SANNA ALESTALO VIRTUAALIVOIMALAITOS. Projektityö

SANNA ALESTALO VIRTUAALIVOIMALAITOS Projektityö

1. JOHDANTO...3 2. HAJAUTETTU TUOTANTO JA VIRTUAALIVOIMALAITOS...5 2.1. Hajautettu tuotanto...5 2.2. Virtuaalivoimalaitos...6 3. VIRTUAALIVOIMALAITOS TALOUDELLISESTA NÄKÖKULMASTA...8 3.1. Hyödyt eri osapuolille...9 3.2. Siirto- ja muuntokustannukset...10 3.3. Investointien riskit...10 3.4. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto...11 4. VIRTUAALIVOIMALAITOKSEN TOTEUTUS...12 4.1. Automaatiojärjestelmä...13 4.2. Tiedonsiirto...15 4.3. Energiahallintajärjestelmä...17 5. CASE HAMINAN ENERGIA OY...19 Lähteet:...20 2

3 1. JOHDANTO Hajautettu energiantuotanto lisääntyy. Syinä tähän ovat muun muassa energiankulutuksen lisääntyminen, sähkömarkkinoiden avautuminen erilaisille toimijoille sekä maailmanlaajuinen trendi kasvihuonekaasu-päästöjen vähentämisestä, mikä johtaa uusiutuvien energialähteiden lisääntyvään käyttöön. [1] Monet ihmiset ovat ymmärtäneet kestävän kehityksen merkityksen ja he arvostavat uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Niinpä myös energiantuottajat ovat joko ekologisen omantuntonsa herättäminä tai imagosyistä alkaneet suosia uusiutuvia energialähteitä. Myös nykyisin käytössä olevien energialähteiden hupenemisen vuoksi on etsittävä vaihtoehtoisia tuotantomuotoja. Uusiutuvien energialähteiden tuotanto on yleensä melko pienimuotoista. Uusiutuvat energiavarat sijaitsevat yleensä hajallaan, eikä niiden kuljetus suuriin voimalaitoksiin ole aina mahdollista tai kannattavaa. Jotta pienimuotoinen hajautettu tuotanto saataisiin mahdollisimman kannattavaksi, on järkevää optimoida hajautettujen yksiköiden toimintaa. Yhdistämällä erilaisia tuotantomuotoja virtuaalivoimalaitokseen voidaan energiaa tuottaa sellaisilla yksiköillä, joilla se kulloinkin on kannattavaa. Tuotantoyksiköistä voidaan ottaa tietty osa käyttöön esimerkiksi niissä käytettävän polttoaineen tai niiden sijainnin perusteella. Nykyään hajautetun tuotannon yksiköt on suunniteltu palvelemaan vain yhtä käyttötarkoitusta, mikä ei ole välttämättä taloudellisesti paras vaihtoehto. Jos jo suunnitteluvaiheessa otetaan huomioon se, että tuotantoyksiköitä ja niitä tukevia tietojärjestelmiä tullaan käyttämään useisiin tarkoituksiin, voidaan välttyä päällekkäisiltä investoinneilta. [2] Nykyisin vapaiden ja kilpailtujen sähkömarkkinoiden aikana energiantuottajien on vaikeampi arvioida tulevaa kysyntää kuin aikana, jolloin jokaisella yhtiöllä oli monopoli tietyllä alueella. Suuriin tuotantolaitoksiin investoimisessa onkin nyt hieman suuremmat riskit ja näin ollen pienten hajautettujen tuotantolaitosten rakentaminen saattaa olla perusteltua. Suurien laitoksien lupa- ja suunnitteluprosessit ovat paljon hitaampia kuin pienten laitosten. Alle 20 MW laitokset eivät kuulu päästökaupan piiriin, joten niiden ei tarvitse huolehtia päästölupamaksuista. Päästökaupan ulkopuolelle jäävät myös laitokset, joissa tutkitaan, kehitetään tai testataan uusia tuotteita tai menetelmiä. Joissain maissa, esimerkiksi Saksassa, hajautettua tuotantoa on saatu lisättyä tukipolitiikalla, joka velvoittaa sähköyhtiöt maksamaan kiinteän korkean hinnan hajautetusti tuotetusta energiasta riippumatta tuotannon arvosta. Tukien merkitys hajautetun tuotannon

4 investointien kannattavuudelle onkin merkittävä. Uusiutuvat energialähteet jaetaan ryhmiin kuten suoraan hyödynnettävät (esim. tuuli- aurinko- ja vesivoima), luonnonympäristöön varastoituneet energialähteet, biomassa sekä jäte- ja hukkalämpö. Energialähteiden määrittely eri luokkiin vaikuttaa viranomaisten luokitteluun, mikä taas puolestaan näkyy erilaisina vero- ja investointitukina sekä toimilupaehtoina ja velvoitteina. Näin ollen viranomaispäätökset vaikuttavat energialähteiden kilpailukyky ja mahdollisesti valintaan. [2; 3] Tämän työn tarkoituksena on tarkastella hajautetun tuotannon optimointijärjestelmää virtuaalivoimalaitosta - sen toimintaa ja taloudellista kannattavuutta kirjallisuuslähteiden pohjalta. Seuraavassa kappaleessa tutustutaan hajautetun tuotannon ja virtuaalivoimalaitoksen käsitteisiin. Kappaleessa 3 käsitellään virtuaalivoimalaitosta taloudellisesta näkökulmasta. Kappaleessa 4 selvitetään virtuaalivoimalaitoksen teknistä toteutusta ja kappaleessa 5 esitellään esimerkki toteutuneesta hankkeesta.

5 2. HAJAUTETTU TUOTANTO JA VIRTUAALIVOIMALAITOS Hajautetulla energiantuotannolla tarkoitetaan tuotantoa, joka on liitetty jakeluverkkoon tai sähkömittarin asiakkaan puolelle. [4]. Hajautettu tuotanto sijaitsee lähellä kulutusta ja on tuotantoteholtaan suhteellisen pientä. Tässä työssä virtuaalivoimalaitoksella (Virtual Power Plant, VPP) tarkoitetaan hajautetun energiantuotannon optimointijärjestelmää. Virtuaalivoimalaitos koostuu erillisistä tuotantoyksiköistä, jotka on liitetty yhteen käyttäen tietoliikenneverkkoa. Myös ohjattavia kuormia voidaan liittää osaksi virtuaalivoimalaitosta. Kuorman ohjaus mahdollistaa asiakkaiden aktiivisen osallistumisen sähkömarkkinoille. Tällä hetkellä sähkömarkkinoilla on hintajoustoa pääasiassa tuotannon puolella, kun muuttuvilta kustannuksiltaan erilaiset tuotantolaitokset tarjoavat sähköä eri hinnoilla. Jos kuluttajat suostuvat muuttamaan kulutustottumuksiaan ja heitä kannustetaan siihen esimerkiksi spot-hintaan perustuvilla tariffeilla, myös kysyntäpuolelle muodostuu hintajoustoa. Kysynnän jousto saattaa jopa korvata huipputuotanto kapasiteettia ja häiriöreservejä. Kulutuksen siirtäminen toiseen ajankohtaan tai vähentäminen helpottaa sähköjärjestelmän tuotannon ja kulutuksen tasapainon ylläpitämistä. Näin voidaan lyhyellä tähtäimellä mahdollisesti laskea sähkön hintaa ja pitkällä tähtäimellä tuotantoyksiköitä ja koko verkkoa voidaan karsia. Kuorman ohjaus strategioilla pyritään maksimoimaan sähkönkäytön tehokkuus sekä välttämään tai lykkäämään uusien tuotantolaitosten rakentamista. Näin voidaan päästä parempaan energiatehokkuuteen ja pienempiin kasvihuonekaasupäästöihin. [5; 6; 7] 2.1. Hajautettu tuotanto Energian käytön tehostaminen ja hajautettu tuotanto voivat vähentää kasvihuonekaasupäästöjä sekä hyödyttää sähköjärjestelmää kokonaisuutena: esimerkiksi vähentyneinä pullonkauloina ja siirtohäviöinä, parantuneena turvallisuutena ja luotettavuutena sekä vähentyneinä investointeina siirto- tai jakelujärjestelmään. Toistaiseksi Suomessa hajautettuja resursseja ei kuitenkaan käytetä pullonkaulojen poistoon, sillä jakeluverkkoyhtiöt eivät nykyisten sähkömarkkinasäädösten mukaan saa omistaa edes pienimuotoista tuotantoa. Näin ollen jakeluverkkoyhtiö ei voi tietää onko sen tarvitsema resurssi käytettävissä silloin kun sitä tarvitaan. [2; 8]

6 Hajautetun tuotannon etuja parhaassa tapauksessa ovat: huippukuorma generaattoreiden vähentynyt tarve, siirtokapasiteetin vähentynyt kysyntä, alentuneet siirtohäviöt, investointien alhaisempi riskitaso sekä sähkön ja lämmön yhteistuotannossa saavutettavat edut. Näiden hyötyjen toteutuminen edellyttää kuitenkin sitä, että tuotanto on lähellä kulutusta. Tuotannon ollessa etäällä kulutuksesta vaikutukset ovat pienemmät tai saattavat olla jopa päinvastaisia. Esimerkiksi kulutuksesta etäälle sijoitettu tuulipuisto voi pahentaa verkon pullonkauloja, kasvattaa häviöitä, heikentää verkon luotettavuutta ja kasvattaa reservitarvetta. Myös paikallisen kulutuksen mittaaminen ennustaminen, ohjaus ja optimointi on tärkeää sellaisissa paikoissa, joissa on paljon hajautettua tuotantoa, muuten hajautetun tuotannon hyödyt voivat kumoutua. [2; 9] Hajautetun tuotannon mahdollisia käyttökohteita ovat: kauko- ja aluelämpö, prosessiteollisuus, pk-teollisuus kuten sahat ja konepajat, kylpylät ja hotellit, kaatopaikat ja jätevedenpuhdistamot, kasvihuoneet sekä maatalous. Tällaisissa kohteissa on tarjolla edullista polttoainetta kuten esimerkiksi maatiloilla eläinten lantaa, jätevedenpuhdistamoilla lietettä, sahoilla puujätettä jne. Näissä kohteissa on kysyntää keskikokoisille 1-10 MW sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksille (CHP-laitoksille). [10] 2.2. Virtuaalivoimalaitos Virtuaalivoimalaitoksissa sähköä ja lämpöä tuotetaan kysynnän mukaan tuottajasta riippumattomassa hajautetussa systeemissä. Tuotanto on jakautunut maantieteellisesti eri paikkoihin ja systeemiin voidaan liittää lähes kaikenlaisia tuotantomuotoja: esimerkiksi diesel ja maakaasu generaattoreita, mikro-turbiineja, höyryturbiineja, polttokennoja sekä useita uusiutuvia energialähteitä. Monissa projekteissa energian tuotantoon onkin tarkoitus käyttää uusiutuvia energialähteitä. Uusiutuvien energialähteiden kirjo takaa luotettavan energian tarjonnan: tuulivoimaa, vesivoimaa ja aurinkoenergiaa on yhdistetty pysyvästi saatavilla oleviin energialähteisiin kuten biomassaan, geotermiseen energiaan, maakaasulla toimiviin yhteistuotantolaitoksiin sekä polttokennoihin. [11; 12]. Virtuaalivoimalaitos on kuin energian internet ; tuotantoyksiköiden kytkeytymistä toisiinsa voidaan verrata PC-koneiden kytkeytymiseen internetiin. Virtuaalivoimalaitos tarkkailee reaaliaikaisesti sähkön markkinahintaa, ja riippuen myös muista tekijöistä kuten vuorokaudenajasta ja odotettavissa olevasta kysynnästä, se voi ryhtyä toimenpiteisiin. Toimenpiteitä voivat olla joko tuotannon lisääminen/vähentäminen tai kuormien irrottaminen/lisääminen. Virtuaalivoimalaitoksen avulla voidaan ottaa käyttöön mitkä tahansa tuotantoyksiköt, jotka on liitetty järjestelmään ja voidaan tuottaa juuri haluttu määrä energiaa. Virtuaalivoimalaitosta voidaan ohjata useiden eri kriteerien perusteella. Virtuaalivoimalaitos seuraa koko ajan sähkön markkinahintaa, sähkön ja lämmön kulutusta sekä polttoaineiden hintoja. Tuotantoyksiköt voidaan jakaa ryhmiin

esimerkiksi niissä käytettävän polttoaineen mukaan, jolloin polttoaineiden hintojen vaihdellessa voidaan ottaa käyttöön sillä hetkellä edullisimmat vaihtoehdot. Yksiköt voidaan jakaa myös niiden sijainnin mukaan, jolloin pystytään helposti täyttämään tietyn alueen energian tarve. [12] 7

8 3. VIRTUAALIVOIMALAITOS TALOUDELLISESTA NÄKÖKULMASTA Jotta hajautetun tuotannon yksiköt voisivat toimia sähkömarkkinoilla, niitä on koottava yhteen virtuaaliseksi voimalaitokseksi. Yksistään ne ovat liian pieniä, eikä niillä ole sähköpörssin toimijalta vaadittavaa suurta toiminnan laajuutta eikä välttämättä tarvittavaa asiantuntemustakaan. Tällöin palveluntarjoaja, esimerkiksi sähkön vähittäiskauppias, voi hoitaa useiden yksiköiden sähkökauppaa. [2] Hajautetun tuotannon yksiköillä kannattaa tuottaa energiaa silloin kun yksikköjen muuttuvat kustannukset ovat pienemmät kuin sähkön markkinahinta, kahdenkeskisillä sopimuksilla hankittu energia tai keskitetystä järjestelmästä otettu energia. Huomioon täytyy ottaa myös siirtokustannukset, joita joudutaan maksamaan, jos sähkö kiertää julkisen jakeluverkon kautta. Jos tuotettu sähkö kulutetaan omassa verkossa, vältytään siirtomaksuilta kokonaan. Mikäli energiaa kyetään tuottamaan enemmän kuin sitä kulutetaan, kannattaa ylijäävä osuus myydä markkinoille, jos siitä saadaan korvausta enemmän kuin tuotantoyksikön muuttuvien kustannusten verran. 1 Elspot VPP 2 Muut toimijat Kuva 1. Tehoa kannattaa siirtää esimerkiksi yksiköstä 1 yksikön 2 kuormalle, jos yksikön 1 muuttuvien kustannusten ja energian siirtokustannusten summa on pienempi kuin yksikön 2 muuttuvat kustannukset. Teho kannattaa tietysti siirtää siltä yksiköltä, jonka muuttuvien kustannusten ja siirtokustannusten hinta on alhaisin. Yksiköiden kiinteät kustannukset juoksevat koko ajan huolimatta siitä miten paljon niillä tuotetaan energiaa, joten niitä ei tarvitse ottaa huomioon tarkasteltaessa sitä millä yksiköllä teho kannattaa tuottaa. Kustannusten jako muuttuviin ja kiinteisiin ei aina kuitenkaan ole yksiselitteistä.

9 3.1. Hyödyt eri osapuolille Hajautetun tuotannon sijaitessa asiakkaan verkossa eniten hyötyä saa tietysti kyseinen asiakas, koska hänen siirtomaksunsa pienenevät. Myös muut verkon käyttäjät hyötyvät hieman yksittäisen asiakkaan tuotannosta. Tämä johtuu siitä, että jakeluverkkoon ei tarvitse siirtää niin paljon sähköä kantaverkosta ja näin ollen jakeluverkkoyhtiön maksama kantaverkon kuormitusmaksu, kantaverkosta otto, pienenee. Jakeluverkkoyhtiö laskuttaa maksamansa kantaverkkomaksut kuluttajilta siirtomaksun yhteydessä. Hajautetun tuotannon ollessa liitettynä julkiseen verkkoon kaikki verkon käyttäjät pääsevät osallisiksi hyödyistä, koska jakeluverkkoyhtiön maksamat kuormitusmaksut pienentyvät. Jos jakeluverkossa on tuotantoa niin paljon että sitä voidaan siirtää kantaverkkoon päin, kuormitusmaksut todennäköisesti laskevat. Tämä edellyttää sitä, ettei tuotantoa ole tiettyä määrää enempää, koska myös kantaverkkoon annosta täytyy maksaa. Kantaverkkoon anto on kuitenkin huomattavasti halvempaa kuin kantaverkosta otto. Vuonna 2007 kantaverkosta otto maksaa 0,63 /MWh ja kantaverkkoon anto 0,30 /MWh. Kantaverkkoyhtiö perii myös kulutusmaksua, joka määritellään asiakkaan liittymispisteessä virtaavan sähköenergian, liittymispisteen takaisen sähköenergian tuonnin ja viennin sekä voimalaitosten nettotuotantojen perusteella. Tuotantoa määritettäessä ei kuitenkaan oteta huomioon nimellisteholtaan alle yhden megavolttiampeerin generaattoreita. Koska hajautetun tuotannon yksiköt ovat teholtaan yleensä melko pieniä, niiden tuottamasta energiasta ei siis välttämättä peritä ollenkaan kulutusmaksua. Vuonna 2007 kulutusmaksu talviajalle (1.1.- 31.3 ja 1.11-31.12) on 2,06 /MWh ja muulle ajalle 1,03 /MWh. [13] Sähköverkossa on koko ajan vallittava tasapaino tuotannon ja kulutuksen suhteen. Sähköjärjestelmän järjestelmävastaava huolehtii tästä tasapainosta ja siksi se tarvitsee nopeasti ohjattavissa olevia energiaresursseja. Osan näistä resursseista järjestelmävastaava hankkii säätösähkömarkkinoilta. Myös pieniä energiaresursseja voidaan tarjota järjestelmävastaavan tai säätösähkömarkkinoiden käyttöön, jos resurssit ovat nopeasti ohjattavissa ja koottu esimerkiksi riittävän suuritehoiseksi virtuaaliseksi voimalaitokseksi. Tasevastaavat puolestaan huolehtivat sovitun ja toteutuneen sähkötaseen eroista. Jos hajautettuja energiaresursseja hallitseva vähittäiskauppias on erittäin suuri, se voi toimia itse tasevastaavana. Yleensä kuitenkin vähittäiskauppias ostaa tasevastuun joltain muulta sähkömarkkinoiden osapuolelta. Vähittäiskauppias voi myydä resurssiensa ohjattavuutta tasevastaavalle. Tasevastaava voi siis hyötyä virtuaalivoimalaitoksesta, koska näin se voi saada käyttöönsä helposti ohjattavaa tuotantoa. [2]

10 3.2. Siirto- ja muuntokustannukset Keskiverto sähköjärjestelmässä siirto- ja muuntohäviöt ovat noin 5 % siirretystä energiasta. Siirto- ja jakeluhäviöt ovat suunnilleen 4 %:n luokkaa. Nämä häviöt näkyvät kuluttajalle suoraan hinnassa. Häviöitä voidaan pienentää lisäämällä verkkoon hajautettua tuotantoa, joka korvaa keskitetyn huippukuormatuotannon. Virtuaalivoimalaitokset koostuvat pääosin lähellä kuluttajia sijaitsevista tuotantoyksiköistä, joten siirto- ja jakeluverkkojen kuormitus kevenee, koska energiaa ei tarvitse siirtää pitkiä matkoja. Näin ollen siirto- ja jakeluhäviöt vähenevät, mikäli tuotanto on riittävän pientä. Virtuaalivoimalaitoksen avulla voidaan vähentää huippukuorman aikaista kysyntää keskitetystä tuotantojärjestelmästä. Koska siirtojohdot on mitoitettava harvinaisten piikkien aikana siirrettävän suurimman mahdollisen tehon mukaan, suuri osa kapasiteetista on käyttämättömänä suuren osan ajasta. Hajautetun tuotannon avulla pienimmän ja suurimman vaaditun siirtokapasiteetin ero voimalaitosten ja jakeluverkon välillä voidaan minimoida. Toisaalta, verkkoyhtiö ei voi vaikuttaa hajautettujen tuotantoyksiköiden ohjaukseen, joten se ei voi vaikuttaa siihen ovatko tuotantoyksiköt käynnissä huippukuorman aikana. Tämä tulee ottaa huomioon verkkojen mitoituksessa, eikä hyötyjä verkon investoinneissa näin ollen välttämättä saavuteta. [9] 3.3. Investointien riskit Sähkömarkkinoiden vapautuminen on aiheuttanut epävarmuutta investointipäätöksiin. Kun energiantuottajat olivat vielä monopoliasemassa tietyllä alueella, ne pystyivät paremmin arvioimaan tulevaa kysyntää. Nykyisin kun asiakkailla on oikeus itse valita sähköntoimittajansa, ja he yhä useammin kilpailuttavat ja vaihtavat toimittajaa, kysynnän arvioiminen on hankalampaa. Suuria voimalaitosinvestointeja ei voi tehdä lyhyen tähtäimen näkymien perusteella. Pienten hajautettujen tuotantoyksiköiden suunnittelu ei vaadi niin pitkää aikaa ja ne saadaan nopeammin käyttöön. Näillä yksiköillä on myös lyhyempi elinaika ja pienemmät investointikustannukset. Toisaalta tällaisten tuotantoyksiköiden muuttuvat kustannukset ovat suuremmat kuin isompien voimalaitosten. Pienten hajautettujen tuotantoyksiköiden aiheuttamat suuremmat kokonaiskustannukset voidaan ajatella riskipreemiona, jonka tuottaja on valmis maksamaan, jotta hänen ei tarvitse sijoittaa suureen pitkäaikaiseen voimalaitokseen, jota ei muutaman vuoden kuluttua tarvitakaan. [9]

11 3.4. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto Sähkön ja lämmön yhteistuotanto, CHP (combined heat and power production), on eräs hajautetun tuotantojärjestelmän merkittävä etu. Lämmön tuotanto on aina ollut paikallista siirtohäviöiden ollessa niin suuret, ettei pitkien matkojen siirto ole kannattavaa. Voimalaitoksissa syntyvä lämpö voi siis jäädä hyödyntämättä, koska sitä ei ole kannattavaa siirtää kaukana oleviin kulutuskohteisiin. Suomessa kuitenkin hyödynnetään menestyksekkäästi teollisuuden CHP:tä ja yhteistuotantoon perustuvia kaukolämpöverkostoja onkin monissa kaupungeissa. Pienten tuotantolaitteiden hyötysuhde on huonompi kuin suurten. Pelkästään sähköä tuottavan laitteen hyötysuhde on noin 30-45 %. Kokonaishyötysuhdetta voidaan parantaa käyttämällä hajautetussa tuotannossa laitteita, jotka tuottavat sekä sähköä että lämpöä. Hajautetussa systeemissä tuotantolaitteet ovat lähellä kulutuskohteita, joten siirtohäviöt ovat pienet ja näin ollen syntyvä lämpö voidaan käyttää hyväksi. Käyttämällä yhteistuotantolaitteita saadaan systeemin kokonaishyötysuhde nousemaan jopa 85-90 %. [9] Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa kaikkea lämpöä ei varsinkaan kesällä tarvita kaukolämpönä. Tällöin käyttämättä jäävällä kaukolämmön energialla voidaan tuottaa kaukojäähdytystä. Silloin kun lämmöntuotannosta ei jää hyödyntämätöntä energiaa, kaukojäähdytys voidaan tuottaa vapaajäähdytyksenä vesistöstä tai ulkoilmasta. Kaukojäähdytys on tarkoitettu julkisten tilojen, kuten myymälöiden ja toimistorakennusten ilman viilentämiseen. Kaukojäähdytyksellä voidaan korvata kiinteistöjen viilennykseen perinteisesti käytetty kompressorijäähdytys, joka kuluttaa paljon sähköä ja jossa jäähdytysaineena käytetään ympäristölle haitallisia HCFCyhdisteitä. Huippukuorma ja varateho tuotetaan edelleen kompressorijäähdytyskoneilla ja lämpöpumpuilla. [14;15] Mikäli lämpöä ei tarvita, voidaan ylimääräinen energia käyttää myös makean veden tuottamiseen. Esimerkiksi meren rannalla sijaitsevan voimalaitoksen ylimääräinen energia on järkevää käyttää suolanpoistoon merivedestä. [16]

12 4. VIRTUAALIVOIMALAITOKSEN TOTEUTUS Tekniikan kehitys parantaa hajautetun tuotannon hyödyntämisen edellytyksiä ja kannattavuutta. Jotta pienimuotoinen hajautettu tuotanto saataisiin kannattavaksi, tuotantolaitosten on oltava miehittämättömiä ja kauko-ohjattavia. Virtuaalivoimalaitoksen automaatioasteelle asetetaankin suuret vaatimukset ja myös tiedonsiirtoyhteyden on toimittava luotettavasti. Lisäksi sähköverkon ja virtuaalivoimalaitoksen suojausten on oltava korkeatasoisia, jotta virtuaalivoimalaitosta voidaan käyttää turvallisesti. Etenkin suojausten koordinointi vaatii erityistä taitoa, jotta sekä verkon, että virtuaalivoimalaitoksen tarpeet osataan ottaa huomioon. [2; 17] Virtuaalivoimalaitos muodostuu tuotantopaikalla olevasta älykkäästä kenttälaitteesta, tiedonsiirtoväylästä ja käyttäjäliitynnästä, jolla voidaan konfiguroida, valvoa, ja ohjata useita kaukokäyttöisiä hajautettuja energiaresursseja. Nykyiset kenttälaitteet sisältävät suuren määrän digitaalista dataa. Nämä laitteet keräävät tietoja koko ajan muun muassa saatavilla olevasta tehosta, sähkön laadusta, ohjausparametreista ja voimakoneen tilasta. Tällaisia laitteita voivat olla esimerkiksi numeeriset suojareleet, jotka pystyvät lähettämään hälytys- tapahtuma- ja mittaustietoja hallintajärjestelmälle. Numeeriset suojareleet voivat myös välittää tiedon kytkinlaitteiden tilasta ja kuormitus- tai vikavirran suuruudesta. Vastaavasti suojareleelle voidaan lähettää konfigurointi- ja suojausparametreja hallintajärjestelmästä käsin. Suojareleillä ei kuitenkaan voida ohjata voimalaa, vaan niitä voidaan käyttää ainoastaan voimalaitoksen sähköisten parametrien valvontaan. Mittauslaitteet voivat lähettää hallintajärjestelmälle sekä pätö- ja loistehon kulutusmittauksia että tietoja sähkön laadusta. Sähkön laadun tarkkailulla pyritään havaitsemaan mahdolliset ongelmat ennakolta ja korjaamaan ne ennen kuin suurempia hankaluuksia syntyy. Ongelmien esiintyminen tulisi pääasiallisesti ehkäistä jo suunnitteluvaiheessa. Jos ongelmia kuitenkin esiintyy, ongelman aiheuttajaa informoidaan ja hänelle voidaan antaa esimerkiksi käyttöaikarajoituksia siksi aikaa, että ongelma saadaan korjattua. Ellei ongelmaa saada korjattua, voidaan häiriönaiheuttaja kytkeä irti verkosta. Jos verkkoon on liitetty hajautettua tuotantoa, jakeluverkon haltija vaatii tietoja muun muassa voimakoneesta, generaattorista, mahdollisesta invertteristä, muuntajasta ja suojauksesta sekä ulostulovirran kokonaissäröstä (Total Harmonic Distortion). Kun jakeluverkkoon ei ole kytkettynä tuotantoa, verkon jännitettä on helppo hallita. Jakeluverkkoon kytketty tuotanto aiheuttaa jänniteongelmia, etenkin jännitteen nousua. Jännitteen nousu voi aiheuttaa tarpeettomia tuotantoyksiköiden laukeamisia ylijännitteen seurauksena, koska pienillä yksiköillä ei yleensä ole oikeutta jännitteen

13 säätöön. Hallintajärjestelmän kautta voidaan tuotantoyksiköille tuoda mittaus- ja ohjausmahdollisuuksia, joiden avulla verkon jännitettä voidaan hallita paremmin. Hallintajärjestelmä voi lähettää tuotantolaitteille tietoa halutusta jännite- ja taajuustasosta ja voi säätää tuotantolaitteiden syöttämää pätö- ja loistehoa. Hallintajärjestelmän kautta voidaan myös välittää käsky tuotantolaitteille niiden alas ajamisesta tai verkosta irrottamiseksi. [2] 4.1. Automaatiojärjestelmä Automaatiojärjestelmän arkkitehtuurin täytyy olla avoin sekä laitteiston että ohjelmiston osalta. Tämä tarkoittaa sitä, että järjestelmässä on oltava selvästi määriteltyjä ja kaikkien käytettävissä olevia rajapintoja. Avoimuudella pyritään siihen, että löytyisi useita järjestelmäkomponenttien toimittajia ja sitä kautta komponenttien hintataso pysyisi alhaisena. Automaatiojärjestelmän ja myös itse energiajärjestelmän pitää olla sekä laitteiston että ohjelmiston osalta moduulirakenteinen eli kokonaisjärjestelmä täytyy pystyä rakentamaan vakiopalikoista ilman suurempaa muokkaamista. Modulaarisuus edellyttää, että palikoita voidaan ohjelmallisesti yhdistellä ja konfiguroida tiettyä sovellusta varten. Automaatio- ja tietojärjestelmään täytyy pysyä liittämään myös muita energiajärjestelmän hallintaan liittyviä toimintoja kuten esimerkiksi hälytystoimintoja. Automaation laitteistojen ja ohjelmistojen on oltava erittäin luotettavia. Näille toiminnoille vaaditaankin 99,9 %:n keskimääräistä käytettävyyttä, mikä tarkoittaa sitä, että epäluotettavuuden on oltava alle kahdeksan tuntia vuodessa. Perusjärjestelmän tulisi olla pitkäikäinen ja mahdollisien uusien laitteisto- ja ohjelmistoratkaisujen tulisi olla alaspäin yhteensopivia. Paikallinen automaatiojärjestelmä koostuu toisiinsa kytketyistä tietokoneista. Järjestelmä sisältää ainakin sellaisia toiminnallisia tasoja kuten älykkäät laitteet, osajärjestelmät ja yksikkötason hallinta. Kuvassa 2 havainnollistetaan paikallisen järjestelmän rakennetta.

14 Kuva 2. Paikallisen ohjausjärjestelmän periaatteellinen kuva [2]. Hajautuksen lisääntyessä myös yksittäisiin laitteisiin on integroitu ohjausjärjestelmiä. On myös mahdollista, että paikallisella energiayksiköllä on yksi yhteinen keskitetty ohjausjärjestelmä, joka on toteutettu esimerkiksi ohjelmoitavalla logiikalla. Koko energiayksikön toimintojen hallinta sekä yhteiset osuudet, kuten historiatietojen keruu, raportointi ja ylemmän tason tietojärjestelmiä palvelevat paikalliset toiminnot, on sijoitettava koneisiin, jotka omaavat jo hieman enemmän muisti- ja laskentakapasiteettia. Yhteydet ulkopuolisiin järjestelmiin on selkeintä keskittää tietyille solmuille, joiden kautta ulkopuoliset asiakassovellukset saavat yhtenäisen näkymän paikalliseen järjestelmään. Paikalliset ohjausjärjestelmät sisältävät monenlaista tekniikkaa. Älykkäissä laitteissa on mikroprosessoreita ja prosessilaitteisiin sulautetaan logiikkaohjauksia. Nykyään yhä useammin voidaan tosin käyttää standardoituja automaatioratkaisuja kuten esimerkiksi teollisuus-ethernetiin perustuvia hajautettuja arkkitehtuureja. Yleisen standardin muodostuminen on kuitenkin epätodennäköistä, koska hajautetuissa energiajärjestelmissä yhdistettäviä osajärjestelmiä on monenlaisia. Hajautetun tuotannon hallintaan liittyy läheisesti myös muita automaatio- ja mittausjärjestelmiä, kuten sähkön ja lämmön kulutuksen ja tuotannon mittaus, maakaasun kulutusmittaus, pienjänniteasiakkaiden sähkömarkkinaliitäntää palvelevat järjestelmät, sähkönjakeluautomaatiojärjestelmät, jännitteen laadun valvontajärjestelmät sekä rakennusten ja pk-teollisuuden energianhallintaa tukevat automaatiojärjestelmät. Näissä järjestelmissä ollaan siirtymässä erillisistä, suljetuista järjestelmistä rajapintoihin, jotka on määritelty maailmanlaajuisilla avoimilla standardeilla. Näin ollen tietojen vaihto järjestelmien välillä helpottuu ja hajautetun tuotannon hallinnan kustannukset alenevat. Uudet rajapintastandardit on suunniteltu siten, että tietoja olisi mahdollisimman helppo hallita. Vanhat standardit pyrkivät minimoimaan

15 tiedonsiirtokaistan tarpeen, mutta koska tiedonsiirto on nykyään huomattavasti halvempaa, voidaan panostaa enemmän tietojen hallittavuuteen. [2] 4.2. Tiedonsiirto Hajautettujen energiaresurssien hallinnassa tiedonsiirron on oltava kaksisuuntaista. Etäkohteiden täytyy lähettää hälytyksiä eri sovelluksille ja osapuolille, siksi niiden on kyettävä käynnistämään tiedonsiirto oma-aloitteisesti. Jotta tiedonsiirtoa keskusvalvomon ja paikallislaitteiden välillä ei tarvittaisi niin paljon, paikallistasolle on saatava mahdollisimman paljon älyä. Suurta nopeutta ja luotettavuutta vaativat päätökset on tehtävä paikallistasolla, koska tiedonsiirto ei ole tarpeeksi nopeaa ja luotettavaa. Siksi paikallislaitteiden olisi osattava tehdä itsenäisesti päätöksiä; esimerkiksi voimalan vaurioituessa pysäytettävä se ilman käytönvalvonnasta tulevaa käskyä. Tiedot häiriön laadusta saadaan käytönvalvontaan tiedonsiirtoyhteyksien kautta ja sitten voidaan arvioida häiriön vakavuus. Mikäli häiriö ei ole niin vakava että voimalaitos voidaan käynnistää uudelleen, pystytään käynnistäminen tekemään käytönvalvonnasta tiedonsiirtoyhteyksien avulla. Jokaisella sovelluksella on omat vasteaika-, aikaresoluutio-, luotettavuus ja tietoturvavaatimuksensa. Hajautettujen resurssien etähallinnan vasteaika- ja resoluutiovaatimukset ovat yleensä tiukempia kuin sähkökaupan vaatimukset. Joskus tehoja ja jännitteitä halutaan seurata jopa sekuntitasolla. Sähkömarkkinaliitännän etäsäätösilmukan vasteaikavaatimukset vaihtelevat noin viidestä minuutista useisiin tunteihin riippuen siitä miten nopeasti hajautetun energiaresurssin tehoa voidaan ohjata ja miten nopeilla markkinoilla ohjattavuutta hyödynnetään. Sähkömarkkinoita varten tehtävien ohjausten luotettavuusvaatimukset eivät ole kovin korkeat, koska yksittäisen kohteen ohjauksen toteutumattomuus ei aiheuta suuria tappioita. Sähkömarkkinoiden tuntimittausten käsittelyn vasteaikavaatimukset on yleensä kuitenkin täytettävä, koska tyyppikuormituskäyrien käyttö ei sovellu hajautettua tuotantoa sisältäviin kulutusmittauskohteisiin. Hajautettu energiajärjestelmä koostuu monenlaisista eri valmistajien komponenteista, joten järjestelmässä on monenlaista välitettävää tietoa ja myös tiedon esitystavat vaihtelevat. Tiedonsiirtoon on kustannussyistä järkevää käyttää olemassa olevia infrastruktuureja. Mahdollisia vaihtoehtoja ovat Internet, puhelinverkot ja sähköverkko. Näistä puhelinverkot ja Internet toimivat suhteellisen hyvin useimmilla alueilla, mutta sähköverkon osalta mahdollisuuksia tiedonsiirtoon vasta kehitetään jakeluverkossa. Siirtoverkkoja puolestaan on käytetty tiedonsiirtoon jo useita vuosikymmeniä. Internet on normaalisti hyvin luotettava ja vikatilanteissakin kohteeseen löytyy usein vaihtoehtoinen reitti. Vian sattuessa viimeisellä osuudella, josta ei ole kuin yksi reitti perille, ei tietenkään vaihtoehtoja ole. Pelkän Internet-yhteyden varaan ei kuitenkaan voi jättää kriittisiä toimintoja, koska Internetin tai palveluntarjoajan toiminnassa voi

16 esiintyä häiriöitä, kuten esimerkiksi palvelunestohyökkäyksiä. Internetin tietoliikenneratkaisut eivät mahdollista täysin reaaliaikaista etäohjausta, mutta tiedon ja hälytysten välittämiseen niiden suorituskyky riittää. Puhelinverkoista etenkin GPRSverkkoa käytetään tiedonsiirrossa. Datansiirto maksut ovat alentuneet huomattavasti ja näin ollen GPRS-verkon käyttö on taloudellisesti kannattavaa. Vaikka GPRS-verkko ei ole vielä kovin luotettava, sen kapasiteetti riittää etähallintaan ja mittaustietojen välittämiseen. Palvelinpohjainen arkkitehtuuri soveltuu perinteistä asiakas/palvelin-mallia paremmin maantieteellisesti hajautettuun systeemiin, koska informaatiota tarvitaan monissa eri paikoissa ja eri formaateissa. Asiakas/palvelin-mallissa jokainen verkon tietokone tai prosessi on joko asiakas tai palvelin. Tämä mahdollistaa nopeat kaksipisteyhteydet, mutta toiminta on joustamatonta. Järjestelmään saattaa muodostua pullonkauloja, jos palvelin vikaantuu tai ylikuormittuu. Verkkosovelluksissa asiakas/palvelin- arkkitehtuuri on yleensä monikerrosarkkitehtuuria, johon kuuluu tietokanta, sovelluspalvelin ja käyttöliittymä. Palvelupohjaisessa arkkitehtuurissa on asiakas/palvelin- malliin verrattuna löyhemmät kytkennät ohjelmistokomponenttien välillä ja palvelupohjaisessa mallissa käytetään erillisiä palvelurajapintoja toisin kuin asiakas/palvelin-mallissa. Palvelupohjaisen arkkitehtuurin vahvuuksia ovat standardiprotokollien käyttö, standardimuotoiset palvelukuvaukset, toiminnallisen uudelleenkäytön helpottuminen, löyhät kytkennät eri osapuolten välillä ja integroitavuus muihin järjestelmiin. Web Service- tekniikan avulla palvelimet voivat vaihtaa tietoja toistensa, henkilökohtaisten tietokoneiden ja langattomien laitteiden kanssa. Sovellukset sopivat yhteydestä Web Service- standardin protokollien avulla. Tiedot tallennetaan XMLmuodossa (extensible Markup Language). XML-pohjaiset integrointiratkaisut ovat yleistyneet nopeasti. Niiden heikkouksia ovat tiedonkäsittelyn hitaus ja suuri tilantarve, mutta nämä ongelmat menettävät merkitystään laitteiden suorituskyvyn kasvaessa ja tiedonsiirron halvetessa. Etuja puolestaan ovat laajennettavuus, rakenteisuus, sekä tiedon kuvauksen ja rakenteen kulkeminen tiedon mukana. Järjestelmien integrointi suoritettaan käytännössä XML-keskittimellä, joka muokkaa tiedon muiden osapuolien ymmärtämään muotoon. Nykyään verkkoliiketoiminnassa laajimmin käytössä oleva EDI- standardi (Electronic Data Interchange) onkin korvautumassa XML- pohjaisilla standardeilla. [2; 18] Erittäin haastavaa tiedonsiirrossa on metatiedon standardointi. Koska hajautetussa energiantuotanto systeemissä toimijoita on useita, on tärkeää että kaikki tietävät mitä tietoja täytyy olla käytettävissä ja että mitä tietyllä tiedolla tarkoitetaan. Esimerkiksi on oltava selvillä mitä tietoja voimalasta on oltava toisten tietojärjestelmien käytettävissä ja mitä kyseisellä tiedolla tarkoitetaan.

17 4.3. Energiahallintajärjestelmä Kaikki virtuaalivoimalaitokseen liitetyt tuotantolaitokset on kytketty sähköverkkoon ja niillä on omat hallintalaitteensa. Nämä laitteet on puolestaan liitetty tiedonsiirtoa varten kommunikaatioväylän kautta keskushallintajärjestelmään, joka on vastuussa hajautettujen verkko-operaatioiden kokonaishallinnasta. Hallintajärjestelmän tehtäviin kuuluu esimerkiksi automaattinen sähkönjakelu kuormille, datan synkronointi sekä tiedon hankkiminen systeemin hallinta-, huolto- tai käyttötarkoituksiin. Energiahallintajärjestelmä voi sisältää tuotannon ohjauksen ja optimoinnin, tasehallinnan, -seurannan ja raportoinnin, sopimushallinnan, kulutuksen ja pörssihintojen ennustamisen sekä liitännän käytönvalvontaan. Virtuaalivoimalaitos voi olla varustettu myös muilla liitynnöillä, joita voidaan käyttää esimerkiksi tietyn kohteen sääennusteen saamiseksi tai energiamarkkinoiden kysyntätilanteen selvittämiseen. [10; 11] Energianhallintajärjestelmästä on huomattavia hyötyjä, se muun muassa ottaa huomioon lyhyen ja pitkän aikavälin muutokset energian kulutuksessa ja hinnoissa sekä pystyy ennustamaan sähkön ja lämmön kulutusta. Reaaliaikaisen kustannusoptimoinnin avulla se pystyy tuottamaan edullisimman ajosuunnitelman tuotantolaitoksille. Hajautetun tuotannon optimoinnin laskenta perustuu tuotantolaitosten sähkö- ja lämpöhyötysuhteisiin, kuluttajien sähkö- ja lämpökuormiin, sähkön ja polttoaineiden markkinahintoihin, sähkön siirtotariffeihin, sähkö-, lämpö- ja polttoaineveroihin sekä käyttö- ja kunnossapitokustannuksiin. Energiahallintajärjestelmä voidaan myös liittää muihin tietojärjestelmiin. Tällainen energianhallintajärjestelmä on esimerkiksi suomalaisen Gaia Group Oy:n Gaia Optimiser Energy Management System. [10] Kuva 3. Gaia Group Oy:n energiahallintajärjestelmä [10].

18

19 5. CASE HAMINAN ENERGIA OY Haminan Energia Oy on ottanut käyttöön virtuaalivoimalaitoksen, johon on liitetty kolme maakaasumoottorilla toimivaa yhteistuotantoyksikköä. Yritys on lisännyt kaukokäytön edellyttämään valvomokonseptiin optimointijärjestelmän, joka seuraa reaaliaikaisesti sähkön markkinahintaa ja lämpökuorman tarpeita sekä ottaa samalla huomioon maakaasun hinnan, laitoksen käyttökustannukset, sähkön siirtokustannukset ja sähkön kantaverkon kustannukset. Tämä laitoskokonaisuus tuottaa energiaa vain silloin kun se on kannattavaa. Kokemukset optimointi-järjestelmän käytöstä ovat olleet rohkaisevia. Haminan Energia Oy jatkaa kehitystyötä ja pyrkii rakentamaan raportointijärjestelmän, jonka avulla voidaan parantaa energian myyntiennusteen tarkkuutta. Nykyisen tietotekniikan avulla laaja tiedonkeruu on mahdollista ja täten historiatiedon analysointi helpottuu. Yrityksen tavoitteena on luoda energiakaupan hallintajärjestelmä, jonka avulla hallitaan hankinta-, myynti-, tuotanto- ja suojaussalkut. [17] Energian myyntiennusteen saaminen mahdollisimman tarkaksi onkin hyvin oleellista siinä miten päästään taloudellisesti parhaaseen tulokseen. Jos sähköä on tuotettu enemmän kuin sitä on kulutettu, myydään ylijäämä markkinoille. Jos taas tuotanto on alijäämäistä, joudutaan puuttuva sähkö ostamaan markkinoilta. Mikäli hankinta/myynti joudutaan tekemään elbas-, säätösähkömarkkinoilla tai tasesähkönä, niin saavutetut hyödyt hupenevat nopeasti ylimääräisiin kustannuksiin tai sähköstä ei välttämättä saada hintaa, joka siitä päätöksentekohetkellä ajateltiin saatavan. Mitä paremmin ja aikaisemmassa vaiheessa tulevaa kysyntää osataan ennustaa, sitä helpompaa on riskienhallinta.

20 Lähteet: [1] Geidl, M. Protection of Power Systems with Distributed Generation: State of the Art [WWW]. Zurich, Swiss Federal Institute of Technology, 2005. [viitattu 26.1.2007]. Saatavissa: http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/bericht/bericht_424.pdf. [2] Valkonen, Janne, Tommila, Teemu, Jaakkola, Lauri, Wahlström, Björn, Koponen, Pekka, Kärkkäinen, Seppo, Kumpulainen, Lauri, Saari, Pekka, Keskinen, Simo, Saaristo, Hannu & Lehtonen, Matti. Paikallisten energiaresurssien hallinta hajautetussa energiajärjestelmässä [Control of local energy resources in distributed energy system]. Espoo 2005. VTT Tiedotteita. Research Notes 2284. 87 s. + liitt. 58 s. [3] Energiamarkkinavirasto. Päästökauppalaki. [WWW]. [viitattu: 15.3.2007]. Saatavissa: http://www.energiamarkkinavirasto.fi/files/laki_683-2004.pdf [4] Ackermann, T., Andersson, G., Söder, L. Distributed generation: a definition [WWW]. [viitattu 26.1.2007]. Saatavissa: http://www.sciencedirect.com/science?_ob=articleurl&_udi=b6v30-433p80d- 8&_user=10&_coverDate=04%2F20%2F2001&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_s ort=d&view=c&_acct=c000050221&_version=1&_urlversion=0&_userid=10&md 5=a6752dcad385f76beddc705e92121840. [5] Koponen, Pekka, Kärkkäinen, Seppo, Farin, Juho & Pihala, Hannu. Markkinahintasignaaleihin perustuva pienkuluttajien sähkönkäytön ohjaus. Loppuraportti [Control of small customer electricity demand with spot-market price signals. Final report]. Espoo 2006. VTT Tiedotteita Research Notes 2362. 66 s. + liitt. 8 s. [6] IEA Demand side management programme. [WWW]. [viitattu: 15.3.2007]. Saatavissa: http://dsm.iea.org/files/exco%20file%20library/task%20flyers/task%20viii%2 0Demand%20Bidding.pdf [7] Renewable Energy Institute. [WWW]. [viitattu 15.3.2007]. Saatavissa: http://www.demandsidemanagement.com/ [8] MacDonald, A. Virtual power plant feasibility study. Toronto, Ontario 2006. 119 s.

21 [9] Franke, M., Rolli, D., Kamper, A., Dietrich, A., Geyer-Schulz, A., Lockemann, P., Schmeck, H., Weinhardt, C. Impacts of Distributed Generation from Virtual Power Plants. Karlsruhe, Universität Karlsruhe. [10] Vartiainen, E. Hajautetun energiantuotannon optimointi. DENSY-seminaari, 2005. [WWW]. [viitattu 26.1.2007]. Saatavissa: http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/ohjelmaportaali/ohjelmat/densy/fi/dokum enttiarkisto/viestinta_ja_aktivointi/seminaarit/vuosiseminaari05/vartiainen.pdf [11] Natcon7, Virtual power plant for renewable energies [WWW]. [viitattu 26.1.2007]. Saatavissa: http://www.natcon7.com/solutions/virtualpower.html. [12] Encorp. Virtual Power Plant. Technical data sheet [WWW]. [viitattu 26.1.2007]. Saatavissa: http://www.encorp.com/content.asp?cmsid=64 [13] Fingrid. [WWW]. [viitattu 15.3.2007]. Saatavissa: http://www.fingrid.fi/attachments/suomeksi/palvelut/kantaverkkopalvelut/kvs2005.p df [14] Helsingin Energia Oy. [WWW]. [viitattu 23.3.2007]. Saatavissa: http://www.helsinginenergia.fi/kaukojaahdytys/index.html [15] Energiateollisuus. [WWW]. [viitattu 23.3.2007]. Saatavissa: http://www.energia.fi/page.asp?section=3635 [16] Wikipedia. [WWW]. [viitattu 23.3.2007]. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/vesi [17] Haminan Energia Oy. Vuosikertomus 2002 [WWW]. [viitattu 26.1.2007]. Saatavissa: http://www.haminanenergia.fi/files/download/he_vuosikertomus2002.pdf. [18] Nokia. [WWW]. [Viitattu 15.3.2007]. Saatavissa: http://business.nokia.fi/a4272302