Johdatus sähköenergiajärjestelmiin Luento 1 Sähköenergiajärjestelmän yleisesitys Matti Lehtonen
Sähkön kokonaiskulutus Suomessa TWh 120 Tilasto Ennuste 100 80 60 40 20 1930 40 50 60 70 80 90 2000 2010 2020 2030 Energiateollisuus 2008 0
Sähkön kulutushuiput 1970-20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 Tilasto Ennuste 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Energiateollisuus 2008
Sähkön kokonaiskulutus 2012 (85,2 TWh) Metallinjalostus 9% Kemianteollisuus 8 % Muu teollisuus 5% Asuminen ja maatalous 28 % Teollisuus yhteensä 46 % Muu kulutus yhteensä 51 % Metsäteollisuus 24 % Häviöt 3 % Palvelut ja rakentaminen 23 % 23.1.2013
Sähkön kokonaiskulutus TWh 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0 Teollisuus Muu kulutus * Häviöt * Pitää sisällään asumisen, maatalouden, palvelut ja rakentamisen 23.1.2013
Teollisuuden sähkönkulutus TWh 60 50 40 30 20 10 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0 Metsäteollisuus Kemianteollisuus Metallinjalostus Muu teollisuus 23.1.2013
Sähkön nettohankinta 2012 Vesivoima 19,5 % (85,2 TWh) Tuulivoima 0,6 % Ydinvoima 25,9 % Nettotuonti 20,5 % Yhteistuotanto, kaukolämpö 15,8 % 23.1.2013 Erillistuotanto 6,7 % Yhteistuotanto, teollisuus 11,0 %
Sähkön hankinta energialähteittäin 2012 Ydinvoima 25,9 % (85,2 TWh) Jäte 0,9 % Turve 4,9 % Kivihiili 8,1 % Öljy 0,4 % Biomassa 11,8 % Maakaasu 7,4 % Vesivoima 19,5 % Tuuli 0,6 % Nettotuonti 20,5 % 23.1.2013
Sähkön tuotanto energialähteittäin Maakaasu 9,3 % Kivihiili 10,2 % Öljy 0,5 % 2012 (67,7 TWh) Vesivoima 24,5 % Uusiutuvat 41 % Tuulivoima 0,7 % Hiilidioksidivapaat 73 % Turve 6,2 % Ydinvoima 32,6 % Jäte 1,1 % Biomassa 14,9 % 23.1.2013
Sähkön hankinnan aikavaihtelu 14000 2012 (viikkokeskiteho) 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Ydinvoima Yhteistuotanto, teollisuus Vesivoima viikko Yhteistuotanto kaukolämpö Erillistuotanto Nettotuonti 23.1.2013
Vesivoiman tuotanto Normaalivuosi TWh 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0 23.1.2013
Tuulivoiman viikkokeskitehot ja kapasiteetti 2010-2012 300 250 200 150 100 50 0 Tuulivoiman kapasiteetti viikko Tuulivoiman viikkokeskiteho 23.1.2013
Tuulivoimatuotanto ja kapasiteetti vuosittain 600 500 481 492 400 300 261 277 294 200 100 0 168 188 153 120 92 288 63 196 199 142 146 109 82 79 86 43 52 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Asennettu kapasiteetti vuoden lopussa (MW) Tuotanto (GWh) 23.1.2013
Sähkön tuotanto pohjoismaisilla sähkö-markkinoilla 2011 23.1.2013
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 600 400 Tuonti (viikkotaso) 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 GWh 20000 käyttäytyminen /MWh 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 2008 Nordel 2008
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 ÞLauhdutin korvataan lämmönvaihtimella Þ 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: deuterium + deuterium = tritium + energiaa???
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 DU jos pisteessä C tuulivoimala U U C U A UBDU UB x x x
Tuotantotavat Vesivoima epätahti- tai tahtigeneraattori teho riippuu veden virtauksesta veden virtausvaihtelut allaskapasiteetti P = QHhrg P = teho (W) Q = virtaus (m³/s) H = putouskorkeus (m) h = kokonaishyötysuhde r = veden tiheys (1000 kg/m³) g = putoamiskiihtyvyys (9,8 m/s²) 28
Tuotantotavat Tuulivoima P = 1 2 C p rv 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) r = ilman tiheys (1,225 kg/m³) 29
Tuulivoimalaitokset Toimintaperiaatteita roottori Tuotantotavat vaihde laatikko generaattori verkko U s I s kompensointikondensaattorit Oikosulkumoottori generaattorina 30
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 31
Aurinkopaneelin tehontuottoon Auringon säteilyvoimakkuus vaikuttavia tekijöitä 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 34
Sähkön siirto- ja jakeluverkot Suomen kantaverkosta vastaa Fingrid Oyj. Sillä on suurjännitteisiä voimajohtoja yhteensä noin 14 000 km ja sähköasemia 100 35
Sähkönsiirtojärjestelmä 36
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. 37
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. 38
Tehomuuntajat Muuntajan varusteet: -läpivientieristimet -öljyn jäähdyttimet -käämikytkin -paisuntasäiliö suoja- ja valvontalaitteet 110 kv sähköaseman muuntaja 39
Kytkinasemalaitteet Ylijännitesuoja Virtamuuntaja Katkaisija Tukieristin Kokoomakisko Erotin 40
Kytkinasemalaitteet Virtamuuntajat 110kV katkaisijat Ylijännitesuojat Muuntajan läpivientieristimet 41
Kytkinasemalaitteet Jännitemuuntaja 42
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) 43
Kytkinlaitosten rakenne 44
Jakeluverkon rakenne Perinteinen järjestelmä voimalaitos kantaverkko alueverkko jakeluverkko 45
Sähkönjakelun periaate 46
Jakeluverkon rakenne 110 kv 110 / 20 kv Sähköasema 20 kv 20 / 0.4 kv Jakelumuuntamoita 10 km 47
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 48
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 49
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 50
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 51
Sähköjohdot Kaapelit Ilma- ja maakaapelit 110/20/1kV täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat 25 240 mm2 Ilmakaapeli 52
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 53
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 Þ vanheneminen hidastuu 54
Jakelumuuntamot 20 / 0,4 kv pylväsmuuntamoita 55
Jakelumuuntamot Ring main unit (RMU) kj-syöttö kj/pj-muuntaja kj-syöttö 56
Jakelumuuntamot Jakelumuuntamo (muuntaja 50 315 kva) öljynkeräysastia betonijalusta 57
Jakelumuuntamot 20 kv 20 kv 0,4 kv asiakas Maaseutu jakokaappi Taajama 58
Jakelumuuntamot, pienjänniteverkot PJ-kaapeli AMKA KJ-avojohto 100 m 59