuna, mikä helpottaa esimerkiksi häiriötilanteen jälkeistä käynnistystä. Turbiinin nimellinen pyörimisnopeus on 250 rpm ja välityssuhde on noin 1:5, vaikka generaattori pyörii 1000 rpm. Turbiinista otetaan käyttöön likipitäen koko teho, minkä se pystyy tuottamaan eli nimellispyörimisnopeudella 86 hevosvoimaa, joka saadaan kehitetyksi 4,5 metrin pudotuskorkeudella. Välityssuhteesta johtuen turbiini kuitenkin käy hieman alle nimellisnopeuttaan. Tämän seikan arvellaan vaikuttavan turbiinin nopeaan ryntäykseen generaattorin pudotessa verkosta, minkä aikana turbiini saavuttaa nopeasti nimellisen pyörimisnopeuden ja tämän jälkeen sen kiihtyminen on hitaampaa. Turbiinin säätölaitteistoa käytettiin ennen saneerausta käsin ja hätätilanteessa turbiinin sulki sähkömoottori. Uuden laitteiston myötä turbiinin säätö tapahtuu kokonaan sähkömoottorin avulla. Kuva 7. Francis-turbiinin juoksupyörä ja johtopyörä Turbiinin säätölaite Turbiinin säätö tapahtui ennen käsikäyttöisesti säätämällä tehoa ja tahdistuksessa pyörimisnopeutta turbiinin johtosiipiä säätämällä hihnapyörää pyörittäen, minkä seurauksesta turbiiniin virtaavan veden määrä vaihtelee. Tämä säätö on uuden automaation myötä toteutettu sähköisesti ohjattuna. Toimilaitteena on kaksinopeuksinen kolmivaihemoottori vaihteella varustettuna. Käytössä on kaksi käyntinopeutta eteen ja taaksepäin, joilla pystytään hallitsemaan turbiinin säätö eri tilanteissa. Tälle säädölle asetetaan suuret vaatimukset varsinkin hätäsulkutilanteessa, jolloin turbiini täytyy saada suljetuksi riittävän nopeasti. Vanha sulkumoottori toimi aina, kun generaattori irtosi verkosta vian takia tai se ohjattiin irti verkosta sulkien turbiinin noin 5 sekunnissa täysin auki -asennosta täysin kiinni -asentoon. Uudella käytöllä hätäsulku kestää noin 10 sekuntia täysin auki -asennosta täysin kiinni -asentoon. Normaaliajossa ohjaus on neljä kertaa hitaampi, mikä parantaa säädön tarkkuutta ja mahdollistaa tarkan tehon ja pyörimisnopeuden säädön. Sähkömoottori saa käyttösähkönsä suoraan generaattorin navoista kuten vanha hätäsulkuratkaisukin, mutta uuden jännitteensäädön ansiosta laadultaan parempana sähkönä. 31

33 Automaatio ohjaa turbiinia käyttötilanteesta riippuen jatkuvana ajona tai pulssimaisena ajona. Aukija kiinnipulssit ovat samanmittaisia ja yhtä tiheitä. Ohjauspulsseihin, kuten pulssitiheyteen ja pulssien pituuteen, voidaan vaikuttaa säätimen asetteluja muuttamalla. Logiikan ohjelmointiohjelmassa, PL7 Pro, on valmiit säädinlohkot PID-, Servo- ja PWM-säätimiä varten. Kytkemällä ohjelmallisesti yhteen PID- ja Servo-säätimet saadaan aikaan säädin, joka toimii PID-säätimen tavoin ja servo-osa pystyy tuottamaan pulssimaista ohjaussignaalia. Tämä signaali soveltuu kontaktorien ohjaukseen. Kun säätö on kaukana asetteluarvosta, ohjauspulsseja tulee tiheään tahtiin. Kun ollaan lähellä asetteluarvoa, ohjaus hidastuu ja pulsseja tulee enää harvoin, jolloin säätö hakeutuu asetteluarvoonsa. Monipuolisilla säätimien asetteluilla voidaan vaikuttaa halutulla tavalla säädön toimintaan. Samalla säätimellä voidaan ohjata useassa eri tilanteessa prosessia haluttuun tilaan asettelemalla säädin halutulle nopeudelle ja herkkyydelle. Voimalaitoksen käynnistysvaiheessa turbiinia ajetaan auki tällä säädöllä, jonka takaisinkytkentätietona on generaattorin taajuus. Tässä vaiheessa asetteluarvo on 50 Hz. Verkkoon tahdistusvaiheessa ajotapa on sama, sillä käytössä on ohjelmoitava tahdistin. Tahdistimen ansiosta generaattori voidaan ajaa verkkoon asetelluilla hitauksilla, eli generaattori käy tahtinopeutta pyörien hieman hitaammin tai nopeammin verkkoon nähden. Kun ohjelmoidut ehdot täyttyvät, antaa tahdistin katkaisijan kytkentäluvan automaatiolle Tahtigeneraattori Generaattori on Strömbergin valmistama 60 kva Francis-turbiinikäyttöinen tahtigeneraattori, joka on asennettu 1930-luvulla. Generaattorin kilpiarvot ovat: 3-vaiheinen generaattori Laji Typ. RSR 793 B3 Y-kytketty 400/231 V, 86,5 A, 60 kva, cos 1000 Rev/min, 50 Per/s MGN 50 V, 23,6 A. 0,8 jatk Samalla akselilla on ulkoinen magnetointigeneraattori. Magnetointigeneraattorin kilpiarvot ovat: Laji LM-3, 50 V 28 A, (1,4 kw) cos jatk 1000 Rev/min. Magnetointigeneraattorin magnetoinnin säätö suoritettiin ennen käsikäyttöisellä magnetointivastuksella, minkä seurauksesta magnetoinnilla oli aina kiinteä arvo ja varsinkin nopeissa verkosta irtoamistilanteissa jännite kohosi korkeaksi generaattorin ryntäyksen ja ankkurireaktion vaikutuksesta. Nopean ryntäyksen syynä lienee myös se, että turbiini pyörii alle nimellistä nopeuttaan ja kiihtyy nimelliseen nopeuteensa välittömästi kuorman pudotessa pois. Generaattorin käsikäyttöä varten vanha magnetoinnin säätövastus jätettiin varalle uuteen ohjauskeskukseen. Magnetoinnin säätö korvattiin hakkurisäätimellä, millä nyt voidaan hallita jännitteensäätö automaatiosta käsin. 32

34 Kuva kva tahtigeneraattori ja turbiinin vauhtipyörä sekä säätölaitteisto Tahtigeneraattorin vanha sähkökeskus Vanha sähkökeskus oli suurimmaksi osaksi alkuperäisessä kokoonpanossa ohjauslaitteiden osalta, mikä antoi syyn uusia keskus kokonaisuudessaan. Keskus oli täysin avoin takapuolelta ja kiskosto oli kosketussuojaamaton. Vanha "automaatio" perustui muovinaruviritelmään, jolla turbiinin sulkumoottori tempaisi omakotitaloa syöttävän erottimen auki generaattorin pudotessa verkosta suojatakseen talon sähkölaitteita hetkelliseltä ylijännitteeltä, jonka generaattori rynnätessään aiheutti. Generaattorin tahdistus verkkoon hoitui käsikäyttöisesti seuraamalla hehkulampusta sen välkettä ja toteamalla verkon ja generaattorin tahdissa oleminen ja kytkemällä se verkkoon. Kuva 9. Vanha keskus ja sen laitteistoa. 33

35 Vanhan keskuksen korvaamisen pääsyynä oli vanha laitekanta, jota ei voinut käyttää uuden automaation kanssa. Lisäksi tarvittiin tilaa energiamittaukselle, joka siirrettiin muuntajalta uuteen keskukseen sekä varaukset automaatiolaitteille ja toisen generaattorin liitynnälle Magnetoinnin säätölaite Magnetoinnin vanha käsikäyttöinen säätölaite, säätövastus, korvattiin uudessa automaatiossa logiikasta ohjattavalla DC-DC- hakkurilla, jotta jännitteen automaattinen säätäminen olisi mahdollista. Magnetointi tarvitsee nopeita muutoksia varsinkin vikatilanteissa verkosta pudotessa ja tehoarvoja muutettaessa. Tämän vuoksi staattinen hakkuri soveltuu hyvin generaattorin magnetointijännitteen syöttöön. Vanha vastussäädin kuitenkin säilytettiin käsikäyttöä varten. Hakkurimagnetointisäädin mahdollistaa tarkan jännitesäädön tahdistuksessa ja saarekekäytössä. Loistehon tuoton hallinta onnistuu myös paremmin tällä säätimellä. Ehkä tärkein tekijä kuitenkin on se, että hakkuri poistaa tai ainakin pienentää merkittävästi vaarallisia ylijännitepiikkejä nopean logiikasta ohjattavan säädön ansiosta. Magnetointihakkuria ohjataan PID-säätimellä logiikan analogiakortin kautta. Hakkurisäätäjä on nopeutensa puolesta sopiva magnetointijännitteensäädin. PID-säädin saa jännitteen takaisinkytkentätiedon PM500-tehoanalysaattorilta, jonka perusteella tapahtuu jännitteensäätö. Vastaavasti loistehon säätö tapahtuu tehoanalysaattorista saatujen tehotietojen pohjalta. Voimalan käynnistystilanteessa, jolloin magnetointi kytketään, ei vielä saada jännitetietoa PM500:sta sen käynnistymisviiveen aikana. Tällä välillä magnetointisäädin ei saa jännitetietoa ja pyrkii nostamaan jännitettä. Hakkurin säätönopeuden vuoksi on olemassa ylijännitevaara, jota ei voida sallia käynnistysvaiheessa. Käynnistysvaihe hoidetaan ohjelmallisesti asettelemalla magnetointisäätimelle pysyvä ohjearvo käynnistymisen ajaksi ja PID-säädin pidetään käynnistyksen aikana pois päältä. Jännitemittauksen toiminnan alkaessa voidaan ohjearvo vaihtaa pienen viiveen jälkeen PID-säätimen ohjattavaksi. Säätimen asetteluissa on otettava huomioon, että jännitetieto saadaan vain neljä kertaa sekunnissa. Tämän vuoksi säädin on aseteltava samalle toimintanopeudelle kuin jännitemittaus, ettei säätö ala värähdellä liian nopean säädön takia. Säädintä voidaan käyttää myös nopeampana kuin mikä on jännitteen luentanopeus asettelemalla parametriarvoja kuten K p, T i ja T d Putkiturbiini Waterpumpsin valmistama 115 kva putkiturbiinikäyttöinen epätahtigeneraattori on asennettu Generaattorin nimellisjännite on 400 V, nimellisvirta 250 A, cos 0,75, pyörimisnopeus 500 r/min ja nimellisteho 100 kw. Tällä generaattorilla on oma yksittäinen ohjauskeskus, jonka automaatio ohjaa generaattoria verkkoon ja laitteistoa voidaan käyttää myös käsin. Tämä generaattori kytkeytyy verkkoon, kun siellä on jännite ja putoaa sieltä pois verkon vikaantuessa. Epätahtigeneraattorilla on lisäksi omat kompensointiparistot, yhteensä 60 kvar, jotka kytkeytyvät lyhyellä viiveellä päälle generaattorin käynnistyttyä ja nostavat generaattorin tehokertoimen arvoon noin 0,95. Tätä generaattoria ajetaan tulvahuippujen aikaan ja myös silloin, kun vettä riittää molemmille koneille. Tahtigeneraattorilla hoidetaan säännöstelyä ja epätahtikonetta ajetaan yleensä aina täysillä, silloin kun sitä käytetään. 34

36 5.2 Uusi sähköpääkeskus Uuden keskuksen suunnittelu ja toteutus lähti liikkeelle jo alusta pitäen huomioiden generaattorin saareke- ja verkkokäyttö sekä toisen generaattorin liityntä verkkoon saman keskuksen kautta yhdistetyn energiamittauksen takia. Lisäksi tuli kiinnittää huomiota jälkeenpäin asennettavan automaation tilavarauksiin ja sen myötä moottoriohjattujen katkaisijoiden hallinnan tarpeisiin. Uudessa keskuksessa oikosulkusuojaus hoidetaan katkaisijoilla generaattorin ja kiskoston osalta eli käytössä on sulakkeeton suojaus normaalivikojen osalta ja ylikuormitussuojaus hoidetaan samoilla katkaisijoilla. Oikosulkutilanteet hoituvat pelkästään katkaisijoilla. Ylikuormitus on myös automaation valvonnassa ja varasuojana toimivat katkaisijoiden omat asettelut. Keskuksessa on kuitenkin vielä pääsulakkeet verkon syöttökaapelin suojausta varten. Uusi keskus on kasattu Fiboxin valmistamista muovisista koteloista, joissa on peltilevyt komponenttien kiinnitystä varten. Näistä muovisista koteloista pystyy rakentamaan vapaasti joka tarpeeseen parhaiten sopivan kokoisen keskuksen. Korokekehyksillä ja saranoiduilla kansilla keskuksesta saa toimivan kokonaisuuden ja laajennus onnistuu lisäämällä uusia koteloita keskukseen. Keskuksen mitoitus lähti liikkeelle siitä, että sen kiskoston läpi tulee verkkoon liitettäväksi kumpikin generaattori. Keskuksen mitoitusvaiheessa sen nimellisvirraksi määriteltiin 300 A. Tahtigeneraattorin syöttökaapelin tehomittauksille hankittiin 100/5 A virtamuuntajat tehoanalysaattoria varten sekä lisäksi 300/5 A virtamuuntajat pääkiskostoon energianmittauksia varten. Uuden keskuksen ja verkkoon syöttävän muuntajan välillä on kaapelina 2 (4 150) mm ². Tahtigeneraattori syöttää keskusta kaapelilla mm ² ja epätahtigeneraattori kaapelilla mm ². Myllyn syötön erottimen ja verkkokatkaisijan ohikytkentäerottimen nimellisvirtaarvo on 125 A. Epätahtigeneraattorilla on uudessa keskuksessa oma erotin, jonka nimellisvirta on 250 A. Keskuksen pääkytkin on varustettu 250 A sulakkeilla, jotka suojaavat verkonsyöttökaapeleita. Talon ja myllyn kuormien syöttö on suojattu johdonsuoja-automaattisulakkeilla. Generaattorikeskusta mitoitettaessa oli huomioitava eri tilanteet, jotka voivat vaikuttaa hyvin merkittävästi käytön aikana sattuviin vikoihin. Vikatilanteessa, jolloin verkko ja generaattori käyvät rinnakkain, on oikosulkuvirta huomattavasti suurempi, kuin mitä suunnittelussa ehkä on arvioitu ja mitä arvoa on mitoituksessa käytetty. Vastaavasti suunniteltua alhaisempi oikosulkuvirran taso voi esiintyä pelkän generaattorikäytön aikana. Näissä tilanteissa on hyvä suorittaa tarkastelu suojauksen riittävän nopean toiminnan kannalta, ja todeta, onko suojaus toimiva Voimalan liittyminen verkkoon Voimalaitos liittyy 20 kv maaseutuverkkoon 200 kva muuntajan kautta. Liittymiskaapelina on kaksi rinnakkaista Al -tyypin kaapelia (johtopituus noin 50 m). Sähköasemalta Pitkäkosken voimalaitokselle on matkaa noin 10 km. Asemalta lähtee Pigeon-tyypin johto, joka haarautuu voimalaitoksen suuntaan Sparrow-johdoksi. Muuntajan oikosulkuvirta asemalla on 6257 A (20 kv puolella) ja liittymispisteen oikosulkuvirta voimalaitoksella on 4787 A (400 V puolella, heti muuntajan navoissa). Voimalaitoksella on oma maadoituselektrodi. Keskijänniteverkon puolella, liittymispistettä seuraavassa pylväässä on muuntajan tähtipistemaadoitus. 35

37 Kuva 10. Sähköverkon rakennekuva Oma energiankäyttö Pitkäkosken voimalan yhteydessä on mylly ja omakotitalo sekä varastorakennus, joiden energiantarve vaihtelee suuresti käyttötilanteiden mukaan. Mikäli mylly on päällä, kuluttaa se energiaa suurin piirtein puolet tahtigeneraattorin tuotosta. Talviaikaan kokonaiskulutus voi olla saman verran kuin tahtigeneraattori pystyy tuottamaan. Pelkän talon kuorma voi olla varsin pieni varsinkin kesäaikaan, jolloin ei ole suurta lämmitystarvetta. Tahtigeneraattorin ohjauksen kannalta on hyvä tietää myllyn ja talon kulutus, mikä saadaan selville tahtigeneraattorin tuottaman tehon ja toisen generaattorin tuottaman tehon summasta vähentämällä energiamittarin antama mitattu teho. Tämä tietoa voidaan hyödyntää turbiinin tehonsäädössä siirryttäessä verkosta saarekkeeseen. Tämän menettelyn mahdollistaa Enermetin energiamittarista saatavat tehopulssit, jotka luetaan logiikkaan. Uudemmissa mittareissa on myös käytössä väyläpohjaisia lähtöjä. Kuva 11. Voimalaitoksen sisäinen verkko ja automaation liityntä. 36

38 5.2.3 Katkaisijat Käytössä on kaksi kappaletta Merlin Gerinin valmistamia Compact-sarjan katkaisijoita. Saareke- ja verkkokatkaisijat ovat moottoriviritteisiä; 24 V tasajännitteellä katkaisijat pystytään virittämään ja kytkemään päälle logiikasta käsin. Auki laukaisussa käytetään nollajännitelaukaisua (230 V), joka on nopeampi ja varmempi katkostilanteissa kuin aukiohjaus 24 V ohjauksella. Katkaisijoiden viritys ja käyttö onnistuu myös käsin, jos ohjauksen tarvitsemaa jännitettä ei ole käytettävissä esimerkiksi sähkövian takia. Katkaisijat on porrastettu generaattorista verkkoon päin. Saarekekatkaisija erottaa generaattorin kokonaan saarekkeen ja verkon syötöstä. Saarekekatkaisijan nimellisvirta on 250 A. Verkkokatkaisija puolestaan erottaa saarekkeen verkosta. Verkkokatkaisijan nimellisvirta on 100 A. Katkaisijoiden toivottu toimintajärjestys on seuraava. Verkon vikaantuessa toimii ensin verkon puoleinen katkaisija ja pyrkii erottamaan saarekkeen omaksi verkoksi. Tämän jälkeen, mikäli vika on vielä päällä, toimii myös saarekekatkaisija, ja kytkee generaattorin irti saarekeverkosta. Katkaisijoiden aukiohjaus toimii vikatilanteissa aseteltujen toimintaviiveiden mukaan. Vikatilanteita ovat mm. ali- ja ylitaajuus, ali- ja ylijännite, ylivirta, oikosulku, takateho ja maasulku. Verkko- ja saarekekatkaisijoille on aseteltu omat raja-arvonsa, joiden ylittyessä automaatio suorittaa aukiohjaustoimenpiteen. Vastaavasti kiinniohjaus sallitaan toisilla asetteluilla ja verkkoonkytkennässä synkronoskoopin tahdistusluvalla Elektroninen suojarele Molemmat katkaisijat on varustettu samantyyppisillä elektronisilla suojareleillä katkaisijan nimellisvirran mukaan. Saarekekatkaisijassa on nimellisvirraltaan 250 A suojarele ja verkkokatkaisijassa vastaavasti nimellisvirraltaan 100 A suojarele. Molemmilla releillä on samat toimintakäyrät, joten releet reagoivat yhtä aikaa vikoihin, jonka seurauksesta on vaara, että molemmat katkaisijat aukeavat yhtä aikaa vian sattuessa. Tämä ongelma pitäisi olla hoidettavissa riittävillä asetteluilla! Toisaalta katkaisijat ovat rakenteeltaan suunniteltu erisuuruisille virroille, mikä osaltaan jo aiheuttaa eroja niiden toimintaan Alijännitelaukaisija Molemmat katkaisijat on varustettu MN-tyypin nollajännitekelalla. Nollajännitelaukaisu toimii, kun jännitekatkos on yli 0,2 sekuntia tai jännite laskee 0,35-0,7-kertaiseksi nimellisjännitteestä. Vastaavasti jännitekela sallii katkaisijan kiinniohjauksen, kun jännite on yli 0,85-kertainen nimellisjännitteestä laskettuna. Saarekekatkaisijan nollajännitepiiri on rakennettu käsikäyttöisen verkkoon kytkentänapin ja logiikan ohjausreleen kautta siten, että käsikäytöllä logiikan kosketin ohitetaan tahdistuksen ohitusnapin kautta ja aukiohjaus tapahtuu verkosta erotusnapista. Tahdistuksen ohitusta tarvitaan tilanteissa, jolloin verkossa ei ole sähköä, sillä katkaisijan kiinniohjauspiiri on rakennettu tahdistimen kautta, eikä tahdistus toimi ilman verkkoa. Tällainen järjestely on tarpeen turvaamaan generaattorin turvallinen kytkeytyminen verkkoon. Alijännitelaukaisijan tarvitsema jännite otetaan suoraan generaattorin liittimistä sulakkeen kautta. Verkkokatkaisijan tarvitsema alijännitelaukaisijan nollajännite otetaan puolestaan verkon jännitteestä, sillä tällä menettelyllä estetään virheellinen kytkeytyminen jännitteettömään verkkoon. Käyttämällä verkon vaiheen L1 jännitettä saadaan valvottua verkon vaiheet L1 ja L3, sillä PM500-tehoanalysaattori valvoo vaihetta L3. 37

39 5.3 Verkkoyhtiön suosituksen mukainen verkkoonliittyminen Savon Voiman suositus pienimuotoisen sähköntuotantoyksikön verkkoonliittymisestä on esitetty luvussa 2.2. Pitkäkosken voimalaitoskohteessa on suojausvaatimukset hoidettu seuraavalla tavalla. Suojaus erottaa voimalan verkosta, mikäli verkon jännitteet poikkeavat huomattavasti nimellisestä arvosta; suojana toimii maasulkusuojaus. Verkon syötön katkos - riippuen siitä, mistä erotus on tehty - havaitaan voimalaitoksella ylikuormituksena, minkä seurauksesta generaattori pudotetaan verkosta. Sama tilanne havaitaan myös taajuuden vaihteluna. Verkon vaiheiden jännitteitä valvotaan kolmella laitteella: tahdistin ei anna kytkentälupaa, mikäli L1 ja L2 eivät ole kunnossa, ja vaihetta L3 valvotaan tehomittarilla. Lisäksi verkkokatkaisijan nollajännite luetaan verkon vaiheesta L1. Tällä menettelyllä valvotaan kaikkien vaiheiden jännitteitä ja varmistetaan turvallinen verkkoon kytkeytyminen, vaikka käytössä ei ole varsinaista jännitevalvontarelettä. Katkaisijoiden toiminta-aika on nopea vikatilanteissa, eikä toimenpide aiheuta ongelmia verkon omille suojalaitteille. Voimalaitoksella on selkeät käyttökytkimet, joiden avulla laitos voidaan varmennetusti erottaa verkosta huoltotöiden ajaksi. Voimalan turhaa verkosta eroamista voidaan parantaa asettelemalla suojat riittävän jäykiksi, sillä seurantajakson aikana havaittiin voimalan reagoivan myös herkkiin verkon häiriöihin. 5.4 Verkkoonliitäntälaitteisto Automaatio rakentuu Telemecaniquen Modiconin Premium -logiikan varaan ja siihen liittyviin mitta- ja ohjauslaitteisiin, joita ovat PM500-tehoanalysaattori, DC-DC-hakkuri, moottoriohjatut katkaisijat, sähköinen turbiinin säätölaitteisto, tahdistin ja muut vartiolaitteet. Suurin osa automaatiosta on ohjelmallisesti rakennettua dataa, joiden ohjeiden mukaan logiikka ohjaa prosessia. Automaation rinnalla toimii vanha käsikäyttöinen ohjausmahdollisuus tilanteissa, joissa uusi automaatio ei pysty toimimaan halutulla tavalla - esimerkiksi jonkin komponenttivian takia. Automaation keskipisteessä ovat itse logiikka ja tehoanalysaattori, joka siirtää prosessista kaikki tarvittavat sähköiset suureet logiikkaan ja ohjausta suorittaviin vertailusilmukoihin ja valvontalohkoihin. Ilman tätä tehoanalysaattoria sähköisen prosessin mittaaminen ja hallinta olisi hyvin hankalaa ja miltei mahdotonta; ilman niitä tarvittaisiin suuri määrä erilaisia mitta-arvomuuntimia ja sovittimia siirtämään samat tiedot prosessilta logiikkaan Logiikka Modicon Premium -logiikka on laaja teollisuuteen tarkoitettu modulaarinen logiikka. Premium-logiikka kostuu 12-paikkaisesta korttipohjasta, josta ensimmäiset kaksi paikkaa varataan virtalähteelle ja CPU:lle. Loput 10 paikkaa on varattu erilaisille korteille, kuten digitaalisille ja analogisille tulo- ja lähtökorteille. Premium-automaatiojärjestelmässä on pohjalevyjen toisiinsa liittämistä varten Bus X -väylä. Korttipohjan molemmissa päissä on 9-kanavainen SUB-D-tyyppinen liitäntä kaapelia varten, jolloin eri levyt voidaan liittää toisiinsa. Tämä rakenne mahdollistaa tehokkaan automaation hajauttamisen ympäri prosessia. Korttipohjia yhdistettäessä riittää, että yhdessä pohjalevyssä on prosessorikortti. Tätä kokonaisuutta kutsutaan 38

40 isäntäosaksi ja loppuja korttipohjia nimitetään orjaosiksi. Vapaana olevat Bus X -väylän liittimet on päätettävä päätevastusliittimellä. Kuva 12. Modicon-logiikka Logiikan I/O-kortit Logiikan teholähde on tyyppiä TSX PSY2600 oleva kortti, joka on sijoitettu alustalevyn paikkaan 00. Teholähde (26 W) muodostaa V vaihtojännitteestä logiikan tarvitseman 24 V tasajännitteen. Lähteestä voidaan syöttää digitaalisten tulojen tarvitsema käyttösähkö. Prosessorikortti on tyyppiä TSX P57203 oleva kortti, joka sijoitetaan heti teholähdekortin jälkeen alustalle paikoille vaatien kaksi korttipaikkaa. Prosessori pystyy käsittelemään 1024 digitaalista ja 80 analogista I/O-kanavaa kattavaa kokonaisuutta. Kortissa on 48 kilosanaa RAM muistia. Prosessorikorttiin voidaan kytkeä PCMCIA-kortti, jonka muistikapasiteetti on 160 kilosanaa. Tämä paikka on jo käytössä tehoanalysaattorin sarjaliikennettä varten. Ethernet-kortti - tyypiltään TSX ETY voidaan sijoittaa korttikehikkoon mihin tahansa vapaaseen paikkaan. Tässä kehikossa se sijaitsee paikassa 02. Kortti mahdollistaa nopean tiedonsiirron logiikan ja tietokoneen välillä. Kortin avulla on mahdollista siirtää tietoa Internetin kautta automaation ja valvomon muille osille. TCP/IP-väylä on rajoitettu 10/100 Mbps nopeudelle. Logiikka kattaa yhden TSX DEY 16D2 -tyypin tulokortin, joka sisältää 16 sisääntulokanavaa ja yhden TSX DSY 08R5 -tyypin lähtökortin, joka sisältää 8 lähtökanavaa. Nämä digitaalikortit sijaitsevat kehikossa paikoilla 03 ja 04. Digitaalitulokortti tarvitsee toimiakseen 24 V ulkoisen jännitesyötön teholähteeltä, sillä tätä jännitettä käytetään myös tulosignaalien muodostamiseen. Logiikassa on lisäksi yksi TSX AEY 414 -tyyppinen, nelikanavainen tulokortti ja yksi TSX ASY 410 -tyyppinen, nelikanavainen lähtökortti. Nämä analogiakortit sijaitsevat paikoilla 05 ja 06. Tulokortissa voidaan valita tulojännitesignaalit ± 10 V, ± 5 V, V, V tai V ja vastaavasti tulovirtasignaalit ma tai ma. Lähtökortista voidaan valita vastaavasti ± 10 V lähtöjännitesignaali ja lähtövirtasignaalit ma tai ma. Molempien korttien jokaiseen kanavaan voidaan asetella vapaasti jännite- tai virtasignaalit. 39

41 Lisäksi logiikkaan hankittiin yksi tyypin TSX CTY 2C -laskurikortti asetettuna kehikkoon paikalle 07. Kortin avulla pystytään laskemaan induktiivisen anturin antamia pulsseja, joista lasketaan edelleen taajuutta ja pyörimisnopeutta. Logiikan omalla laskennalla ei pystytty laskemaan niin suurta pulssimäärää, mitä olisi tarvittu. Laskurikortti tarvitsee lisäksi 24 V herätejännitteet toimiakseen ja samainen jännite on myös syötettävä induktiivisen anturin käyttöjännitteeksi. PCMCIA-kortin kautta saadaan luettua PM500-tehoanalysaattorin tiedot logiikan CPU:lle. Kenttäväylänä tehomittarin PM500 ja logiikan PCMCIA-kortin välillä on Modbus-kenttäväylä. Voimalaitoksen viimeistelyvaiheessa logiikkaan hankittiin vielä kaksi korttia pinnankorkeuden säädön uusimista ja jatkossa tulevien omistajan omien lisäohjausten toteutusta varten tarvittavia I/O-pisteitä. Korttipaikalla 08 on TSX DEY 16D2 -tyypin digitaalinen tulokortti ja paikalla 09 on TSX DSY 16R5 -tyypin digitaalinen lähtökortti Ohjelmointiohjelma PL7 pro Telemecaniquen PL7-ohjelmisto yksinkertaistaa työvaiheita, nopeuttaa oppimista ja ohjelmointia ja auttaa virheiden haussa. Se on ohjelmoijan ja käyttöönottajan yleistyökalu. Premium-logiikkaa voidaan ohjelmoida eri PL7-ohjelmistoilla. Tämän voimalaitoslogiikan ohjelmointiin käytettiin PL7 Pro -ohjelmaa, joka toimii Windows XP ja vanhemmissa käyttöjärjestelmissä. Ohjelmistoa on saatavana myös laajuustasoltaan suppeampina sovelluksina (Micro ja Junior). Varsinaista ohjelmointia voidaan tehdä neljällä eri kielellä, joita ovat Grafcet (sekvenssikaavio), Ladder (tikapuukaavio), Structured Text (rakenneteksti) ja Instruction list (käskylista). Lisäksi ohjelmasta löytyy Derived Function Block, Kuva 13. PL7 PRO -ohjelmointiohjelma. 40

42 jossa käyttäjä voi luoda omia funktioitansa ja käyttää niitä ohjelmoinnissa samaan tapaan kuin ohjelman omiakin. Ohjelma päivittyy reaaliajassa ohjelmointiohjelmasta logiikan muistiin, kun käytetään online-asetusta ohjelmoinnin aikana; kuitenkin jotkin ohjelmointitoiminnot vaativat offline-tilan käyttöä. Ohjelmoinnissa käytettiin Ladder-ohjelmointikieltä. Tämä on alkuun pääsemisen jälkeen selkeä ohjelmointitapa vähän ohjelmointia harrastaneelle ohjelmoijalle. Ladder-ohjelmointi soveltuu pieniin ja suppeisiin ohjelmakoodirakenteisiin, sillä laajoissa ja monimutkaisissa ohjelmissa koodin luettavuus tulee hankalaksi. Tosin Ladder-kieltä voi käyttää siinä missä muitakin ohjelmointikieliä ohjelmointiohjelmassa olevien monipuolisten, koodia selventävien kommentti- ja muuttujien nimeämistoimintojen avulla. Ohjelmasta löytyy paljon ohjelman tekemistä ja kokeilua helpottavia toimintoja kuten animaatio-toiminto ja erityyppisten muistisanojen päällekkäisestä kirjoitusvaarasta ilmaiseva toiminto. Eri ohjelmakoodisivujen puumainen esitystapa helpottaa halutun koodisivun etsimistä ja usean sivun yhtäaikainen aukiolo helpottaa työskentelyä Valvomo Vijeo Look on reaaliaikainen valvomo-ohjelmisto paikallisiin yhden käyttöliittymän valvomotarpeisiin. Se on pieniin ja keskisuuriin valvomoihin tarkoitettu graafinen valvomo-ohjelmisto, jonka tämä versio pystyy käsittelemään 1024 kpl suuruisen määrän eri I/O:ta. Vijeo Look -valvomo-ohjelmalla luotiin automaatiolle prosessin tärkeimpien arvojen reaaliaikainen esitys, selkeät ohjaustoiminnot, vikahistoria, kytkentätilanteet ja ohjearvojen asettelu. Valvomossa on neljä eri ikkunaa, jotka on jaettu varsinaiseen valvontaosaan, ohjearvojen asetteluosaan, graafiseen 2 tunnin tapahtumahistoriikin esitysosaan (voidaan toteuttaa myös pitemmillä seurantajaksoilla) ja sähköisen kytkennän esittävään osaan. Seuraavalla sivulla on kuvat kolmesta tärkeimmästä valvomoikkunasta: ensimmäinen on valvomon pääikkuna, josta ohjataan voimalan toimintaa, toinen ikkuna on asettelujen ja tapahtumahistorian seurantaan, ja kolmas ikkuna esittää voimalaitoksen kytkentätilannetta. Vijeo Look -valvomo-ohjelmistoa voidaan käyttää mm. datan lukemiseen ohjelmoitavalta logiikalta ja luettujen datojen visualisointiin, prosessin valvomiseen ja ohjaukseen sekä ohjelmoitavalta logiikalta luetun tai valvomon sisäisen datan tallentamiseen tietokantaan ja prosessin hälytysten käsittelyyn. 41

43 Kuva 14. Valvomon päänäyttö, valvonta näyttö. Kuva 15. Valvomon näyttö, asetteluvalikko ja tapahtumahistoria. 42

44 Kuva 16. Valvomon näyttö, voimalan kytkeytyminen Vikatilanteet Vikatilanteiksi, joiden seurauksesta automaatio suorittaa katkaisijoiden aukiohjaus-toimenpiteitä ovat: yli- ja alijännite, yli- ja alitaajuus, ylivirta, oikosulku, takateho ja maasulku (6 perussuojaa). Häiriöitä, joiden seurauksesta syntyy vikatilanne ja voimalan alasajo, ovat PM500-tehoanalysaattorin tiedonsiirtoyhteyden häiriö, pulsseja laskevan laskurikortin toimintahäiriö ja turbiinin voiteluöljypumpun vioittuminen, jotka myös estävät voimalan käynnistyksen vikaantuessaan. Yli- tai alijännitevaaraa ei pitäisi ilmetä nopean hakkurijännitesäätimen ansiosta. Ohjelmakoodiin kuitenkin asetellaan rajat tämän tilanteen varalta, joiden ylittyessä generaattorin magnetointia rajoitetaan ja se erotetaan syötettävästä kuormastaan. Koska jo 15 % ylijännite voi aiheuttaa erilaisia laitevaurioita, asetellaan automaatiossa tällekin toiminnalle riittävä hidastus poistamaan turhia ylijännitevikoja, jotka voivat tulla laitoksen ulkopuolelta esimerkiksi luonnonilmiöiden seurauksena. Verkko- ja saarekekatkaisijassa on alijännitekela, joka avaa katkaisijan jännitteen kadotessa tai voimakkaasti laskiessa. Taajuusvalvonta hoidetaan ohjelmallisesti. Verkkokäytössä taajuus saa vaihdella 49 ja 51 Hz välillä hetkellisesti; rajojen ylittyessä generaattori irrotetaan verkosta. Saarekekäytössä taajuus voi vaihdella hetkellisesti Hz välillä mahdollisen ryntäyksen tai nopean kuorman kasvun seurauksesta. Näiden rajojen ylittyminen erottaa generaattorin saarekekäytöstä ja kytkeytyy siihen takaisin, kunnes ohjelmallisesti määritellyt ehdot täyttyvät; toisin sanoen taajuus on palannut Hz välille ja jännitteet ovat asetelluissa rajoissa. 43

45 Ylikuormitus estetään ohjelmallisesti asettelemalla teholle tietyt rajat, joita ei saa ylittää käytön aikana. Oikosulun aiheuttamaan ylikuormitukseen logiikan ohjelma ei ennätä mukaan, vaan tässä tilanteessa toimivat tehokatkaisijoiden nopeat ylivirta- ja oikosulkusuojaukset, joiden toimesta generaattori irtoaa syöttämistään kuormista. Tällä järjestelyllä päästään sulakkeettomaan suojaukseen. Vinokuormasuojausta voidaan käyttää vain verkkoa syötettäessä, sillä saarekeajossa kuormitus voi olla hetkellisesti hyvinkin epätasaista, minkä seurauksena aiheutuisi jatkuvasti syöttökatkoksia automaation katkoessa syöttöä. Verkkoa syötettäessä vinokuormasuojaus on hyvin tärkeä esimerkiksi yhden vaiheen sulakkeen palaessa; tätä vaaraa ei ole katkaisijakäytössä, vaan suojauksella halutaan poistaa esimerkiksi katkenneen vaihejohtimen aiheuttamat mahdolliset lisäviat. Takatehosuojalla pyritään estämään se, ettei generaattori muutu missään vaiheessa moottoriksi. Generaattorin verkkoon tahdistuksen yhteydessä voi esiintyä hetkellinen, ohimenevä takateho. Takatehosuojauksen laukeaminen estetään tahdistusvaiheessa viivästyttämällä suojauksen käyttöönottoa ja asettelemalla viive riittävän pitkäksi, jotta teho ennättää nousta riittävän suureksi. Ohjelmallisesti takateho havaitaan helposti, sillä PM500-tehoanalysaattorista luetaan jatkuvasti mittatietoja logiikalle. Tehon etumerkistä voidaan havaita takateho nopeasti ja poistaa vika avaamalla turbiinia lisää, minkä seurauksesta teho nousee ja alkaa siirtyä verkkoon päin. Lisäksi on suunniteltu maasulkusuojausta, mutta sen toiminta ei ole täysin varmaa, sillä keskijänniteverkossa sattuva maasulku ei aina välttämättä näy riittävän voimakkaana pienjänniteverkon puolella. Suoja on aseteltu mittaamaan vaihejännitteiden välistä eroa ja asetellun rajan ylittyessä suojaus toimii asetellulla viiveellä Pyörimisnopeusvalvonta Generaattorin pyörimisnopeuden seurantaa varten sen magnetointigeneraattorin pään akselin päähän kiinnitettiin metallista valmistettu, pyöreä reikäkiekko, jossa on 16 reikää. Tämän kiekon läheisyyteen asennettiin induktiivinen anturi lukemaan pulsseja kiekosta, joiden tietojen perusteella logiikka pystyy laskemaan generaattorin pyörimisnopeuden ja muodostamaan sen tiedon pohjalta vastaavan taajuuden tarvittaviin vertailusilmukoihin. Tämä edellä mainittu nopeusmittaus toimii generaattorin käynnistysvaiheessa ennen kuin PM500- tehoanalysaattori saadaan kytkettyä. Mittari käynnistetään samassa yhteydessä kun magnetointi kytketään, sillä mittari tarvitsee porrasmaisen jännitesignaalin kunnollista käynnistymistä varten. PM500:sta saadaan samat tiedot hieman tarkemmin logiikalle kuin induktiivisesta anturista ja niistä muodostetaan vastaavat taajuus- ja nopeusarvot erilaisia ohjauksia varten. Tämä pyörimisnopeusvalvonta toimii tehoanalysaattorin rinnalla varmistamassa laitoksen turvallisen hallinnan esimerkiksi tehoanalysaattorin vikaantuessa tai sen muussa häiriötilanteessa Tehoanalysaattori Powerlogic System PM500 -tehoanalysaattori on Merlin Gerinin valmistama monipuolinen Modbuskenttäväylän kautta logiikkaan liitettävissä oleva mittauslaite. Mittari on suunniteltu erilaisten moottorilähtöjen indikointiin monipuolisten ominaisuuksiensa puolesta. Sitä voidaan käyttää yksi-, kaksi- tai kolmivaiheisena. Mittarin käyttöjännitealue on laaja, V AC ± 10 % ja vastaavasti V DC ± 20 %, minkä ansiosta se soveltui hyvin generaattorin mittaukseen. Väylän kautta pystytään mittarista lukemaan lähes kaikki mahdolliset suureet. Kuitenkin tässä tapauksessa oli tarpeen vain jännitteiden, virtojen, eri tehojen, taajuuden ja tehokertoimen lukeminen. Mittarilla pystytään lukemaan myös harmonisia yliaaltoja. Mittarista eri arvoja luetaan noin 4 kertaa sekunnissa logiikan muistiin. 44

46 Mittari voidaan liittää suoraan 400 V kolmivaihejärjestelmään. Virranmittausta varten tarvitaan erilliset mittamuuntajat. Myös jännitemittamuuntajien avulla laite voidaan liittää keskijännitekojeisiin. Mittarin omakäyttöjännite voidaan ottaa yhdestä mitattavasta vaiheesta tai syöttää erillisestä lähteestä; mittari kuitenkin mittaa taajuutta saamastaan syöttöjännitteestä. Mittarilla luetaan sekä verkon että generaattorin jännitteitä, mistä syystä mittarin jännitteenmittausvaiheet L1 ja L2 kytkettiin generaattorin vastaaviin vaiheisiin ja L3 kytkettiin verkon vastaavaan vaiheeseen. Tällä järjestelyllä L3-vaiheesta voidaan lukea verkon tila aloitettaessa generaattorin tahdistaminen verkkoon ja voidaan todeta verkon jännitteisyys sähkökatkon jälkeen. Tämän kytkennän seurauksena mittari ei voi laskea oikeita kolmivaiheisia suureita saarekeajon aikana kahdella jännitteisellä vaiheella. Ongelma korjaantuu laskemalla halutut arvot logiikalla mittarista saatavista yksivaihearvoista. Generaattorin verkkoon kytkeytyneenä tätä ongelmaa ei ole, sillä generaattorin napajännite on sama verkon kanssa. Mittarilla on hyvin keskeinen asema tässä automaatiossa, sillä mittarista saadaan kaikki tarvittavat tiedot voimalaitosprosessista. Mikäli tämä mittari ei käynnisty tai lakkaa toimimasta kesken käytön, ei automaatiolle saada mitään tietoja jännitteistä, virroista tai tehoista. Tämän mittarin voidaan sanoa olevan tämän automaation hermokeskus. Ohjelmallisesti voidaan valvoa tämän mittarin toimintaa ja estää voimalaitoksen toiminta, mikäli mittari ei keskustele logiikan kanssa Tahdistin Generaattorin verkkotahdistusta varten laitteistoon asennettiin DEIF:n valmistama CSQ-2-tyyppinen tahdistusskooppi. Se sisältää tahdistushetkeä ilmaisevan relelähdön, josta saadaan kytkentäviesti logiikalle tai suoraan katkaisijan ohjaukseen. Tahdistin tarvitsee verkon ja generaattorin puolelta vaiheet L1 ja L2 pystyäkseen vertailemaan verkon ja generaattorin taajuutta ja vaihesiirtoa. Tahdistimessa on ohjelmoitavissa nollajännitteen ja vaihesiirron ylä- ja alarajat. Näillä toiminnoilla pystytään saavuttamaan haluttu tahdistushetki, joilla voidaan rajoittaa kuinka suurella kiihtyvyydellä generaattori pystyy kytkeytymään verkkoon. Verkkoon tahdistuminen olisi onnistunut todennäköisesti myös tehoanalysaattorin avulla käyttämällä jännitemittauksessa muutoskytkentää aina tahdistustilanteessa. Toteutuksen hankaluuden ja myös simuloinnin aikana havaitun epävarmuuden takia oli turvallisinta hankkia tähän tarkoitukseen suunniteltu tahdistin Ohjelmalliset suojat ja liityntäautomaatio Automaation suojareleet on toteutettu ohjelmallisesti. Katkaisijoissa on kuitenkin omat oikosulkuja ylivirtareleet. PM500-tehoanalysaattorin kautta luetuista arvoista valvotaan logiikkaan ohjelmoiduissa osissa prosessin käyttäytymistä. Koska logiikka on koko automaation keskipiste ja sen vikaantumien estää prosessin hallinnan, on tämä seikka huomioitu ohjelman suunnittelussa. Logiikan käyttöjännitteiden katkeaminen sekoittaa voimalaitosprosessin, josta logiikka palautuu itse aloittaen voimantuotantoprosessin alusta. Logiikan sähkökatko aukaisee kummatkin katkaisijat ja ohjaa turbiinin sulun päälle ulkoisen ohjauksen turvin. Käyttöjännitteen palauduttua alkaa prosessin ylösajo normaaliin tapaan. Edellä esitetty käyttöjännitekatkos vikamahdollisuus poistetaan käyttämällä On-Line-UPS:ia, jonka perään kytketään valvomotietokone ja logiikka. Tällä menettelyllä saavutetaan turvallinen prosessin 45

47 hallinta lyhyiden sähkövikojen tai katkosten aikana. Toinen seikka, joka puoltaa UPS:n käyttöä on tietokoneen ja logiikan syöttöjännitteen laadun turvaaminen ja vaarallisten ylijännitepiikkien suodatus. On kuitenkin havaittu tilanteita, joissa UPS on pudonnut pois päältä voimalassa tehtyjen kytkentätilanteen muutosten yhteydessä. Tämä häiriö on aiheuttanut noin kahden minuutin mittaisen tilanteen, jolloin voimalaitosta ei pystytä hallitsemaan automaation voimin. Ohjelmalliset suojat on esitelty kohdassa vikatilanteet. Näillä asetteluilla hallitaan sähköntuotannon turvallisuutta. Lisäksi automaatio valvoo kokoajan PM500-tehoanalysaattorin viestiliikennettä ja pyörimisnopeuslaskurin toimintaa. Näiden laitteiden vikaantuminen estää prosessin ylösajon ja toisaalta ohjaavat prosessin alas vian syntyessä normaalin ajon aikana Energiamittari Voimalaitoksen tuotetun ja kulutetun energian mittaus muutettiin suoritettavaksi Enermetin kaksisuuntaisella E700-energiamittarilla. Ennen mittareita oli kaksi, toinen tuotetulle ja toinen kulutetulle energialle. Uusitulla mittarilla saadaan selville kokonaisenergiasta sekä pätöteho että loisteho molempiin suuntiin. Lisäksi mittarin käyttäjä pystyy lukemaan siitä myös jännitteen, virran, kokonaistehon ja cos -arvon. Energiamittari on kaukoluettavissa GSM-verkon kautta, joten verkkoyhtiö pystyy etälukemaan mittarista tuntienergiatietoja ja tehotietoja. Mittarista siirretään logiikkaan pätö- ja loistehotieto pulsseina välireleiden kautta automaation säätöjä ja valvomossa tapahtuvaa esitystä varten. Pulssien välitystä varten on olemassa tähän tarkoitukseen suunniteltuja puolijohdetekniikkaa hyödyntäviä releitä. Näiden releiden etuna on huomattavasti pitempi käyttöikä ja suurempi kytkentämäärän kesto verrattuna tavallisiin releisiin ja toisaalta tavalliset releet eivät pysty toistamaan läheskään niin suuria pulssinopeuksia kuin olisi tarve. Mittarissa on kaikkiaan neljä relelähtöä, joka mahdollistaa mittarin monipuolisen käytön. Mittarin kautta on mahdollista suorittaa kuormanohjaustoimenpiteitä, jonka ansiosta on mahdollista suorittaa jonkinasteista voimalaitoksen kauko-ohjausta energiamittarin kaukoluentayhteyttä hyväksi käyttäen. Tällaiseen ohjaukseen ei ole vielä valmista ratkaisua olemassa, mutta tulevaisuudessa, kun pienvoimaloiden lukumäärä tulee kasvamaan, voi tällaiselle ohjaukselle olla tarvetta. Energiamittarin kaukoluentayhteyden kautta verkkoyhtiö pystyisi hallitsemaan pienvoimaloiden kytkeytymistä verkkoon. Tällainen kauko-ohjausmahdollisuus on hyvä keino estää pienvoimaloita jäämästä syöttämään osaa jakeluverkosta omana saarekkeenaan verkossa sattuvien ohjaustilanteiden ja vikatilanteiden takia. 5.5 Automaation toimintaselostus Automaattisen voimantuotannon käyttöönotto tapahtuu voimalan ollessa pysähdyksissä. Sähkökeskuksessa on valintakytkin S1, josta voidaan valita automaattiajo tai käsiajo. Tältä kytkimeltä logiikka saa käynnistysluvan ja samalla kytkimen kääntö vaihtaa magnetointitapaa käsikäyttöiseltä magnetointivastukselta staattisen hakkurimagnetoijan ohjaukseen. Kytkimen kääntö ei vielä käynnistä voimalaitosta, vaan valvomosta tapahtuu lopullinen ohjaus. Sähkökeskuksessa on myös toinen valintakytkin S2, josta annetaan lupa kytkeytyä syöttämään energiaa verkkoon. Samoin tämänkin kytkimen vaikutus on säädeltävissä valvomosta. Voidaan ajatella näiden edellä mainittujen kytkimien olevan turvakytkimiä, joiden käyttö tuo turvallisuutta voimantuotantoprosessiin ja estää luvattomat kytkeytymiset. Kytkimet turvaavat myös voimalan alasajon esimerkiksi valvomotietokoneen vaurioitumisen yhteydessä, jolloin ohjauksia ei voida hoitaa koneen näytöltä. 46

48 Näiden kytkinvalintojen jälkeen prosessia ohjataan valvomosta käsin. Valvomossa on kolme keskeistä ikkunaa, joista voidaan suorittaa ohjaustoimenpiteitä, asetella tuotantoarvoja ja seurata verkon kytkeytymistä. Nämä ikkunat on esitelty kohdassa valvomo. Valvomo - ohjelmiston päänäyttönä toimiva valvontanäyttö sisältää prosessiarvojen näytön ja muiden keskeisten toimilaitteiden toiminnan indikoinnin. Tältä näytöltä löytyy painikkeet Voimalaitos ON/OFF, josta voimalan käynnistys ja sammutus hoidetaan ja Verkkoonkytkentä ON/OFF, josta ohjataan generaattorin kytkeytymistä verkkoon. Valvomosta annetun käynnistymisluvan jälkeen alkaa voimalan ylösajovaihe, jossa vaiheessa automaatio tarkistaa antureiden ja tärkeiden toimilaitteiden kunnon ja sallii käynnistyksen mikäli kaikki on kunnossa. Käynnistys alkaa avaamalla turbiinia, generaattori alkaa kiihtyä. On tosin huomioitava se seikka, että turbiini pyörii aina, vaikka se on täysin kiinni. Tästä johtuen käynnistysvaihe on nopea. Kun generaattorin taajuus on kohonnut yli 35 Hz, kytkeytyy päälle magnetointi ja generaattoriin "tulee sähköt" ja PM500-tehoanalysaattori alkaa "herätä" käyttöjännitteen syntymisen seurauksesta. Tässä vaiheessa magnetoinnissa on kiinteä ohjearvo, sillä tehoanalysaattorin käynnistyminen ja kommunikoinnin alkaminen kestää vähän aikaa. Turbiinin aukiajo jatkuu tällä aikaa. Ennen PM500:n käynnistymistä generaattorin pyörimisnopeutta ja taajuutta valvotaan pyörimisnopeusvalvonnalla, jolla taataan turvallinen käynnistyminen. Kunnes generaattorin taajuus on kohonnut noin 45 Hz:iin, muuttuu aukiohjaus PID-säätimen ohjaamaksi, pulssimaiseksi, säätäen generaattorin taajuuden 50 Hz:iin turbiinia säätämällä. Seuraavaksi automaatio analysoi asetellut ohjeet ja kytkinten kosketintiedot ja ratkaisee kytkeytyykö se saarekkeeseen vai verkkoon. Mikäli verkkoonkytkentä on estetty tai verkko ei ole kunnossa, generaattori kytkeytyy saarekkeeseen, kun jännite ja taajuus ovat asetelluissa rajoissa, sulkemalla saarekekatkaisijan. Saarekkeessa ohjaus perustuu taajuuden ja jännitteen säätöön kuormituksen vaihdellessa. Verkkoonkytkentä tapahtuu tahdistamalla generaattori verkkoon ja sulkemalla verkkokatkaisija. Tahdistus tapahtuu ajamalla 50 Hz taajuutta kunnes oikea tahdistushetki löytyy ja logiikkaan asetellut ehdot täyttyvät ja verkkoonkytkentä on sallittu tahdistimen luvalla. Verkkokatkaisijan sulkeuduttua alkaa välittömästi tehonnostovaihe, jolloin turbiinia ajetaan hitaasti jatkuvana aukiajona kunnes on saavutettu noin 75 % teho asetellusta ohjeesta. Samalla magnetointi säätää ohjeen mukaisen loistehotuoton. Loppu säätö ajetaan pulssimaisella ajolla, jotta päästään tarkasti oikeaan aseteltuun arvoon ja eikä liian nopealla tehonnostolla ajauduta ylikuormitukseen. Normaaliajossa generaattori syöttää verkkoa ja automaatio valvoo ja säätelee tätä prosessia. Valvonta suoritetaan ohjelmallisesti ja PM500-tehoanalysaattorin arvoja luetaan jatkuvasti logiikkaan ja tarkastellaan prosessin kulkua. Vikatilanteessa automaatio ohjaa verkkokatkaisijan auki verkon vikaantuessa ja siirtyy syöttämään pelkästään saareketta. Automaatio avaa myös saarekekatkaisijan, mikäli vika ei poistu pelkän verkkokatkaisijan avaamisen jälkeen. Viasta johtuva verkosta irtoaminen saa generaattorin ryntäämään, jolloin tarvitaan nopeaa turbiinin ohjausta ja magnetoinnissa vaaditaan pakko-ohjausta leikkaamaan ylijännitepiikkiä, jotta pystytään takaamaan turvallinen saarekekuormien syöttö. Voimalaitoksen irtikytkeminen verkosta ohjelman kautta tapahtuu huomattavasti rauhallisemmin kuin vian takia tapahtuva irtautuminen painamalla valvomossa Verkkolupa ON/OFF -painiketta ja valitsemalla Erota. Heti tämän jälkeen alkaa turbiinin kiinniajo, joka laskee tehot omakäyttötasolle ja irtautuu verkosta siirtyen saarekkeeseen noudattaen saarekkeelle asetettuja ohjauksia. Voimalan sammutus tapahtuu samaan tapaan kuin käynnistyskin; nyt valitaan vain sammutustoiminto. Tämän jälkeen alkaa turbiinin kiinniajo jatkuen niin kauan kunnes se on täysin kiinni. Samaan aikaan automaatio erottaa generaattorin saarekkeesta ja katkaisee magnetoinnin. Voimala jää tilaan, josta se voidaan käynnistää uudelleen tai siirtyä käsiajoon tarpeen mukaan. 47

49 Valvomosta tehdyt säädöt ja ohjaukset eivät vaikuta millään lailla epätahtigeneraattorin toimintaan, vaan sen hallinta täytyy suorittaa sen omasta keskuksesta käsin. Valvomoon on vain otettu kokonaisuuden kannalta myös tämän generaattorin toiminnan osoitus. Automaation toiminta muuttuu hieman kun verkkokatkaisijan ohikytkentäerotin kytketään kiinni, sillä automaatio toimii sen auki ollessa edellä esitetyllä tavalla normaaliajossa. Muutos on seuraavanlainen. Ohikytkennän ollessa auki on siis kyseessä normaaliajotilanne, eli verkkoon tahdistutaan verkkokatkaisijan avulla ja tällöin saarekeajoon irtautuminen on mahdollista. Kun ohikytkentä on kytketty kiinni, suoritetaan tahdistus verkkoon saarekekatkaisijan avulla. Tässä tilanteessa generaattori ei pysty syöttämään saarekekuormia verkosta irrotessaan, vaan jää tyhjäkäyvään tilaan esim. vian takia irrottuaan verkosta. Generaattori noudattaa 5 minuutin mittaista kytkentäviivettä ennen kuin se yrittää kytkeytyä uudelleen verkkoon. Voimalan valvontaan on aseteltu ehdoksi 20 minuutin viive, minkä jälkeen voimala sammutetaan kokonaan, ellei se kykene kytkeytymään saarekkeeseen tai verkkoon. Tällainen syy voi olla katkaisijan viritintoimilaiteen jumiutuinen, joka estää automaattisen kytkennän toimimisen Tahtigeneraattorin tehotasapainon hallinta Generaattori toimii tarpeen mukaan verkossa tai saarekkeessa, mikä takia sen tehontuoton ohjaus vaihtelee merkittävästi. Saarekekuormituksen aikana ohjaus perustuu taajuuden vakiona pitämiseen, eli tehotarpeen mukaan logiikka ohjaa turbiinia pyrkien pitämään taajuuden lähes muuttumattomana. Magnetoinnilla pidetään jännite vakiona kulutuksesta ja kuorman tyypistä riippuen. Saarekekuormituksen aikana on kaksi arvoa, joita logiikka säätää ja pyrkii pitämään vakiona, eli taajuus ja jännite. Generaattorin kytkeydyttyä verkkoon automaatio säätää valvomosta asetellun tehon ja loistehotuoton kohdalleen. Nämä arvot ovat kiinteitä ohjeita, joita noudattaen tehontuoton ohjauksia suoritetaan. Verkkokuormituksen aikana säädetään vain tehon- ja loistehontuottoa. Verkkokuormituksesta siirryttäessä saarekekuormitukseen tarvitaan tietää saarekkeen kuluttama hetkellisteho, joka asetelleen uudeksi ohjeeksi teholle siirtymävaiheen ajaksi. Toisin sanoen generaattori ajetaan samalle tehotuottotasolle kuin mitä oma kuormitus sillä hetkellä tehoa kuluttaa. Tämän jälkeen generaattori erotetaan verkosta ja ohjaus muuttuu saarekeohjaukseksi. Muutoksen pitäisi olla lähes huomaamaton tarkan säädön ansiosta; tosin jännitteessä saattaa ilmetä pieniä heilahteluja. Tämä oma kulutus saadaan selville laskemalla yhteen tahtigeneraattorin ja epätahtigeneraattorin tuottamat tehot ja vähentämällä tästä summasta energiamittarista saatava tehotieto. Näin ollen erotus on se teho, jonka mylly ja omakotitalo kuluttavat sähköä sillä hetkellä. Nämä saadut arvot ovat kuitenkin 3 minuutin keskiarvoja eivätkä hetkellisarvoja. Vikatilanteissa, jolloin verkosta pudotaan täydellä teholla, ei ennätetä säätää tehoja edellä mainitulla tavalla, vaan on käytettävä hätäsulkua, kunnes tilanne rauhoittuu. Nämä tilanteet vaativat nopeaa ja varmaa toimintaa koko automaatiolta, sillä tavoitteena on pitää saarekekuorma aina jännitteellisenä, eli syöttö pyritään pitämään katkottomana joka tilanteessa Loistehon tuotanto Voimalaitosgeneraattorin ja jakeluverkon välisen loistehon suunta ja suuruus riippuvat käytettävästä generaattorityypistä ja magnetoinnin säädöstä. Epätahtigeneraattorit ottavat magnetointiin tarvitsemansa loistehon suoraan verkosta tai paikallisista kompensointiparistoista, sillä ne eivät itse sitä 48

50 pysty tuottamaan. Tahtigeneraattorilla pystytään säätelemään loistehotuotantoa magnetoinnin avulla. Alimagnetoituna tahtigeneraattori ottaa verkosta puuttuvan loistehon ja vastaavasti se ylimagnetoituna syöttää loistehoa verkkoon. Liiallinen loistehon kulutus tai tuottaminen kuormittaa voimalan ja jakeluverkon välistä siirtoyhteyttä. Liiallinen loistehotuotanto myös nostaa verkon jännitettä ja heikossa jakeluverkossa tehokas voimalaitos virheellisellä loistehotuotannolla voi saada aikaan ylijännitevaaran. Jakeluverkonhaltijat voivat määritellä loistehotuotantoa koskevia normeja. Senerin nykyisten ohjeiden mukaan verkosta voi kuluttaa loistehoa 20 % suuruisen määrän pätötehon huippuarvosta (vastaa cosö arvoa 0,98) ilmaiseksi; suuremmasta määrästä veloitetaan. Vastaavasti verkkoon päin ei loistehoa saa luvatta toimittaa. Näistä ehdoista ja muista määrittelyistä voidaan sopia tapauskohtaisesti sähköntuotantosopimuksessa tuottajan ja verkkoyhtiön kesken. Tässä tapauksessa voimalaitoksen huipputeho on noin P = 160 kw, josta loistehon ilmaisosuudeksi saadaan cos :n arvolla 0,98 noin Q = 32 kvar. Voimalaitosta ajetaan tahtigeneraattorin osalta induktiivisena, eli se ottaa jonkin verran loistehoa verkosta. Epätahtigeneraattori on myös induktiivisella puolella omien kompensointiparistojensa osalta eli tehokerroin on noin 0,95. Normaalikäytössä voimalaitos pidetään induktiivisella puolella, eli se kuluttaa verkosta loistehoa tietyn osuuden riippuen voimantuotantotilanteesta. Toki tätä tahtigeneraattoria kannattaa ajaa aina arvolla cosxx = 1, jolloin saavutetaan paras hyöty sähköntuotannossa. Loistehotilanteesta riippuen tahtigeneraattorilla voidaan tuottaa tai kuluttaa loistehoa liittymispisteen tehotasapainon pitämiseksi vakaana. 5.6 Kokeet ja mittaukset Tahtigeneraattorille suoritettiin ennen uusien laitteiden asennusta vanhalla käsikäyttöisellä magnetoinnilla ja vanhalla sulkumoottorilla koe, jossa se irrotettiin verkosta lähes täydellä kuormituksella. Generaattorin irrotessa verkosta, sulkeutui turbiini sähkömoottorin voimin noin 5 sekunnissa. Tässä mittauksessa tarkkailtiin taajuuden ja jännitteen käyttäytymistä kokeen aikana. Kokeita suoritettiin kaksi, joista ensimmäisessä magnetointi pidettiin vakiona ja toisessa magnetointia pienennettiin välittömästi verkosta irtoamisen jälkeen ja palautettiin ennalleen. Tuloksista oli nähtävissä ensimmäisessä kokeessa jännitteen voimakas nousu vaihejännitteessä aina 450 V:iin asti, ja samaan aikaan taajuus kohosi välittömästi 61 Hz:iin. Toisessa vastaavassa kokeessa magnetoinnin pienentäminen sai jännitteen nousemaan noin 320 V:iin (vaihejännite). Havaintona oli, että voimakkaalla magnetoinnin säädöllä voidaan tämä ylijännite poistaa tai ainakin rajoittaa voimakkaasti sen nousua. Ensimmäisessä kokeessa vaihejännite oli noin 7 sekuntia yli nimellisen jännitteen (240 V). Vastaavasti toisessa kokeessa tämä ylijännitejakso kesti vain noin 3 sekuntia. 49

51 Kuva 17. Ensimmäisen ja toisen kokeen mittaustulokset vaihejännitteen osalta. Kuva 18. Vastaava tilanne taajuuden osalta. 5.7 Seurantatietoja Valvomo-ohjelmisto kerää historiatietoa katkaisijoiden toiminnasta, käyttäjän tekemistä ohjaustoimenpiteistä ja asetteluarvojen muutoksista, vikatiedoista ja vikatilanteen prosessiarvoista. Näistä tiedosta voidaan päätellä mahdollisten vikojen aiheuttaja ja hienosäätää tuotantoprosessia parempaan, vähemmän vikoja tuottavaan suuntaan. Näistä kerätyistä vikatiedoista voidaan myös nähdä voimalaitoksen tuottaman sähkön laatu ja voimalan käytettävyysaste. PM500-tehoanalysaattorista voidaan seurata valvomossa esitettyjen tietojen lisäksi tahtigeneraattorista saatavilla olevia prosessiarvoja, kuten yliaaltopitoisuus, huippuarvot ja energiatiedot. Lisäksi mittaustietoja kerätään Fluke:n sähkönlaatuanalysaattorilla. Näistä tuloksista saadaan tietoa voimalan käyttäytymisestä vikatilanteissa sekä tahtigeneraattorin ja epätahtigeneraattorin rinnan- 50

52 käynnistä näissä tilanteissa. Analysaattorilla on mitattu voimalan tilaa ennen saneerausta ja uuden laitteiston käytön aikana. Fluke:n analysaattorilla kerätyistä mittaustilanteista saaduista käyristä, joissa on nähtävissä häiriötilanteita ja vikoja, voidaan selvittää sähkölaitoksen puolelta vain jälleenkytkentätiedot lokitiedoista. Tarkempaan vikatietojen tarkasteluun ei päästä; viat ovat oikosulun tai maasulun aikaansaamia vikoja, joista ei pystytä selvittämään vaihekohtaisia tietoja. Lisäksi jännitteen ja virran käyttäytymistä vikatilanteissa tarkasteltiin oskilloskoopilla. Näistä nopeista tilanteista saadaan tietoa verkon käyttäytymisestä ja todennäköisesti voidaan selvitellä sattuneiden vikojen syntytapa. VTT:n Vaasan yksikkö on mallintanut voimalaitoksen omalla simulointityökalulla ja näistä tuloksista saadaan todennäköisesti lisätietoa mitattuihin muutostilanteisiin. Uusitusta Enermetin E700-energiamittarista saadaan luetuksi voimalan tuottama teho ja oman kulutuksen käyttämä teho sekä loistehon kulutus, pätö- ja loisteho molempiin suuntiin. Käyttäjä pystyy myös selaamaan muita tietoja mittarista. Kuva 19. VTT:n PSCAD:llä rakentama voimalaitoksen simulointimalli. Kuva 20. Kuvassa simuloitu 1 -vaiheinen maasulku hetkellä t = 4 s. 51

53 Kuva 21. Kuvassa simuloitu 1 -vaiheinen maasulku hetkellä t = 4 s. Voimalaitoksen koekäytön aikana tehtyjä havaintoja ja eräitä puutteita hallintalaitteiden toiminnassa on listattu seuraavaksi. Moottoriviritetyillä katkaisijoilla pyrittiin saavuttamaan automaattinen hallinta joka tilanteeseen. Katkaisijat kuitenkin lukkiutuvat niiden lauetessa yli- tai oikosulkuvirran vaikutuksesta. Tämän vikatilan poistaminen vaatii paikanpäällä käyntiä ja katkaisijan kuittaamista käsin. Tällainen toiminta on laitevalmistajan suosittelema turvallinen menettelytapa. Katkaisijoiden automaattinen virityskin onnistuu poistamalla tuo lukitus ja valvomalla katkaisijoiden yli- ja oikosulkulaukaisuja logiikasta käsin ja samainen lukitustoiminto voidaan tehdä ohjelmallisesti kuitenkin sallien yhden tai kaksi yritystä vian jälkeen. Katkaisijoilla toivottiin saatavan aikaiseksi sellainen verkon syöttötilanne, että vikatilanteessa vain toinen katkaisija laukeaa vian takia ja saadaan pidetyksi yllä saarekkeen syöttö. Näin ei kuitenkaan tapahdu verkon vikaantuessa, vaan suuresta oikosulkuvirran arvosta johtuen molemmat katkaisijat reagoivat vikaan ja aukeavat yhtä aikaa. Joskus sattuvissa lievemmissä vikatilanteissa toimii suojausketju suunnitellulla tavalla siirtäen syötön katkeamattomana saarekkeeseen. Kun generaattorin täysi teho pudotetaan hyvin pienelle saarekkeen teholle, seuraa siitä ongelmia. Verkosta irtoaminen täydellä teholla on liian vaativa tehtävä hallittavaksi. Syynä on jännitteen hallinnan vaikeus tuon muutostilan aikana. Vaikka käytössä on staattinen magnetointijännitteensäädin, ei jännitteeseen muodostuvaa ylijännitepiikkiä pystytä poistamaan turvallisesti. Paras ratkaisu on sallia sähkökatko saarekkeessa ja aloittaa sähkönsyöttö saarekkeeseen heti tilanteen rauhoituttua. Vedenpinnan korkeus vaikuttaa voimalaitoksen toimintaan, sillä säännöstelyn sallima vaihteluväli on 0,7 m. Tämä vaikuttaa sähköntuottotehoon ja voimalaitosprosessin hallintaan, sillä eri prosessien hitaudet vaihtelevat veden määrän mukaan. Tämä johtaa siihen, että matalanveden aikaan tehdyt virityssäädöt eivät toimi enää korkeanveden aikaan, eikä myöskään toisin päin. Tämä ongelma tulee esille varsinkin saarekesyötön aikana. Joen vedenpinnan säännöstelyn vaatima hallinta ja patoluukkujen ohjaus oli myös tarpeen automatisoida saneerauksen yhteydessä. Syynä oli lähinnä se seikka, että tahtigeneraattorin yhdeksi ajotavaksi haluttiin saada myös pinnankorkeuden mukaan säätyvä tehontuotto. Myös automaattinen patoluukkujen hallinta on tärkeä ominaisuus varsinkin tulvatilanteen aikaan, jolloin verkkokatkos 52

54 saa vedenpinnan nousemaan hyvin nopeasti. Vedennousu yli ylärajan aiheuttaa vaaratilanteen, joka voi rikkoa Francis-turbiinin ylälaakerin, jos vesi pääsee sekoittumaan sen voiteluöljyyn. Pinnakorkeudensäätö toteutettiin kelluke-toimilaitteella, josta saatiin analogiaviesti ohjaamaan säätöluukkuja. Mittaustarkkuudeksi saavutettiin ± 0,25 cm. Virhettä järjestelmän mittaustulokseen aiheutti toimilaitteessa olevat mekaaniset osat ja niiden hieman epätasainen liikkuminen. Järjestelmä toimi kuitenkin pinnankorkeuden muutosten mukaan pitämällä yläveden pintaa asetellulla tasolla ja muuttamalla tahtigeneraattorin teho-ohjetta tarpeen mukaan. Kuva 22. Verkkojännitteen vaihtelu mittausjakson aikana syksyllä Kuva 23. Verkon taajuuden vaihtelu mittausjakson aikana syksyllä

55 Kuva 24. Oskilloskoopilla tallennettu vikatilanne. Kuvassa kolme alinta käyrää ovat vaiheiden L1 - L3 virtoja. Ylin käyrä on jännitekäyrä mutta mittamuunnin ei ole ollut päällä vikahetkellä. 5.8 Verkkoonliityntäsautomaation kustannukset Pitkäkosken voimalaitoksen kustannusarvio pelkkien laitteiden osalta on seuraava (hintataso syksy 2006): Logiikka, tehomittari (ei energiamittari) ja tarvittavat ohjelmat 8500 Uusi pääkeskus, katkaisijat, kaapeloinnit ja muut tarvikkeet 2000 Turbiinin ja generaattorin lisälaitteet 1200 Valvomotietokone ja etähallinta 800 Energiamittarin uusinta (verkkoyhtiön hankinta) YHTEENSÄ (ALV 0 %)

56 5.9 Verkkoonliittymisratkaisun tuotteistaminen Pitkäkosken voimalaitoksen toteutus on räätälöity tapauskohtaisesti, eli sen ohjelmat ja toimilaitteet eivät käy suoraan mihinkään muuhun ratkaisuun. Ratkaisun tuotteistaminen vaatii ohjelmien virittelyä ja räätälöintiä aina tapauskohtaisesti. Ohjelmiston runko toimii kylläkin pohjana muun tyyppisissä ratkaisuissa. Automaatiojärjestelmä kattaa muutkin ratkaisut laajuutensa puolesta ja esimerkiksi biovoimaloiden lantaprosessin ohjaus olisi mahdollista yhdistää samaan järjestelmään. Tämä lisäys vaatii tietysti oman suunnittelutyönsä järjestelmien yhteensovittamisessa. Tämän järjestelmän sovittaminen esimerkiksi dieselgeneraattorin ohjaukseen voisi tuoda huomattavasti parempia tuloksia muutostilanteiden osalta kuin mitä saavutettiin Pitkäkosken osalta. Järjestelmän räätälöinti dieselgeneraattorille tulisi saada halvemmaksi kuin mitä se tuli maksamaan pilottikohteessaan. Näitä automaatiokuluja vähentää jo se asia, että uusissa generaattoreissa on huomattavasti paremmat mahdollisuudet hyödyntää niissä jo olevaa tekniikkaa verrattaessa Pitkäkosken tilanteeseen, jossa piti rakentaa uusia toimilaitteita vanhojen tilalle, jotta laitteisto oli mahdollista liittää automaatiojärjestelmään. 55

57 6. STAA AATTINEN VERKKOONLIITTYMISLAITTEIST OONLIITTYMISLAITTEISTO 6.1 Suunnitelma Biovoimalaitoskohteen jäädessä pois suunnitelmista, pyrittiin löytämään korvaava kohde sille. Esille nousi ajatus staattisesta verkkoonliittymismallista, joka hyödyntää osittain jo tunnettua ja olemassa olevaa tuulivoimatekniikkaa. Kuitenkin uutena asiana tässä olisi saarekkeen syöttäminen laitteistolla, joka on suunniteltu toimimaan kiinteän sähköverkon kanssa. Tutkimuksessa selvitetään, onko laitteen käyttäminen saarekkeessa mahdollista ja mitä lisälaitteita tai ohjelmistosovelluksia sen toteuttaminen vaatii. Kuva 25. Suunniteltu verkkoonliittymismalli. Kuva 26. LCL- suodin ja välipiirin latauksen ohjausosat. 56

58 Kuva 27. Taajuusmuuttajat, verkkovaihtosuuntaaja ja moottorisuuntaaja. Kuva 28. Kestomagneettitahtikone, 13,5 kw ja oikosulkumoottori, 4 kw yhteen kytkettynä verkkoon jarrutusajoa varten. 57

59 6.2 Käyttöönotto ja koestus Laitteisto rakennettiin laitetoimittajan suositusten mukaan ja saarekkeen osuus jätettiin pois esille tulleen ohjelmistopuutteen takia, sillä muuttajien ohjelmistot oli suunniteltu pelkästään syöttämään kiinteää sähköverkkoa, eikä epävakaata saareketta. Saarekekuorman syöttäminen tällä laitteistolla edellyttää laitetoimittajan puolelta muuttajien ohjelmistojen kehitystä sellaiseksi sovellukseksi, jolle ei vielä tällä hetkellä ollut suurempaa kysyntää. Vacon ilmaisi, ettei heillä ole tällä hetkellä resursseja eikä tarvetta kehittää esittämäämme erikoissovellusta. He totesivat esittämämme ratkaisun kiinnostavaksi ja hyväksi ratkaisuksi tulevaisuuden verkkoonliittymisratkaisuja ajatellen, mutta nyt tämä laitteistolta vaadittava tekniikka on vielä hieman aikaansa edellä. Kuitenkin maailmalla ABB:n Amerikan divisioona ja Saksalainen SMA ovat kehittäneet omat saarekesovelluksensa. Itse verkkoon jarruttava peruskäyttö saatiin toimimaan laitetoimittajan lupaamalla tavalla. Käyttöönotto oli tietysti perinteistä taajuusmuuttajakäyttöä monimutkaisempi ja vaativampi. Ongelmia aiheutui oikeiden asetusten ja raja-arvojen löytämisen kanssa, sillä käyttö oli suunniteltu 7,5 kw:n moottorille ja kestomagneettikone oli kooltaan 13,5 kw. Tästä syystä on selvää, että koneesta ei voida ottaa kaikkea tehoa irti, mutta laboratoriolaitteena se toimii erinomaisesti. Koestuksen aikana kestomagneettikonetta pyöritettiin 4 kw moottorilla vakionopeusohjeen avulla. Kokeen aikana molemmat koneet käynnistettiin samalla pyörimisnopeusohjeella, eli koneet kävivät tyhjäkäyntiä. Lopullinen valinta siitä, toimiiko kestomagneettikone moottorina vai generaattorina, aseteltiin muuttamalla apumoottorin ohjetta +/- 2%, jolla saatiin apumoottori vetämään tai jarruttamaan käyttöä. Kokeen aikana saatiin generoiduksi verkkoon noin 1,5 kw sähköteho. Kokeen aikana käyttöä ajettiin vuoroin moottorina ja vuoroin generaattoria, joka näkyy tuloksissa. Positiiviset arvot kuvissa 29 ja 32 kertovat, että käyttö on moottorina ja vastaavasti negatiiviset, että käyttö on puolestaan generaattorina. Verkkoon generoitu sähköenergia oli lähestulkoon puhdasta harmonisista yliaalloista. Verkkoon syötettävän tehon tehokerroin on 1, kun taas verkosta otettaessa tehon tehokerroin on selvästi alle yhden. Laitteistolla pystytään myös kompensoimaan loistehoa. Kuva 29. Koestuksen tehokäyrät. 58

60 Kuva 30. Verkon jännitteet koestuksen aikana. Kuva 31. Kuormituksen aiheuttamat vaihtelut virrassa. Kuva 32. Tehokertoimen käyttäytyminen koestuksen aikana. 59

61 Kuva 33. PM-koneelle tehdyn välipiirin latauskokeen tulokset. Kuvan 33 jännitekäyrä näyttää epälineaariselta johtuen osin satunnaisesti valituista mittauspisteistä mutta todellisuudessa se on lineaarinen. Koe suoritettiin erottamalla koko käyttö verkosta. Kestomagneettikoneen synnyttämä jännite latautui muuttajien välipiiriin, mutta tätä kautta syötetty teho ei antanut muuttajille mahdollisuutta käynnistyä, sillä välipiirijännite jäi liian alhaiseksi ja toisaalta ohjelmistoissa on todennäköisesti suojaus tällaista toimintaa varten. Välipiirin lataus alkoi kun PMkonetta pyöritettiin noin 1300 rpm nopeudella. Tälle käytölle suoritettiin myös koe, jossa sen syöttäessä verkkoon energiaa verkkosyöttö katkaistiin. Tämän seurauksesta käyttö jatkoi toimintaansa kuin mitään ei olisi tapahtunut, paitsi ylimääräinen energia ei enää siirtynyt verkkoon, vaan se ajettiin hätäjarrutuskuormana toimiviin vastuksiin. Verkon palauduttua käyttö kytkeytyi takaisin verkkoon, ilman minkäänlaista merkkiä tapahtuneesta muutoksesta. Tämä tarkoittaa sitä, että liityntämalli sietää verkossa tapahtuvat viat, eikä niitä aiheudu keskeytyksiä tuotannolle. Tässä mallissa tuon vikahetken energia ajetaan vastuskuormaan, joka voisi tarkoittaa tämän laitteen jatkokehityksessä saarekekuormaa. 6.3 Laitteiston jatkokehitysnäkymiä Staattisen liittymismallin tämänhetkinen lupaavasti toimiva prototyyppi luo kiehtovan haasteen jatkotutkimuksen muodossa kehittää siitä myös saarekkeessa toimiva itsenäinen liittymisrajapintamalli. Tämä haaste vaatii myös aktiivista panosta laitetoimittajan puolelta ja muilta saman tekniikan teoreettista puolta hallitsevilta tahoilta. Tämänhetkisten tulosten pohjalta asiaa on jo ideoitu melkoisesti. Ehkä haastavin vaihe on taajuusmuuttajien ohjelmistojen muovaaminen halutun kaltaisiksi, jos siihen on tarvetta. Kokeiden aikana havaittiin, että muuttajien välipiirijännitteen täytyy kohota riittävän korkeaksi, jotta niiden ohjausautomaatio voi aktivoitua. Välipiirijännitteen lataaminen pyörittämällä pelkkää generaattoria ei onnistu, sillä muodostuva jännite jää huomattavasti tarvittavan tason alapuolelle. Syynä on, ettei sitä ole suunniteltu toimimaan tällä tavoin ja sen tekninen rakenne ei mahdollista jännitteen nousua riittävän korkeaksi. Jos tämä asia saadaan korjattua keinotekoisesti nostamalla jännitetasoa, on seuraavaksi ongelmana kuinka tehoa syötetään saarekkeen kuormiin ilman kiinteän verkon olemassaoloa. Todennäköisesti ratkaisu piilee välipiirissä, josta energia siirrettäisiin esimerkiksi erikoisvalmisteisen hakkurin kautta saarekekuormiin. Millainen tuo hakkuri olisi ja kuinka sitä ohjataan tai kuinka se ohjaisi käyttöä, vaatii selvitystyötä. Toinen mahdollinen ratkaisu on verkon puoleisen muuttajan kehittely sellaiseksi, että se kykenee verkosta irrotessaan siirtämään tehonsyötön 60

62 saarekekuormiin. Toisaalta lienee parasta kehitellä jokin uusi ratkaisu tuohon välipiiriin ja antaa noiden muuttajien olla omina kokonaisuuksinaan. Tällöin vältytään todennäköisesti liian monimutkaisilta rakenteilta. Laitteiston jatkokehitystä varten on jo tehty alustavia suunnitelmia mahdollisesta laitteistosta ja käyttötavasta, joiden avulla laitteisto saataisiin toimimaan saareketta syöttävänä voimanlähteenä. Suunnitteilla oleva jatkokehitys perustuu UPS-tekniikan hyödyntämiseen toimintaperiaatteen ja varmennetun syötön osalta. Pohjana on DC-väylän käyttö, jossa teho virtaa noin 590 V jännitteellä. Tämän tehon virtaussuunta vaihtelee moottori- ja generaattorikäytön aikana. Kun käyttö on generaattorina, virtaa energiaa verkkoon päin. Tuo tasasähköteho johdetaan suunnitelman mukaisesti kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan kautta saarekekuormille. Saarekekuormat saavat tällä menettelyllä aina kaiken tehonsa DC-välipiirin kautta, jolloin sähkönlaadussa ei ainakaan ole verkon eikä generaattorin aiheuttamia häiriöitä. Koko laitteiston hallinta saarekekuorman aikana perustuu DC-jännitteen hallintaan. Kuorman muutokset saavat jännitteen huojahtelemaan, minkä avulla voidaan ohjata generaattorin voimakonetta. Tehon ohjeena on kiinteä DC-jännitearvo, jonka muutosten mukaan säädin komentaa voimakonetta. Kun jännite alkaa laskea lisätään tehoa ja vastaavasti kun jännite alkaa kohota vähennetään tehoa. Lisäksi järjestelmään tarvitaan apulataustasasuuntaaja, joka mahdollistaa saarekkeeseen nousun ilman verkkoa. Tuolla suuntaajalla ladataan välipiiri "täyteen" ennen generaattorin kytkemistä, jonka jälkeen lataus katkaistaan. Tällekin järjestelmälle koituu varmasti ongelmia nopeiden porrasmaisten saarekekuorman muutosten kanssa. Sen takia järjestelmä tarvitsee vielä tämänhetkisessä järjestelmässä olevan jarruvastuksen ylijäämäenergian kulutukseen saarekekäytön aikana. Tuon energian ei kuitenkaan tarvitse mennä hukkaan, vaan se voidaan johtaa esimerkiksi lämminvesivaraajan vastuksiin. Vastaavasti energiavajetilanteiden varalle tarvitaan tuota apulataussuuntaajaa tasoittamaan DC-jännitteen laskua, kun verkosta ei ole tehoa saatavissa. Toinen hyvä vaihtoehto DC-jännitteen muutosten tasaamiseksi voisi olla kondensaattorikuorman käyttö välipiirissä. Tällaisella kokoonpanolla saataisiin tavoitteena ollut liittymismalli toteutettua tämänhetkisten tietojen ja kokemusten pohjalta. Kokonaisuutta ajatellen staattinen liittymisratkaisu on perinteistä ratkaisua edullisempi ja helpompi toteuttaa valmiiden moduuleiden ja kenttäväylän käytön takia, joka vähentää kaapelointi huomattavasti. Järjestelmän energian siirrossa ei käytetä yhtään katkaisijaa, vaan energian siirtelyä ohjataan elektronisesti, joka puolestaan vähentää kuluvien osien huoltotarvetta. 61

63 Kuva 34. Laitteiston koekäyttöä varten rakennettu ohjaus- ja valvontanäyttö. Kuva 35. Rakennettu koelaitteisto. 62

64 Kuva 36. Suunniteltu jatkokehitys staattiselle laitteistolle. 63

65 7. TULEVAISUUDEN NÄKYMIÄ Tämän projektin aikaa löydetyt ratkaisut ja eri tekniikoiden hyödyntäminen, antavat toivoa tulevaisuuden verkkoonliittymistekniikoiden jatkokehitykselle. Nyt esillä olevat uudet tekniikat, kuten biokaasukäyttöiset mikroturbiinit edustavat tulevaa tehokasta energiantuotantoa ja sen hallintaa pitkälle viedyllä automaatiolla varustettuna. Kuitenkin mikroturbiinin toiminta edellyttää polttoaineena käytettävän biokaasun jatkuvaa ja tasaista saantia bioprosessista, jonka toiminta näillä koetiloilla on toiminut vaihtelevasti. Keski-Euroopassa tekniikka toimii ympärivuoden tasaisten sääolosuhteiden ansiosta, mutta Suomen rajusti vaihtelevat sääolosuhteet tuovat toiminnalle haasteita saada prosessi pyörimään moitteettomasti myös talvella. Verkkoon liitynnässä tullaan todennäköisesti siirtymään mitä enenevässä määrin kohti staattisia ratkaisuja, sen teknisten mahdollisuuksien myötä. Perinteinen tekniikka on vielä halvempaa ja toiminnaltaan yksinkertaisempaa ja ehkä myös turvallisempaa tekniikkaa loppukäyttäjän näkökulmasta. Staattinen tekniikka poistaa kaikki turhat kuluvat katkaisijat ja kytkimet, kun tehoa siirretään ja ohjataan tehoelektroniikan avulla. Taajuusmuuttajien ohjelmistojen tehokkaan kehityksen myötä ne toimivat jo paikallisina, pieninä ohjelmoitavina logiikoina, joilla voidaan ohjata ja valvoa prosessin toimintaa. Staattisen ja perinteisen liittymistekniikan suurimpina eroina ovat verkkoon ja saarekkeeseen siirrettävän sähkön laadulliset erot, sillä staattinen järjestelmä pystyy poistamaan perinteisen järjestelmän aiheuttamia häiriötä ja vaaratilanteita näistä liittymispisteistä. Saarekekäyttöä ajatellen ainakin kaksi laitevalmistajaa kehittää juuri saarekekäyttöön soveltuvaa tekniikkaa. SMA Germany on toinen valmistaja, jonka laitteita käytetään Euroopan ja Aasian syrjäisillä alueilla, jonne ei ole mahdollista vetää kiinteitä sähkölinjoja. Järjestelmä muodostaa täysin oman saarekeverkon, jonka laajuus määräytyy esimerkiksi pienen kylän sähkönkäytön tarpeesta. Järjestelmä hyödyntää aurinko-, tuuli- ja dieselenergiaa, joista saatu energia varastoidaan akkuihin ja niistä sitten tarpeen mukaan vaihtosuunnataan paikalliseen jakeluverkkoon UPS- tekniikan tavoin. Projektimme tavoitteena ollutta liittymislaitteistoa kehitellään maailmalla, mutta vastaavanlaista ratkaisua ei tiettävästi ole vielä kehitetty. Eri valmistajat keskittyvät omiensa mallien kehittämiseen, mutta tulevaisuus näyttää mikä niistä parhaiten menestyy. Projektin loppuraportin kokoamisen aikoihin syksyllä 2006 tuli lehdistötiedote koskien ABB:n kehittämää kestomagneettipohjaista vesivoimalaitoksen verkkoonliittymislaiteistosta. Ensimmäinen tällainen laitteisto toimitetaan Paneliankosken Voima Oy:lle syksyyn 2007 mennessä. Tällä modernisointijärjestelmällä tarkoitetaan juuri samaan tekniikkaan perustuvaa taajuusmuuttajapohjaista staattista järjestelmää, joka rakennettiin projektin aikana sähkölaboratorioon. Tämä uutinen vahvistaa kestomagneettikonetekniikan leviämistä markkinoille ja saa staattisen liittymistekniikan yleistymään markkinoilla. 64

66 8. YHTEENVETO Tekesin ja teollisuuden rahoittaman DENSY-tutkimusohjelman tavoitteiden mukaisesti on toteutettu Paikallissähköprojekti, jossa on kehitetty pienimuotoisen sähköntuotannon verkkoonliittymisen tekniikkaa ja arvioitu maaseudun biokaasulla tuotetun sähkön määrää. Tutkimusohjelman hankkeissa kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotantoja varastointijärjestelmiä sekä niihin liittyviä palveluita. Energia- ja ilmastopoliittisessa selonteossa todetaan, että yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon edistämiseksi sekä biopolttoaineiden ja uusiutuvien energialähteiden käytön lisäämiseksi pienvoimalaitosten verkkoon liittymistä helpotetaan energiamarkkinoiden sääntelyä kehittämällä. Valtiovallan panostus pienimuotoisen sähköntuotannon kehittämiseen ja käytön edistämiseen on siten merkittävä. Paikallissähköprojektissa arvioitiin, että maatalouden biokaasulaitosten potentiaali on Pohjois-Savossa noin 15 maatilaa, mutta tilojen lukumäärä voi olla optimistisen skenaarion mukaan 20. Tilakohtaisella lietelannasta saatavalla biokaasulla voidaan tuottaa MWh sähköenergiaa vuodessa. Ylin arvio on optimistinen arvioi, joka ainoana skenaariona johtaa yli 30 kw tilakohtaiseen keskitehoon käyntiajalla 8 h/vrk. Teknisesti tämä optimistinen skenaario voisi täyttää taloudellisuuden kriteerit. Muun jätteen tai kasvien käyttö lietelannan mukana biokaasun tekemisessä olisi tilakohtaisesti tärkeää. Tehtyjen energiatasemallien ja -selvitysten perusteella voidaan todeta, että tilalla tuotettavan energian (sähkö ja lämpö) hyödyntäminen omaan käyttöön edellyttää mahdollisimman jatkuvaa ja tasaista sähköntuotantoa samoin kuin lämmöntuotantoa. Tekninen mitoitus on tehtävä huolella. Teholtaan liian suuri generaattori johtaa epätaloudelliseen ajoittaiskäyttöön. Taloudellista arviointia ei ole tässä työssä tehty. Päätyö tässä projektissa oli pienimuotoisen sähköntuotantoyksikön verkkoonliittymisen kehittäminen teknisesti ajanmukaisilla laitteilla, turvallisesti ja taloudellisesti. Verkkoonliittymiskonsepteja kehitettiin ja toteutettiin kaksi kappaletta. Valitettavasti kolmatta, maatalouden biokaasulaitosta, ei löytynyt eikä sitä sen vuoksi liitetty verkkoon. Kuitenkin kaksi tehtyä ratkaisua antavat pohjan maatilan biokaasulaitoksen moderniin verkkoonliittymiseen. Kiuruvedellä sijaitseva Pitkäkosken vesivoimalaitos edustaa perinteistä teknologiaa. Siihen suunniteltiin uusi liityntäjärjestelmä ja kaukokäyttö modernilla logiikkaohjauksella ja siihen liittyvillä mitta- ja ohjauslaitteilla, joita ovat PM500-tehoanalysaattori, DC-DC-hakkuri, moottoriohjatut katkaisijat, sähköinen turbiinin säätölaitteisto, tahdistin ja muut vartiolaitteet. Suurin osa automaatiosta on ohjelmoitua dataa, joiden ohjeiden mukaan logiikka ohjaa prosessia. Automaation keskipisteessä ovat itse logiikka ja tehoanalysaattori, joka siirtää prosessista kaikki tarvittavat sähköiset suureet logiikkaan ja ohjausta suorittaviin vertailusilmukoihin ja valvontalohkoihin. Pitkäkosken vesivoimalaitoksen verkkoonliittyminen toteutettiin projektin kuluessa. Laitteiden osalta toteutuksen hinta-arvio on noin (alv 0 %). Projektin loppuvaiheessa saatiin myös arvokasta tietoa järjestelmän toiminnasta, jolloin voitiin tehdä tarpeellisiksi katsottuja säätöjä ja virityksiä. VTT on myös analysoinut voimalaitoksen toimintaa muutostilanteissa. Pitkäkosken vesivoimalaitoksen verkkoonliittyminen toteutettiin ns. laajalla automaatiolla, jolloin generaattori voi toimia joko saarekkeessa tai rinnan verkon kanssa. Siirtyminen tilasta toiseen toteutuu suunnitellun ja toteutetun automaation ja laitetekniikan avulla. Esimerkiksi jakeluverkon vika siirtää generaattorin saareketilaan, jolloin tilan sähkönjakelu ei katkea. Rinnankäytössä ylijäämäinen vesivoimalla tuotettu sähkö voidaan myydä jakeluverkonhaltijan verkkoon. 65

67 Suunnittelussa otettiin huomioon myös prosessin valvonta, joka toteutettiin reaaliaikaisella valvomoohjelmistolla; Vijeo Look on pieniin ja keskisuuriin valvomoihin tarkoitettu graafinen valvomo-ohjelmisto. Valvomo-ohjelmalla luotiin automaatiolle prosessin tärkeimpien arvojen reaaliaikainen esitys, selkeät ohjaustoiminnot, vikahistoria, kytkentätilanteet ja ohjearvojen asettelu. Valvomossa on neljä eri ikkunaa, jotka on jaettu varsinaiseen valvontaosaan, ohjearvojen asetteluosaan, graafiseen 2 tunnin tapahtumahistoriikin esitysosaan (voidaan toteuttaa myös pitemmillä seurantajaksoilla) ja sähköisen kytkennän esittävään osaan. Valvomo-ohjelmistoa voidaan käyttää mm. datan lukemiseen ohjelmoitavalta logiikalta ja luettujen datojen visualisointiin, prosessin valvomiseen ja ohjaukseen sekä ohjelmoitavalta logiikalta luetun tai valvomon sisäisen datan tallentamiseen tietokantaan ja prosessin hälytysten käsittelyyn. Toisena toteutettuna verkkoonliittymisratkaisuna toteutettiin ja testattiin staattinen verkkoonliittymismalli siinä muodossa kuin se tänä päivänä on teknisesti mahdollista. Hankittu laitteisto on suunniteltu toimimaan kiinteän sähköverkon kanssa. Tutkimuksessa selvitettiin, onko laitteen käyttäminen saarekkeessa mahdollista ja mitä lisälaitteita tai ohjelmistosovelluksia sen toteuttaminen vaatii. Staattinen verkkoonliittymislaitteisto saatiin toimimaan kestomagneettigeneraattorin kanssa verraten hyvin rinnankytkentätilanteessa eli kiinteän sähköverkon kanssa. Järjestelmää testattiin erilaisissa toimintatiloissa. Havaittiin esimerkiksi se, että generaattorin tuotanto jatkuu normaalisti verkon jännitteiden katkettua, jos vain teho pystytään syöttämään tasasähkövälipiirissä oleviin kuormiin. Staattisen liittymismallin jatkotutkimusta on suunnattava myös saarekkeessa toimivan itsenäisen liittymisrajapintamallin kehittämiseen. Tämä haaste vaatii myös aktiivista panosta laitetoimittajan puolelta. Tämänhetkisten tulosten pohjalta asiaa on jo ideoitu melkoisesti. Ehkä haastavin vaihe on taajuusmuuttajien ohjelmistojen muovaaminen halutun kaltaisiksi. Laitteiston hallinta saarekekuorman aikana perustuu pitkälti DC-jännitteen hallintaan. Staattinen liittymismalli takaisi hyvän sähkönlaadun sekä paikalliselle tuottajalle että verkonhaltijalle. Laite voisi toimia niin saarekkeessa kuin verkon rinnalla. Suojaus olisi osa liittymislaitteiston toimintaa. Projektissa on kehitetty kaksi erilaista pienimuotoisen sähköntuotannon rajapintaa, joista varioimalla voidaan suunnitella esim. maatalouden biokaasuvoimalan sähköverkon liittymislaitteisto. 66

68 LÄHTEET Energiateollisuus ry, Sähköntuotannon verkkopalveluehdot TYPE 05. Hatsala Antti, Biokaasun tuotanto- ja käyttömahdollisuudet Kanta-Hämeessä, opinnäytetyö, Hämeen ammattikorkeakoulu, Kuittinen Ville, Huttunen Markku, Suomen biokaasulaitosrekisteri IX, Tiedot vuodelta 2005, Joensuun yliopisto, Raportti n:o 3/2006. Lampinen Ari, Jokinen Erja, Suomen maatilojen energiantuotantopotentiaalit, Ekologinen perspektiivi, Jyväskylän yliopisto, Lantanäytteiden metaanituottopotentiaalien määritys, Tulosraportti , Hämeen ammattikorkeakoulu. Lehtonen Matti, Lehtonen Maija, Jalonen Mikko, Kuormitustutkimus R10, ENE6-raportti, VTT Energia ENE6/2/2000, Luottamuksellinen. Lemström Bettina, Pienimuotoisen tuotannon verkkoon pääsyn edistäminen, VTT-R , Mikander Teemu, Pienvesivoimalaitoksen sähkösaneerauksen suunnittelu, Insinöörityö, Savoniaammattikorkeakoulu, Tekniikka Kuopio, Pienimuotoisen sähköntuotannon verkkoon pääsyn helpottaminen, Kauppa- ja teollisuusministeriö, Energiaosasto, Muistio, Rikkonen Pasi, Aakkula Jyrki, Grönroos Juha, Haapala Hannu, Manni Jukka, Pyykkönen Sonja, Tapio Petri, Ennakoiden kohti kestävää maataloutta, Loppuraportti, MTT:n selvityksiä 116, SFS-EN 50160, Yleisen sähkönjakeluverkon jakelujännitteen ominaisuudet, Suomen Standardointiliitto SFS ry, Sikanen Henrik, Pienvesivoimalan automatisointi, Insinöörityö, Savonia-ammattikorkeakoulu, Tekniikka Kuopio, Sähköenergialiitto ry, Pienvoimaloiden liittäminen jakeluverkkoon, Sener Taavitsainen Toni, Kupiainen Pekka, Survo Kyösti, Malla-hankkeen loppuraportti: Maatalouden lietteiden ja lantojen keskitetyn käsittelyn mallinnus, Pohjois-Savon ammattikorkeakoulu, Tekniikka Kuopio, Taavitsainen Toni, Malla2-hankkeen loppuraportti: Maatalouden biokaasulaitoksen perustaminen ja turvallisuustarkastelu, Savonia-amk, Tekniikka ja liikenne, Tuomainen Jari, Hajautetun energiantuotannon potentiaali Pohjois-Savossa, Insinöörityö, Savoniaammattikorkeakoulu, Tekniikka Kuopio,

69 Painamattomat lähteet: Biokaasulaskelma, laitetoimittajan laskelma, Siltanen Lauri, Kuopion Energia, Standardisuositus suojausasetteluista,

70 Liite 1 Energiataseselvitys nautakarjatila Energiataseselvitys Maitotila Savonia-ammattikorkeakoulu Tekniikka, Kuopio Paikallissähköprojekti 69

71 Lähtötiedot: Sähköenergian tarve Talvienergia Muu aika Yhteensä Keskiteho kwh kwh kwh/a 7,85 kw Lämpöenergian tarve (arvio) Hake 300 m 3 /a Kosteus 50 % Polttoarvo 0,708 MWh/m 3 Energia-arvo kwh Keskiteho 19,4 kw Biokaasun tuotanto Lantamäärä 2000 m 3 TS- pitoisuus 6,45 % CH4 / kg 0,279 m 3 Energia / kg 0,18 kwh Saatava energia kwh Sähkön osuus kwh Lämmön osuus kwh Sähköntuotannon hyötysuhde on 25 % ja lämmöntuotannon hyötysuhde on 80 %. Tilan oman sähkönkäytön mallinnukseen on käytetty, sähkölaitoksen antamia, VTT:n määrittämiä ja kokeellisesti selvitettyjä kuormituskäyriä. 70

72 71

73 72

74 Edellä esitettyjen mallikäyrästöjen pohjalta on laskettu seuraavat kuormituskäyrät ja tehot. Kaavio 1. Laskentamallin avulla selvitetty maatilan energiatase. Kaavio 2. Kaavion 1. malli esitettynä vuositasolla. 73

75 Seuraavat neljä kaaviota on tilan oman sähkönkulutuksen osalta laskettuja vuodenaikojen mukaan rajattuja kulutusmalleja. Kaaviot esittävät jakson aikaisten tehojen keskiarvoja ja kaaviossa on esitetty arjen, aaton ja pyhän kulutusmallit. Kaavio 3. Talvikauden kulutus. Kaavio 4. Kevätkauden kulutus. Kaavio 5. Kesäkauden kulutus. 74

76 Kaavio 6. Syyskauden kulutus. Laskentamallin avulla tulokseksi on saatu energiatasemalli, jossa lähtötietoina ovat olleet lannanmäärä ja sen metaanintuottoarvot, vuosittainen sähkön- ja lämmönkulutus, tilatyypin mukaiset kulutusmallit ja biovoimalan tapauskohtaisesti suunniteltu käyttö. Näiden tietojen avulla on saatu määritellyksi sähkön- ja lämmön kulutus ja tuotanto. Laskentamallissa on käytetty generaattorina mikroturbiinia, jonka teho on 30 kw ja se tuottaa sähköä tässä tapauksessa noin 8 tuntia päivässä. Malli havainnollistaa kuinka tuo käyttöjakso vaihtelee kaasun tuotannon mukaan, joka voidaan kokeilla excel- taulukkoon tehdyllä mallilla. Nämä tulokset ovat vain lähtötietojen mukaisesta mallista. Kulutus tarkoittaa tilan kiinteää vuosittaista sähkönkulutusta, Osto tarkoittaa sitä energiaosaa, joka on vielä ostettava vaikka tilalla toimii oma biovoimala, Tuotanto kertoo kuinka paljon biovoimala tuottaa sähköenergiaa, Oma käyttö tarkoittaa kuinka paljon tila pystyy käyttämään omasta sähköstään ja Myynti vastaavasti kuinka suuren osan omasta tuotannosta pitää myydä verkkoon ylijäämäsähkönä. Lämmön tuotanto kertoo kuinka paljon sähköntuotannossa syntyy hukkalämpöä ja Oma käyttö kertoo tilan oman lämpöenergiatarpeen. Taulukko 1. Sähkö- ja lämpöenergia. ENERGIATASE VUOSITASOLLA kwh Sähkö Lämpö Oma Lämmön Oma Jakso Kulutus Osto Tuotanto käyttö Myynti tuotanto käyttö Talvi Kevät Kesä Syksy Yhteensä kwh Taulukossa 1. on laskettu energian käytön ja tuoton arvoja jaksoittain ja kokovuoden summina, sekä arvioitu niiden rahallista arvoa. Taulukon 1. tulosten sekä kaavioiden 1. ja 2. pylväiden perusteella voi arvioida millainen käyttö- ja tuotantomalli on paras ja samalla edullisin energiatalouden kannalta. 75

77 Liite 2 Energiataseselvitys sikatila Energiataseselvitys Sikatila Savonia-ammattikorkeakoulu Tekniikka, Kuopio Paikallissähköprojekti 76

78 Lähtötiedot: Sähköenergian tarve (arvio) Talvienergia Muu aika Yhteensä Keskiteho kwh kwh kwh/a 13,7 kw Lämpöenergian tarve (arvio) Yhteensä Keskiteho kwh/a 13,7 kw Biokaasun tuotanto Lantamäärä 4200 m 3 TS- pitoisuus 2,44 % CH4 / kg 0,377 m 3 Energia / kg 0,092 kwh Saatava energia kwh Sähkön osuus kwh Lämmön osuus kwh Sähköntuotannon hyötysuhde on 25 % ja lämmöntuotannon hyötysuhde on 80 %. Tilan oman sähkönkäytön mallinnukseen on käytetty, sähkölaitoksen antamia, VTT:n määrittämiä ja kokeellisesti selvitettyjä kuormituskäyriä. 77

79 78

80 79

81 Edellä esitettyjen mallikäyrästöjen pohjalta on laskettu seuraavat kuormituskäyrät ja tehot. Kaavio 1. Laskentamallin avulla selvitetty maatilan energiatase. Kaavio 2. Kaavion 1. malli esitettynä vuositasolla. 80

82 Seuraavat neljä kaaviota on tilan oman sähkönkulutuksen osalta laskettuja vuodenaikojen mukaan rajattuja kulutusmalleja. Kaaviot esittävät jakson aikaisten tehojen keskiarvoja ja kaaviossa on esitetty arjen, aaton ja pyhän kulutusmallit. Kaavio 3. Talvikauden kulutus. Kaavio 4. Kevätkauden kulutus. Kaavio 5. Kesäkauden kulutus. 81

83 Kaavio 6. Syyskauden kulutus. Laskentamallin avulla tulokseksi on saatu energiatasemalli, jossa lähtötietoina ovat olleet lannanmäärä ja sen metaanintuottoarvot, vuosittainen sähkön- ja lämmönkulutus, tilatyypin mukaiset kulutusmallit ja biovoimalan tapauskohtaisesti suunniteltu käyttö. Näiden tietojen avulla on saatu määritellyksi sähkön- ja lämmön kulutus ja tuotanto. Laskentamallissa on käytetty generaattorina mikroturbiinia, jonka teho on 30 kw ja se tuottaa sähköä tässä tapauksessa noin 9 tuntia päivässä. Malli havainnollistaa kuinka tuo käyttöjakso vaihtelee kaasun tuotannon mukaan, joka voidaan kokeilla excel- taulukkoon tehdyllä mallilla. Nämä tulokset ovat vain lähtötietojen mukaisesta mallista. Kulutus tarkoittaa tilan kiinteää vuosittaista sähkönkulutusta, Osto tarkoittaa sitä energiaosaa, joka on vielä ostettava vaikka tilalla toimii oma biovoimala, Tuotanto kertoo kuinka paljon biovoimala tuottaa sähköenergiaa, Oma käyttö tarkoittaa kuinka paljon tila pystyy käyttämään omasta sähköstään ja Myynti vastaavasti kuinka suuren osan omasta tuotannosta pitää myydä verkkoon ylijäämäsähkönä. Lämmön tuotanto kertoo kuinka paljon sähköntuotannossa syntyy hukkalämpöä ja Oma käyttö kertoo tilan oman lämpöenergiatarpeen. Taulukko 1. Sähkö- ja lämpöenergia ENERGIATASE VUOSITASOLLA kwh Sähkö Lämpö Oma Lämmön Oma Jakso Kulutus Osto Tuotanto käyttö Myynti tuotanto käyttö Talvi Kevät Kesä Syksy Yhteensä kwh Taulukossa 1. on laskettu energian käytön ja tuoton arvoja jaksoittain ja kokovuoden summina, sekä arvioitu niiden rahallista arvoa. Taulukon 1. tulosten sekä kaavioiden 1. ja 2. pylväiden perusteella voi arvioida millainen käyttö- ja tuotantomalli on paras ja samalla edullisin energiatalouden kannalta. 82