Älykkään sähköverkon mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi

Transkriptio

1

2 Älykkään sähköverkon mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi Energiaomavaraisuusilta Parikkala, Jussi Tuunanen

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

4 Suomen sähkön kokonaiskulutus TWh Vesivoima 15,1 % Tuulivoima 0,9 % Ydinvoima 26,9 % Nettotuonti 19,2 % Suomen sähkönkulutus v oli 84,3 TWh Suomen sähkönkulutuksen huippu v oli MW Erillistuotanto 9,7 % Yhteistuotanto, teollisuus 11,9 % Yhteistuotanto, kaukolämpö 16,3 % Lähteet: Energiateollisuus ry

5 Sähköjärjestelmä Suomessa Sähkön tuotanto avoin kilpailu markkina-alue laaja kysyntä vakaata, riskit lisääntyneet asiakkaiden oma sähköntuotanto ympäristötekijät arvaamattomat; ympäristöverot, päästörajat Sähkön siirto keskittynyt yhteen kantaverkkoyhtiöön sähkömarkkinoiden markkinapaikka liiketoiminta-alueena marginaalinen alue Sähkön jakelu säädelty monopoli 81 jakeluverkkoyhtiötä liiketoiminta-alueena merkittävä, 2-4 snt/kwh Sähkökauppa avoin kilpailu hinnoittelun, markkinoinnin ja riskien hallinnan rooli korostuu pieni kate, merkittävät riskit Suomessa edelleen paljon toimijoita

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

7 Älykkäät sähköverkot Aiheita mediassa Lähteet: YLE:n verkkosivut

8 Älykkäät sähköverkot Suurhäiriöt

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

10 Älykkäät sähköverkot Perinteinen vs. älykäs sähköverkko Perinteinen jakeluverkko Älykäs sähköverkko Muokattu lähteestä: ABB, 2008, When Grids Get Smart ABB s Vision for the Smart Grid. Viitattu: Saatavilla:

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

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

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

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

15 Älykkäät sähköverkot Muutoksia sähkönkäytössä Teho E. A. sähkönkäyttökojeiden ( esim. LED-lamput) energiatehokkuus B. sähkönkäyttökojeiden määrä K. A. Verkkoyhtiön kannalta haasteellisia muutoksia D1. C. I. J. H. G. B. Verkkoyhtiön kannalta myönteisiä muutoksia D3. D2. Footer F. Energia Energia = Teho x Aika Muokattu lähteestä: Partanen et Al., 2012, Jakeluverkkoyhtiöiden tariffirakenteiden kehitysmahdollisuudet. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. C. energiansäästö elämän asenteena D 1. lämpöpumput sähkölämmityskohteessa D 2. lämpöpumput muissa kuin sähkölämmityskohteissa D 3. sähkön käyttö muulla tavoin lämmityksessä E. sähköautot ; ohjaamaton lataus F. sähköautot ; älykäs lataus G. asiakkaan energiavarastot H. kuorman ohjaus myyjän/aggregaattorin toimesta I. kuorman ohjaus asiakkaan toimesta J. kuorman ohjaus verkkoyhtiön toimesta K. asiakkaiden oma sähkön tuotanto

16 Energiatehokkuus Asuntojen laitesähkön loppukäyttö 1993, 2006, 2011 Lähteet: Kotitalouksien sähkön käyttö Suomessa, Adato

17 Esimerkki uusista kuormista Lämpöpumppujen kokonaismäärän kehitys kappalemäärinä Lähteet: Suomen Lämpöpumppuyhdistys ry, SULPU

18 Pientuotanto

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

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

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

22 Sähkönhinnoittelu Arvonlisävero 19% Sähkön hankinta 35% Sähköverot 11% Jakeluverkkosiirto 27% Sähkön myynti 7% Kantaverkkosiirto 2% Lähteet: Energiavirasto Kotitalouskuluttajan sähkönhinnan muodostuminen

23 Energiamaksu [snt/kwh] Nykyinen siirtotariffi Yleissiirtotariffit suomalaisissa verkkoyhtiöissä 3*25 A pääsulakkeelle Perusmaksu [ /kk] Kiinteiden veloitusten osuus siirtomaksusta on ollut kasvussa viime vuosina Tariffirakenteet vaihtelevat yhtiöittäin Hinnoittelulla vaikutusta sähkönkäyttöön ja teknologioiden yleistymiseen Lähteet: Energiavirasto

24 Kiinteän maksun osuus Sähkönsiirtohinnoittelu Vuonna 2010 kiinteiden veloitusten osuus oli keskimäärin %, riippuen tyyppikäyttäjästä Siirtohinnoittelurakennetta pitäisi muuttaa. Älyverkkojen uudet mittaukset luovat tähän uusia mahdollisuuksia 70% 60% 50% 40% 30% 20% % 0% K1, Kerrostalohuoneisto, ei sähkökiuasta, kwh/v K2, Pientalo, ei sähkölämmitystä, sähkökiuas, kwh/v L1, Pientalo, suora sähkölämmitys, kwh/v L2, Pientalo, osittain varaava sähkölämmitys, kwh/v T1, Pienteollisuus, 75 kw, kwh/v Lähteet: Energiavirasto

25 Älykkäät sähköverkot Kampuksen älykäs sähköverkko

26 Älykkäät sähköverkot LUT Green Campus Yliopiston kampusrakennukset m 2, m 3 Energiankulutus 16 GWh/a (kaukolämpö 59%, sähkö 41%) Veden kulutus m 3 /a 1100 parkkipaikkaa, (320 lämmitystolppaa) 5000 opiskelijaa, 950 henkilökuntaa LOAS opiskelija-asunnot 5 rakennusta, 415 asukasta m 2, m 3 Energiankulutus 2.7 GWh/a (kaukolämpö 66%, sähkö 34%) Vedenkulutus m 3 /a

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

28 Rakennamme maailmasta sellaista kuin sen pitäisi mielestämme olla. Kiitos! Jussi Tuunanen Lappeenranta University of Technology Lappeenranta University of Technology (LUT)