LUT ENER GIA. Energiapalvelujen toimenpideohjelmaseminaari Samuli Honkapuro

Transkriptio

1 Interaktiivisen asiakasrajapinnan hyödyntäminen energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa ja energiasäästötoimien vaikutus sähköverkkoliiketoimintaan Energiapalvelujen toimenpideohjelmaseminaari Samuli Honkapuro LUT ENER GIA Energiatekniikka Sähkötekniikka Ympäristötekniikka 1

2 2 Sisältö INCA ja ENETE tutkimushankkeet Interaktiivinen asiakasrajapinta ja smart grids Energiansäästötoimet sähköverkkoyhtiön kannalta Yhteenveto

3 3 INCA -tutkimushanke Toteutettiin aikavälillä 4/2008 8/2010 Tutkimuslaitokset TTY, LUT, VTT Rahoittajina Tekes, ST-Pooli sekä yritykset ABB Oy, Aidon Oy, Empower Oy, Enease Oy, Energiakolmio Oy, Ensto Electric Oy, Fingrid Oyj, Fortum Sähkönsiirto Oy, MX Electrix Oy, Nokia-Siemens Networks Oy, Oy Katternö Ab, PowerQ Oy, Tampereen Sähkölaitos Oy, Telia-Sonera Finland Oyj

4 INCA - osatehtävät 1. Kokonaiskonsepti; toiminnot, hyödyntävät prosessit sekä niihin liittyvät liiketoiminnalliset arvoverkostot sekä kustannusanalyysit 2. Verkkorajapinnan toimintojen ja teknologian määrittely ja demonstrointi 3. Energiamittausten kaukoluentaan liittyvät toiminnot 4. Hajautetun tuotannon verkkoon liityntä osana interaktiivista asiakasrajapintaa 5. Hybridiauton verkkoon liityntä ja sen vaikutukset verkon ja sähkömarkkinoiden toimintoihin 6. Asiakkaan kuorman ohjauksen teknologiset ratkaisut ja markkinapohjaisen ohjauksen liiketoimintamallit 7. Interaktiivisen asiakasrajapinnan vaikutus kokonaisjärjestelmän energiatehokkuuteen sekä asiakasrajapintaan liittyvien energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevien toimintojen ja palvelujen kartoitus 8. Interaktiivisen asiakasrajapinnan mittaustietojen ja toimintojen hyödyntäminen aktiivisessa jakeluverkon hallinnassa, sen suunnittelussa sekä verkosto-omaisuuden hallinnassa 4

5 5 ENETE -tutkimushanke Toteutettiin Tutkimuslaitokset Aalto-yliopisto (TKK), LUT, VTT, Itä-Suomen yliopisto Rahoittajina Tekes, ST-Pooli sekä yritykset EK12 Verkko-ryhmän yhtiöt, ENFO Oyj, Fortum Sähkönsiirto Oy, Landis + Gyr Oy, Savon Voima Oyj, Vantaan Energia Sähköverkot Oy

6 6 ENETE - osatehtävät 1. Kulutuksen ohjaus kustannustehokkaasti 2. Kulutusvertailujen ja energiankäytön seurantapalveluiden tuottaminen asiakkaalle 3. Energiansäästötoimien tehokkuuden arviointi 4. Energiatehokkuutta parantavien toimien alueellisten vaikutusten mallintaminen 5. Energiansäästötoimien vaikutukset väestön terveyteen ja terveelliseen asumiseen 6. Liiketoimintamallit ja energiansäästön vaikutus energiayhtiöiden liiketoimintaan

7 7 Älykäs energiajärjestelmä Ei rajoita energiamarkkinoiden toimintaa Lisää loppukäytön energiatehokkuutta Tehostaa tuotantoresurssien ja verkkokapasiteetin käyttöä Tukee paikallista uusiutuvaa energiantuotantoa Mahdollistaa fossiilisista polttoaineista luopumisen Avaa mahdollisuuksia uuteen liiketoimintaan On merkittävä tekijä energiatehokkuus- ja ilmastotavoitteiden saavuttamisessa Smart Grids is the way to equip system operators with the necessary tools to contribute to the 2020 objectives - Reinventing the grid to meet the needs of 2020 and beyond -Per Hallberg, Eurelectric

8 8 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Asiakasnäkökulma Visio 2035 hallitsen helposti yhdessä sähkön toimittajieni kanssa omaa yksilöllistä nollapäästöistä sähkönkäyttöäni (räätälöitävyys) ja sähkökäyttöni jatkuu verkko- ja tuotantohäiriöidenkin aikana saan sähköä ilman yllätyksiä kohtuulliseen hintaan tuotan osan tarvitsemastani energiasta, ylijäämän tai alijäämän toimitan markkinoille ja/tai lähiyhteisölle. on yhteisöjä, jotka elävät energiaomavaraista elämäänsä ilman verkkoyhteyttä. käytän huolettomasti sähköautoa kotimaassa ja ulkomailla tunnen systeemin luotettavaksi ja turvalliseksi ilman päivittäisiä puuhailuja ja aktiivisuutta

9 9 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Yhteiskunta Visio 2035 sähköenergia tuotetaan pääosin päästövapaasti. sähköenergiajärjestelmä on yhdistelmä keskitetysti hallittavia voimalaitoksia ja pieniä paikallisesti ohjattavia tuotantolaitoksia. suurten markkinaosapuolten lisäksi pienkäyttäjillä ja tuottajilla on mahdollisuus osallistua markkinoille sähkönkäyttäjät ovat tietoisia omasta energian käytöstään ja sen taloudellisista ja ympäristöllisistä vaikutuksista sähkönkäyttäjien ja verkkoyhtiöiden automaatiojärjestelmät ml. energiavarastot osallistuvat aktiivisesti sähköenergiajärjestelmän hallintaan helpottaen teknisesti ja taloudellisesti ympäristötavoitteiden ja tehotasapainon hallintaa normaali- ja häiriötilanteissa. sähköenergiajärjestelmät ovat käyttövarmoja, sähköntoimituksen katkot ovat harvinaisia poikkeuksia. Näiden tilanteiden ratkaisumallit ratkaistaan sosio-ekonomisten kokonaiskustannusten pohjalta. sähköenergiaa tuotetaan ja ostetaan markkinaehtoisesti yhteisillä kehittyvillä eurooppalaisilla markkinoilla. Maat pitävät huolen kuitenkin myös riittävästä omavaraisuudestaan. Smart Grid toimintaympäristön kehittymistä ohjataan tarvittaessa yhteiskunnan määrittämillä ohjeistuksilla Suomi toimii Smart Grid toimintojen kehittämisessä ja hyödyntämisessä edelläkävijänä Smart Grid teknologia ja palvelut ovat keskeisiä vientituotteita suomalaisille yrityksille

10 10 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; DSO-näkökulma Visio 2035 sähkönjakeluverkko toimii markkinapaikkana, joka tarjoaa asiakkaille joustavan liitynnän sähkön ostamiselle ja myynnille sähkönjakeluverkko toimii ilman pitkiä katkoja DSO ja asiakkaat yhdessä hoitavat jännitteen laadun asiakasrajapinnoissa sähkönkäyttäjien älykäs verkkoliittymä mahdollistaa kuormien ja tuotannon ohjauksen, joka yhdessä verkkoon sijoitettujen energiavarastojen kanssa mahdollistaa verkon tehovirtauksien hallinnan hinnoittelujärjestelmä mahdollistaa Smart Grid toimintaympäristön kehittämisen ja ylläpidon ja kannustaa koko energiajärjestelmän energiatehokkuuteen jakelu- ja siirtoverkkoliiketoiminta ovat edelleen alueellisia monopoleja, joiden toimialueiden sisällä voi olla erillisiä energiaomavaraisia yhteisöjä liiketoimintaa valvotaan innovatiiviseen toimintaan kannustavilla valvontamalleilla

11 11 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; TSO-näkökulma Visio 2035 Eurooppalainen sähkönsiirtoverkko on markkinapaikka, joka tarjoaa suurkäyttäjille ja -tuottajille joustavan liitynnän sähkön ostamiselle ja myynnille sähköjärjestelmän tehotasapainon ja käyttövarmuuden hallinnassa hyödynnetään kaikkien sähkönkäyttäjien kuormitusten, tuotannon ja energiavarastojen ohjausta perinteisen tuotannon ohjauksen ja kuormien poiskytkennän lisäksi siirtoverkoissa on 100 % käyttövarmuus siirtoverkkojen kehittämisessä kansallisilla päätöksillä on keskeinen rooli Smart Grid toimintaympäristö ratkoo osaltaan siirtojärjestelmän pullonkauloja ja käyttövarmuusongelmia Smart Grid toimintaympäristö helpottaa vaihtelevan ja säätämättömän tuotannon aiheuttamia ongelmia

12 12 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Sähkömarkkinat Visio 2035 EU:n yhteinen sähkömarkkina toimii hintasignaalit välittyvät kaikilla tasoilla reaaliaikaisesti markkinatoimijoille perustiedot sähkönkäyttäjien energian käytön olosuhteista ja määristä ovat kaikkien markkinatoimijoiden käytettävissä (esim. kansallisen tietokantaliitynnän kautta). Markkinatoimijoiden markkinoille pääsy on helppoa Kysynnän jousto yhdistettynä paikalliseen pienmuotoiseen tuotantoon ohjaa vahvasti markkinahinnan muodostusta ja helpottaa tehotasapainon ylläpitämistä

13 13 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Teknologia Visio 2035 langaton tiedonsiirto tarjoaa palveluja käytännössä rajattomalla kapasiteetilla lähes nollakustannuksin kaikilla sähköisillä toimilaitteilla on IP-osoite hajautettu äly ja muistikapasiteetti on kaikkialla tietojärjestelmien hallinta on keskeisessä roolissa akkuteknologia mahdollistaa edullisen energian varastoinnin (< 1 snt/kwh) pienimuotoisen energiatuotannon yksikkökustannukset ovat kilpailukykyiset tehoelektroniikka mahdollistaa sähkön muokkauksen (sähkön laatu, DC) kilpailukykyisesti

14 14 Interaktiivinen asiakasrajapinta mahdollistaa Kysynnän markkina- ja verkkoperusteisen jouston Pientuottajien pääsyn markkinoille Energiavarastojen verkkoon liitännän Verkon kapasiteetin maksimaalisen hyödyntämisen Aktiivisen sähkön laadun hallinnan Tehotasapainon hajautetun hallinnan Sähkönkäyttäjän energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevat toiminnot sekä em. liittyvä palveluliiketoiminnan siis älykkään sähköverkon päätoiminnot

15 Interaktiivinen asiakasrajapinta 15 PHEV Markkinatoimijat TSO, DSO, sähkökauppiaat, aggregaattorit Tietojärjestelmät Energiavarastot akut, kondensaattorit, sähkömekaaniset, ym. Verkko Kuormat ohjattavat, ei ohjattavat, asiakaslähtöinen priorisointi Tuotanto aurinko, tuuli, biokaasu, ym. Kuormituksen hallinta Sähkönlaadun hallinta Häiriötilanteiden hallinta Kuormitustiedot Säätökapasiteettitiedot Hintasignaalit Ohjaussignaalit Asiakasrajapinta (INCA) Tuotannon hallinta Kuormien hallinta Sähkönlaadun hallinta Tehotasapainon hallinta Varaston tilan hallinta Tehotasapainon hallinta EV mobiilit varastot

16 Rajapinnan rakenne 16

17 17 Määritelmä Interaktiivinen asiakasrajapinta on älykkään sähköverkon toiminnallisuuksien toteuttamisessa yksi tärkeimmistä toimilaitekokonaisuuksista koostuu asiakkaan sähköverkkoon liitettyjen aktiivisten laitteiden, tietoliikenneverkon ja ohjausjärjestelmien muodostamasta kokonaisuudesta osallistuu sekä paikallisten (sisäisiä) että järjestelmätason (ulkoisia) toiminnallisuuksien hallintaan muuntaa sähkönkäytön ja pientuotannon aktiivisiksi resursseiksi sähkömarkkinoilla ja järjestelmän hallinnassa Asiakkaan (sähkön käyttäjä/tuottaja), sähkökaupan, sähkönjakelijan (DSO) ja järjestelmänvastaavan (TSO) yhteinen rajapinta uudistaa verkonhallinnan ja tasehallinnan periaatteet sekä sähkökaupan mahdollisuudet Operaattorit hallitsevat yhdessä loppukäyttäjien kanssa järjestelmää Mullistaa sähkön loppukäytön periaatteet ja korostaa pienasiakkaan roolia Asiakas hallitsee yhdessä palveluntarjoajiensa kanssa sähkönkäyttöään

18 18 Rajapinnan toiminnallisuudet Toimija Asiakasrajapinta Vastuut Liiketoiminta Regulaatio Ympäristö Kustannukset Mittaukset Toiminnalliset tarpeet Toiminnallisuudet Toimintamallit Ohjaukset

19 19 Toiminnalliset tarpeet Markkinapohjainen kuorman ja hajautetun tuotannon ohjaus ja niihin liittyvät liiketoiminnot Energiansäästöä ja energiatehokkuutta tukevat toiminnot ja palvelut Joustava liityntä asiakkaan sähkölaitteille (esim. hydridi-/sähköauto), energiavarastoille ja hajautetulle sähköntuotannolle Verkon taajuuteen perustuva asiakkaan sähkölaitteiden ohjaus osana valtakunnallisen sähköjärjestelmän häiriötilanteiden hallintaa Tehoelektroniikkaan pohjautuva asiakaskohtainen jännitteensäätö ja laadun korjaus (esim. jännitteensäätö kuormien ohjauksen välineenä) Tehoelektroniikkaan ja energiavarastoihin pohjautuvat ratkaisut jännitekuoppien ja lyhyiden keskeytysten haittojen vähentämiseksi Asiakkaan sähkölaitteiden, energiavarastojen ja hajautetun sähköntuotannon hyödyntäminen aktiivisessa jakeluverkon hallinnassa Asiakasrajapinnan mittaustietojen ja toimintojen hyödyntäminen verkon suunnittelussa ja käytössä

20 Toiminnallisuudet ja toteutus *) Sisäinen = äly asiakasrajapinnassa Ulkoinen = äly ulkoisen toimijan järjestelmässä TSO DSO Toimija Toiminnalliset tarpeet Toiminto Mittaustarpeet Ohjaustarpeet Toteutustaso Tehotasapainon hallinta Tasehallinta Kuormituksen ennustaminen Käyttövarmuuden hallinta Toimitusvarmuuden hallinta Käyttövarmuuden hallinta Jännitteen laadun hallinta Sähköturvallisuuden hallinta Kuormitustietojen hallinta Suunnitteluparametrien hallinta Kuormitusmallien ylläpito Säätökapasiteetin määrittäminen (kuormat, varastot, tuotanto) Kuormituksen säätäminen (verkosta oton/annon) Käytönvalvonta Sähkön laadun valvonta Kuormituksen säätäminen Vikatilanteiden indikointi Saareketilanteen indikointi Kuormitusmallien ylläpito Kuormitusasteen valvonta Tehontarve (1-10 min) Taajuus (paikallisesti) Säätökapasiteetti (1-10 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Energiamittaus Keskeytysten ja kuoppien rekisteröinti Tunti- ja huipputehojen mittaaminen U- ja I-mittaukset 10 min keskiarvot Huippuarvot Yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Häiriötallenteet Käyrämuodot 15 s ajalta Säätökapasiteetti (1-10 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Kuormien ohjaus Teho-ohjeen perusteella Taajuusohjaus Varastojen lataus/purkuohje Syötön katkaisu Jännitteen korjaus Kuormien ja varastojen ohjaus teho-ohjeen perusteella Saareketilaan siirtyminen Varastojen lataus/purkuohje Ulkoinen/sisäinen Sisäinen (* Ulkoinen (* Ulkoinen Sisäinen Ulkoinen/sisäinen Sisäinen Sisäinen Sähkökauppias / Aggregaattori Kulutustietojen hallinta Kuormitusten ennustaminen Kuormituksen optimointi (VPP) Tuotannon optimointi (VPP) Kuormitusmallien ylläpito Säätökapasiteetin määrittäminen (kuormat, varastot, tuotanto) Kuormituksen säätäminen Tuotantotehon ennustaminen Energiamittaus Tehontarve (1-10 min) Säätökapasiteetti (1 10 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Tuotantoteho (1-60 min) Kuormien ja varastojen ohjaus teho-ohjeen perusteella Varastojen lataus/purku Ulkoinen/sisäinen Sisäinen Asiakas Jatkuva sähkönkäyttö Turvallinen sähkönkäyttö Energiakustannusten minimointi Hyvä sähkönlaatu Sähköauton lataus Ympäristöystävällisyys Saarekeajo Kuormien priorisointi Sähkönkäytön tehostaminen Oman tuotannon hyödyntäminen Energiavarastojen hyödyntäminen Aktiivinen toiminta sähkömarkkinoilla Hintasignaalien seuraaminen Energiankulutus Tunti- ja huipputehomittaus U- ja I-mittaukset säädön ja suojauksen tarpeisiin Käyrämuodot Yliaallot, välkyntä (hälytykset rajojen rikkoutumisesta) Ryhmäkohtaiset î-mittaukset Säätökapasiteetti ja tuotantoteho (1 60 min) (kuormat, varastot, tuotanto) Yksittäisten kuormaryhmien/kojeiden ohjaus prioriteetin perusteella Varaston purku/lataus Saarekeajon ohjaus Sisäisiä 20

21 Mittaukset ja ohjaukset Ulkoiset Sisäiset Mittaukset Laatu (min. EN 50160) Jännite ja virta Nopeat / hitaat ilmiöt Katkot ja kuopat Teho/energia Hälytykset Asetettujen rajojen ylitykset Esim. viat, kapasiteettirajat, jännite Ohjaukset Teho-ohjeet Verkkoyhtiöiden asettamat tekniset Hintasignaalin perusteella asetetut Järjestelmävastaavan asettamat Asiakaskohtainen tehotavoite Tehotavoitteen vaihteluväli Sähköauton/energia varaston lataus Saa/ei saa ladata Taajuussäätöön osallistuminen Automaattisesti kantaverkon taajuuden paikallisen mittauksen perusteella LoMjatkuvuussignaali Mittaukset Ulkoisten mittausten käytännön toteutus Jatkuvat yksikkökohtaiset mittaukset säädön ja suojauksen tarpeisiin Jännite Virta Nopeita Akun varaustilan valvonta Ohjaukset Ulkoisten ohjaussignaalien käsittely ja välittäminen sisäverkon toimijoille Varaston purkamisen/lataukse n säätely (akun liityntärajapinta) Kuormien ohjaukset Ohjaustarpeen päättely Kuormien priorisointi ja ajantasaisen ohjauskapasiteettiti edon ylläpito Verkkokatkoksen hallinta Saarekkeen perustaminen Saarekkeessa ajo Saarekkeesta poistuminen Jännite/taajuusvastuun siirto verkkoinvertteriltä varastolle Laitteisto Perustoiminnot Asiakasjännitteen ja taajuuden ylläpito Järjestelmän ohjaus Jännite/virtalähdetoiminta Suojaus ja turvallisuus Fyysinen kapasiteetti Rakenne Master - ohjausyksikkö Slave - suuntaajayksiköt Suuntaajayksiköt hoitavat perustoiminnallisuudet masterin antamien ohjeiden mukaan Tietoliikenne Yhteydet ulkoisiin järjestelmiin Yhteydet kiinteistön älykkäisiin toimijoihin Muisti Mittaustietojen paikallinen taltiointi 21

22 Luettavissa olevat/tallennettavat mittaustiedot Laatuparametrit P lt välkyntäindeksi vuodelta ja P st välkyntäindeksi viikolta RMS-vaihejännitteen 10 min keskiarvot vuoden ajalta jännitetasot, epäsymmetria Yliaaltojännitteiden tehollisarvojen 10 min keskiarvot vuoden ajalta 8 % tason ylittävien, yhdeltä verkkojaksolta 40. yliaaltoon saakka laskettujen jännitteen THD-arvojen ylityksen alku ja loppuhetket sekä suurin ylitys Kuormavirran yliaaltojen tehollisarvojen 10 min keskiarvot vuoden ajalta sekä hetkellisten liittymän referenssivirtaa vastaavien raja-arvojen THD-ylitysten alku ja loppuhetket sekä suurin ylitys Häiriötiedot 15 s puskuri U- ja I- käyrämuodoista (häiriö tallennin) Tarkkuus väh. 40 yliaaltoon asti Lista jännitekuoppien lukumäärästä, ajanhetkestä ja syvyydestä Lista lyhyiden ja pitkien keskeytysten lukumäärästä, ajanhetkestä ja kestosta Kumulatiivinen lyhyiden keskeytysten lukumäärä ja pitkien keskeytysten kesto RMS-jännitteen ylijännitteet ja esiintymisajanhetki Kulutus- ja tuotantotiedot Tuntitehot vuodelta 1-10 min. tehot viikolta (esim. 3 min resoluutio) Huipputeho viimeiseltä vuorokaudelta, viikolta, kuukaudelta ja vuodelta Kumulatiiviset energiatiedot Aktiivisten resurssien käytettävyys Energiavarastojen tila (esim. 3 min resoluutio) Säätökuormakapasiteetti (esim. 3 min resoluutio) 22

23 23 Rajapinnan toteutusesimerkki P G, P B External control signals Process PC Relay card P 1, P 2 DSPACE r rectifier r I 1 U 1 = +750 VDC = I 2 400/565 /565 V 50 kva = r N -750 VDC Inverter U 2 SMA = inverter DC power supply DC power source Ajo vakioverkkoteholla,(ulkoinen ohjaus); kuorman ohjaus, tuotanto, varastot Ajo saarekkeessa

24 24 Yhteenveto perustoiminnoista Energia-, teho-, laatumittaukset ja hälytykset Mittaustietojen taltiointi ja paikallinen käyttö Kaksisuuntainen tiedonsiirto useiden eri toimijoiden käytettävänä Kuorman ohjaus Taajuuden mukaan säätyvä Ulkoisen ohjeen mukaan säätyvä Hintasignaalin mukaan säätyvä (optimointi paikallisesti tai ulkoisesti) Jännitteensäätö asiakkaalla/verkossa -> verkon tehonjaon säätö Jännitteen käyrämuodon valvonta ja korjaus Sähköauton älykäs lataus, mobiili sähköliittymä Sähköauto energiavarastona Pienjänniteverkon automaatiota ja hajautettua tuotantoa tukevat toiminnot

25 Kulutusennusteen tarkentaminen mittaustiedot Tiedon prosessointi 25 Reaaliaikaiset mittaustiedot Asiakasrajapinta Tarkennettu kulutusennuste Kuluttajien Kuluttajien kuormituskäyrät kuormituskäyrät Ohjaukset (kuormat, varastot, tuotanto) ohjaukset ohjaukset Asiakasrajapinnan Asiakasrajapinnan Muutokset sähkön hankinnassa Säästöt tasesähkössä, tuotantokapasiteetin tehokkaampi käyttö

26 26 Kulutusennusteen tarkentaminen Tasesähkön hinta Tunti Tasesähkön hinta [ /MWh] Spot-sähkön hinta [ /MWh]

27 27 AMR-datan käyttö kulutusennusteen tarkentamisessa Toiminnon taloudellinen kannattavuus riippuu tase- ja pörssisähkön hintaerosta, ennustevirheen pienentymisen suuruudesta sekä mittarien luentakustannuksista t ( p p V ) c + = ε t spot, t reg, t Fee Case-esimerkki: Oletetaan, että lukemalla suurimman asiakkaan tiedot, saadaan ennustevirhettä pienennettyä 1,5 %-yksikköä Luentakustannukset 1,5 snt/mittari Keskituntiteho 200 MWh/h => Toiminto kannattava, jos sähkön hankintahinnassa säästöä vähintään 10 /MWh

28 28 AMR-datan käyttö kulutusennusteen tarkentamisessa Vuonna 2009 oli n tuntia, jolloin toiminto olisi ollut em. oletuksin ja kriteerein kannattava Vuotuinen säästöpotentiaali olisi tällöin 56 k /a yhdellä yhtiöllä Toiminnon kannattavuus sekä hyödyntämismahdollisuudet parantuvat, mikäli käytössä on ohjattavaa kuormaa ja/tai energiavarastoja

29 29 Kysyntäjouston vaikutukset ja mahdollisuudet /MWh Sähkön pörssihinta Tunti Aluehinta FIN Systeemihinta

30 30 Systeemihinta klo 9 (300 /MWh) Lähde: Timo Partanen EMV sähkömarkkinoiden keskustelupäivä

31 31 Kysynnänjouston vaikutukset Edellä olevassa tilanteessa n MW:n kysynnän pienentyminen (n. 2 % kokonaisvolyymistä) järjestelmätasolla laskisi systeemihintaa n. 100 /MWh Kokonaisvolyymi MWh/h => hinnan laskun vaikutus systeemitasolla /h => kysyntäjouston hyöty hintapiikin kohdalla /MWh

32 32 Markkinapohjainen kysyntäjousto vs. verkkokapasiteetin optimointi Johtolähdön teho Aluehinta FI

33 33 Skenaariot sähkön roolista 140 % Energian loppukäyttö 120 % 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % BAU 2050 Visio Muut Kaukolämpö Sähkö Energiatehokkuus parantuu => energian kulutus pienentyy perusurasta Sähkön osuus energian loppukäytöstä kasvaa selvästi nykyisestä Lähde: ET, sähkön ja kaukolämmön hiilineutraali visio vuodelle 2050

34 34 Skenaariot sähkön roolista Lähde: ET, sähkön ja kaukolämmön hiilineutraali visio vuodelle 2050

35 Energiansäästökeinoja Tiiviyden korostaminen Eristepaksuuksien kasvattaminen CFL ja LED Halogeenivalaisimet Valaistus Uudet materiaalit Eristystekniikka Pienentää energian kulutusta Lämpöpumput Uusiutuvat (aurinko, puu) Lämpö Lisää sähkön kulutusta muissa kuin sähkölämmityskohteissa Lisää sähkön kulutusta Viihdeelektroniikka Kasvavat laitetehot Kasvava laitekanta Lisää sähkötehon tarvetta Vesihuolto ja ilmanvaihto Lämmön talteenotto Lämpöpumput Kulutuskojeet Automaatio Liiketunnistus Ilmanlaatuanturit Liikenne Sähköautot ja julkisen liikenteen sähköistys Pienentää primäärienergian tarvetta Huonelämpötilan ohjaus Energiatehokkaat kodinkoneet Lisää sähkötehon ja energian tarvetta Automaattinen valmiustilaan siirtyminen Valmiustilan kulutuksen minimointi 35

36 36 Energiatehokkuuden vaikutukset sähköverkkoliiketoiminnan kannalta P, kw > Kulut (pitkä aikaväli) W, kwh > liikevaihto (lyhyt aikaväli) Energiatehokkuuden ajurit Energiatehokkuus toimenpiteet Vaikutukset verkkoyhtiölle DG, RES Loppukäytön energiatehokkuuden parantuminen Verkkoyhtiöiden omat toimenpiteet: Häviöiden pienentäminen, smart grids Jakeluverkkojen ja verkkoliiketoiminnan kehittäminen

37 37 Energiatehokkuuden vaikutukset sähköverkkoliiketoiminnan kannalta ENERGIATEHOKKUUS TOIMENPITEET Vaikutukset tehoon Vaikutukset energiaan min T 0 Kustannukset ( CAPEX ( t) + OPEX ( t) + Outages( t) + = Maintenance( t) + losses( t)) dt Pitkä aikaväli T=40 a f ( P peak ) Liikevaihto Tariffirakenne Lyhyt aikaväli Vaikutukset riippuvat kulutuksen sijainnista => tapauskohtainen analysointi VERKKOLIIKETOIMINNAN SUUNNITTELU Vaikutukset eivät riipu kulutuksen sijainnista jakeluverkossa

38 38 Vaikutukset sähköverkkoliiketoimintaan Case: Lämpöpumput Lämpöpumppujen määrä kasvaa voimakkaasti ja kasvun uskotaan jatkuvan myös tulevaisuudessa Maalämpö on pääasiallisesti korvaava lämmitysmuoto, muut lämpöpumpputyypit ovat lisälämmitysmuotoja Sähkölämmitteisessä rakennuksessa lämpöpumppu pienentää sähköenergiankulutusta ja muissa lämmitystyypeissä vastaavasti kasvattaa LP on kustannustehokas sähkölämmitteisen talon lisäksi myös öljylämmityksen yhteydessä Lämpöpumppu saatetaan hankkia myös jäähdytystarpeeseen Jäähdytys lisää aina sähköenergiankulutusta

39 39 Lämpöpumppujen vaikutukset - Esimerkkiverkkoalue n asiakasta n kiinteistöä Pääosin omakotitaloasumista ja kesämökkejä

40 Lämpöpumppujen vaikutukset tarkasteltavalla verkkoalueella 40

41 Lämpöpumppujen vaikutukset tarkasteltavalla verkkoalueella 41

42 Lämpöpumppujen vaikutukset tarkasteltavalla verkkoalueella 42

43 43 Case: Lämpöpumput - Yhteenveto Perusskenaariossa siirtyminen lämpöpumppulämmitykseen pienentää vuotuista siirrettyä sähköenergiaa tarkasteltavassa verkkoyhtiössä 11 % vuoteen 2020 mennessä Suurimman vaikutuksen skenaariossa vuotuinen sähköntarve pienentyy 25 % Vaikutukset vuotuiseen liikevaihtoon nykyisellä tariffirakenteella ovat 5 % (perusskenaario) ja 12 % (suurimman vaikutuksen skenaario) Lämpöpumput voivat aiheuttaa jossain määrin myös tarvetta verkkoinvestointeihin nopeutetussa aikataulussa sähkönlaadun ongelmien vuoksi Tyypillisin ongelma välkyntä, joka voi johtaa verkon vahvistustarpeeseen

44 Case: Energiansäästölamput Sähköenergian säästö Valtaosa hehkulamppujen hukkalämmöstä palautuu huonelämmityksen tueksi Hukkalämmön vaikutus huomioitava kokonaisvaikutuksia analysoitaessa Kauko- ja öljylämpötaloissa kaikkien hehkulamppujen korvaaminen energiansäästölampuilla vähentää kotitaloussähkön tarvetta 13 % - 17 % Lämmitystehontarve kuitenkin lisääntyy Sähkölämmitetyissä taloissa lamppujen vaihtamisen säästöt jäävät marginaalisiksi Lähde: Lehtonen, M., Aalto-yliopisto 44

45 Energiansäästökeinot - Yhteenveto Vertailukohtana kotitalousasiakas, suora sähkölämmitys Käyttökohde Toimenpide Sähkön säästö arvio Maalämpöpumppu Ilmalämpöpumppu Ilmanvaihto Termostaattityyppi Termostaatin asetus Energiansäästölamppu Tukilämmitysmuoto Vaihdetaan suora sähkölämmitys maalämpöön Käytetään ilmalämpöpumppua tukemaan sähkölämmitystä Hyödynnetään lämmöntalteenottoa koneellisessa ilmanvaihdossa Asennetaan ohjelmoitavat termostaatit Lasketaan sisälämpötilaa asteella lämmityskaudella Vaihdetaan hehkulamput energiansäästölamppuihin Käytetään puuta tukilämmitysmuotona Säästö lämmityssähkön kulutuksessa % verrattuna suoraan sähkölämmitykseen Säästää 8 26 % lämmityssähkön kulutuksessa Keskimäärin 14 % säästö sähkön kokonaiskulutuksessa Keskimääräinen säästö 15 % lämmitysenergiassa (teoreettinen arvio) Keskimääräinen säästö 3 % kokonaissähkön kulutuksessa Sähkön säästö % kotitaloussähkön kulutuksesta muussa kuin sähkölämmitystaloudessa Säästöä 5 % kokonaissähkönkulutuksessa poltettua kuutiometriä kohden vuodessa Lähde: Lehtonen, M., Aalto-yliopisto 45

46 46 Sähköautojen vaikutukset ja mahdollisuudet Sähköautot eivät aiheuta mittavia sähkönjakeluverkon investointeja aikajaksolla , paikallisia investointeja tehdään, esim. pysäköintihallit ja pikalatausasemat aikajaksolla pääsääntöisesti vain latausta (G2V) myöhemmin akkuteknologian kehittyessä myös syöttö autosta verkkoon päin (V2G) Sähköautojen lataus tulee tapahtumaan pääosin hitaana latauksena (1*16 A) kotona, työpaikoilla ja vapaa-ajan asunnoilla Kotona latausinfra on pääosin valmiina Työpaikoilla, kerrostaloalueilla, julkisilla pysäköintialueilla ja pysäköintihalleissa latausinfraa on rakennettava/uusittava Energiantarve: kwh/km Akkukapasiteetti: 30 kwh/auto Latausteho: 3.6 kw/auto

47 MARTINKYLÄ LANDBO MASSBY KALLBÄCK 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Tausta-aineisto verkkovaikutusanalyyseissä Henkilöliikennetutkimus - Aluekohtaiset vuosittaiset ajomatkat - Päivittäiset ajomatkat jaoteltuna - Asuntokannan mukaan - Asuinalueen mukaan - Vuodenajan mukaan - Kellonajan mukaan - Autojen lukumäärät Aluekohtainen lisäenergian tarve kwh/päivä (työaika/vapaa-aika) Teho Latausprofiili Vuorokauden aika Sähköautojen ominaisuudet - Energian kulutus, kwh/km - Akkukapasiteetti, kwh - Latausteho, kw - Latausaika, h/d Verkostoanalyysit - Tehonjakolaskelmat (verkon kuormittuminen ja häviöt) - Arvio verkon vahvistamistarpeista Kaavoitustiedot - Työpaikkojen määrät alueittain ja ja ajankohdittain - Asuinalueet (omakotitaloalueet, rivitalot, kerrostalot) Sähköautojen käyttöönottoennusteet - Sähköautomarkkinoiden kehittyminen Tariffit ja sähköntoimitus - Sähkön siirtohinta Sähkönjakeluverkko - Verkkotopologia ja ja asiakastiedot - Johtolähtökohtaiset tuntitehomittaukset - Verkoston jälleenhankinta-arvo - Laskentaparametrit: häviökustannukset, kuormituksen kasvu, verkoston pitoaika, verkostokomponenttien yksikköhinnat Power [MW] Thursday (hours) Lähde: Lassila, J., LUT 47

48 Esimerkkiverkko 2. MARTINKYLÄ LANDBO 1. MASSBY Sähköyhtiö - 110/20 kv sähköasemat: 4-20 kv johtolähdöt: 22 - Asukkaita/sähkönköyttäjiä: / Työpaikkoja: Asuminen: (5992 omakotitaloa, 525 rivitaloasuntoa, 1287 kerrostaloasuntoa, 128 muuta) - 20/0.4 kv muuntamot: Verkon huipputeho: 50 MW - Vuotuinen energian tarve: 200 GWh - 20 kv johdot ja kaapelit: 433 km - 20 kv maakaapelointiaste: 16 % KALLBÄCK talvi 20 kv johtolähtö 1. (taajama-alue) - Huipputeho: 8 MW - Vuosienergia: 36 GWh - Kotitalous 58 %, teollisuus 22 %, julkinen 13 % ja palvelu 7 % - Asukkaita/sähkönköyttäjiä: 4171 / Työpaikkoja: Asuminen: (659 omakotitaloa, 266 rivitaloasuntoa, 888 kerrostaloasuntoa) - 20/0.4 kv muuntamot: kv johdot ja kaapelit: 21 km - 20 kv maakaapelointiaste: 33 % kesä talvi kesä 20 kv johtolähtö 2. (maaseutu) - Huipputeho: 2 MW - Vuosienergia: 6 GWh - Kotitalous 95 %, maatalous 2 %, teollisuus 3 % - Asukkaita/sähkönköyttäjiä: 1037 / Työpaikkoja: 84 - Asuminen: 372 (kaikki omakotitaloja) - 20/0.4 kv muuntamot: kv johdot ja kaapelit: 31 km - 20 kv maakaapelointiaste: 6 % Lähde: Lassila, J., LUT 48

49 Esimerkkiverkko - kuormitus /20 kv sähköasema 6 Power [MW] Ma Ti Ke To Pe La Su 20 kv johtolähtö (lähtö 1) Power [MW] Lähtö 1 (taajama) Kotitalous 58 %, teollisuus 22 %, julkinen 13 % ja palvelu 7 % Henkilöautot alueella (päivä/yö): / kv johtolähtö (lähtö 2) Viikko 1 0 Lähtö 2 (maaseutu) Kotitalous 95 %, maatalous 2 % ja teollisuus 3 % Henkilöautot alueella (päivä/yö): 350 / 750 Torstai Lähde: Lassila, J., LUT 49

50 Esimerkkialue Asukkaita: Sähkönkäyttäjiä: Työpaikkoja: MARTINKYLÄ Asunnot: omakotitaloa 525 rivitaloasuntoa 1287 kerrostaloasuntoa 128 muuta Henkilöautoa: Ajomatka: km/auto,a LANDBO MASSBY KALLBÄCK = 57 km/auto, pv Energiantarve: 11.5 kwh/auto, pv 46 GWh/a (kaikki autot) Energian tarve: Akkukapasiteetti: Latausteho: kwh/km 30 kwh/auto 3.6 kw/auto Lähde: Lassila, J., LUT 50

51 Latausprofiilit Suora yölataus Porrastettu yölataus 0:00 9:00 16:00 22:00 0:00 9:00 16:00 22:00 Yhdistetty työpaikkaja kotilataus Optimoitu lataus (johtolähtö 1) 0:00 9:00 16:00 22:00 0:00 9:00 16:00 22:00 Kaikissa latausvaihtoehdoissa sama energia Lähde: Lassila, J., LUT 51

52 52 Esimerkkiverkko johtolähtö 1 (taajama) Teho [MW] EE Suora yölataus Yhdistetty työpaikka- ja kotilataus Porrastettu yölataus Optimoitu lataus Taajamajohtolähtö: - Huipputeho: 6.6 MW - Minimiteho: 4.0 MW - Sähköautojen määrä: Ajomatka: 57 km/auto,pv - Energiantarve: 0.2 kwh/km - Latausenergia: 11.5 kwh/auto,pv 22.9 MWh/kaikki autot - Latausteho: 3.6 kw/auto - Tehontarve: MW (latausprofiilista riippuen) - Latausenergia (E) on sama kaikissa latausvaihtoehdoissa Lähde: Lassila, J., LUT

53 Esimerkkiverkko Vahvistuskustannukset - Sähköverkon arvo suhteessa siirto- ja muuntokapasiteettiin - pienjänniteverkot 320 /kw - keskijänniteverkot 300 /kw - sähköasemataso 100 /kw Teho [MW] MW Uusi huipputeho Nykyinen huipputeho Vuorokauden aika Esimerkkilaskelma keskijänniteverkossa vaadittavista vahvistuskustannuksista 20 kv johtolähtö 1. (taajama) -Huipputeho: 6.6 MW -Lataustehon tarve: MW - Lisäkapasiteetin hinta: 300 /kw Arvioidut vahvistuskustannukset: 300 /kw x 3000 kw = Lähde: Lassila, J., LUT 53

54 54 Esimerkkiverkko Vahvistuskustannukset - Sähköverkon jälleenhankinta-arvo: 50 M (annuiteetti 2.9 M /a, p = 5 %, t = 40 a) - Vuosittainen sähköenergian käyttö: 200 GWh Verkon arvo toimitettua energiaa kohti: 1.5 snt/kwh - Sähköautojen tarvitsema energia: + 46 GWh/a ( autoa, km/auto,a ja 0.2 kwh/km,auto) - Verkon vahvistuskustannukset lataustavasta riippuen 0 20 M (annuiteetti k /a). Uusi sähkönsiirtokustannus: snt/kwh verkkovahvistusten jälkeen Lähde: Lassila, J., LUT

55 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Kuinka paljon sähkönjakeluverkon tehohuippuja voitaisiin leikata hyödyntämällä sähköautoja energiavarastoina verkkoon päin? Present peak ΔP Peak =? Peak power [MW] /2008 8/2008 9/ / / /2008 1/2009 2/2009 3/2009 4/2009 5/2009 6/2009 summer autumn winter spring summer 55 Lähde: Lassila, J., LUT 55

56 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Keskijännitejohtolähdön teho [MW] Kuormitus- ja latauskäyrä esimerkkipäivältä Optimoitu lataus P cars E cars E cars ΔP cars E cars = sähköautojen ajamiseen tarvittava energia Peruskuorma Nykyinen huippu Nykyinen verkon minimiteho Kellonaika Lähde: Lassila, J., LUT 56

57 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Kuormituskäyrä ja tehopiikin leikkaus Present peak load Peak power [MW] ΔP Peak E peak E add E add E = P( t) dt E cars E cars P opt ΔP cars P Present minimum load E ΔP cars = cars E = ΔP peak Peak dt dt Hours E add = lisäenergia joka ladataan akkuihin ja puretaan verkkoon päin tehopiikkien leikkaamiseksi Max( ΔP E add = E peak E cap = E ) Peak ) = ( battery Number of EVs P supply Max( E add ) = E cap E cars Lähde: Lassila, J., LUT 57

58 58 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Johtolähdön kuormituskäyrä sähkövarastojen kanssa ja ilman Old peak power, 3.6 MW Peak power [MW] New peak power, 2.7 MW New minimum power, 0.7 MW Old minimum power, 0.4 MW Lähde: Lassila, J., LUT

59 59 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Power [MW] Peak power, 3.6 MW E peak Pysyvyyskäyrä ΔP Peak P opt Duration curve without electricity cars and energy storages Duration curve with electricity cars and energy storages Peak operating time.. before 3971 hours after 4248 hours implementation of electric cars and energy storages Savings = costs of use of storages ΔP E Peak C inv = C e-storage C t peak = C ΔP inv e -storage = 0.2 /kwh peak, limit = Peak t pe ak 10.9 MWh Hours t 24.1 /kw,a peak = = 0.2 /kwh 120 h/a Lähde: Lassila, J., LUT

60 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Akuston hinta energiavarastona [snt/kwh] Akuston hinta (30 kwh) energiavarastona Akuston hinta 10 k 15 k 20 k Lataus/purku-syklien määrä Jos akuston hinta on ja elinikä sykliä, on akuston hinta energiavarastona 8 33 snt/kwh Lähde: Lassila, J., LUT 60

61 61 Sähköautot energiavarastoina (V2G) Purkusyvyys, DOD (Depth Of Discharge) vaikuttaa akun elinikään Latausnopeus vaikuttaa akun ikään ja kapasiteettiin Lähde: Lassila, J., LUT

62 62 Yhteenveto Energiankäytön tehostamisen vaikutukset sähköntarpeeseen vaihtelevat tapauskohtaisesti Sähkön rooli kokonaisenergiantarpeen pienentämisessä kuitenkin vahva Erityisesti lämpöpumput lisäävät merkittävästi lämmityksen energiatehokkuutta ja vaikuttavat sähkön tarpeeseen Interaktiivinen asiakasrajapinta on yksi tärkeimmistä älykkään energiajärjestelmän toimilaitekokonaisuuksista Älykäs energiajärjestelmä mahdollistaa tuotantoresurssien sekä verkkokapasiteetin optimaalisen hyödyntämisen Energiavarastojen ja pientuotannon verkkoon liitäntä Sähköautojen älykäs lataus ja hyödyntäminen energiavarastoina Kysynnän markkina- ja verkkoperusteinen jousto Tehotasapainon hajautettu hallinta normaali- ja häiriötilanteessa => Koko energiajärjestelmän energiatehokkuus kasvaa

63 Energiatekniikka Sähkötekniikka LUT ENERGIA Ympäristötekniikka 63