Johdatus sähköenergiajärjestelmiin Luento 1 Sähköenergiajärjestelmän yleisesitys Matti Lehtonen
Sähkön kokonaiskäyttö kasvoi 3,1 % - puolet selittyy lämpötilalla, puolet on talouden elpymistä Käyttö 2016 85,1 TWh 23.1.2017 2
Teollisuuden sähkönkäyttö kasvoi 1,5 %, vaikka metsäteollisuudessa rakennemuutos jatkuu 23.1.2017 3
Sähkön tuotanto Suomessa ja tuonti 2016 (85,1 TWh) 23.1.2017 4
Sähköntuotanto energialähteittäin 2016 (66,1 TWh) Uusiutuvat 45 % Hiilidioksidineutraalit 78 % Kotimaiset: 50 % 23.1.2017 5
Uusi ennätys sähkön käytössä: 15 177 MW tunnissa 23.1.2017 6
Sähkön kokonaiskäyttö 2015 (82,5 TWh) Metallinjalostus 10% Kemianteollisuus 8 % Muu teollisuus 5% Asuminen ja maatalous 27 % Teollisuus yhteensä 47 % (v. 2014 47%) Muu kulutus yhteensä 50 % (v. 2014 50 %) Metsäteollisuus 24 % Häviöt 3 % Palvelut ja rakentaminen 23 % 20.1.2016 7
Teollisuuden sähkönkäyttö TWh 60 50 40 30 20 10 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 0 Metsäteollisuus Kemianteollisuus Metallinjalostus Muu teollisuus 20.1.2016 8
Tuulivoimaa yli 3 TWh - kahden vuoden kuluessa vielä tuplaantuu Kapasiteetti kasvoi v. 2016 aikana 528 MW Tuotannon tuntitehot: -maksimi 1327 MW -minimi 0 MW -keskimäärin 349 MW 23.1.2017 9
Kivihiilen käyttö vähenee nopeasti, vaikka viime vuonna pientä kasvua Sähkön tuotanto kivihiilellä, liukuva 12 kk summa 23.1.2017 10
Lauhdetuotanto vähenee ja laitokset poistuvat markkinoilta *Lähde: Tilastokeskus, Energia 2015-taulukkopalvelu, Taul. 3.5 23.1.2017 11
Kaupunkien yhteistuotantosähkö on kääntynyt selvään laskuun *Lähde: Tilastokeskus, Energia 2015-taulukkopalvelu, Taul. 3.5 23.1.2017 12
Teollisuudenkin yhteistuotanto vähentynyt *Lähde: Tilastokeskus, Energia 2015-taulukkopalvelu, Taul. 3.5 23.1.2017 13
Sähkön hankinnan aikavaihtelu 14000 2015 (viikkokeskiteho) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Ydinvoima Yhteistuotanto kaukolämpö Vesivoima viikko Yhteistuotanto, teollisuus Erillistuotanto Nettotuonti 20.1.2016 14
Vesivoiman tuotanto Normaalivuosi TWh 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 0 Normaali vesivuosi = vesivoiman tuotanto laskennallisesti, kun rakennettujen jokien virtaamat ovat keskimääräisellä tasolla 20.1.2016 15
Sähkön tuotanto pohjoismaisilla sähkö-markkinoilla 2014 Uusiutuvat: 67 % (v. 2013 63 %) Hiilidioksidivapaat: 88 % (v. 2013 85 %) 20.1.2016 16
Sähkön tuonti Venäjältä tunneittain (viikko 47 vuonna 2010-2012) MW 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Ma Ti Ke To Pe La Su Viikko 47/2010 Viikko 47/2011 Viikko 47/2012 23.1.2013
Vaihto Pohjoismaiden ja Keski-Euroopan välillä 2011-2012 (viikkotaso) 600 Tuonti 400 200 0-200 1 2011 11 2011 21 2011 31 2011 41 2011 51 2011 9 2012 19 2012 29 2012 39 2012 49 2012-400 -600 Vienti viikko Pohjoismaat - Saksa Pohjoismaat - Puola Pohjoismaat - Hollanti 23.1.2013 Lähde: SKM Syspower
Pohjolan vesivarantojen erotus normaalivuoteen ja sähkön hinnan käyttäytyminen GWh /MWh 20000 180 15000 160 10000 5000 0 140 120-5000 2007 2008 2009 2010 2011 2012 100-10000 80-15000 -20000-25000 60 40-30000 20-35000 0 Erotus normaaliin vesivuoteen Systeemihinta Suomen aluehinta 23.1.2013 Lähde: SKM Syspower
Siirto- ja jakeluverkoston periaatekaavio Voimalaitos - generaattori (10,5 kv, 20 kv) - generaattorimuuntaja (20/400 kv) Kaukovoimansiirto - tehovälimuuntaja (400/220 kv) - 400, 220 (ja 110) kv johdot - kytkinasema (220 kv) - muuntoasema (400/220 kv) Suurjännitejakelu - 110 kv johdot - syöttöasema (110/20 kv) Keskijännite- (välijännite-)jakelu - 20 kv johdot Pienjännitejakelu - 0,4 kv johdot ja kuluttajat
Pohjoismainen yhteiskäyttöverkko vuonna Nordel
Voimalaitosten ominaisuudet Lauhdevoimalaitos (fossiilinen polttoaine) Lauhdevoimalaitos (painevesireaktori) Vastapainelaitos Kaasuturbiinilaitos
PERINTEINEN HÖYRYVOIMALAITOS
Höyryvoimalaitosten ominaisuuksia Polttoaineena kivihiili, öljy tai turve Hyötysuhde parhaimmillaan 40% Perus- tai välikuormalaitoksia Suuri ympäristörasitus: CO 2, SO 2 ja NO x Kokonaishyötysuhde paranee jos jäännäslämpö voidaan hyödyntää lämmitykseen Lauhdutin korvataan lämmönvaihtimella vastapainevoimalaitos
Kombivoimalaitos
Kombivoimalaitosten ominaisuuksia Yksi generaattori kaasuturbiinin perässä, toinen höyryrurbiinin Kaasuturbiinin hukkalämpö hyödynnetään höyryn tuotannossa SO 2 ja NOx emissiot paremmin hallinnassa kuin perinteisissä voimalaitoksissa Vastapainekäytössä terminen hyötysuhde on erittäin hyvä. Sähkön ja lämmön suhde noin 50/50
YDINVOIMALAITOKSET Painevesi- ja kiehutusvesireaktori
YDINVOIMALAITOSTEN OMINAISUUKSIA Reaktoria lukuunottamatta perinteisiä höyryvoimalaitoksia Kalliit investoinnit & halpa polttoaine => peruskuormalaitoksia Ei emissioita: CO 2, SO 2, tai NO x Käytetyn polttoaineen jälkikäsittely ja loppusijoitus Nykyiset laitokset perustuvat U-235:n fissioon (0,7% luonnonuraanista 235:ttä) Hyötöreaktori: U-238 muunnetaan plutoniumiksi Fuusioenergia: D+T= He+n tai D+D=T+H tai D+D=He+n
Voimalaitosten ominaisuudet ja tuotantokustannukset Vesivoima kalliit investoinnit vaihtelevat virtaamat varastointi Aurinkovoima kennon pieni hyötysuhde n. 15 % ja suuri hinta ( x 10 ) valon riittävyys meillä ongelma hyvät tehonsäätömahdollisuudet käytön rajoitukset tulvat vedenpinnan tason rajoitukset säännöstelyssä luonnollinen vesistö tai tekoallas Tuulivoima taloudellinen laitoskoko ~ 1 MW suuria tuulivoimapuistoja 100-1000 MW sähköverkkoon liittäminen voi olla ongelmallista Suomessa alkaa olla rakennettu A B C U A verkon jännite normaalisti U U jos pisteessä C tuulivoimala U U C U A UB U UB x x x
Tuotantotavat Vesivoima epätahti- tai tahtigeneraattori teho riippuu veden virtauksesta veden virtausvaihtelut allaskapasiteetti P = QH g P = teho (W) Q = virtaus (m³/s) H = putouskorkeus (m) = kokonaishyötysuhde = veden tiheys (1000 kg/m³) g = putoamiskiihtyvyys (9,8 m/s²) 30
Tuotantotavat Tuulivoima P 1 2 C p V 3 A Sijoitetaan paikkaan, jossa tuulen nopeuden vuotuinen keskiarvo on korkea Useita laitevalmistajia, erilaisia laitekonstruktioita Nopeasti kasvava tuotantomuoto Suurin yksikkökoko nyt noin 5 MW Isoja off-shore-tuulipuistoja rakenteilla P = teho (W) C p = kerroin V = tuulen nopeus (m/s) A = roottorin pyyhkäisyala (m²) = ilman tiheys (1,225 kg/m³) 31
Tuulivoimalaitokset Toimintaperiaatteita roottori Tuotantotavat vaihde laatikko generaattori verkko U s I s kompensointikondensaattorit Oikosulkumoottori generaattorina 32
Tuotantotavat Tuulivoimalaitokset roottori vaihde laatikko epätahti generaattori verkko Kaksoissyötetty epätahtigeneraattori U r Ir konvertteri I c roottori Taajuusmuuttajan kautta syötetty tahtigeneraattori tahtigeneraattori U s I s konvertteri verkko 33
Aurinkopaneelin tehontuottoon vaikuttavia tekijöitä Auringon säteilyvoimakkuus Säteiden voimakkuus vaihtelee Auringon paikasta riippuvan säteilyn tulokulman mukaan Pilvet estävät suoran säteilyn, mutta ilmakehässä sironnutta hajasäteilyä tulee aina jonkin verran Ilmakehän puhtaus vaikuttaa myös säteiden läpäisykykyyn Ulkolämpötila ja Auringon säteilyvoimakkuus nostavat paneelin lämpötilaa, jolloin paneelin hyötysuhde laskee Paneelin muut ominaisuudet Kaupallisten piikennojen ominaisuudet ovat keskenään lähes samat
Säteilyenergian mallintaminen Merkitsevin Parametri on Auringonpaiste- Tunnit ssh (%) Kirkas taivas: ssh = 100%
Auringonpaistetuntien jakauma Suomessa (%) 10.9.2012 36
Sähkön siirto- ja jakeluverkot Suomen kantaverkosta vastaa Fingrid Oyj. Sillä on suurjännitteisiä voimajohtoja yhteensä noin 14 000 km ja sähköasemia 100 37
Sähkönsiirtojärjestelmä 38
400kV ilmalinja 400 kilovoltin avojohdossa on tavallisesti 3 vaihejohdinta (tai johdinparia) ja 2 ukkosjohdinta. Eristinketjun pituus on noin 4 metriä (18 21 lautasta). Johdon etäisyys maasta on yleensä vähintään n. 8 metriä ja tiestä n. 9 metriä. 39
110kV ilmalinja 110 kilovoltin avojohdossa on tavallisesti 3 vaihejohdinta (tai johdinparia) ja 2 ukkosjohdinta. Eristinketjun pituus on noin 1 metri (6 8 lautasta) Johdon etäisyys maasta on yleensä vähintään n. 6 metriä ja tiestä n. 7 metriä. 40
Tehomuuntajat Muuntajan varusteet: -läpivientieristimet -öljyn jäähdyttimet -käämikytkin -paisuntasäiliö suoja- ja valvontalaitteet 110 kv sähköaseman muuntaja 41
Kytkinasemalaitteet Ylijännitesuoja Virtamuuntaja Katkaisija Tukieristin Kokoomakisko Erotin 42
Kytkinasemalaitteet Virtamuuntajat 110kV katkaisijat Ylijännitesuojat Muuntajan läpivientieristimet 43
Kytkinasemalaitteet Jännitemuuntaja 44
Sähköaseman kaavio haja-alue 123kV 2-KK järjestelmä 1. kokoojakisko(kk) I 2. KK II 3. KK-erottimet 4. Katkaisija 5. Virtamuuntaja 6. Jännitemuuntaja 7. Linjaerotin 8. Ylijännitesuoja T kenttäleveys (m) 45
Kytkinlaitosten rakenne 46
Jakeluverkon rakenne Perinteinen järjestelmä voimalaitos kantaverkko alueverkko jakeluverkko 47
Sähkönjakelun periaate 48
Jakeluverkon rakenne 110 kv 110 / 20 kv Sähköasema 20 kv 20 / 0.4 kv Jakelumuuntamoita 10 km 49
20 kv avojohto ja PAS -johto Eristämätön johdin 20 kv avojohto voidaan rakentaa myös käyttäen ohuella muovikerroksella päällystettyjä johtimia. Tällaisissa PAS -johdoissa johtimet ovat selvästi lähempänä toisiaan kuin tavallisessa 20 kv avojohdossa 20 kilovoltin avojohto muodostuu kolmesta paljaasta metallisesta vaihejohtimesta, jotka ovat yleensä rinnakkain. Johtimet on kiinnitetty orressa oleviin eristimiin. Pylväät ovat useimmiten puuta. Johtoa käytetään pääasiassa jakeluverkkoyhtiöiden verkoissa taajamien ulkopuolella paikalliseen voimansiirtoon sähköasemien ja kuluttajamuuntajien välillä PAS -johto= Päällystetty Avojohto Suurjännitteelle PAS johto 50
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (1/3) 3-vaiheinen, 20 kv ei nollajohdinta silmukoitu, käytetään säteittäisenä erottimet, osassa kauko-ohjaus korvausmahdollisuudet vikatilanteissa maasta erotettu tai sammutettu (kompensoitu) suojaus releillä + katkaisijoilla tyypillinen siirtomatka 20 30 km (Lapissa jopa 100 km) tyypillinen siirtoteho muutamia megawatteja 51
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (2/3) Ilmajohdot teräsalumiinijohtimet 25 201 mm 2 hinta 10 20 k /km Päällystetyt ilmajohdot, PAS-johdot ohut eristys pinnassa - ei täyttä jännitekestoisuutta kapeampi johtokatu; usein kaksois- tai kolmoisjohtona 20 30 % kalliimpi kuin vastaava avojohto 52
Jakeluverkon rakenne Keskijänniteverkko (3/3) Maakaapelit täysi eristyskyky, muovieristys poikkipinnat 120 240 mm 2 hinta 30 50 k /km kaivuolosuhteista riippuen trendinä mm. Tanskassa ja Ruotsissa Keskijänniteilmakaapeli SAXKA - vähän käytetty Maakaapeli Keskijänniteilmakaapeli 53
Sähköjohdot Kaapelit Ilma- ja maakaapelit 110/20/1kV täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat 25 240 mm2 Ilmakaapeli 54
Jakeluverkon rakenne Jakelumuuntamo 20 kv johdon ja muuntajan välissä yleensä erotin ylijännitesuoja tai suojakipinäväli Muuntamorakenne + muuntaja ilmajohdoissa pylväsmuuntamo, 1- tai 2-pylväsrakenne kaapeliverkoissa puisto- tai kiinteistömuuntamo Pienjännitekeskus pylväsmuuntamossa pylväsvarokekotelot puistomuuntamossa oikea keskus Muuntajan runko on suojamaadoitettu 55
Jakelumuuntamot Muuntajatyyppejä Pylväsmuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöttömiä Normaalit jakelumuuntajat Öljyeristeisiä Paisuntasäiliöllä varustettuja Väliottokytkimet ± 5 % 16 100 kva 30 3150 kva Valuhartsieristeiset jakelumuuntajat 315 2000 kva Palamattomia Hermeettiset jakelumuuntajat 50 1000 kva Öljyn ja ilman yhteys estetty, kosteus ei pääse muuntajaan vanheneminen hidastuu 56
Jakelumuuntamot 20 / 0,4 kv pylväsmuuntamoita 57
Jakelumuuntamot Ring main unit (RMU) kj-syöttö kj/pj-muuntaja kj-syöttö 58
Jakelumuuntamot Jakelumuuntamo (muuntaja 50 315 kva) öljynkeräysastia betonijalusta 59
Jakelumuuntamot 20 kv 20 kv 0,4 kv asiakas Maaseutu jakokaappi Taajama 60
Jakelumuuntamot, pienjänniteverkot PJ-kaapeli AMKA KJ-avojohto 100 m 61