ARI UNKURI SÄHKÖAUTOJEN VAIKUTUKSET KAUPUNGIN SÄHKÖNJAKELUVERKKOON

ARI UNKURI SÄHKÖAUTOJEN VAIKUTUKSET KAUPUNGIN SÄHKÖNJAKELUVERKKOON Diplomityö Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 2. kesäkuuta 10

II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma UNKURI, ARI: Sähköautojen vaikutukset kaupungin sähkönjakeluverkkoon Diplomityö, 52 sivua, 4 liitesivua Toukokuu 11 Pääaine: Sähköverkot ja -markkinat Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Avainsanat: Sähköauto, ladattava auto, ladattava hybridi, latauksen mallinnus, verkkovaikutukset Sähköverkosta ladattavien autojen odotetaan korvaavan fossiilisia polttoaineita käyttäviä autoja tulevaisuudessa. Sähköautot kehittyvät koko ajan ja ovat vasta tulossa markkinoille, joten työ sisältää useita oletuksia ja arvioita, mikä aiheuttaa epävarmuutta tuloksiin. Työn päätarkoitus on selvittää autokannan sähköistymisen vaikutuksia Tampereen Sähköverkko Oy:n kaupunkialueella sijaitsevaan sähkönjakeluverkkoon vuosina 10 30. Työssä keskitytään kolmeen aiheeseen: sähkön siirron kasvuun, vaikutuksiin sähkönjakeluverkolle ja vaikutuksiin kotitalouksien sähköliittymille. Näitä varten luodaan kolme erilaista sähköautokannan kehitysennustetta, joista perusskenaariolle kohdistuu pääpaino. Latauksesta aiheutuva sähkön siirron kasvun analysointi toteutetaan puhtaasti laskennallisesti. Verkkovaikutuksia varten mallinnetaan perusskenaarion ja nopea skenaarion mukaisesti pienjänniteliittymille hidasta latausta (1-vaiheinen, 3 kw) ilman latauksen ohjausta. Näin ollen yksi mallinnus riittää sekä pienjännite- että keskijänniteverkon tarkastelua varten, koska pienjännitemuuntopiirien kuormitukset summautuvat jakelumuuntajille keskijänniteverkon kuormitukseksi. Liittymien tarkastelua varten tehdään erillinen mallinnus eri luottamustasolla. Kaikki mallinnukset toteutetaan verkkotietojärjestelmän tietokantaan ja laskenta toteutetaan verkkotietojärjestelmän laskentasovelluksella. Laskentatulokset analysoidaan taulukkolaskentaohjelmalla tilastollisesti. Tutkimus osoittaa, että tarkasteluajanjakson aikana sähkönsiirtokapasiteetti ei muodostu ongelmaksi. Myöskään keskijännitetasolla ei ole odotettavissa mitään merkittäviä vaikutuksia. Pienjänniteverkolla taas on todennäköistä, että tarkasteluajanjakson lopulla sähköautojen lataus aiheuttaa pienessä määrin lähinnä paikallisia ylikuormitusongelmia jakelumuuntajilla ja pienjännitelähdöillä. Suurin riski on tiheään asutuilla kerrostaloalueilla. Latauksesta aiheutuva kotitalouksien sähköliittymien ylikuormitus jää marginaaliseksi tarkasteluajanjakson aikana. Pienjänniteverkolla on siis odotettavissa joitakin muuntajan vaihtoja ja verkon vahvistus tarvetta. Jakeluverkon komponenttien pitkän käyttöiän takia uutta verkkoa rakentaessa ja vanhaa verkkoa saneeratessa kannattaa varautua jo nyt sähköautojen latauksen aiheuttamaan lievään kuormituksen kasvuun. Tarkasteluajanjakson jälkeen, jos sähköautoilun osuus on noussut yli 50 %:n markkinaosuuteen, latauksen ja verkon älykkyys huolehtivat todennäköisesti verkon tasaisemmasta kuormituksesta leikaten huippukuormitusta.

III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering UNKURI, ARI: Consequences of Electric Cars to the City Distribution Network Master of Science Thesis, 52 pages, 4 Appendix pages May 11 Major: Power networks and electricity market Examiner: Professor Pertti Järventausta Keywords: Electric car, plug-in vehicle, plug-in hybrid, modelling of charging, consequences to distribution network It is widely assumed that plug-in-vehicles will take the place of vehicles which use fossil fuels in future. This thesis includes plenty of assumes and estimates because plug-invehicles are developing all the time and just coming to the market. That causes some uncertainty to the results. The aim of this thesis is to find out consequences of charging plug-in-vehicles to the urban distribution network in Tampere within the years 10-30. It is assumed that there is neither intelligent charging nor smart grid during these years. It is focused on three main topics in the thesis: increase of electric transmission, consequences to the distribution network and consequences to the electrical interfaces of the households. Due to these topics it is created three different predictions of electric cars invasion. Main focus is on the basic scenario. The analyzing of increase of electric transmission caused by charging is carried out fully computationally. Other studies are carried out by modeling charging of plug-in-vehicles to the database of the network information system. Every modeling is done in low voltage level. This means that it is possible to get results from both medium voltage and low voltage networks because low voltage loads accumulate to distribution transformers. Network calculations are done by calculation tool of network information system. The results are analyzed statistically. The study indicates that the capacity of the electric transmission doesn t cause problems during the period of analysis. Also, there are nothing remarkable consequences to wait for in the medium voltage level. In the low voltage level, it is probable that charging of plug-in-vehicles causes some local overload problems. The biggest risk is in the densely populated apartment building areas. Charging causes overload to the marginal proportion of the households electrical interfaces during the period of analysis. So, charging of plug-in-vehicles probably forces to change some distribution transformers and to make some strengthening in the low voltage network. It is profitable already now to prepare for little increase of electrical load caused by charging of plug-invehicles because the components of the distribution network have long life cycle. If the electrical motoring get success it is assumed that there is intelligent charging and smart grid after the period of analysis. With help of these systems charging of plug-in-vehicles won t increase the top load of the network anymore.

IV ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen Sähköverkko Oy:n ehdottamasta aiheesta. Työn aihe oli vaativa, koska sähköautot ovat vasta tulossa kuluttajien käyttöön ja sen takia täytyi ennakoida tulevaisuuden tapahtumia. Samalla aihe oli kuitenkin erittäin mielenkiintoinen. Diplomityön tarkastajana toimi professori Pertti Järventausta Tampereen teknilliseltä yliopistolta. Työn ohjaajana toimi Tampereen Sähkölaitos -yhtiöiden kehitysjohtaja (DI) Mika Pekkinen. Lisäksi teknisten asioiden ohjauksesta vastasivat Tampereen Sähköverkko Oy:n verkkopäällikkö (ins.) Petri Sihvo ja kehitysinsinööri (DI) Jussi Järvinen. Heille kaikille haluan esittää suuren kiitoksen avusta sekä asiantuntevista ja rakentavista kommenteista. Erityiskiitoksen haluan esittää Tampereen teknillisen yliopiston tutkija (DI) Antti Rautiaiselle kuormitusmallien saamisesta tämän työn käyttöön sekä niihin liittyvistä kommenteista. Kiitos myös perheelleni ja ystävilleni sekä koko Tampereen Sähköverkko Oy:n henkilökunnalle työn aikana saamastani tuesta ja kannustuksesta. Tampereella 11.huhtikuuta 11 Ari Unkuri

V SISÄLLYS 1. Johdanto...1 2. Sähköajoneuvot ja niiden lataustavat...3 2.1. Sähköautokannan kasvuennusteet...5 2.2. Lataustavat...9 2.2.1. Hidas lataus...10 2.2.2. Puolinopea lataus...11 2.2.3. Pikalataus...11 2.2.4. Lataustapojen vertailu...11 3. Sähkön siirron lisäys erilaisilla kysyntämalleilla...13 3.1. Latausenergian laskentakaava...14 3.2. Perusskenaario...14 3.3. Nopea skenaario...15 3.4. Hidas skenaario...16 4. Kuormituskäyrät...18 4.1. Tuntitehosarjan muutos indeksisarjaksi...19 4.2. Sähköautojen latauksen indeksisarjat... 4.2.1. Omakotitalo...22 4.2.2. Rivi- / kerrostalo ja tavaratalo...24 4.2.3. Työpaikka...27 5. Mallinnus verkostolaskentaa varten...29 5.1. Oletukset...30 5.2. Latauksen mallinnus...30 5.3. Koko verkon laskenta...32 6. Sähköautojen aiheuttamat verkostovaikutukset...34 6.1. Keskijänniteverkko...34 6.2. Pienjänniteverkko...39 7. Latauksen vaikutus sähköliittymien kokoon...44 7.1. Omakotitaloliittymä...44 7.2. Rivi- ja kerrostaloliittymä...45 8. Yhteenveto...48 Lähteet...51 Liitteet...53

VI TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT α β δ E T Laturin turvamarginaali prosentteina. Sähköverkosta ladattavan hybridiauton ajo-osuus sähköllä. Lämpötilariippuvuusindeksi. Sähkön siirron lisäys. Poikkeama ajanhetken t keskilämpötilasta. η Hyötysuhde. e Energian kulutus. s Ajosuorite. n Automäärä. P it Kuluttajan i keskituntiteho ajanhetkellä t. S it Sisäinen tunti-indeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t. U it Ulkoinen kaksiviikkoindeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t. W i Kuluttajan i vuosienergia. AC AER BEV DC E-REV ET EV EU FEV HEV IEC li-ion KA K-aste KT NiMH ns OKT PHEV ps Alternating current. Vaihtovirta. All-electric range. Täysin sähköinen ajomatka. Battery electric vehicle. Akkusähköauto. Direct current. Tasavirta. Extended range electrical vehicle. Sähköverkosta ladattava hybridiauto. Energiateollisuus ry. Electric vehicle. Sähköauto. Euroopan unioni. Full-electric vehicle. Täyssähköauto. Hybrid electric vehicle. Hybridiauto. International Electrotechnical Commission. Kansainvälinen sähköalan standardointiorganisaatio. Litiumioni. Keskiarvo. Kuormitusaste. Kerrostalo. Nikkelimetallihydridi. Nopea skenaario. Omakotitalo. Plug-in hybrid electric vehicle. Sähköverkosta ladattava hybridiauto. Perusskenaario.

VII REEV RT SOC tp TSV V2G V2H Range extended electrical vehicle. Sähköverkosta ladattava hybridiauto. Rivitalo. State of charge. Akun lataustila prosentteina. Työpaikka. Tampereen Sähköverkko Oy. Sähköenergian takaisinsyöttö verkkoon (vehicle-to-grid). Kodin varavoima (vehicle-to-home). Sähköasemien tunnukset: ALJ Alasjärvi HRV Hervanta KLV Kaleva LMP Lamminpää MLP Myllypuro MLS Multisilta NRM Nurmi NSL Naistenlahti RAT, RTN Ratina RTH Rautaharkko TKK Keskiputous VSL Vesilinna

1 1. JOHDANTO Maailman öljyvarojen hiipuminen ja kasvihuonekaasupäästöjen pienentäminen ovat 10-luvun kuuma puheenaihe. Yleisimpien arvioiden mukaan todetut öljyvarat loppuvat nykykäytöllä noin 40 vuoden kuluttua. Optimistisien ennusteiden mukaan öljyhuippu, eli öljyntuotantomaksimi, saavutetaan vuoden tienoilla, kun taas pessimistisien arvioiden mukaan olemme jo öljyhuipulla, jonka jälkeen öljyn hinta alkaa peruuttamattomasti kohota [1]. Päästöjen osalta Euroopan Unionin (EU) energia- ja ilmastosopimus edellyttää päästökaupan ulkopuolisiin kasvihuonekaasujen päästöihin 16 % vähennyksen vuoden 05 tasosta vuoteen mennessä [2]. Tieliikenteen osalta öljyriippuvuutta voidaan vähentää merkittävästi vaihtamalla polttomoottoriauto sähköverkosta ladattavaan autoon. Samalla myös tieliikenteestä aiheutuvat paikalliset päästöt vähenisivät merkittävästi. Nämä kaksi tärkeintä tekijää ovat johtaneet siihen, että lähes kaikilla nykyisillä ja muutamalla uudella autonvalmistajalla on vähintään suunnitteilla oma sähköautomalli. Toisilla valmistajilla sähköauto on kehitysvaiheessa, kun eräät valmistajat ovat jo tuoneet ensimmäiset mallinsa markkinoille. Muita sähköajoneuvon etuja polttomoottoriautoon verrattuna ovat korkeampi energiatehokkuus, hiljainen käyntiääni, huoltovapaus ja alhaiset ajokustannukset. Korkeampi energiatehokkuus muodostuu sähkömoottorin hyvästä hyötysuhteesta, tyhjäkäynnittömyydestä ja jarrutusenergian talteenotosta. Huoltovapaus johtuu siitä, että sähkömoottorissa on vähemmän liikkuvia osia. Liikenteen sähköistymisen suurimmat ongelmakohdat ovat akkuteknologian kehitys ja riittävän latausinfrastruktuurin olemassaolo. Tällä hetkellä sähköajoneuvojen osuus on marginaalinen. Odotettavissa kuitenkin on, että sähköautokanta kasvaa nopeasti seuraavien vuosikymmenten aikana. Koska osa autoista tulee olemaan sähköverkosta ladattavia autoja, tulee niillä olemaan myös vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Siksi on tärkeää, että verkkoyhtiö osaa varautua mahdollisimman hyvin autokannan sähköistymiseen rakentaessaan uutta ja kunnossapitäessään vanhaa sähkönjakeluverkkoa. Tämän opinnäytetyön tarkoitus on tutkia ladattavien sähköautojen vaikutuksia Tampereen Sähköverkko Oy:n (TSV) omistamaan sähkönjakeluverkkoon kaupunkialueella. Tämän työn tavoitteena on siis saada vastaus erilaisten sähköautokannan kehitysennusteiden avulla kolmeen kysymykseen: Kuinka paljon sähköautoista aiheutuva sähkön siirron tarve kasvaa? Mitä muutoksia aiheutuu sähkönjakeluverkolle? Miten sähköautojen lataus vaikuttaa sähköliittymien kokoon? Koska työssä tarkasteltava aikajänne kattaa vuodet 10 30, työhön liittyy paljon tulevaisuuden epävarmuustekijöitä ja oletuksia.

1. JOHDANTO 2 Sähköauton verkkoon liittäminen mahdollistaa akkujen latauksen lisäksi myös energian takaisinsyötön. Tällöin sähköenergia kulkeutuisi akuista takaisin verkkoon päin esimerkiksi sähkönjakelun häiriötilanteessa tai tasaamaan kuormitushuippuja. Energian takaisinsyötöstä käytetään yleisesti termiä V2G (vehicle-to-grid) ja ladattavan auton käytöstä kodin varavoimalähteenä termiä V2H (vehicle-to-home). Tässä työssä oletetaan sähkön suunta yksisuuntaiseksi, sähköverkosta akkuihin, koska nykyisen ja lähitulevaisuuden akkuteknologian sekä akkujen korkean hinnan vuoksi kahdensuuntainen tehonsiirto ei olisi kustannustehokasta. Älykäs latausmetodiikka, joka mahdollistaisi siirtokapasiteetin tehokkaamman käytön, jää myös tarkasteltavan aiheen ulkopuolelle kahdesta syystä. Ensimmäinen on se, että ladattavat sähköautot ovat vasta tulossa markkinoille ja niiden määrän oletetaan olevan vasta työn tarkasteluajanjakson lopulla niin suuri, että älykkäälle lataukselle olisi tarvetta. Toiseksi älykästä latausmetodiikkaa ei ole vielä olemassa ja sen kehitys vie vuosia. Toteutuessaan älykäs lataus tuo etuja sekä verkkoyhtiölle että sähkön käyttäjälle. Kuluttajalle se mahdollistaisi muun muassa latauksen silloin, kun sähkön kulutus on pienimmillään ja hinta on halvin, sekä akussa olevan energian myynnin sähköverkkoon, kun sähkön kysyntä on huipussaan. Tällöin verkkoyhtiö hyötyisi kulutushuippujen leikkaantumisesta ja verkon tasaisemmasta kuormituksesta, mikä vaikuttaa alentavasti verkkoinvestointikustannuksiin. Tämänkaltainen älyverkko vaatii teknologian lisäksi myös lainsäädännön ja markkinoiden kehitystä.

3 3 2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT Sähköajoneuvoiksi luokitellaan autot, jotka tavalla tai toisella käyttävät liikkumiseen sähköenergiaa [2]. Sähköautotyyppejä on muutama, mutta niille on olemassa lukuisia nimityksiä. Hybridiauto (Hybrid electric vehicle, HEV) pitää sisällään aina useamman energialähteen. Hybridiautoihin voi kehitellä useita energialähdevariaatioita, mutta tavallisin on polttomoottorin ja akuston yhdistelmä. Tämä sähköautotyyppi saa viime kädessä kaiken energiansa polttomoottorista ja sähkö toimii vain energian käytön tehostajana. Sähkömoottorin idea on siis avustaa polttomoottoria kiihdytyksissä ja käynnistyksessä siten, että polttomoottori voi toimia mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Toinen sähkömoottorin tehtävä on ottaa jarrutusenergiaa talteen akkuihin. Regeneratiivisen jarrutuksen lisäksi akkuja ladataan vain polttomoottorilla. Hybridiautolla ei normaalisti ole täysin sähköistä ajomatkaa AER (all electric range) ollenkaan, mutta joissakin varianteissa sähkökäytön voi pakottaa päälle muutaman kilometrin matkalle, kun nopeus on alle 50 km/h. Hybridiautosta käytetään myös nimityksiä hybridi ja autonominen hybridi. [2; 3] Sähköverkosta ladattava hybridiauto (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) on periaatteessa HEV-auto, johon on lisätty vain laturi ja latauspistoke. Käytännössä PHEV:n akkukapasiteetti on myös suurempi, jolloin sen AER on 80 kilometriä, jonka jälkeen matkaa voi jatkaa polttomoottorin avulla HEV-auton kaltaisesti. Toiminnan oleellisin ero on siis se, että PHEV:n nettoenergiasta osa on sähköenergiaa, joka on ladattu sähköverkosta tai muusta ulkoisesta lähteestä. PHEV:n muita nimityksiä ovat ladattava hybridiauto, ladattava hybridi, lataushybridi ja plug-in-hybridi. Lisäksi englanninkieliset termit E-REV (Extended range electrical vehicle) ja REEV (range extended electric vehicle) tarkoittavat ladattavia hybridiautoja. [2; 3] Sähköauton (electric vehicle, EV) ainoa energialähde on akusto, johon energia on ladattu sähköverkosta tai muusta ulkoisesta lähteestä. Siinä ei siis ole polttomoottoria eikä generaattoria, joten auto on saatava lataukseen ennen, kun akuista loppuu energia. Siksi akuston kapasiteetti on huomattavasti suurempi ja samalla paljon massiivisempi kuin PHEV-autossa. Sähköautojen AER vaihtelee tällä hetkellä 80 ja 350 kilometrin välillä, mikä on varsin vaatimaton polttomoottoriauton toimintasäteeseen verrattuna. Akusto onkin sähköautojen ongelmakohta sen hinnan, kapasiteetin ja massan takia. Sähköauton etuja taas ovat regeneratiivinen jarrutus, tyhjäkäynnin puuttuminen ja suuri vääntömomentti. Sillä ajaminen ei aiheuta paikallisia päästöjä, ja jos ladattu sähkö on tuotettu vesi-, tuuli- tai ydinvoimalla, kokonaispäästötkin jäävät lähes nollaan. Lisäksi sähköauto on mekaanisesti hyvin yksinkertainen, koska liikkuvia osia on vähän. Siten

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 4 myös huollon tarve on vähäinen. Muita nimityksiä sähköautolle ovat akkusähköauto (battery electric vehicle, BEV) ja täyssähköauto (full electric vehicle, FEV). [2; 3] Muita sähköajoneuvoja ovat johdinbussi ja polttokennoauto. Johdinbussi tarvitsee tien päällä kulkevia johtimia, joista se ottaa sähköä [2]. Varsinkin Keski-Euroopassa johdinbussin uskotaan palaavan liikenteeseen tulevaisuudessa yhtenä hybridivaihtoehtona, mutta sitä ei käsitellä tässä työssä. Polttokennoautossa sähköä voidaan tuottaa suoraan jostain nestemäisestä tai kaasumaisesta polttoaineesta, esimerkiksi vedystä [2]. Polttokennoteknologian odotetaan yleistyvän autoissa ensin yhtenä hybridivariaationa, mutta selvästi myöhemmin kuin ladattavat autot. Koska tässä työssä tutkitaan sähköautojen vaikutuksia sähköverkkoon, merkittävässä asemassa ovat sähköverkosta ladattava hybridi ja sähköauto. Näistä käytetään yhteisnimitystä sähköverkosta ladattava auto, ladattava auto tai plug-in-auto (plug-in vehicle). Taulukkoon 2.1 on listattu muutaman markkinoilla jo olevan ja lähivuosina markkinoille luvatun sähköajoneuvon saatavilla olevia tietoja. Taulukon autoista Toyota, Opel ja Nissan edustavat keskikokoisia perheautoja. Mitsubishi on pienen kokoluokan kaupunkiauto. Fisker ja Tesla ovat puolestaan urheiluautoja. Taulukko 2.1. Sähköajoneuvojen teknisiä tietoja. [4; 5; 6; 7; 8; 9; 10] Toyota Prius (3.sukupolvi) Opel Ampera Fisker Karma Mitsubishi i MiEV Nissan Leaf Tesla Roadster sähköajoneuvotyyppi HEV PHEV PHEV EV EV EV akkutyyppi NiMH li-ion li-ion li-ion li-ion li-ion akuston kapasiteetti (kwh) 1,3 16 22,6 16 24 56 AER (km) 2* 60 80 160 160 340 toimintasäde (km) 10 >500 480 160 160 340 sähkömoottori (kw) 60 111 300 47 80 215 polttomoottori (kw) 73 61 194 - - - kiihtyvyys 0-100 km/h (s) 10,4 9 5,8 - - 3,7 huippunopeus (km/h) 180 160 0 130 145 212 auton massa (kg) 1400-2100 1080-1235 kapasiteetti (henkilöä) 5 4 4 4 5 2 markkinoilla 09 11 10 10 10 08 *maksiminopeudella 45 km/h Taulukon 2.1 suurimmat erot löytyvät akkukapasiteeteista ja sähkömoottoreiden tehoista. Näistä johtuen auton toimintasäteisiin ja täysin sähköisiin ajomatkoihin (AER) tulee myös eroja. Toisaalta listatut sähköiset ajomatkat ja toimintasäteet eivät ole täysin vertailukelpoisia, koska niiden mittaustavalle ei ole olemassa vielä standardia. Taulukosta käy ilmi lisäksi, että akkusähköautojen huippunopeutta on rajoitettu enemmän energiatehokkuuden säilyttämiseksi. Toyota Prius on maailman ensimmäinen laajassa mitassa sarjavalmistettu hybridiauto ja se on ollut markkinoilla jo vuodesta 1997. Uusin kolmannen sukupolven Prius tuo-

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 5 tiin markkinoille vuonna 09 ja saman mallin litiumioniakuilla varustettu plug-inhybridi on tulossa markkinoille vuonna 12 [11]. Yksi harvinaisista markkinoilla jo olevista akkusähköautoista on Tesla Roadster. Tosin noin satatuhatta euroa maksava urheiluauto ei ole kovin monelle pohjoismaalaiselle käytännöllinen vaihtoehto. Mitsubishi i MiEV soveltuisi parhaiten pienenä ja ketteränä autona kaupunkiautoksi lyhyitä matkoja varten. Nissan Leaf -autosta odotetaan tulevan ensimmäinen akkusähköauto, joka pääsee massatuotantoon. Sen odotetaan tulevan myyntiin tänä vuonna Pohjois-Amerikassa, mutta Euroopan markkinoille se tulee todennäköisesti vuonna 12 [9]. Kuten Vuoden Auto 11 -tittelin voittanut Nissan Leaf myös plug-in-hybridi Opel Ampera vaikuttaa olevan varsin valmis sarjatuotantoon. Tällä nimellä auto on tulossa Euroopan markkinoille. Saman auton Britannian malli on nimeltään Vauxhall Ampera, Amerikan malli Chevrolet Volt ja Australian malli Holden Volt. 2.1. Sähköautokannan kasvuennusteet Sähköautokannan kehitykseen liittyy paljon epävarmuustekijöitä. Niitä ovat muun muassa öljyn riittävyys, sähköautoteknologian kehitys ja sähköautojen pääseminen massatuotantoon. Seuraavaksi esiteltävät sähköautokannan kehitysennusteet ovat perusskenaario sekä nopea ja hidas skenaario, joihin perustuen tarkastellaan luvussa 3 sähköautoista johtuvaa sähkönsiirron lisäyksen tarvetta. Verkkoyhtiön näkökulmasta tarkasteltaessa skenaarioiden erilaisia arvoja on syytä arvioida mieluummin etupainotteisesti, koska näin saadaan selville kokonaisvaikutus sähköverkon kehitystarpeisiin. Yleisesti voidaan ennustaa ladattavien hybridiautojen yleistyvän akkusähköautoja nopeammin. Tätä teoriaa tukee erityisesti se, että kuluttajilla on pienempi kynnys siirtyä polttomoottoriautosta ladattavaan hybridiin, koska hybridillä voidaan jatkaa matkaa polttomoottorin turvin akkukapasiteetin loppumisen jälkeen. Lisäksi näiden autojen hinnan lähtötaso on hyvin samaa luokkaa, vaikka ladattavassa hybridissä on kaksi energiajärjestelmää. Akkusähköautojen kallis hinta aluksi johtuu pääasiassa kapasiteetiltaan huomattavasti suuremmista akuista, joten niiden hintakehitys tullee olemaan enemmän alaspäin suhteessa ladattaviin hybrideihin. Alkuvaiheessa akkusähköautot voivat yleistyä erityisesti kohteissa, joissa ajoetäisyydet ja latauspaikat ovat etukäteen hyvin tiedossa, kuten esimerkiksi jakeluautoissa. Lisäksi voidaan olettaa, että akkusähköautoista ensin yleistyvät pienet mallit perheiden niin sanottuna kakkosautona tai kaupunkiautona. Pidemmällä aikavälillä akkuteknologian kehittyessä oletetaan kuitenkin, että perhekoon akkusähköautojen määrä kasvaa pienempien mallien määrää suuremmaksi, ja että akkusähköautojen markkinaosuus kasvaa ladattavia hybridejä suuremmaksi. Näitä oletuksia tukee myös eri autonvalmistajien ilmoitukset markkinoille tulevista sähköautoista. [2] Sähköautokannan kehitysskenaarioiden eroja aiheuttavat merkittävimmät tekijät on tiivistetty taulukkoon 2.2. Taulukkoa tarkastellessa on hyvä huomioida, että kaikkien tekijöiden summa ratkaisee skenaario-tyypin eli yhden tekijän muutos ei ole ratkaiseva.

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 6 Esimerkiksi sähköautokannan nopea skenaario voisi tapahtua, vaikka öljyä riittäisikin, jos akkuteknologia pystyisi kilpailemaan polttomoottoriteknologialle jo muutaman vuoden kuluttua. Taulukko 2.2. Sähköautokannan kehitysskenaarioiden vertailu. Perusskenaario Nopea skenaario Hidas skenaario Öljyn riittävyys välttävä huono kohtalainen Akkuteknologian kehitys kohtalainen nopea hidas Akkujen tuotanto kohtalainen hyvä välttävä Sähköautojen tarjonta hyvä erittäin hyvä kohtalainen Kannustimet muutama useita ei ollenkaan Sähköautojen kustannuskehitys hitaasti tavoitehintaan nopeasti tavoitehintaan tavoitehintaa kalliimpi Öljyn riittävyys on kuitenkin erittäin oleellinen asia. Mitä nopeammin maailman öljyvarat vähenevät, sitä nopeammin polttomoottoriautolla ajaminen tulee kalliimmaksi. Tosin verotuksellakin on merkittävä rooli hintakehityksessä. Perusskenaariossa öljyä arvioidaan riittävän yleisimpien arvioiden mukaan 40 vuodeksi. Nopeassa skenaariossa öljyvarat hupenevat jo aikaisemmin aiheuttaen öljypohjaisten polttoaineiden hintojen radikaalin nousun lähivuosina. Hitaassa skenaariossa oletetaan löytyvän muutamia uusia, pieniä öljylähteitä, joiden vaikutus öljypohjaisten polttoaineiden hintoihin on vähäinen. Toinen merkittävä tekijä ladattavien autojen yleistymisessä on akkuteknologian kehitys. Juuri akusto on suurin este ladattavien sähköautojen määrän nopealle kasvulle tällä hetkellä. Sen kapasiteetin mahdollistama rajoitettu toimintasäde sekä sen hidas lataaminen eivät pysty kilpailemaan polttomoottoriteknologian kanssa. Lisäksi akusto on vielä erittäin kallis ja massiivinen. Perusskenaariossa oletetaan akuston kapasiteetin kasvavan hitaasti samalla, kun sen massa pienenee. Nopean skenaarion edellytyksenä on läpimurto akkuteknologian kehityksessä. Hitaassa skenaariossa akkuteknologian kehitys on vähäistä. Sarjatuotantoon päästessään akuston hinnan oletetaan luonnollisesti laskevan huomattavasti. Jokaisessa skenaariossa oletetaan, että akkujen valmistukseen käytettävää raaka-ainetta on saatavilla riittävästi. Lisäksi perusskenaariossa ja varsinkin nopeassa skenaariossa akkujen tuotantokapasiteetin kasvu edellyttää uusia akkutehtaita. Kysyntä vaikuttaa paljon ladattavien sähköautojen tarjontaan. Nopeassa skenaariossa sähköautojen tarjontaa on erittäin paljon ja kilpailu on kova eri autonvalmistajien kesken. Perusskenaariossakin tarjontaa on hyvin ja kilpailua kohtalaisesti. Hitaassa skenaariossa heikot autonvalmistajat kaatuvat ja tarjontaa on rajallisesti eikä kilpailua juurikaan ole. Kannustimet ovat merkittävässä roolissa sähköautokannan kehityksen alkuvaiheessa. Niitä voisi olla muun muassa kertaluontoinen hankintatuki, verohelpotukset tai verottomuus sekä bussi-kaistojen käytön salliminen ja ilmainen pysäköinti kaupunkien

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 7 keskustoissa. Nopean skenaarion kehitykseen vaikuttaisi usea kannustin, perusskenaarioon yksi tai kaksi kannustinta, mutta hitaaseen skenaarioon ei liity kannustimia. Sähköajoneuvot Suomessa -selvityksen kustannuslaskelmien mukaan ladattava hybridiauto olisi taloudellisesti kilpailukykyinen vaihtoehto useimmille suomalaisille, vaikka sen tavoitehinta on useita tuhansia euroja (noin 6000 euroa) kalliimpi kuin vastaava bensiini- tai dieselauto [2]. Kalliimpi hankintahinta korvautuisi pienemmillä käyttökustannuksilla ajomäärästä riippuen. Tavoitehinnan saavuttaminen riippuu hyvin pitkälle juuri edellä mainituista tekijöistä sekä latausinfrastruktuurin laajuudesta. Perusskenaariossa oletetaan, että auton tavoitehintaan ei päästä nopealla aikataululla. Nopean skenaarion muiden tekijöiden avulla tavoitehintaan päästään nopeasti. Hitaassa skenaariossa auton hinta lähestyy tavoitehintaa hitaasti, mutta pysyy kalliimpana koko tarkasteluajanjakson ajan. Kuvassa 2.1 on esitetty sähköautokannan kehitysennusteita Tampereen sähköverkon (TSV) jakelualueella kolmessa eri skenaariossa. Näissä skenaarioissa henkilöautojen kokonaismäärän lähtökohdaksi Tampereen Sähköverkon jakelualueella on otettu 90000 autoa, joista ladattavien autojen osuus on 0 % vuonna 10. Seuraavien viisivuotisjaksojen aikana tarkasteluautokanta kasvaa 5000 autolla per jakso. Tämä oletus pohjautuu Liikenteen turvallisuusvirasto Trafin ylläpitämiin tilastoihin, joiden mukaan Tampereen alueella autokanta kasvaa noin 1000 auton vuosivauhtia [12]. Tämä taas perustuu väestön ikääntymiseen ja Tampereen sekä sen ympäryskuntien positiiviseen muuttoliikkeeseen.

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 8 100000 Autoja 80000 60000 40000 000 EV PHEV muut EV+PHEV 0 10 15 25 30 Vuosi a) Autoja 100000 80000 60000 40000 000 EV PHEV muut EV+PHEV 0 10 15 25 30 Vuosi b) Autoja 1000 100000 80000 60000 40000 000 EV PHEV muut EV+PHEV 0 10 15 25 30 Vuosi c) Kuva 2.1. Sähköautokannan kehitysennusteet Tampereen sähköverkon jakelualueella a) perusskenaariossa, b) nopeassa skenaariossa ja c) hitaassa skenaariossa. Osa henkilöautoista (hälytysajoneuvot, hybridit, erikoisautot) tulee pysymään eiladattavina ainakin koko tarkasteluajanjakson ajan, joten lähtökohdaksi valittu 90000 autoa on arvioitu maksimimäärä autoja, jotka voitaisiin periaatteessa korvata ladattavilla autoilla TSV:n jakelualueella vuonna 10. Tämän arvion perustana on Trafin tilasto,

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 9 jonka mukaan 31.12.09 Tampereen liikenteessä olevien henkilöautojen määrä oli 840 [12]. TSV:n alueella olevien henkilöautojen määrää kasvattaa hieman se, että TSV:n verkko ulottuu pienin osin myös naapuripaikkakuntien (Kangasala, Lempäälä, Pirkkala) puolelle. Lisäksi arviossa on huomioitu työ-, harrastus- ja ostosmatkat, joita tehdään enemmän TSV:n ulkopuolelta TSV:n jakelualueelle kuin TSV:n alueelta sen ulkopuolelle. Ladattavien autojen määrän kehityksen lähtökohtana on käytetty yleisimpiä arvioita, joiden mukaan Suomessa myytävistä uusista autoista 25 % on sähköverkosta ladattavia autoja ja näistä 40 % olisi akkusähköautoja vuonna. Tätä arviota on käytetty siis perusskenaarion tapauksessa suoraan Tampereen ensirekisteröinteihin. Trafin tilastoista käy ilmi, että Pirkanmaalla tehdään normaalina vuotena noin 10000 ensirekisteröintiä [12]. Näistä puolet arvioidaan jäävän Tampereelle. Nopeassa skenaariossa sähköautokannan kehitys on nopeampaa ja hitaassa skenaariossa hitaampaa kuin perusskenaariossa. Vuoden 10 tarkasteluautokanta sisältää vain henkilöautoja, koska lyhyen aikavälin markkinoille luvatuista ladattavista autoista lähes kaikki ovat henkilöautoja. Polttomoottoriautoista tehtävien sähköautokonversioiden joukossa on varmasti muitakin autoja kuin henkilöautoja, mutta niiden määrä tulee olemaan pieni tarkasteluajanjakson alkupuolella. Tarkastelujakson loppupuolella tarkasteluautokantaan sisältyy myös ladattavia pakettiautoja ja ehkä myös paikallisliikenteen busseja. Eri skenaarioiden ladattavien autojen määrän kasvuennusteet on luotu edellä mainittujen tekijöiden pohjalta. Ladattavien autojen määrä ylittää tarkasteluautokannan muut autot ainoastaan nopeassa skenaariossa tarkasteluajanjakson aikana vuonna 29. Akkusähköautokannan odotetaan seuraavan plug-in hybridejä muutaman vuoden viiveellä, mutta tekniikan kehittyessä perus- ja nopeassa skenaariossa akkusähköautojen markkinaosuuden arvioidaan kasvavan ladattavien hybridien osuutta suuremmaksi. Täten akkusähköautojen kokonaismäärä lähenee ladattavien hybridien määrää tarkasteluajanjakson loppua kohti. Missään skenaariossa koko tarkasteluautokanta ei korvaudu ladattavilla autoilla tarkasteluajanjakson aikana. 2.2. Lataustavat Yksi merkittävä tekijä sähköverkosta ladattavien autojen yleistymiselle on latausinfrastruktuurin olemassaolo ja varsinkin sen laajuus. Yleisesti suomalainen infrastruktuuri on varsin valmis vastaanottamaan sähköajoneuvoja, koska polttomoottorien esilämmityspistorasioita on melko kattavasti. Niistä suurin osa soveltuu tai on muutettavissa sähköajoneuvojen latauspisteiksi. Lisäksi suomalainen pienjänniteverkko on varustettu suhteellisen suuria kuormituksia (esimerkiksi sähkölämmitys, sähkökiuas, lämminvesivaraaja) varten. [2] Latauspisteiden puutteesta aiheutuvat suurimmat ongelma-alueet ovat suurimpien kaupunkien tiheimmin asutuilla alueilla. Tampereella niitä ovat kaupungin keskustaalue sekä osa Tammelan, Hervannan ja Kalevan kaupunginosia. Näille alueille tarvitaan

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 10 pysäköintitalojen, parkkipaikkojen ja ehkä jopa kadunvarsipysäköinnin yhteyteen huomattava määrä latauspisteitä, kuten myös suurimpien kauppakeskusten pysäköintipaikoille. Tämän työn tarkasteluajanjakson yleisimmäksi, ehkä ainoaksi, lataustavaksi oletetaan muodostuvan galvaanisen kytkennän sähköverkkoon tarvitseva tapa, joka voidaan jakaa lataustehon mukaan kolmeen luokkaan: hidas lataus, puolinopea lataus ja pikalataus. Yksi vaihtoehto akkujen lataukselle on akustonvaihtopalvelu, joka tarkoittaa tyhjän akuston vaihtamista täyteen ladattuun akustoon huoltoasemalla. Sen oletetaan kuitenkin ainakin lähitulevaisuudessa olevan mahdotonta, koska akusto on fyysisesti iso ja raskas, mikä vielä integroidaan automallikohtaisesti ajoneuvon rakenteisiin käytännöllisyyden ja turvallisuuden takia. Siksi vaihtoakkuja ei käsitellä tämän enempää tässä työssä. Galvaaniselle kytkennälle vaihtoehtoinen ratkaisu on induktiivinen lataus, jossa maahan ja auton pohjaan asennettujen metallilevyjen välille muodostetun magneettikentän avulla luodaan virta lataamaan akkuja johdottomasti. Autovalmistajista ainakin Nissan kehittelee induktioon perustuvaa lataustapaa. Saksalainen järjestelmätoimittaja WBT Datensysteme on jo testannut oman induktiolatausjärjestelmänsä prototyyppiä. Saksalaisyrityksen visioissa on johdoton lataus pysäköintipaikkojen lisäksi valoohjatuissa risteyksissä ja muissa samankaltaisissa paikoissa, joissa liikenne pysähtyy. Mitään arvoja lataustehosta tai latausajasta ei ole käytettävissä. [13] 2.2.1. Hidas lataus Hitaalla latauksella tarkoitetaan latauspistettä, joka on varustettu 10 16 ampeerin (A) yksivaiheisella syötöllä. Kyseisillä syöttövirroilla ja 230 voltin (V) jännitteellä maksimilatausteho on 2,3 kilowattia (kw) tai 3,7 kw, jolloin latausajat ovat usean tunnin luokkaa. Latausaikoja tarkastellaan tarkemmin luvussa 2.2.4. Alkuvaiheessa lähes kaiken latauksen odotetaan tapahtuvan hitaalla latauksella. Pidemmälläkin aikajänteellä tämän lataustavan oletetaan jäävän yleisimmäksi, koska suurin osa autoista on suurimman osan ajasta paikallaan, esimerkiksi öisin ja työaikoina. Tällöin tarvitsee vain yksinkertaisesti liittää latausjohto autosta pistorasiaan. Lisäksi hitaalla latauksella saadaan akun varaustilaksi 100 %, akun käyttökertaiän vanheneminen on hitaampaa ja se on turvallisin tapa, koska pienillä tehoilla akku ei pääse lämpenemään rajusti. Hitaan latauksen latauspisteitä löytyy jo nyt paljon kotitalouksista, joissa on mahdollisuus polttomoottorin esilämmitykseen. Lisää tällaisia latauspisteitä tarvitaan erityisesti työpaikoille ja pysäköintitaloihin, joissa autoja pysäköidään pitemmäksi ajaksi.

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 11 2.2.2. Puolinopea lataus Puolinopealla latauksella tarkoitetaan latauspistettä, joka on varustettu 16 32 A kolmivaiheisella syötöllä. Se mahdollistaa periaatteessa noin 11 22 kw maksimilataustehon, jolloin latausajat ovat muutaman tunnin luokkaa. Puolinopeaan lataukseen tarvittavia kolmivaihepistorasioita löytyy lähinnä vain omakotitaloista. Siksi puolinopea lataustapa jää ainakin alkuvaiheessa hyvin pieneen rooliin. Sopivasti sijoitetut latauspisteet esimerkiksi pysäköintitaloissa ja kauppakeskuksien pysäköintipaikoilla tulevat todennäköisesti nostamaan tämän lataustavan käyttömäärää tulevaisuudessa. 2.2.3. Pikalataus Pikalataus tarkoittaa satojen kilowattien tehoista lataustapaa, jolla akusto saadaan ladattua 5-15 minuutissa. Jännitteeksi arvioidaan 10 minuutin latauksen vaativan 480 volttia ja virraksi 500 1000 ampeeria [14]. Lisäksi se vaatii huoltoasematyyppisen latauspaikan, jonka liittymä on kytketty vähintään keskijänniteverkkoon. Tällä hetkellä pikalatausasemia ei Suomesta löydy. Vaikka hitaasta latauksesta tulee selvästi yleisin lataustapa, pikalatausasemien olemassaolo on edellytys akkusähköautojen yleistymiselle, koska pikalatauksen avulla sähköauton toimintasädettä voidaan kasvattaa. Jakeluverkon kannalta edullisin vaihtoehto pikalataukselle olisi todennäköisesti MWh-luokan suuruinen energiavarasto, jota ladattaisiin esimerkiksi yö-aikana ja josta energiaa voisi purkaa nopeasti sähköautoihin. Näin jakeluverkko välttyisi valtavilta tehopiikeiltä ja täten suurilta vahvistusinvestoinneilta. Pikalatauksen osalta on kuitenkin vielä paljon ongelmia ratkaistavana. Suurin ongelma liittyy puutteelliseen standardointiin. Kansainvälinen standardointikomitea IEC TC 69 Electric road vehicles and electric industrial trucks on parhaillaan päivittämässä olemassa olevaa IEC-61851-standardia muun muassa latausjärjestelmien, latausasemien ja kytkentäpistokkeen osalta [15]. Pikalatausjärjestelmältä vaaditaan yksityiskohtaista latausparametrien asettelua erilaisille akuille ja kennotyypeille [16]. Kytkentäpistokkeen tulee olla turvallinen ja toimiva kaikissa kansainvälisissä sähköjärjestelmissä ilman adapteria [17]. Pikalatauksen aiheuttamia turvallisuusongelmia ovat akkujen ylikuumeneminen ja ylilataus, jotka saattavat johtaa akun käyttökertaiän vanhenemiseen ja pahimmillaan akun räjähdykseen. 2.2.4. Lataustapojen vertailu Lataustavat eroavat toisistaan lähinnä lataustehon ja -ajan suhteen. Lataustehon nimellinen maksimi saadaan jännitteen ja virran tulona. Hitaan latauksen todellinen latausteho (P), jolla akku vastaanottaa energiaa, saadaan kaavasta (2.1). ( α ) η P = U I 1 (2.1)

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 12 Kaavassa (2.1) vaihejännitteen (U) ja vaihevirran (I) tulo kerrotaan laturin ja akun yhteisellä hyötysuhteella (η) sekä tekijällä (1-α), missä α on laturin turvamarginaali. Puolinopean latauksen todellinen teho saadaan, kun kerrotaan kaava (2.1), jossa U on pääjännite, luvulla 3, koska kyseessä on kolmivaiheinen lataus. Pikalataus suoritetaan tasavirralla (DC) ja sen todellinen latausteho saadaan myös kaavasta (2.1). Tässä tapauksessa U on akun napajännite ja I on akkupaketin navan sisään menevä virta. Lataustapojen vertailu on tiivistetty taulukkoon 2.3. Todellisen lataustehon laskennassa on käytetty laturin turvamarginaalina (α) %. Sillä varmistetaan, että ylivirtasuojaus ei laukea normaalitoiminnassa. Laturin ja akun kokonaishyötysuhteeksi (η) saadaan 81 %, kun oletetaan laturin hyötysuhteeksi 90 % ja akun hyötysuhteeksi 90 %. Taulukko 2.3. Lataustapojen vertailu. Lataustapa Jännite (V) Virta (A) Nimellisteho (kw) Todellinen latausteho (kw) Latausaika, (SOC 0-100%) Ampera (16kWh) Leaf (24kWh) Roadster (53 kwh) Hidas lataus 230 10 2,3 1,5 11 h 16 h 35 h (AC, 1-vaih.) 230 16 3,7 2,4 7 h 10 h 22 h Puolinopea lataus (AC, 3-vaih.) 400 16 11,1 7,2 2 h 13 min 3 h min 7 h 22 min 400 13,8 9,0 1 h 47 min 2 h 40 min 5 h 53 min 400 25 17,3 11,2 1 h 26 min 2 h 8 min 4 h 44 min 400 32 22,2 14,3 1 h 7 min 1 h 40 min 3 h 43 min 480 500 240 155,5 6 min 9 min min Pikalataus (DC) 480 600 288 186,6 5 min 8 min 17 min Latausajat riippuvat lataustavan lisäksi enimmäkseen akuston kapasiteetista. Esimerkiksi plug-in-hybridi Opel Amperan 16 kilowattitunnin (kwh) akkukapasiteetin lataus tyhjästä täyteen (SOC, state of charge 0-100 %) kestäisi 7 tuntia 16 A syötöllä. Akkusähköauto Nissan Leafin 24 kwh:n akusto täyttyisi 10 tunnissa ja Tesla Roadsterin 53 kwh:n akusto 22 tunnissa. Todellisuudessa latausajat ovat lyhyempiä, koska akku on hyvin harvoin, jos koskaan, latauksen alkaessa täysin tyhjä. Latausajoista voi kuitenkin päätellä, että hidas lataus soveltuu parhaiten kotitalouksiin yöaikana suoritettavaksi ja työpaikoille työajaksi. Puolinopean latauksen 1-4 tunnin latausajan voi kuluttaa muun muassa ostoksilla. Siksi kauppakeskuksien pysäköintialueet ovat otollisia paikkoja puolinopean latauksen latauspisteille. Koska pikalatauksen tärkein tehtävä on kasvattaa akkusähköautojen toimintasädettä, pikalatausasemien pääasiallisena sijaintipaikkana Tampereella toimisi hyvin vilkasliikenteisten teiden varret kaupungin ympärillä. Pikalatausasemien sijoitukseen vaikuttaa myös liityntämahdollisuus keskijänniteverkkoon. Periaatteessa autoon voidaan asentaa mahdollisuus kaikille edellä mainituille kolmelle lataustavalle. Käytännössä latausjärjestelmän yksinkertaisuuden ja parhaan mahdollisen hyötysuhteen saavuttamiseksi jännitetasoltaan noin 400 voltin akku soveltuisi parhaiten yksivaiheiseen lataukseen ja 650 750 V:n akku kolmivaihelataukseen [2].

13 13 3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KY- SYNTÄMALLEILLA Sähköautokannan kasvu ja siten sähköautojen lisääntyvä lataus luo haasteita sähköverkon sähkönsiirtokyvylle. Ladattavista sähköautoista aiheutuva vuotuinen sähkön siirron lisäys on yksi kiinnostavimmista asioista verkkoyhtiölle. Nykyisen henkilöautokannan sähköistäminen aiheuttaisi yli 0 GWh sähkön siirron lisäyksen TSV:n jakelualueella. Koska sähköautokannan kehitystä on hyvin vaikea arvioida, seuraavaksi esitellään sähkön siirron lisäys kolmessa eri skenaariossa, jotka esiteltiin luvussa 2.1. Sähköautokannan kasvuennusteet. Sähköautoista aiheutuvaan sähkön siirron lisäykseen vaikuttava suurin tekijä on ladattavien sähköautojen määrä. Laskennan yksinkertaistamiseksi keskimääräinen sähköautotyyppikohtainen ajosuorite ja energian kulutus sekä latauksen hyötysuhde ja plug-in hybridin ajosuoritteen sähköinen osuus pidetään vakiona kaikissa skenaarioissa koko tarkasteluajanjakson ajan. Perusskenaariossa ja varsinkin nopeassa skenaariossa voisi olettaa, että ladattavien sähköautojen ajosuoritteet tulevat kasvamaan. Toisaalta odotettavissa on, että energian kulutus tulee pienenemään ja latauksen hyötysuhde tulee kasvamaan, mikä kompensoi tilannetta hieman. Energian kulutuksen pienenemistä tosin tulee hidastamaan sähköautojen todennäköinen kasvu nykyisestä teho- ja kokoluokastaan. Ajosuoritteita arvioitaessa on käytetty lähtökohtana vuonna 06 valmistunutta henkilöliikennetutkimusta, jonka mukaan tamperelaisten keskimääräinen matkasuorite on 38,8 km/henkilö päivittäin [18]. Tästä puolet suoritetaan henkilöautolla TASE 25 Liikenteen nykytila Tampereen seudulla -raportin mukaan [19]. Lisäksi, kun huomioidaan Tampereen asukasluku, päivien lukumäärä vuodessa ja Tampereelle rekisteröidyt henkilöautot, saadaan keskimääräiseksi ajosuoritteeksi noin 15000 km/henkilöauto vuodessa. Koska plug-in hybridin ja polttomoottoriauton käyttömahdollisuudet ovat hyvin lähellä toisiaan, sillä saavutetaan helposti keskimääräinen 15000 km vuosittainen ajosuorite, jota käytetään tämän luvun laskuissa. Akkusähköauton hitaan latauksen ja pienemmän toimintasäteen takia ykkösautona käytettävälle sähköautolle (EV1) käytetään 10000 km ajosuoritetta. Lisäksi kakkos-/kaupunkiautona käytettävän sähköauton (EV2) ajosuoritteena käytetään 5000 km. Sähköautojen nimelliseksi energian kulutukseksi ilmoitetaan yleisesti 0,10 0,15 kwh/km. Suomen olosuhteissa energian kulutus on todellisuudessa 0,15 0, kwh/km muun muassa kylmästä aiheutuvan itsepurkautumisen takia. Täten laskuissa käytetään keskimääräisenä energian kulutuksen arvona pienikokoiselle EV2:lle 0,15 kwh/km sekä isompikokoiselle EV1:lle ja PHEV:lle 0, kwh/km. Kulutuksen oletetaan sisältävän

3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KYSYNTÄMALLEILLA 14 kaikki häviöt, mukaan lukien latauksesta aiheutuvat häviöt. Lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmien tarvitsema energia on osaltaan huomioitu näissä luvuissa. Käytännössä lämmitys hoidettaneen bensiini- tai dieselkäyttöisellä lämmittimellä. Jäähdytysenergian tuottamiseen on kokeiltu muun muassa auton katolle asennettuja aurinkokennoja. Plug-in hybridien sähköisenä ajo-osuutena käytetään 70%, koska tämän hetkinen 60 km keskimääräinen sähköinen ajomatka riittää useimmille suomalaisille päivittäiseen ajoon. 3.1. Latausenergian laskentakaava Ladattavista autoista aiheutuva vuotuinen sähkön siirron tarve eli toisaalta lataukseen tarvittava kokonaisenergia saadaan kaavasta (3.1). ( n s e ) + ( n s e ) + ( n s e β ) E = EV1 EV1 EV1 EV 2 EV 2 EV 2 PHEV PHEV PHEV (3.1) Kaavassa (3.1) latausenergian suuruuteen vaikuttavat ladattavien autojen määrä (n), niillä ajettu keskimääräinen ajosuorite (s) ja auton keskimääräinen energiankulutus (e). Lisäksi täytyy ottaa huomioon ladattavan hybridin osalta myös keskimääräinen sähköllä ajettu osuus (β). Alaindeksit kaavan (3.1) muuttujissa viittaavat akkusähköautoon (EV) ja ladattavaan hybridiautoon (PHEV). Akkusähköautojen jako kahteen ryhmään, ykkös- (EV1) ja kakkos-/kaupunkiautoiksi (EV2), on oleellinen siksi, että niiden merkitys eroaa toisistaan huomattavasti ja lisäksi niiden kehitys suhteessa toisiinsa on eri skenaarioissa erilainen. 3.2. Perusskenaario Perusskenaariolla jäljitellään yleisimpien ennusteiden mukaista sähköautokannan kehitystä. Tässä skenaariossa kymmenen vuoden kuluttua ladattavien sähköautojen osuus olisi noin 6 % autoista. Akkusähköautojen osuus on noin 2 %. Vuonna 30 osuudet ovat vastaavasti noin 37 % ja 17 %. Perusskenaarion sähköautoista aiheutuvan sähkön siirron tarpeen laskennassa käytetyt ladattavien autojen määrät on listattu taulukkoon 3.1. Taulukko 3.1. Ladattavat autot perusskenaariossa. 10 15 25 30 n EV2 0 0 10 30 7000 n EV1 0 0 600 3800 100 n PHEV 0 10 4300 11000 200 Yhteensä 0 1400 6100 18000 41000

3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KYSYNTÄMALLEILLA 15 Kuvassa 3.1 on esitetty sähköautoista aiheutuva sähkönsiirron lisäys seuraavan vuoden ajalta perusskenaariossa. 1 Sähkön siirron lisäys / GWh 100 80 60 40 0 10 15 25 30 Vuosi Kuva 3.1. Sähkön siirron lisäys perusskenaariossa. Kuvasta 3.1 havaitaan, että vuonna ladattavien sähköautojen takia Tampereen Sähköverkon jakeluverkossa täytyy siirtää reilu 11 GWh sähköä muun kulutuksen lisäksi. Tämä vastaa alle 1 % sähkön siirron kasvua, koska Tampereen Sähköverkon vuotuinen sähkön siirtotarve on tällä hetkellä 1800 1900 GWh. Vastaavasti vuonna 30 luku on noin 75,5 GWh, mikä vastaa noin 4 % kasvua nykyisestä. Katkoviiva kuvassa 3.1 kuvaa ladattavien autojen energiankulutuksen herkkyyttä. Siinä kaikkien autojen energiankulutukseksi on asetettu 0,15 kwh/km. 3.3. Nopea skenaario Nopeassa skenaariossa sähköautokanta kasvaa perusskenaariota nopeammin. Taulukossa 3.2 on esitetty ladattavien autojen määrät, joita käytetään nopean skenaarion tarkastelussa. Tässä skenaariossa ladattavien autojen osuus on vuonna 11 % ja akkusähköautojen osuus 3 %. Vuonna 30 osuudet ovat vastaavasti noin 56 % ja 25 %. Taulukko 3.2. Ladattavat autot nopeassa skenaariossa. 10 15 25 30 n EV2 0 250 1600 5800 10000 n EV1 0 50 1400 7700 18000 n PHEV 0 1400 8000 000 34000 Yhteensä 0 1700 11000 33500 600

3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KYSYNTÄMALLEILLA 16 Kuvassa 3.2 on esitetty sähköautoista aiheutuva sähkön siirron lisäys nopeassa skenaariossa. 1 Sähkön siirron lisäys / GWh 100 80 60 40 0 10 15 25 30 Vuosi Kuva 3.2. Sähkön siirron lisäys nopeassa skenaariossa. Kuvasta 3.2 havaitaan, että nopeassa skenaariossa vuonna sähköautoihin siirrettävä energiamäärä on lähes 21 GWh, mikä vastaa hieman yli 1 % kasvua nykyisestä siirtomäärästä. Vastaavasti vuonna 30 luku on lähes 115 GWh, mikä vastaa hieman yli 6 % kasvua. Näin ollen sähkönsiirtokapasiteetin näkökulmasta latauksen vaatiman energian osalta ei tule ongelmia tarkasteluajanjakson aikana. 3.4. Hidas skenaario Hitaassa skenaariossa sähköautokanta kasvaa perusskenaariota hitaammin. Taulukossa 3.3 on esitetty ladattavien autojen määrät, joita käytetään hitaan skenaarion laskuissa. Tässä skenaariossa ladattavien autojen osuus on vuonna 2 % ja akkusähköautojen osuus 0,5 %. Vuonna 30 osuudet ovat vastaavasti lähes 14 % ja lähes 5 %. Taulukko 3.3. Ladattavat autot hitaassa skenaariossa. 10 15 25 30 n EV2 0 50 500 10 3000 n EV1 0 0 0 500 00 n PHEV 0 350 1500 5000 10000 Yhteensä 0 400 00 6700 15000

3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KYSYNTÄMALLEILLA 17 Kuvassa 3.3 on esitetty sähköautoista aiheutuva sähkön siirron lisäys hitaassa skenaariossa. 1 Sähkön siirron lisäys / GWh 100 80 60 40 0 10 15 25 30 Vuosi Kuva 3.3. Sähkön siirron lisäys hitaassa skenaariossa. Kuvan 3.3 mukaan hitaassa skenaariossa vuonna sähköautoihin siirrettävä energiamäärä on noin 3,5 GWh, mikä vastaa noin 0,2 % kasvua nykyisestä siirtomäärästä. Vastaavasti vuonna 30 luku on reilu 27 GWh, mikä vastaa noin 1,5 % kasvua.

18 4. KUORMITUSKÄYRÄT Kuormituskäyrillä kuvataan kuormitusten ajallista vaihtelua. Suomen Sähkölaitosyhdistys (nykyään Energiateollisuus ry, ET) on määritellyt kattavan kokoelman tyyppikuormituskäyriä Suomen eri asiakastyypeille laajojen mittausten perusteella 90-luvun alkupuolella []. Nämä käyrät ovat edelleen muokattuina laajassa käytössä jakeluverkkojen tehonjakolaskennassa. Etäluettavien sähkönkulutusmittareiden käyttöönoton myötä tilanne muuttunee lähivuosina, kun saadaan tarpeeksi mittausdataa tuntisarjoina. Tällöin voidaan muodostaa tarkempia asikasryhmäkohtaisia ja jopa asiakaskohtaisia kuormitusmalleja. Kuormituskäyrät esitetään keskiarvon ja hajonnan avulla normaalijakautuneena suureena eli ne ovat luonteeltaan tilastollisia. Hajonta kuvaa kuormitusmallinnuksen epävarmuutta. Lisäksi kuormituskäyrämallit sisältävät kymmenen erikoispäivää (esimerkiksi joulu ja uudenvuodenaatto) ja lämpötilariippuvuuden mallintamisen. Kuormituskäyrät esitetään indeksisarjoina. Siinä kuormituskäyrä koostuu 26 niin kutsutusta ulkoisesta kaksiviikkoindeksistä, jotka kuvaavat kulutuksen kausittaista vaihtelua vuoden aikana. Vuorokauden tuntivaihtelut kuvataan 24 niin kutsutulla sisäisellä tunti-indeksillä erikseen kolmelle päivätyypille. Päivätyypit ovat arki-, aatto-, ja pyhäpäivä. Tuntiindeksit kuvaavat siis kuormituksen vaihtelua kaksiviikkojaksojen sisällä. Indeksisarjat ovat suhteellinen esitystapa ja niiden soveltaminen vaatii aina tutkittavan kohteen vuosienergian tietämisen. Tietyn asiakkaan tuntikeskiteho lasketaan kuormitusindekseillä kaavan (4.1) mukaisesti. [] P it Wi U it Sit = δ T, (4.1) 8760 100 100 missä P it W i U it S it δ T on kuluttajan i keskituntiteho ajanhetkellä t on kuluttajan i vuosienergia on ulkoinen kaksiviikkoindeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t on sisäinen tunti-indeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t on lämpötilariippuvuusindeksi on poikkeama ajanhetken t keskilämpötilasta Kuormituskäyrät voidaan muodostaa myös tuntikeskitehosarjana. Tällöin tuntikeskitehojen summa vuoden ajalta on sama kuin vuosienergia. Tuntikeskitehosarjan muuttaminen indeksisarjaksi käsitellään tarkemmin luvussa 4.2. Tuntitehosarjan muutos indeksisarjaksi.

4. KUORMITUSKÄYRÄT 19 19 Tätä diplomityötä tehdessä ladattavien autojen latauskuormamalleja ei ole julkaistussa muodossa olemassa. Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitoksen tutkija Antti Rautiainen on kuitenkin määritellyt osana väitöskirjatyötään kyseisiä kuormituskäyriä, joita saatiin tämän diplomityön käyttöön. Käyrät ovat autokohtaisia ja ne on määritelty ladattavalle hybridille, koska niiden oletetaan yleistyvän aikaisemmin kuin akkusähköautojen [21]. Näiden latausmallien käyrämuotoja käytetään tämän työn laskentaosuudessa, mutta vuosienergiat hieman vaihtelevat, koska tarkasteltavana on kaupunkiverkko ja ladattavien autojen autokantaan sisältyy myös akkusähköautoja. Käyrissä ei ole huomioitu V2G- ja V2H-toiminnallisuuksia eli energian takaisinsyöttöä verkkoon ja ladattavan auton käyttöä kodin varavoimana [21]. Näitä toiminnallisuuksia ei tarkastella myöskään tässä työssä. Kuormamallien tutkimusraportista käy ilmi, että auton latauksen kuormitusmallit ovat hyvin monivaikutteisia, koska niihin sisältyy useita oletuksia [21]. Niinpä luotettavampia malleja pystytään tekemään vasta käytännön kokemuksen ja mittaustietojen perusteella. Tässä työssä käytettävät latausmallit ovat kuitenkin luotettavimmat mallit, joita työn kirjoitushetkellä oli saatavilla. Kun mallit kokemuksen ja tiedon mukana päivittyvät, on verkkoyhtiön kannattavaa tehdä sama tarkastelu uudelleen. 4.1. Tuntitehosarjan muutos indeksisarjaksi Verkostolaskentaa varten saadut kuormamallit on esitetty tuntikeskitehosarjoina. Laskenta suoritetaan Teklan Xpower-verkkotietojärjestelmällä ja tämä ohjelma vaatii kuormituskäyrät indeksisarjoina. Siksi tässä luvussa perehdytään tarkemmin tuntitehosarjan muuttamiseen indeksisarjaksi. Saadut kuormamallit on jaettu kahdelle eri kaudelle. Talvikausi käsittää ajanjakson syyskuusta huhtikuun loppuun ja kesäkausi ajanjakson toukokuusta elokuun loppuun [21]. Täten talvikauden viikkojen lukumäärä on 34 ja vastaavasti kesäviikkojen lukumäärä on 18. Nämä luvut puolittamalla saadaan kaksiviikkojaksojen lukumäärät. Ulkoinen kaksiviikkoindeksi määritetään tuntitehosarjan perusteella talvikaudelle kaavalla (4.2) ja kesäkaudelle kaavalla (4.3). Kaavojen kerroin 2600 on vuoden kaksiviikkoindeksien summa. U it U ik talvikauden _ viikkojen _ lkm talviviikon _ tuntitehojen _ summa = 2600 talvikauden _ 2 viikkojaksojen _ lkm koko _ vuoden _ tuntitehojen _ summa (4.2) kesäkauden _ viikkojen _ lkm kesäviikon _ tuntitehojen _ summa = 2600 kesäkauden _ 2 viikkojaksojen _ lkm koko _ vuoden _ tuntitehojen _ summa (4.3)