BL20A0700 SÄHKÖVERKKOTEKNIIKAN PERUSKURSSI 4 op, 1 per. 1 Sähköenergiamarkkinat Sähkön tuotanto; Avointa, kilpailtua, rakentamisluvat Sähkönsiirto; Fingrid Oy, monopoli Sähkönjakelu; Verkkoliiketoiminta, alueellinen monopoli, 90 yhtiötä, viranomaisvalvonta (Energiavirasto) Sähkökauppa; Avointa, kilpailtua, sähköpörssi Sähköteollisuus; Suomessa vahva osaaminen ja hyvä menestys, ABB-yhtiöt, Vacon, Kemppi, Kone Sähkön käyttö; Energialähde, sähkön muokkaus 2
Sähkövoimajärjestelmä Perinteinen sähkövoimajärjestelmä Tulevaisuuden smartgrid energiajärjestelmä 3 Sähkön jakelu, verkostokomponentit Sähköasema 110/20 kv 400 V johto 110 kv johto 110/20 kv muuntaja 20 kv johto 20/0,4 kv muuntamo 4
Sähkön hinnan muodostuminen Keskisuuren teollisuusasiakkaan sähkön hinnan muodostuminen (1.9.2006 7,31 snt/kwh) Kotitalouksien sähkönhinnan muodostuminen, kulutus 5000 kwh/a (1.1.2015 15,57 snt/kwh) Lähde: https://www.energiavirasto.fi/fi/sahkoinfomarkkinat15012015 5 Sähköenergian verottomat kuluttajahinnat eräissä Euroopan maissa kotitalousasiakkaalle (kulutus 2500-5000 kwh/a) Lähde: http://energia.fi/sahkomarkkinat/sahkon-hinta-ja-sopimukset/sahkomarkkinakatsaus 6
Ostovoimaan suhteutettu kotitaloussähkön verollinen kokonaishinta (kulutus 2500-5000 kwh vuodessa) 2. puolivuotiskausi 2013 30 25 PPS / 100 kwh 20 15 10 5 0 Source: Eurostat Lähde: http://energia.fi/sahkomarkkinat/sahkon-hinta-ja-sopimukset/sahkomarkkinakatsaus 7 Sähkövoimajärjestelmä Koostuu voimalaitoksista ja kuormituksista sekä niitä yhdistävistä johdoista G P, Q G P, Q G Generaattorit käyvät samassa tahdissa Tuotannon ja kulutuksen tasapaino Kuva: http://www.abb.com/smartgrids 8
Sähkön siirto- ja jakelujärjestelmä Tehtävänä sähkön toimitus voimalaitoksilta sähkön käyttäjille taloudellisesti luotettavasti mahdollistaa sähkön tuotanto taloudellisella tavalla ei saa olla pullonkaulana Suomessa käytössä olevat jännitetasot: 400 kv, (220 kv) 110 kv 20 kv, (10 kv) 0,4 kv, (1 kv) 3-vaiheinen, taajuus 50 Hz yhteydet Nordel-verkkoon ja Venäjälle sekä Viroon (DC-linkit) Kantaverkkosuunnitelma vuodelle 2022 Kuva: http://www.fingrid.fi/fi/verkkohankkeet/voimajohtoliitteet/ka ntaverkon_kansallinen_10-vuotissuunnitelma_12-2012.pdf 9 Siirtoverkko Suomessa Kuva: www.fingrid.fi/fi/yhtio/esittely/voimansiirtoverkko/ Kuva: https://www.entsoe.eu/publications/order-maps-and-publications/electronic-grid-maps/ 10
Systeemihinta ja aluehinnat Pohjoismaisessa sähköpörssissä Nord Pool Spotissa noteerataan päivittäin seuraavan päivän sähkön hinta. Jokaiselle vuorokauden tunnille lasketaan koko markkina-alueella annettujen tarjousten perusteella hinta. Kun Pohjoismaiden välillä ilmenee sähkönsiirrossa pullonkauloja, lasketaan jokaiselle Nord Pool Spotin hinta-alueelle oma aluehinta. Kuvassa ovat systeemihinnan ja aluehintojen päiväkeskiarvot. Viimeisimmät hinnat näkyvät Nord Pool Spotin kotisivulla www.nordpoolspot.com 3.8.2015. Systeemihinta: 9,25 /MWh Lähde: http://www.nordpoolspot.com/#/nordic/map 11 Fingrid, verkkoinvestoinnit ja sähkön käyttö Suomessa Lähde: Tuomas Rauhala, Hajautetun tuotannon relesuojaus, 19.2.2012, Lappeenranta 12
Sähkön siirto Kuinka pitkälle voidaan siirtää 1 MW teho (cos = 1,0), kun käytössä on 3-vaiheinen 54/9 mm 2 teräsalumiini-johdin ja suurin sallittu jännitteenalenema on 10 %? 400 kv virta on 1,5 A 30 000 km 110 kv virta on 5,3 A 2260 km 20 kv virta on 28,9 A 75 km 0,4 kv virta on 1445 A 30 m 1 MW LUT tai 100 200 omakotitaloa 13 Voimajohdon pääosat 14
400 kv voimajohto Kuvat: Fingrid, http://www.fingrid.fi/fi/ajankohtaista/kuvagalleria/voimajohtopylvaat 15 400 + 110 kv voimajohto Lähde: Fingrid Oyj
110 kv voimajohto Teräsristikkopylväsjohto Puupylväsjohto Kevytrakenteinen puupylväsjohto 17 20 kv keskijännitejohto Päällystetty avojohto (PAS) Avojohto Maakaapelin asentaminen kaivuutekniikalla Maakaapelin asentaminen auraustekniikalla 18
400 V pienjännitejohto Riippukierrekaapeli (AMKA) Maakaapeli, auraustekniikka 19 Sähkön käyttö Sähkön osuus energianloppukäytöstä on 22 % (2014)*. Teollisuus käyttää Suomen sähköenergiasta noin puolet. Tästä valtaosa menee metsäteollisuuden tarpeisiin. Kotitaloudet käyttävät sähköstä noin viidenneksen ja loppu jakautuu palveluiden, julkisen kulutuksen ja maatalouden kesken. Suomalaisen kodin varustetaso on varsin korkea, sillä lähes jokaisessa taloudessa on sähköliesi ja jääkaappi. Pakastin ja pesukone on noin 80 %:ssa talouksista ja mikroaaltouuni 90 %:ssa. Sähkönkäytöstä yli 15 % menee sähkölämmitykseen**. Sähköllä lämmitetään jo yli 600.000 asuntoa joissa asuu lähes 1,6 miljoonaa suomalaista. Viime vuosina noin 40 %:iin uusista pientaloista on valittu sähkölämmitys. Sähkön kokonaiskulutus 2014 83,3 TWh*** Kemianteollisuus 8 % Teollisuus yhteensä 47 % (v. 2013 47%) Metallinjalostus 10% Metsäteollisuus 24 % Muu teollisuus 5% Häviöt 3 % Asuminen ja maatalous 27 % Palvelut ja rakentaminen 23 % Muu kulutus yhteensä 50 % (v. 2012 50 %) * http://www.stat.fi/til/ehk/2014/04/ehk_2014_04_2015-03-23_tie_001_fi.html ** http://www.stat.fi/til/asen/2013/asen_2013_2014-11-14_tie_001_fi.html *** http://energia.fi/kalvosarjat/energiavuosi-2014-sahko 20
Sähkön tuotanto ja tuonti Sähkön hankinta 1970-2014* Ydinvoiman osuuden on arvioitu kasvavan 36%:n OL 3 valmistuttua Lähde: ET Sähkön hankinta energialähteittäin 2014 (83,3 TWh)*** Ydinvoima 27,2 % Jäte Turve 1,0 % 3,5 % Kivihiili 9,8 % Öljy 0,3 % Biomassa 13,2 % Sähkön tuotannon ennuste 2025** Maakaasu 6,3 % Vesivoima 15,8 % Tuuli 1,3 % Nettotuonti 21,6 % * http://www.stat.fi/til/ehk/2014/04/ehk_2014_04_2015-03- 23_kuv_010_fi.html ** KTM. Energiatalous 2025. *** http://energia.fi/kalvosarjat/energiavuosi-2014-sahko 21 Sähkön tuotanto Tuulivoimatuotanto ja kapasiteetti vuosittain MW ja GWh 1200 1000 1110 Tuulivoimahankkeet (4/2015) 800 774 600 400 200 0 481 494 261 277 294 627 168 188 153 449 120 77 70 92 63 258 196 199 52 82 82 86 109 142 146 38 39 43 200020012002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 200920102011201220132014 Asennettu kapasiteetti vuoden lopussa (MW) http://energia.fi/kalvosarjat/energiavuosi-2014-sahko Tuotanto (GWh) Vuoden 2014 lopussa Suomessa oli 260 tuulivoimalaa, joiden yhteenlaskettu teho oli 627 megawattia. Vuoden 2012 lopussa tuulivoimaloita oli 163 kappaletta (288 MW) ja vuonna 2011 130 voimalaa (197 MW). Tuulivoimaa ennustetaan rakennettavan yli 300 MW vuoden 2015 aikana. (STY 2015) Huhtikuun 2015 puoleen väliin mennessä Suomessa oli julkaistu tuulivoimahankkeita yli 11 000 megawatin (MW) edestä. Merelle suunniteltujen hankkeiden osuus on noin 2200 MW. (STY 2015) http://www.tuulivoimayhdistys.fi/ 22
Sähkön tuotanto Aurinkosähkö, Saksa (1/2015) 7 6 5 Aurinkosähkön tuotantopotentiaali Lappeenranta vs. Frankfurt kwh/m2/d 4 3 2 Frankfurt, Saksa Lappeenranta, Suomi 1 0 Kuukausi Asennettua kapasiteettia 38 GW (= 38 000 MW) Saksassa 1/2015. Vrt. Olkiluoto 3:n sähköteho n. 1.5 GW. Kattoasennuksen hinta /kwp. Hinta laskenut 67 % vuodesta 2006. http://www.sma.de/en/company/pv-electricity-produced-in-germany.html 23 Sähkönkulutuksen huipputeho Torstai 8.2.2007 klo 7:00-8:00 Suomen tuotanto vesivoima ydinvoima yhteistuotanto CHP, teollisuus yhteistuotanto CHP, kaukolämpö lauhdevoima tuulivoima 12 078 MW 1 974 MW 2 730 MW 1 802 MW 2 845 MW 2 724 MW 3 MW + Sähköntuonti 2 881 MW Venäjältä 1 465 MW Ruotsista 1 094 MW Virosta 322 MW Sähkönvienti 46 MW Norjaan 46 MW Sähkön kokonaiskulutus 14 914 MW Lähde: Fingrid Oyj 24
Sähkönkulutuksen huipputeho Maanantai 20.1.2014 klo 8:00-9:00 Suomen tuotanto Vesivoima Ydinvoima Yhteistuotanto Erillistuotanto Tuulivoima 11 494 MW 2 378 MW 2 768 MW 4 433 MW 1 868 MW 47 MW + Sähköntuonti 2 921 MW Venäjältä 69 MW Pohjois-Ruotsista 1 283 MW Keski-Ruotsista 1 316 MW Virosta 253 MW Sähkönvienti 48 MW Norjaan 48 MW Sähkön kokonaiskulutus 14 367 MW Muokattu lähteistä: http://energia.fi/kalvosarjat/energiavuosi-2014-sahko; www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/rajakapasiteetit; http://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman-tila 25 Sähkön tuotanto pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla 2013 Uusiutuvat: 63 % (v. 2012 68 %) Hiilidioksidivapaat: 85 % (v. 2011 88 %) http://energia.fi/kalvosarjat/energiavuosi-2014-sahko 26
Sähkön tuotanto maailmassa energialähteittäin World electricity generation by fuel 1971-2013 Muokattu lähteestä: IEA Electricity Information 2015. http://www.oecd-ilibrary.org/energy/data/iea-electricity-information-statistics_elect-data-en 27 Sähkön myynti Venäjä Pohjoismaiset yhtiöt Tuottajat Fortum Pohjolan voima TVO Kemijoki Oy Vattenfall Paikalliset energiayhtiöt Teollisuus Sähkön välittäjät Nord Pool Muut Sähkönkäyttäjät Pienasiakasmyyjät Sähköyhtiöt Sähkönmyyjäyhtiöt Muut Suurteollisuus Pk-teollisuus Palvelut Maataloudet Kotitaloudet Sähkön suurimmat tukkumyyjät ovat Fortum ja Vattenfall. Ne myyvät sähköä suurasiakkaille ja sähkön vähittäismyyjille. Sähkön vähittäismyyjinä toimivat pääasiassa paikalliset ja alueelliset sähkölaitokset, joita on Suomessa tällä hetkellä noin sata. 28
Tulevaisuuden haasteita ja mahdollisuuksia Sähköautot ja ladattavat hybridit Haaste ja mahdollisuus sähköverkoille (haasteena teho, ei energia) Latausinfrastruktuuri laajalti olemassa (lämmitystolpat) Hajautettu tuotanto Tuulivoima, aurinkovoima Kahden suuntainen tehonsiirto (suojaus, verkon siirtokapasiteetti, jne.) Energiavarastot Tehonsiirrosta energian siirtoon Mahdollisuus verkosta otettavien tehopiikkien leikkaamiseen ja muihin verkon ja markkinoiden tukitoimintoihin Aktiivinen asiakasrajapinta Valtakunnallisesta tuotannon säätämisestä kulutuksen ohjaamiseen Sähkönkäyttäjän rooli passiivisesta aktiiviseksi esim. taloautomaatiota hyödyntämällä Ohjataan sähkönkäyttöä siten, ettei sähkön loppukäyttäjä huomaa eroa (esim. lämmönvesivaraaja, kylmälaitteet) Pienjännitteinen tasasähkönjakelu (LVDC) Aktiivinen sähkön laadun hallinta Infrastruktuuri (alusta) hajautetulle pientuotannolle, energiavarastoille ja aktiiviselle asiakasrajapinnalle Edullinen vaihtoehto keskijänniteverkolle Mahdollistaa saarekekäytön (yhteyden muuhun sähkövoimajärjestelmään ollessa poikki), microgrid 29 Tulevaisuuden haasteita ja mahdollisuuksia World Energy Investment Outlook 2014 Special Report https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/weio2014.pdf 30