Älykkään sähköverkon mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiseksi Energiaomavaraisuusilta Parikkala, 30.9.2014 Jussi Tuunanen
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
Suomen sähkön kokonaiskulutus TWh 110 100 90 80 70 60 50 40 Vesivoima 15,1 % Tuulivoima 0,9 % Ydinvoima 26,9 % 30 20 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 10 0 Nettotuonti 19,2 % Suomen sähkönkulutus v. 2013 oli 84,3 TWh Suomen sähkönkulutuksen huippu v. 2013 oli 14 146 MW Erillistuotanto 9,7 % Yhteistuotanto, teollisuus 11,9 % Yhteistuotanto, kaukolämpö 16,3 % Lähteet: Energiateollisuus ry
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
Osuus jakeluverkon puupylväistä Älykkäät sähköverkot Keskeiset infraverkot ja saneeraustarpeet SÄHKÖ (385 000 km, > 10 000 km/a) VESI (100 000 km, tarve 1 000 km/a) 5.0 % 4.5 % 4.0 % 3.5 % Verkon ikäjakauma TELE (+ 40 000 km v. 2015 mennessä) VIEMÄRI (50 000 km, tarve 900 km/a) KAUKOLÄMPÖ (12 000 km +300-500 km/a) 3.0 % 2.5 % 2.0 % 1.5 % 1.0 % 0.5 % 0.0 % 1950 1954 1956 1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 1950 1980 Lohjala, J., 2009, Age Distribution of Wood Poles in Medium-Voltage Networks. Järvi-Suomen Energia Oy. Julkaisematon dokumentti. 2009 MAANTIET (78 000 km, tarve km/a) RAUTATIET (5 900 km, tarve km/a) Lähteet: Maa- ja Metsätalousministeriö, 2008, Vesihuoltoverkostojen nykytila ja saneeraustarve. FCG Planeko Oy. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: http://www.mmm.fi/attachments/vesivarat/5xahdyjgf/yves2008-raportti_300408.pdf Liikenneviraston verkkosivut. Viitattu 20.9.2014. Saatavilla: http://portal.liikennevirasto.fi/sivu/www/f/liikenneverkko Sirola, V-P., 2010, Kaukolämpöverkon lämpöhäviöt - Perusparantamisen ja uudisrakentamisen energiansäästövaikutus. Energiateollisuus. Seminaariesitys. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: http://energia.fi/sites/default/files/dokumentit/sahkomarkkinat/energiatehokkuus/lu_sirola_ep-topo-seminaari-112010.pdf Energiateollisuuden verkkosivut. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: http://energia.fi/sahkomarkkinat/sahkoverkko/verkon-rakenne
Älykkäät sähköverkot Aiheita mediassa Lähteet: YLE:n verkkosivut
Älykkäät sähköverkot Suurhäiriöt
Keskeytyksestä aiheutuneet kustannukset [ ] Interruption costs (outage costs and standard compensations) [ ] Älykkäät sähköverkot Sähköverkkoliiketoiminnan valvonta Taloudellinen regulaatio, valvontajakso 2012-2015 Riskien hallinta, pääoman tuotto Vakiokorvaukset (pitkät keskeytykset, > 12 h) 12-24 h, 10 % asiakkaan verkkomaksusta 24-72 h, 25 % asiakkaan verkkomaksusta 72-120 h, 50 % asiakkaan verkkomaksusta > 120 h, 100 % asiakkaan verkkomaksusta Uudet korvausluokat erityisen pitkille keskeytyksille 150 % jos keskeytyspituus > 194 h (8 päivää) 160 000 200 % jos keskeytyspituus > 288 h (12 päivää) Enimmäiskorvaus 2000 /keskeytys Laki keskeytysten maksimipituutta koskien Taajamissa; 6 tuntia Haja-asutusalueilla; 36 tuntia 140 000 120 000 100 000 80 000 60 000 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 20.9.2014. Saatavilla: http://www.energiavirasto.fi/sahkokatkos 40 000 20 000 0 24 h (kompensaatio 25%) 12 h (kompensaatio 10%) 0 h 20 40 60 80 100 120 140 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.
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: 20.9.2014. Saatavilla: http://www02.abb.com/db/db0003/db002698.nsf/0/23bd705661c12f6ec12575bb002a5be9/$file/abb+paper+smart+grids+june+version.pdf
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: 20.9.2014. Saatavilla: http://webhotel2.tut.fi/units/set/research/inca-public/tiedostot/raportit/inca-concept_report.pdf
Power ( (kw) ) Älykkäät sähköverkot Sähkön kulutus ja tuotanto Sähkön kulutus 300 Sähköntuotanto 200 100 0 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
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 20.9.2014. Saatavilla: https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bl20a0500/luennot/smart_grids_at_lut_01_14.pdf Kronman, D., 2009, ICT apuna energian tuotannon ja siirron tehostamisessa sekä uusiutuvien energialähteiden integroinnissa energiajärjestelmiin When Grids Get Smart Seminaariesitys. ABB. Viitattu: 20.9.2014. Saatavilla: https://www.tekes.fi/global/ohjelmat%20ja%20palvelut/ohjelmat/ubicom/aineistot/tilaisuuksien%20ja%20seminaarien%20materiaalit%201/20090916_greenict/seminaari_20090916-ict-apuna-energiantuotannon-ja-siirron-tehostamisessa-dickkronman-abb.pdf
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: 20.9.2014. Saatavilla: https://www.tekes.fi/global/ohjelmat%20ja%20palvelut/ohjelmat/ubicom/aineistot/tilaisuuksien%20ja%20seminaarien%20materiaalit%201/20090916_greenict/seminaari_20090916-ict-apuna-energiantuotannon-ja-siirron-tehostamisessa-dickkronman-abb.pdf
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
Energiatehokkuus Asuntojen laitesähkön loppukäyttö 1993, 2006, 2011 Lähteet: Kotitalouksien sähkön käyttö Suomessa, Adato
Esimerkki uusista kuormista Lämpöpumppujen kokonaismäärän kehitys kappalemäärinä1996-2012 Lähteet: Suomen Lämpöpumppuyhdistys ry, SULPU
Pientuotanto
Power [ kw ] Älykkäät sähköverkot Energiavarastot ja käytön optimointi Teho 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 EE Sähköautot 400 Ilman sähköautoja Suora lataus yösähköllä 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Optimoitu lataus 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Purku 350 300 250 Lataus 200 150 100 50 Ilta Yö Päivä Ilta 0 0 500 1000 1500 2000 2500 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 2012. Järventausta et Al., 2010, INCA - Interaktiivinen asiakasliityntä ja sen hyödyntäminen sähköjärjestelmän hallinnassa ja energiatehokkuuteen kannustavissa palveluissa. Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Tampereen teknillinen yliopisto. VTT.
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. 2014 Asiakas 1
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.
Sähkönhinnoittelu Arvonlisävero 19% Sähkön hankinta 35% Sähköverot 11% Jakeluverkkosiirto 27% Sähkön myynti 7% Kantaverkkosiirto 2% Lähteet: Energiavirasto Kotitalouskuluttajan sähkönhinnan muodostuminen 1.2.2012
Energiamaksu [snt/kwh] Nykyinen siirtotariffi Yleissiirtotariffit suomalaisissa verkkoyhtiöissä 3*25 A pääsulakkeelle 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 Perusmaksu [ /kk] Kiinteiden veloitusten osuus siirtomaksusta on ollut kasvussa viime vuosina Tariffirakenteet vaihtelevat yhtiöittäin Hinnoittelulla vaikutusta sähkönkäyttöön ja teknologioiden yleistymiseen Lähteet: Energiavirasto
Kiinteän maksun osuus Sähkönsiirtohinnoittelu Vuonna 2010 kiinteiden veloitusten osuus oli keskimäärin 25.58 %, riippuen tyyppikäyttäjästä Siirtohinnoittelurakennetta pitäisi muuttaa. Älyverkkojen uudet mittaukset luovat tähän uusia mahdollisuuksia 70% 60% 50% 40% 30% 20% 2000 2010 10% 0% K1, Kerrostalohuoneisto, ei sähkökiuasta, 2 000 kwh/v K2, Pientalo, ei sähkölämmitystä, sähkökiuas, 5 000 kwh/v L1, Pientalo, suora sähkölämmitys, 18 000 kwh/v L2, Pientalo, osittain varaava sähkölämmitys, 20 000 kwh/v T1, Pienteollisuus, 75 kw, 150 000 kwh/v Lähteet: Energiavirasto
Älykkäät sähköverkot Kampuksen älykäs sähköverkko
Älykkäät sähköverkot LUT Green Campus Yliopiston kampusrakennukset 62 900 m 2, 274 000 m 3 Energiankulutus 16 GWh/a (kaukolämpö 59%, sähkö 41%) Veden kulutus 21 230 m 3 /a 1100 parkkipaikkaa, (320 lämmitystolppaa) 5000 opiskelijaa, 950 henkilökuntaa LOAS opiskelija-asunnot 5 rakennusta, 415 asukasta 13 290 m 2, 43 790 m 3 Energiankulutus 2.7 GWh/a (kaukolämpö 66%, sähkö 34%) Vedenkulutus 17 700 m 3 /a
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, 10-11 September 2012
Rakennamme maailmasta sellaista kuin sen pitäisi mielestämme olla. Kiitos! Jussi Tuunanen Lappeenranta University of Technology jussi.tuunanen@lut.fi Lappeenranta University of Technology (LUT)