Energiantuotannon ja käytön muutosten vaikutukset voimajärjestelmän hallintaan ja kantaverkon kehitystarpeisiin Jussi Jyrinsalo Sähkötutkimuspoolin tutkimusseminaari 18.10.2012
Johdanto Toimitusvarmuuden parantamisesta keskustellaan kovin, ja teemana on yleensä alueellisen sähkönsyötön katkojen pituuden lyhentäminen eri keinoin: uudet syöttöjohdot, jakeluverkon kaapelointi, hajautettu tuotanto, akustot jne. Älyverkkokeskustelussa taas keskeisenä teemana pientuottajien ja kuluttajien aktivoiminen sähkömarkkinoilla. Tehotasapainoa on hallittava myös jatkuvasti tunnin sisällä ja koskien koko tahtikäytössä toimivaa pohjoismaista sähkövoimajärjestelmää. Sähkön tuotannon ja käytön muutokset johtavat siihen, että koko järjestelmän hetkellistä tehotasapainoa ja siten verkon taajuutta on entistä vaikeampi hallita. Mutta uusia keinojakin on tarjolla.
Taajuuden normaalit vaihtelut ovat kasvamassa Frequency Outside quality development operational band over years % of time outside 49.9 to 50.1 Hz band 3.5% 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 3σ 0.0% 1996 2000 2005 2010 2011 The Nordic Grid Code specifies that the frequency will typically remain within the range of 49.9 Hz to 50.1 Hz
Vanhat haasteet: vuodenajasta ja vesitilanteesta riippuvia muutoksia Uudet haasteet: päivittäisiä ja tunneittaisia muutoksia vesi- ja tuulivoimaa vesivoimaa lämpö-, vesi-, tuulivoimaa lämpövoimaa Lisäksi: - Venäjän tuonnin jatkuva vaihtelu - yhä suurempia voimalaitosyksiköitä - yhä enemmän tahtikäytössä pyörimätöntä tuotantoa lämpö- ja tuulivoimaa
Järjestelmävastaavan tehtäviä Vastaa sähköjärjestelmän teknisestä toimivuudesta ja käyttövarmuudesta Huolehtii valtakunnallisesta tasevastuusta Hetkellisen tehotasapainon ylläpito Taseselvitys Asettaa ehdot kantaverkkoon liittyville muille sähköverkoille, voimalaitoksille ja kuormille Vakavassa häiriöissä täysi määräysvalta voimajärjestelmän käytöstä kunnes normaalitila on saavutettu - järjestelmävastaava voi rajoittaa kuormia sekä määrätä voimalaitosten käytöstä sähköjärjestelmän käyttövarmuuden ylläpitämiseksi
Vuorokausi- ja tuntitason säätö Vuorokauden sisäiset kulutuksen muutokset Vastuu: Markkinatoimijat Tunnin sisäiset kulutuksen muutokset Vastuu: Fingrid 12500 MW 12000 11500 11000 10500 10000 9500 Arvioitu tuntitason kulutus Kulutus (toteutunut) Tuotanto (suunnitelma) Tuotanto (toteutunut) 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00
Tehotasapaino käyttötunnilla ylläpidetään reservein ja säätösähkömarkkinoiden avulla Taajuusohjattu käyttöreservi säätää koko ajan: pyörivät voimalaitokset sekä Venäjän ja Viron tasasähkölinkit Säätösähkömarkkinoita käytetään 70% tunneista: vesivoimaa ja tuontia Taajuusohjattu häiriöreservi korjaa automaattisesti taajuutta häiriötilanteissa: pyörivät voimalaitokset ja irtikytkettävät kuormat Nopea häiriöreservi aktivoidaan manuaalisesti siirtojen palauttamiseksi: kaasuturbiinit ja irtikytkettävät kuormat Hz 50,1 50,0 49,9 Taajuusohjattu käyttöreservi Reaaliaikainen tehotasapainon ylläpito käyttötunnin aikana Säätösähkömarkkinat Taajuusohjattu häiriöreservi Nopea häiriöreservi Huom: Pohjoismaissa tulossa käyttöön uusi reservilaji taajuuden palauttamiseen, aluksi 100 MW
Reservien määrä on sovittu pohjoismaisesti Pohjoismaissa on sovittu yhteisestä reservimäärästä sekä jaettu maakohtaiset velvoitteet Kukin kantaverkkoyhtiö hankkii osuutensa parhaaksi katsomallaan tavalla Reservivelvoitteen täyttämiseksi voidaan käydä myös kauppaa maiden välillä Reservejä ylläpidetään riittävästi kansallisesti, jotta rajasiirtoyhteydet jäävät markkinoiden käyttöön ja jotta tarvittaessa selviydytään myös saarekekäyttötilanteista
Ydinvoima lisää häiriöreservien tarvetta Olkiluoto 3 (noin 1600 MW) lisää taajuusohjatun ja nopean häiriöreservin tarvetta etenkin Suomessa uusi järjestelmäsuoja kytkee häiriötilanteessa noin 300 MW teollisuuskuormaa irti, joten verkkovaikutus eli mitoittava vika on 1300 MW Mahdolliset uudet suuret laitosyksiköt lisäävät edelleen tarvetta järjestelmäsuojan irtikytkemiä kuormia ei saada palautettua riittävän nopeasti toisen yksikön käyttöön, jolloin mitoittava vika kasvaa suurimman yksikön kokoa vastaavaksi Suomen osuus taajuusohjatusta häiriöreservistä vs. suurin laukeava teho (MW) Lisäksi suuri yksikkö varaa myös verkosta siirtokapasiteettia 18.10.2012 Jussi Jyrinsalo
Yksikkökoolle on rajansa Suuren laitosyksikön vikaantuminen tulee kestää ilman sähkönkuluttajiin kohdistuvia katkoksia: tehonvajaussuojaus toimii eri puolilla pohjoismaita taajuuden laskiessa alle 49 Hz Rajoittavana tekijänä on Pohjoismaisen voimajärjestelmän tahtikäytössä toimivien voimalaitosten pyörivä massa, joka on edelleen pienenemässä tuulija aurinkovoiman korvatessa synkronikoneita: inertian seurantaan panostettava 50 Taajuus / Hz 49,9 49,8 49,7 49,6 49,5 49,4 49,3 49,2 49,1 49 48,9 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 1650 MW tehonmuutos kesäkauden tuotantotilanteessa (Wkin=150GWs) nykyverkko, johon lisätty häiriöreservejä yksikkökokoa vastaavasti
Tuulivoima lisää säätösähkön tarvetta Suomeen suunniteltu 2500 MW tuulivoima ei muodosta mitoittavaa vikaa eikä lisää häiriöreservien tarvetta Myrskyssä tuulivoimalaitosten tuotanto pysähtyy, nämä tilanteet on kuitenkin ennakoitavissa ja niihin voidaan voimajärjestelmän käytössä varautua Laajamittainen tuulivoima lisää kuitenkin säätösähkön tarvetta Tuulivoiman vaikutuksia voimajärjestelmään on tarkasteltava pohjoismaisella tasolla, sillä sen ajalliset vaihtelut eriaikaisia Tuulivoimatuotannon määrä kovilla pakkasilla: erillisen tehoreservin tarve? 18.10.2012 Jussi Jyrinsalo
Mitä voidaan tehdä? Pohjoismaisen voimajärjestelmän häiriökestoisuuden jatkuva monitorointi ja ennustaminen: siirtojen ja tuotantotehojen sopeuttaminen kulloiseenkin tilanteeseen Lisää häiriösietoisuutta, myös koskien pientuotantoa Lisää säätöjä ja reservejä, uutta kapasiteettia löydyttävä myös jakeluverkkojen puolelta Lisää siirtokapasiteettia naapurimaihin ja reservien tehokkaampi hyödyntäminen laajemmalla alueella Jakeluverkon häiriöt Kantaverkon häiriöt h/a
Liittyville verkoille, voimalaitoksille ja kuormille asetettavat vaatimukset muuttuvat Verkkoliityntöjen ja varsinkin suoraan kantaverkon johtoon liittyvien haarajohtojen määrä kasvaa jatkuvasti, jolloin vaatimuksia ollaan tältä osin täsmentämässä: liitettävät tehot ja johtopituudet, puuvarmuus, suojaus- ja käyttöperiaatteet, oikosulkuvirran syöttö,... Vaatimuksia ulotetaan yhä pienempiin voimalaitoksiin, aina 0,5 MW kokoluokkaan saakka. Myös jakeluverkonhaltijalle tulee oikeuksia ja velvoitteita omaan verkkoonsa liittyvään pientuotantoon nähden. Liittymisen yhteydessä vaadittavia dokumentteja, käyttöönottokokeita, laskentamalleja ja hyväksymismenettelyä täsmennetään. Asetettujen vaatimusten täyttymisen seurantaa täsmennetään. Myös eurooppalaisia verkkosääntöjä tulossa mm. generaattorien ja kuormitusten ominaisuuksiin liittyen. Sitovat myös meitä.
Mistä lisää säätökykyä ja reservejä? Akkuvarastoja voidaan käyttää taajuuden hallintaan: akustot voivat olla pieniäkin ja sijaita jakeluverkoissa (eri tarpeiden yhdistäminen) Kuormituksen käyttäminen enenevässä määrin reservinä: Suomi edelläkävijä teollisuuskuormien hyödyntämisessä, jatkossa löydettävä entistä pienempiä aggregoituja kuormia Siirtokapasiteettien lisääminen naapurimaihin auttaa tehotasapainon hallintaa, varsinkin erilaisissa häiriötilanteissa Eri maissa olevien reservien tehokkaampi hyödyntäminen ja jakaminen Vaikka puhutaankin energiaomavaraisuudesta, vaatii sen toteuttaminen ydin- ja tuulivoiman avulla entistä enemmän rajasiirtokapasiteettia!
Markkinoiden kehitys ohjaa verkon suunnittelua Pääsiirtosuunta keskimääräisessä tilanteessa pohjoisesta etelään, mutta suuria ajallisia vaihteluita (esim. säätötarpeet) Uutta tuotantoa Paljon epävarmuuksia, osin myös poliittisia: 18.10.2012 tuulivoiman kasvu alueen ydinvoimalaitokset Baltian alueen puuttuvat yhteydet EU-Venäjä rajapinta Saksan tehotase... Jussi Jyrinsalo Suljettavaa tuotantoa ja suuri kulutus
Itämeren alueen suunnitellut verkkovahvistukset vuoteen 2022 Pohjoismaiden väliset vahvistukset, uutta kapasiteettia 2800 MW Baltian integrointi Pohjoismaihin, uutta kapasiteettia 1350 MW Baltian integrointi Puolaan, uutta kapasiteettia 1000 MW Yhteydet Norjasta ja Tanskasta Länsi- Eurooppaan, uutta kapasiteettia 4500 MW Eri maiden sisäiset vahvistukset, jotka tekevät mahdolliseksi tuuli- ja ydinvoiman liittämisen sekä kasvavat rajasiirtokapasiteetit
Yhteenveto Tuotantorakenteen ja sähkömarkkinan muutokset edellyttävät myös järjestelmätason toimenpiteitä säätösähkön ja reservien lisääminen kansallisesti ja koko synkronialueella siirtokapasiteetin lisääminen Itämeren maiden välillä voimalaitoksille asetettavien vaatimusten ja niiden seurannan tiukentaminen pohjoismaisen järjestelmän häiriökestoisuuden seurannan ja ennustamisen kehittäminen, esim. inertian osalta Toimenpiteitä voidaan tehdä myös jakeluverkkojen puolella kuormitusten parempi ohjattavuus eri aikaikkunoissa pientuotannon ja kulutuksen aggregointi säätötarpeisiin akkuvarastojen hyödyntäminen taajuudensäätöön
Fingrid välittää. Varmasti.