Lauri Ahonen HÄIRIÖRESERVIT Sähkövoimatekniikan projektityö
2 Sisällysluettelo: 1. Johdanto 3 2. Mitä ovat häiriöreservit ja miksi niitä tarvitaan?... 4 3. Häiriöreservityypit... 5 2.1 Taajuusohjatut reservit... 6 2.1.1 Taajuusohjattu käyttöreservi.. 7 2.1.2 Taajuusohjattu häiriöreservi.. 7 2.2 Nopeat häiriöreservit.. 10 2.3 Hitaat häiriöreservit 11 4. Käytännön toteutustavat... 12 3.1 Vesivoima.. 12 3.2 Kaasuturbiinit. 13 3.3 Irtikytkettävät kuormat...14 3.4 Hetkellinen kuormien irtikytkentä..14 5. Mitä häiriöreservit maksavat? 15 6. Tulevaisuuden näkymät... 16 Lähteet 17
3 1. Johdanto Tämä projektityö käsittelee häiriöreserveitä, joiden avulla pyritään säilyttämään sähkövoimajärjestelmän stabiilius myös suurehkojen häiriöitten jälkeen. Niillä voidaan korvata esimerkiksi verkosta irronneen ydinvoimalan aiheuttama vaje sähkövoimajärjestelmän tehontuotannossa. Luvussa 2 selitetään lyhyesti mitä häiriöreservit ovat ja mihin niitä tarvitaan. Luvussa 3 esitellään erilaiset häiriöreservityypit, joita ovat taajuusohjattu, nopea ja hidas häiriöreservi. Häiriöreservit jaetaan eri luokkiin toiminta-aikansa perusteella. Luvussa 4 käsitellään erilaisia käytännön toteutustapoja häiriöreserveille. Niitä ovat lähinnä vesivoima, kaasuturbiinit ja irtikytkettävät kuormat. Lopuksi luvussa 5 käsitellään häiriöreservien aiheuttamia kustannuksia kotitalousasiakkaalle ja luvussa 6 luodaan lyhyt katsaus häiriöreserveiden tulevaisuuden näkymiin.
4 2. Mitä ovat häiriöreservit ja mihin niitä tarvitaan? Sähkövoimajärjestelmässä täytyy vallita tasapaino tuotetun ja kulutetun tehon välillä joka hetki. Tulevat kuormitukset pyritään ennustamaan etukäteen, mutta ennustusta ei voida luonnollisesti koskaan tehdä täydellisesti johtuen esimerkiksi erilaisista yllättävistä kuormituksen vaihteluista sekä häiriöistä sähköverkossa. Häiriöt saattavat aiheuttaa voimajärjestelmään tehovajeen, joka jollain tavalla saatava korvattua. Tästä johtuen järjestelmä vaatii aina tietyn suuruisen tehoreservin, jolla mahdolliset tehon heilahtelut pystytään kompensoimaan. [1] Kuva 1. Tehoreservien jaottelu [1] Kuva 1 havainnollistaa tilannetta tehoreservien osalta sähkövoimajärjestelmässä. Kuvasta nähdään, että tehontuoton kapasiteetti koostuu normaalista tahtigeneraattoreiden tuottamasta tehosta, joka on normaalitilassa samansuuruinen kuin verkossa kulutetun tehon ja verkossa tapahtuvien siirtohäviöiden summa. Lisäksi koko asennettu tuotantokapasiteetti sisältää näiden lisäksi tehoreservit sekä tuotannon, joka ei ole sillä hetkellä käytettävissä. Tehoreservit voidaan edelleen jakaa kahteen luokkaan sen mukaan milloin niitä tarvitaan. Luokat ovat normaalitoiminnan aikaiset käyttöreservit sekä häiriöreservit, joita käytetään nimensä mukaisesti häiriöiden sattuessa sähkövoimajärjestelmässä. Häiriön syynä voi olla esimerkiksi jonkin generaattorin vikaantuminen ja erottaminen verkosta tai jonkin merkittävän siirtojohdon vikaantuminen. Tässä työssä keskitytään häiriöreserveiden osa-alueeseen. [1] Häiriöreservien pitäminen on kallista, jolloin niiden osalta on syytä pyrkiä hyvään kustannustehokkuuteen. Tästä syystä niitä ei ole syytä pitää enempää kuin haluttu luotettavuustaso edellyttää. Nordel-verkossa käytetään N-1 mitoitussääntöä, joka
5 tarkoittaa sitä, ettei yksittäinen vika saa aiheuttaa tuotannolle tai kulutukselle laajaa keskeytystä. Vain paikalliset vaikutukset sallitaan. Harvinaisille vioille tai vikayhdistelmille sallitaan laajempia vaikutuksia, koska ne ovat hyvin epätodennäköisiä ja niitä vastaan suojautuminen aiheuttaisi liian suuret kustannukset. [2] Sähköjärjestelmän teknisen ja taloudellisen mukaisen käytön takaaminen ovat järjestelmäpalveluiden keskeisin tavoite. Häiriöreserveistä huolehtiminen on osa järjestelmäpalveluiden ylläpitoa. Suomessa häiriöreserveiden ylläpidosta vastaa järjestelmäpalveluiden ylläpitäjä eli Fingrid. Fingrid siis huolehtii, että vaadittavia häiriöreservejä ylläpidetään koko ajan kustannustehokkaasti ja että niitä on käytössä riittävä määrä. Häiriöreservien riittävä määrä määräytyy muiden Pohjoismaisten järjestelmävastaavien kesken tehdyn käyttösopimuksen mukaisesti. Eri reservityypeillä tämä määräytyy eri tavoin. Fingrid ei itse tuota kaikkea tehoreserviä, vaan hankkii ne erikseen sähköntuottajilta ja reservinhaltijoilta. Fingrid ylläpitääkin erillistä reservipankkia, johon reserveitä tarjoavat yhtiöt voivat ilmoittaa mahdollisista resursseistaan. Vaatimuksena reservin ylläpitoon hyväksymisellä on, että reserveistä on oltava säätöominaisuudet mitattuna, reaaliaikainen mittaustieto ja suunnitelma reservien käytöstä seuraavalle vuorokaudella. Kaikilla osapuolilla nämä toimintaehdot ovat samanlaisia. [3,6] 3. Häiriöreservityypit Häiriöreservit jaotellaan kolmeen eri ryhmään niiden aktivointinopeuden perusteella. Eri lähteissä häiriöreservit on usein määritelty eri tavoin. Tässä työssä häiriöreservit on jaoteltu kolmeen osaan: taajuusohjattuun, nopeaan ja hitaaseen häiriöreserviin. Oheinen kuva havainnollistaa eri häiriöreservityyppien keskinäistä suhdetta. Taajuusohjattu reservi aktivoituu häiriön jälkeen sekuntien, nopeat reservit minuuttien ja hitaat, korvaavat reservit tuntien kuluttua. Lisäksi hitaammin kytkeytyvä häiriöreservi korvaa aina nopeammin toimivan häiriöreservin vapauttaen sen näin toimintaan uusia häiriöitä varten.
6 Kuva 2. Voimajärjestelmän eri suureiden käyttäytyminen tuotantoyksikön irrotessa verkosta ajanhetkellä 0 [5] Perehdytään seuraavaksi tarkemmin erilaisiin häiriöreservityyppeihin ja niiden käyttötarkoituksiin ja toteutustapoihin. 3.1 Taajuusohjattu reservi Tehon tuotannon ja kulutuksen pitää olla yhtä suuret, koska sähköenergian varastoiminen ei ole järkevin tavoin mahdollista. Systeemin taajuus vastaa verkkoon liitettyjen generaattoreiden pyörimisnopeutta. Mahdolliset muutokset systeemin taajuudessa indikoivat epätasapainosta tehon tuotannon ja kulutuksen kesken. Taajuuden laskiessa alle normaalin käyttötaajuuden eli 50,0 Hz:n, tehon kulutus on tehon tuotantoa suurempi. Normaalia käyttötaajuutta suurempi verkon taajuus puolestaan indikoi tehon tuotannon olevan tehon kulutusta suurempi. Jos verkon taajuus pääsee laskemaan liian alhaiseksi, saattaa koko järjestelmä romahtaa, koska osa verkon laitteistosta ei siedä liian alhaisia taajuuksia. Esimerkiksi tahtigeneraattorit saattavat pudota kokonaan tahdista. Tämän vuoksi on hyvin tärkeää säilyttää verkon taajuus siedettävällä tasolla. Sähkövoimajärjestelmä itsessään auttaa jonkin verran stabiiliuden säilyttämisessä. Tämä johtuu siitä, että osa kuormista, etenkin sähkömoottorit, kuluttavat vähemmän tehoa taajuuden laskiessa ja enemmän taajuuden kasvaessa. Ilmiötä kutsutaan sähkövoimajärjestelmän luonnolliseksi säätökyvyksi. Taajuuden ylläpidossa käytetään kuitenkin pääasiallisesti apuna taajuusohjattuja reservejä, jotka voidaan jaotella taajuusohjattuun käyttöreserviin ja taajuusohjattuun häiriöreserviin. Seuraavassa
7 käsitellään taajuusohjatun häiriöreservin ohella suppeahkosti myös taajuusohjattua käyttöreserviä. [1] 3.1.1 Taajuusohjattu käyttöreservi Taajuusohjattua käyttöreserviä käytetään normaalitilan taajuudensäätöön. Nordelverkossa, johon Suomen sähköverkkokin siis osana kuuluu, taajuuden poikkeaman sallitaan olevan 0,2 % eli 0,1 Hz. Taajuusohjattu käyttöreservi aktivoituu kokonaisuudessaan 0,1 Hz:n taajuuspoikkeamalla. Reservin aktivoituminen tapahtuu automaattisesti. Normaalitilan taajuudensäätöä varten pidetään Nordel-verkossa koko ajan 600 MW:n taajuusohjattua käyttöreserviä. Reservin osuudet jaetaan maitten kesken niitten vuosienergioiden suhteella. Suomen osuus oli vuonna 2006 137 MW. [3, 6] Taajuusohjattuna käyttöreservinä käytetään lähinnä voimalaitosten pätetehoreserviä, joten esimerkiksi vesivoimalaitokset soveltuvat hyvin tähän tehtävään. Lisäksi Suomen ja Venäjän välisellä Viipurin tasavirtalinkillä on merkittävä osa Suomen taajuusohjattua käyttöreserviä. [3] 3.1.2 Taajuusohjattu häiriöreservi Taajuusohjattu häiriöreservi on tehoreserviä, joka reagoi automaattisesti taajuuden vaihteluihin kuten taajuusohjattu käyttöreservikin. Automaattinen taajuudensäätö aktivoi reservin 30 sekunnin kuluessa häiriöstä. Kun taajuus laskee alle 49,9 Hz:n alkaa taajuusohjatun häiriöreservin aktivoituminen. Taajuuden jatkaessa laskuaan alle 49,5 Hertziin asti, aktivoituvat viimeisetkin käytettävissä olevat taajuudensäätöreservit. Reservien aktivoitu teho kasvaa lähes lineaarisesti taajuuden laskuun nähden. Taajuusohjattu häiriöreservi toteutetaan myös pääasiassa voimalaitosten pätötehoreservin avulla. Nämä pätötehoreservit ovat yleensä pyöriviin koneisiin varastoitunutta energiaa eli Nordel-verkossa enimmäkseen turbiinisäädettäviä vesivoimaloita. Taajuusohjatun reservin voidaankin todeta olevan yleensä niin sanottua pyörivää reserviä. Myös irtikytkettäviä kuormia käytetään apuna, kun vaadittavaa pätötehoreserviä ei ole saatavilla. [3] Sähkön tuottajien osallistuminen taajuusohjatun häiriöreservin ylläpitoon on vapaaehtoista. Säätökykyistä reserviä omaavat yhtiöt voivat ilmoittaa resurssiinsa Fingridin ylläpitämään reservipankkiin. Fingrid maksaa korvausta resurssien haltijoille, jotta nämä pitävät mitatut säätöominaisuudet käytössä aiemmin sovituilla ehdoilla. Taajuusohjatuista häiriöreserveistä Fingrid maksaa myyjälle kiinteän korvauksen, joka on 4000 /MW vuodessa, mikäli reservi on ollut sähköjärjestelmän käytössä yli 3000 tuntia vuodessa. Lisäksi reserveistä maksetaan erillinen tuntikorvaus ajalta, jolloin reservit ovat
8 olleet käytössä. Korvauksien suuruus on vuosina 2005-2007 0,80 /MW tunnilta ja 2008-2010 0,85 /MW tunnilta.[3, 15] Taajuusohjatun käyttö- ja häiriöreservin ylläpitosopimuksessa määritetään ehdot, jotka näihin reserveihin osallistuvan voimalaitoskoneen on täytettävä. Ehtojen mukaan voimalaitoskoneiston nimellistehon tulee olla vähintään 10 MW, sen tulee kyetä jatkuvaan säätöön ja sen todennettavan statiikan tulee olla välillä 4 6%. Lisäksi Fingridillä tulee olla voimalaitoskoneistosta reaaliaikainen mittaustieto käytönvalvontajärjestelmässään. [15] Pohjoismaissa on tavoitteena pitää taajuusohjattua häiriöreserviä käytettävissä niin paljon, että järjestelmään kestää suuremmankin generaattorin irtoamisen verkosta ilman, että taajuus laskee 0,5 Hz:ä enempää. Vaadittavat reservit määritellään viikoittain vastaamaan koko Pohjoismaisen sähkövoimajärjestelmän suurinta yksittäisen vian aiheuttamaa tuotannon vähenemistä vähennettynä järjestelmän luonnollisella säätökyvyllä. Mitoittavana vikana on usein käytössä oleva suurin ydinvoimala, jonka teho on yleensä noin 1200 MW. Verkon luonnollinen säätökyky on noin 200 MW. Koko Nordel-verkon vaadittavaksi reserviksi saadaan tällöin 1000 MW, josta Suomen osuus on noin 220-240 MW. Maitten väliset osuudet taajuusohjatusta häiriöreservistä jaetaan niiden mitoittavien vikojen suhteessa. [3] Kuva 3. [1] Kuvassa 3 on havainnollistettu taajuuden käyttäytymistä vian sattuessa. Käyrä on Nordel-verkosta vuodelta 1983, kun ajanhetkellä 0.0 menetetään 1000 MW:n teho. Taajuus notkahtaa noin 49,5 Hz:n tasolle, mutta palautuu melko nopeasti yli 49,8 Hz:n taajuusohjattujen häiriöreservien aktivoituessa.
9 Normaalissa käyttötilanteessa laitosten teho asetellaan manuaalisesti. Taajuuden mittaukseen perustuva turbiinisäätäjä muuttaa automaattisesti tätä manuaalisesti aseteltua arvoa. Taajuusohjattuun häiriöreserviin käytettävät voimalaitokset siirtyvät häiriötilan aikaiseen säätöön, kun taajuusvirhe on yli 0,5 Hz tai taajuuden muutosnopeus on yli + 0,5 Hz/s. Tieto häiriötilaan siirtymisestä saadaan jonkin taajuutta mittaavan laitteen, kuten esimerkiksi taajuusreleen avulla. Taajuusohjattua häiriöreserviä ohjataan siis paikallisesti automaattisten turbiinisäätäjien avulla. Seuraavassa on esitetty yksinkertaistettu kuva turbiinisäätäjän toiminnasta. Taajuudensäätö toimii erillään jännitteensäädöstä. Kuva 4. [7] Verkon taajuutta mitataan ja sitä verrataan taajuuden asetusarvoon. Taajuuden erosuureen ylittäessä tietyn ennalta asetellun arvon, muuttaa säätäjä höyryn tai veden virtausta turbiinille. Jos taajuuden havaitaan laskevan, kasvatetaan virtausta, kun taas taajuuden kasvaessa toimitaan päinvastoin. Näin voidaan säätää generaattorin verkkoon syöttämää tehoa verkon taajuuden perusteella. [7] Seuraavassa kuvassa on esitetty lämpövoimakoneen mekaanishydraulinen säätäjä. Se perustuu heiluripainoihin, jotka aistivat taajuuden muutokset. Taajuuden kasvaessa ne siirtyvät kauemmaksi, jolloin piste B laskee. Säädin on kytketty siten, että pisteen B laskiessa venttiili pienentää höyryn virtausta, jolloin turbiinista saatava teho pienenee. Taajuuden laskiessa siis teho pienenee. Sama toimii toiseen suuntaan. Nopeussäätimen avulla voidaan määrittää kuinka aggressiivisesti säätäjä reagoi taajuuden muutoksiin. [7]
10 Kuva 5. [7] Taajuuden säätö suoritetaan siten, että pienillä taajuuden vaihteluilla generaattorin tuottaman tehon muutos on suoraan verrannollinen taajuuden muutokseen. Pätötehon suhde taajuuteen voidaan ilmaista kaavalla P g = R f. R kuvaa turbiinisäätäjän säätövoimaa, joka määrää kuinka paljon kukin turbiini kasvattaa tai vähentää tehoaan taajuuden poiketessa nimellisestä. Verkon kokonaistehonsäätövoima muodostuu yksittäisten säätöön osallistuvien laitosten säätövoimasta sekä sähköverkon luonnollisesta säätövoimasta. Säätövoima asetellaan siten, että taajuus ei pääse putoamaan annettujen rajojen ulkopuolelle häiriön seurauksena, kuten esimerkiksi ydinvoimalan pudotessa verkota. Pohjoismaisessa verkossa säätövoima on vähintään 6000 MW/Hz, josta Suomen osuus on 1370 MW/Hz. [1] 3.2 Nopeat häiriöreservit Nopeat häiriöreservit eivät aktivoidu automaattisesti kuten taajuusohjatut häiriöreservit, vaan niiden aktivointi ja irtikytkentä tapahtuu manuaalisesti Fingrid Oyj:n Voimajärjestelmäkeskuksen toimesta. Nopeiden häiriöreserveiden pääasiallinen tehtävä on vapauttaa aikaisemmin aktivoidut taajuusohjatut häiriöreservit takaisin käyttöön, jotta järjestelmä olisi valmis mahdolliseen uuteen häiriöön. Niiden on oltava
11 käyttöönotettavissa 15 minuutissa. Nopeat reservit vapautetaan tuntitasolla joko Elbasmarkkinoiden tai hitaammin käynnistyvien, mutta halvempien tuotantokoneistojen avulla eli hitaiden häiriöreserveiden avulla. [3] Nopeat häiriöreservit voidaan toteuttaa käytännössä esimerkiksi vesivoiman, kaasuturbiinien tai irtikytkettävien kuormien avulla. Suomessa ne on toteutettu Fingridin omien kaasuturbiinilaitosten ja irtikytkettävien kuormien avulla. Nordel-verkossa kunkin maan nopean häiriöreservin tarve määräytyy maan oman mitoittavan vian mukaan. Mitoittava vika tarkoittaa suurinta mahdollista tehovajetta, minkä yksittäinen vika voi aiheuttaa. Suomen osalta mitoittava vika on normaalisti 865 MW:n suuruinen. Tästä Fingridin omilla kaasuturbiineilla voidaan kattaa tilanteesta riippuen noin 650 MW ja irtikytkettävillä kuormilla noin 390 MW. [3] 3.3 Hitaat häiriöreservit Hitaita häiriöreserveitä käytetään korvaamaan aktivoituneet nopeat reservit tehontuotannossa, jotta ne saadaan takaisin käyttöön mahdollisten uusien häiriöiden varalle. Hitaisiin häiriöreserveihin lasketaan kapasiteetti, joka on otettavissa käyttöön yli 15 minuutin kuluttua häiriöstä. Taloudelliset näkökohdat määrittelevät usein kytkentäajan. [9,14] Hitaat reservit on yleensä toteutettu valmiustilassa olevan lämpövoiman avulla. Valmiustila tarkoittaa sitä, että lämpötila ja paine pidetään sellaisina, että tuotanto on mahdollista kytkeä kahden tunnin varoitusajalla käyttöön. Lämpövoimana toimivat hiili-, öljy- ja turvekäyttöiset lauhdevoimalat., joita on käytössä noin 1600 MW:n verran. [1,9] Nordel-verkossa ei ole erikseen määrätty maittain hitaiden häiriöreservien suuruuksia, vaan jokaisessa maassa käyttövarmuutta käsittelevät lait määräävät niistä. Suomessa kantaverkonhaltija Fingrid vastaa hitaiden reservien ylläpidosta. Fingrid hankkii kapasiteetin tarvittaessa säätösähkömarkkinoilta tai valmiustilassa olevista lauhdevoimalaitoksista. [14] Uuden tehoreservilain (astui voimaan 15.12.2006) avulla pyritään takamaan, että lauhdevoimalaitoksia on käyttöönotettavissa tarpeeksi nopeasti. Lisäksi ehkäistään sähkön tuonnin mahdollisesti aiheuttamia riskejä. Uuden tehoreservilain ideana on, että voimalaitosten haltijat voivat tarjota järjestelmään tehoreservejä, joiden ylläpidosta Fingrid maksaa korvauksia. Haltijat sitoutuvat varmistamaan voimalaitostensa käyttövalmiuden ja käyttämään niitä ennalta sovittujen käyttöperiaatteiden mukaisesti. Joulukuun ja helmikuun välisenä aikana käyttövalmiusaika on 12 tuntia ja muulloin yhden kuukauden verran. Voimalaitokset voidaan käynnistää joko markkinoille tehtyjen myyntitarjousten toteutuessa tai Fingridin erikseen sitä pyytäessä. Tehoreservilain määrittämät vaatimukset täyttäviä voimalaitoksia arvioidaan olevan käytettävissä vain noin viisi kappaletta. Fingrid kerää korvauksia sähkömarkkinaosapuolilta kantaverkon ja
12 rajajohtojen käyttäjiltä siirtomaksuina, joilla katetaan lauhdevoimalaitosten ylläpidosta aiheutuneet kustannukset. [19, 20] 4. Käytännön toteutustavat Käsitellään seuraavaksi eri häiriöreservien käytännön toteutustapoja. Pohjoismaissa käytetään taajuusohjatun ja nopean häiriöreserveiden ylläpitoon pääasiassa kolmea eri toteutustapaa, jotka ovat vesivoima, kaasuturbiinit ja irtikytkettävät kuormat. Hitaat häiriöreservit toteutetaan yleensä lämpövoimalaitosten avulla. 4.1Vesivoima Pohjoismaiselle sähkövoimajärjestelmälle on ominaista vesivoiman suuri osuus koko tuotetusta energiasta. Samalla vesivoima muodostaa myös hyvin merkittävän osan häiriöreserveistä. Vesivoimaa käytetään etenkin taajuusohjattujen reservien ylläpitoon. Vesivoimalaitoksen toiminta perustuu kahden vesitason väliseen korkeuseroon. Veden potentiaalienergia riippuu putouskorkeudesta ja pudotessaan se muuttuu liikeenergiaksi, joka saa vesivoimalaitoksen turbiinin pyörimään. Turbiini puolestaan pyörittää generaattoria, joka muuntaa turbiinin pyörimisliikkeen sähköksi. Suomessa käytettävät vesivoimalaitokset ovat pääasiassa joki- ja säännöstelyvoimalaitoksia. Jokivoimalaitoksia voidaan käyttää vain lyhytaikaiseen säätöön, kun taas säännöstelyvoimalaitoksella voidaan toteuttaa pitkäaikaistakin säätöä. Suomessa on vesivoimaa käytössä noin 3000 MW:n edestä. [8] Vesivoimalat soveltuvat erinomaisesti tehoreserveiksi niiden nopean ja pienet häviöt aiheuttavan säädettävyyden ansiosta. Vesivoimalan automaattiset turbiinisäätäjät reagoivat häiriön sattuessa verkon alenevaan taajuuteen ja lisäävät turbiineista saatavaa tehoa pienentäen samalla aiheutunutta taajuusvirhettä. Tämä tietenkin edellyttää, että vesivoimalaitos ei alun perin toimi maksimitehollaan. Vesivoimalan paras hyötysuhde saavutetaan yleensä toimittaessa 80 %:n teholla maksimitehosta. Todellisen tuotannon ja maksimaalisen tuotannon väliin jäävä erotus voidaan käyttää taajuudensäätöreservinä. Statiikka ilmaisee prosenttilukuna, kuinka suurella taajuuden prosentuaalisella muutoksella generaattorin ulostulo muuttuisi 100%. Se saadaan jakamalla taajuuden prosentuaalinen muutos tehon prosentuaalisella muutoksella. Mitä pienemmän statiikan koneisto omaa, sitä suuremmalla osuudella se osallistuu taajuudensäätöön. Suomessa vesivoimalaitosten tyypilliset statiikan arvot ovat 3-6 %. Vastaavasti taajuudensäätöön käytettävien lämpövoimakoneiden statiikat ovat tyypillisesti 4-8%. [10]
13 Muita seikkoja jotka puoltavat vesivoimalaitoksien käyttöä häiriöreserveinä ovat sen pienet käyttökustannukset ja se, että ne voidaan käynnistää ja pysäyttää muita voimalaitoksia nopeammin. Lisäksi vettä on mahdollista varastoida varastoaltaisiin, jolloin sitä on mahdollista käyttää sähkökulutuksen ollessa korkeimmillaan.[4,8] Vesivoiman heikkona puolena on lähinnä sen riippuvuus säästä. Vähäsateisina vuosina veden mahdollinen varastointi luonnollisesti hankaloituu. Lisäksi vesivoimalaitoksen investointikustannukset ovat melko suuret johtuen laitoksen, padon ja altaan rakennus- ja hankintakustannuksista. 4.2 Kaasuturbiinit Kaasuturbiineja käytetään pääasiassa nopeiden häiriöreserveiden toteuttamiseen. Kaasuturbiinivoimalaitoksessa turbiinin kanssa samalla akselilla olevaa kompressoria käytetään palamisilman paineistamiseen 10-20 baariin. Kompressori pumppaa palamamisilman polttokammioon. Polttokammiossa poltetaan yleensä liki kokonaan metaanista koostuvaan maakaasua. Polttokammiosta kuumat ja korkeassa paineessa olevat savukaasut johdetaan kaasuturbiiniin, mikä saa sen pyörittämään sähköä tuottavaa generaattoria ja samalla akselilla olevaa kompressoria. [12] Kaasuturbiini soveltuu hyvin tehoreserviksi, koska sen säädettävyys on nopeaa ja tehokasta. Se on lisäksi mahdollista käynnistää ja pysäyttää nopeasti, mikä on elintärkeää nopealle häiriöreserville. Sellaisenaan käytettynä kaasuturbiinin hyötysuhde jää kuitenkin melko alhaiseksi (maksimissaan noin 35%), johtuen savukaasujen mukana poistuvasta energiasta ja kompressorin pyörittämiseen kuluvasta tehosta. Tämän vuoksi kaasuturbiineja käytetään sellaisenaan vain tehoreservien ja huippukuorman aikaiseen tuotantoon. Kaasuturbiinien hyötysuhdetta saadaan parannettua huomattavasti, jos kuumat savukaasut otetaan talteen erilliseen kattilaan ja käytetään saatu lämpöenergia esimerkiksi kaukolämpöveteen. Tällöin puhutaan vastapainevoimalaitoksesta. [12] Nopea käynnistysaika on erityisen tärkeää nopeana häiriöreservinä toimivalla kaasuturbiinivoimalaitokselle. Nopea käynnistysaika voidaan saavuttaa esimerkiksi käyttämällä alun perin lentokonekäyttöön tarkoitettuja suihkumoottoreita. Häiriöreservinä toimivan kaasuturbiinin ohjeelliset käynnistysajat (käynnistyksestä täyteen tehoon) ovat lentokonemoottorilla varustetulla kaasuturbiinilla 3-3,5 minuuttia ja teollisuuskaasuturbiineilla 10-15 minuuttia. Kaasuturbiinivoimalaitokset käynnistetään kauko-ohjauksella, jolloin siltä edellytetään nopeaa ja luotettavaa käynnistymistä automaattisesti täydelle teholle. [17, 18] Vuonna 2007 nopeaan häiriöreserviin on varattu kaasuturbiinien osalta sopimuskapasiteettia 646 MW:n edestä. Kaasuturbiineilla saadaan siis katettua suurin osa Suomen normaalin tilan nopean häiriöreservin velvoitteesta, jonka suuruus on 865 MW.
14 Kaasuturbiinit ovat Fingridin omistuksessa ja niiden ohjauksesta vastaakin manuaalisesti Fingridin Voimajärjestelmäkeskus.[6] 4.3 Irtikytkettävät kuormat Irtikytkettäviä kuormia käytetään taajuusohjattujen ja nopeiden häiriöreserveiden toteutuksessa. Irtikytkettävien kuormien toimintaperiaatteena on yksinkertaisesti vähentää verkon tehovajetta kytkemällä kuormia irti verkosta. Irtikytkettäville kuormille on määritetty irtikytkettävien kuormien ylläpitosopimuksissa tietyt vaatimukset, jotta niitä voidaan käyttää häiriöreserveinä. Kuorman arvioidun käytettävyyden pitää olla vähintään 7000 tuntia vuodessa ja kuorman nettovaikutuksen on oltava pääsääntöisesti vähintään 15 MW. Lisäksi Fingridillä on oltava käytössään kuorman reaaliaikainen mittaustieto ja kuorman on voitava olla irtikytkettynä vähintään kolme tuntia. [13] Fingridillä on sopimus irtikytkettävistä kuormista kahdeksan eri osapuolen kanssa, jotka sisältävät metsä-, metalli- ja kemianteollisuutta. Sopimukset ovat voimassa 2005-2015 ja niiden yhteenlaskettu kapasiteetti on noin 1000 MW. Taajuusohjattuun häiriöreserviin on varattu 180 MW:n ja nopeaan häiriöreserviin noin 860 MW:n suuruinen kapasiteetti. Sopimuspuolinen kulloinkin ylläpitämä reservi on noin puolet sopimuskapasiteetista (120 MW ja 425 MW). Sopimuskausi on jaettu kahteen kauteen, joista ensimmäinen päättyy ja toinen alkaa Olkiluoto 3:n koekäytön alkaessa [6,13] Fingrid maksaa irtikytkettävien kuormien myyjille näiden osallistumisesta häiriöreservien ylläpitoon. Kiinteä vuosikorvaus on molemmilla jaksoilla 1500 /MW. Kuormien osallistuessa ennalta sovitulla tavalla reservien ylläpitoon, maksetaan niistä tuntikorvausta jaksolla 1 0,30 /MW, h ja jaksolla 2 0,40 /MW, h. Energiakorvausta maksetaan hetkellisestä, taajuusohjatusta ja nopeasta häiriöreservistä kaikista 500 /MWh. Lisäksi hetkellisen reservin ja taajuusohjatun häiriöreservin toteuttamiseen käytettävästä irtikytkettävästä kuormasta maksetaan kertokorvauksena 500 /MW. [13] Taajuusohjattuna toimivien häiriöreservien irtikytkentätaajuus on 49,5 Hz ja niiden irtikytkentäaika on viisi sekuntia. Irtikytkettävät kuormat aktivoituvat siis yleensä vasta, kun kaikki saatavissa olevat pyörivät reservit ovat käytössä. Tieto taajuudeen alittumisesta saadaan taajuusreleeltä. Nopean häiriöreservin irtikytkennästä huolehtii puolestaan manuaalisesti Fingrid Oyj:n Voimajärjestelmäkeskus. Nopeana häiriöreservinä toimivan kuorman irtikytkennän on oltava mahdollista enintään 15 minuutin kuluessa. [3,6] 4.4 Hetkellinen kuormien irtikytkentä Hetkellistä kuormien irtikytkentää tullaan käyttämään tulevan ydinvoimala Olkiluoto 3:n yhteydessä hetkellisenä reservinä. Uusi ydinvoimala aiheuttaisi 1600 MW:n
15 mitoittavan ilman hetkellistä reserviä. Tätä kompensoidaan erillisellä järjestelmäsuojalla joka kytkee 300-400 MW teollisuuskuormaa verkosta välittömästi (0,1 sekunnin kuluessa) ydinvoimalan irrotessa verkosta. Fingrid on sopinut näistä irtikytkennöistä teollisuusyritysten kanssa. [5, 13] 5. Mitä häiriöreservit maksavat? Häiriöreserveistä tuotantoyksiköille maksettavia korvauksia on jo käsitelty edellä. Seuraavassa taulukossa on esitetty kooste eri reserveistä maksettavista korvauksista jaksolla ennen Olkiluoto 3:sta. Korvaukset Taajuusohjattu häiriöreservi Kiinteä korvaus 4000 /MW Tuntikorvaus 0,80 /MW, h Kiinteä korvaus 1500 /MW (ik-kuormat) Tuntikorvaus 0,30 /MW, h (ik-kuormat) Energiakorvaus 500 /MWh (ik-kuormat) Nopea häiriöreservi Säätötarjousten mukaan ( /MWh) Kaasuturbiineille sopimusten mukaan 0,30 /MW, h ja 1500 /MW (ik-kuormat) Hidas häiriöreservi Säätötarjousten mukaan ( /MWh) Lauhdevoimalaitoksille sopimusten mukaan Mutta miten häiriöreserveiden ylläpidosta aiheutuneet kustannukset näkyvät kotitalousasiakkaan sähkölaskussa? Oheisessa kaaviossa on havainnollistettu kantaverkkoliiketoiminnan kustannusrakennetta vuodelta 2005. Kaaviosta nähdään, että voimajärjestelmäreservien osuus noin 207 miljoonan euron kustannuksista on seitsemän prosenttia. Toisaalta kantaverkkosiirron osuus kotitalousasiakkaan sähkön hinnasta on kahden prosentin luokkaa. Tästä saadaan laskettua, että voimajärjestelmän reservit muodostavat kotitalousasiakkaan sähkön hinnasta alle kaksi promillea. Luonnollisesti pelkkien häiriöreservien osuus on tätäkin pienempi. [6, 16]
16 Kuva 6. Kantaverkkoliiketoiminnan kustannusrakenne [6] 6. Häiriöreserveiden tulevaisuuden näkymät Lähitulevaisuudessa suurimmat vaikutukset häiriöreserveihin tulee olemaan viidennellä ydinvoimalalla, Olkiluoto 3:lla. Uuden ydinvoimalan teho on 1600 MW, mikä kasvattaa merkittävästi Suomen suurinta mitoittavaa vikaa. Tosin välittömästi Olkiluoto 3:n irrotessa verkosta, kytkeytyy myös 300 MW teollisuuskuormia irti verkosta, jolloin mitoittavaksi viaksi jää 1300 MW. Lisäksi uuden ydinvoimalan lähistölle rakennetaan uusi 100 MW:n kaasuturbiinilaitos auttamaan reservivelvoitteen täyttämisessä. Voimalan pitäisi valmistua kesällä 2007. [5, 11] United Power Oy:n suunnittelema uusi 1000 MW:n merikaapeli olisi toteutuessaan saattanut aiheuttaa merkittäviä lisäyksiä vaadittavien häiriöreserveiden määrään. Tällöin suurin mahdollinen mitoittava vika olisi suurimmillaan 2000 MW, jolloin menetettäisiin samaan aikaan uusi merikaapeli ja nykyinen 1000 MW:n yhteys Viipuriin. Tällainen 2000 MW:n menetys saattaisi aiheutua esimerkiksi suurhäiriöstä Pietarissa. Tällöin taajuusohjattuja ja nopeita häiriöreserveitä olisi jouduttu lisäämään merkittävästi. On arvioitu, että näiden reservien hankkimiseen olisi tarvittu yli 600 miljoonan euron investoinnit. [5]
17 Lähteet: [1] Power System Dynamics and Stability, An Introduction, Göran Andersson Electric Power Systems KTH September 1999 [2] Pohjoismaisen sähköjärjestelmän käyttövarmuus [WWW], Professori Jarmo Partanen Lappeenrannan teknillinen yliopisto Saatavissa: http://www.huoltovarmuus.fi/documents/7/partanen_26-11-2003.pdf [3] Fingridin verkkosivut, Saatavissa: www.fingrid.fi [5] Energiamarkkinavirasto. Lausunto KTM:lle United Power Oy:n merikaapelihanketta koskevista laskelmista ja kustannusarvioista. [WWW] Saatavissa:http://www.energiamarkkinavirasto.fi/files/LausuntoKTMlleFingridinLaskelm ista155-63-2006.pdf [6] Yleistä reserveistä, [dokumentti] Jarno Sederlund, Fingrid Oyj [7] Modern Power System Analysis::Kothari, D P; Nagrath I J, Third Edition, s. 290-293 [8] Energiateollisuus. Vesivoima [WWW] Saatavissa: http://www.energia.fi/page.asp?section=4477 [9] Energia ja huoltovarmuus, Toimialajohtaja Mikko Kara, VTT Prosessit Saatavissa: http://www.huoltovarmuus.fi/documents/7/kara_26-02-2003.pdf [10] Verkon tasapainon ylläpito, Timo Kaukonen, Fingrid Oyj [WWW] Saatavissa:http://powersystems.tkk.fi/opinnot/S18.113/Tehotasapaino%20luento%20200 5.pdf [11] Fingridin verkkosivut [WWW] Saatavissa: http://www.fingrid.fi/portal/suomeksi/tiedotteet_ja_julkaisut/ajankohtaista/?id=767 [12] Wikipedian artikkeli kaasuturbiineista [WWW] Saatavissa http://fi.wikipedia.org/wiki/kaasuturbiini [13] Fingridin verkkosivut [WWW] Saatavissa: http://www.fingrid.fi/attachments/jarjestelmapalvelut/irtikytkettavien_kuormien_yllapitos opimus.pdf
18 [14] Tasehallinta Pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla, Tatu Pahkalan diplomityö [WWW] Saatavissa: http://lib.tkk.fi/dipl/2006/urn007626.pdf [15] Fingridin verkkosivut [WWW], Saatavissa: http://www.fingrid.fi/attachments/jarjestelmapalvelut/taajuusohjatun_kaytto- _ja_hairioreservin_yllapitosopimus.pdf [16] Sähkön hintakehitys 1.1-1.10.2006, Ylitarkastaja Tapio Silvennoinen Energiamarkkinavirasto [17] Voimalaitosten järjestelmätekniset vaatimukset [WWW], Saatavissa: http://www.fingrid.fi/attachments/suomeksi/palvelut/kantaverkkopalvelut/voimalaitoksie nvaatimukset.pdf [18] Olkiluodon kaasuturpiinilaitoksen ympäristövaikutusten arviointiselostus [WWW] Saatavissa: http://www.fingrid.fi/uploads/constructionsitemap/attachments/ olkiluoto_arviointiselostus.pdf [19] Tehoreservilaki [WWW], Saatavissa: http://www.fingrid.fi/attachments/suomeksi/palvelut/uusiutuva_energia/tehoreservilaki1 5122006.pdf [20] Tekniikka ja talous verkkolehden artikkeli [WWW], Saatavissa: http://www.tekniikkatalous.fi/doc.ot?f_id=1066043