Akusto hankittiin järjestelmään sähköenergiavarastoksi. Sen pääasiallisina käyt-tötarkoituksina on varastoida rakennuksen oman aurinkosähköjärjestelmän tuot-tamaa energiaa, tasoittaa verkosta otettavia tehopiikkejä sekä toimia osana opti-moitua energiajärjestelmää. Akuston mitoitus on tehty L-talon 15 kW:n aurin-kosähköjärjestelmän ehdoilla. Tampereella suurin päivittäinen tuotanto on noin 6 h x Pn, jossa Pn on aurinkovoimalan nimellisteho. Tällöin päivittäinen sähkön-tuotanto Tampereella olisi 90 kWh.
Hankeryhmä tilasi Merus Powerilta järjestelmän akustoksi NiMnCo -akkukemiaan perustuvan Li-Ion-akuston. Akkukemian hyviä puolia ovat muun muassa sen edullisuus, hidas itsepurkautuminen sekä korkea C-arvo (Accutronics 2020). Jär-jestelmän tekniset tiedot on listattu taulukkoon 1. Akuston hankintahinta oli 27 800 €.
TAULUKKO 1. Akuston tekniset tiedot
Nimellinen energiakapasiteetti 92 kWh (82 kWh 1C)
Maksimi latausteho 2C = 184 kW
Maksimi purkausteho 2C = 184 kW
Minimi DC-jännite 588 V
Maksimi DC-jännite 823 V
Syklikesto (eliniän lopussa kapasiteetti 68 %) 3900 sykliä
Akkuräkki koostuu useasta sarjaankytketystä akkumoduulista, joiden lukumäärä riippuu halutusta DC-jännitteestä. Lisäksi räkki sisältää itsenäisesti toimivan akuston suojaus-, ohjaus- ja seurantaelektroniikan (BMS, battery management system). BMS-järjestelmän kommunikaatiossa käytetään CAN 2.0B- sekä Mod-bus TCP -protokollia. BMS-järjestelmän tehtävänä on käynnistys- ja pysäytys-sekvenssien hallinta, akun lataus- ja purkausvirtojen rajoittaminen akun suojaa-miseksi sekä moduulien välisen varaustason tasapainottaminen. Lisäksi järjes-telmä valvoo akuston komponenttien varausasteita, jännitteitä sekä lämpötiloja.
5 L-TALON KULUTUSPROFIILI
Esimerkkirakennuksen sähkönkulutusdata oli saatavilla työtä varten rakennuk-sen energianmittausjärjestelmästä 15 minuutin tarkkuudella vuodelta 2017.
Tässä luvussa olevia kuvaajia tarkasteltaessa tulee huomioida, että mittausda-tassa oli aukko 29.3.2017 - 26.4.2017 välisenä aikana. Tämä aiheuttaa vääristy-mää lähinnä koko vuoden kattaviin kuvaajiin, joissa vaaka-akselilla on vuoden tunnit.
Rakennuksessa oli useita energiamittareita, jotka on sijainteineen merkitty tau-lukkoon 2. Jokaisessa keskuksessa on koje- ym. mittareiden lisäksi kokonaisku-lutusmittarit, jotka mittaavat keskuksen kokonaiskulutusta. Keskusten sijainnit on esitetty liitteessä 1. Pääkeskuksen energiamittarit eivät kuitenkaan mittaa ryhmä-keskusten kulutusta, vaikka pääkeskus niitä syöttääkin. Rakennuksen kokonais-kulutus onkin laskettu summaamalla kaikkien keskusten energiankokonais-kulutusdata yh-teen Excelissä.
TAULUKKO 2. Kohderakennuksen keskukset ja niiden energiamittarit Tunnus Alue Mittarit
PK/KK-1.1 Pääkeskus Kokonaiskulutus Valaistus
LVI
RK-IV1.1 Ilmanvaihto Kokonaiskulutus Aurinkoenergia
KK-1.2 1. krs Kokonaiskulutus
Valaistus Koje
KK-1.3 2. krs Kokonaiskulutus
Valaistus Koje
RK-VSS1.4 Kellari Kokonaiskulutus Valaistus
Aluksi laskettiin tehodatan perusteella keskuskohtaiset keski- ja huipputehot, jotta saatiin kartoitettua tehopiikkien aiheuttajia. Keskusten keski- ja huipputehoja on vertailtu taulukossa 3. Kaikkien, paitsi RK-IV1.1:n keski- ja huipputehot poh-jautuvat koko vuoden dataan. IV-keskuksen tehoja on tarkasteltu ainoastaan tammikuulta 2017, koska keskuksesta oli saatavilla tehodataa ainoastaan koko keskukselta ja aurinkosähköjärjestelmältä. Energiamittarit oli kytketty siten, että aurinkosähköjärjestelmän tuotanto sisältyy keskuksen kokonaiskulutukseen. Tä-män vuoksi kulutus on energiamittarin mukaan hyvin pientä tai negatiivista (=kes-kus syöttää tehoa kiinteistön muille keskuksille) aurinkoisina päivinä, kun aurin-kosähköjärjestelmä tuottaa sähköä. Tarkastelujaksoksi valittiinkin ajankohta, jol-loin aurinkovoimalan kulutus on ollut lähestulkoon nollassa.
TAULUKKO 3. Keskusten keski- ja huipputehot vuoden 2017 ja IV-keskuksen tehot tammikuun 2017 ajalta
Keskus Keskiteho Huipputeho
kVA kW kVA kW
Taulukosta huomataan, että suurimmat 15 minuutin huipputehot ovat keskuksilla PK/KK-1.1 ja KK-1.3. Pääkeskuksella on kuitenkin myös suurempi vuositeho kuin KK-1.3:lla. KK-1.3:n pätövuositehohuippu onkin noin viisinkertainen keski-määräiseen pätötehoon verrattuna, kun pääkeskuksen tehohuippu on noin 2,6-kertainen keskitehoon nähden. Keskuksella KK-1.2 on suurin huipputeho suh-teessa keskitehoon, mutta sen tehohuippu on kuitenkin pieni verrattuna PK/KK-1.1:een ja KK-1.3:een.
Suurin sähkönkulutus on keskuksella PK/KK-1.1, joka syöttää rakennuksen läm-mitysjärjestelmää. Lämmityksen suurimmat kulutuspisteet ovat maalämpöpum-put ja varaajat, joiden yhteenlaskettu nimellispätoteho on 39,6 kW. Näin ollen keskuksen sähkönkulutus riippuukin melko pitkälti ulkolämpötilasta. Tätä on ha-vainnollistettu kuviossa 5, jossa on verrattu keskuksen tammikuun ja heinäkuun tehontarvetta yhden viikon osalta. Kuviosta nähdään, kuinka kesällä keskuksen teho laskee huomattavasti talven tehoa pienemmäksi.
KUVIO 5. Keskuksen PK/KK-1.1 pätötehot ajalta 16.1.2017 - 22.1.2017 ja 10.7.2017 - 16.7.2017
Ma klo 00.00 Su klo 23.45
Suurin huippu- ja keskitehon erotus on saunan kiuasta syöttävällä keskuksella KK-1.3. Kiukaan lisäksi keskukseen on kytketty joitain valaisimia, verhomootto-reita sekä yläkerran pukuhuoneiden siivouspistorasioita ja monitoimisalin av-lait-teiden pistorasioita. Näin ollen kiuas on keskuksen ylivoimaisesti suurin kulutus-piste, joten sen käyttö määrittelee hyvin pitkälti koko keskuksen tehontarpeen.
Kiukaan osuus keskuksen sähkönkulutuksesta on esitetty kuviossa 6, jossa sini-nen alue kuvaa keskuksen kokonaiskulutusta ja oranssi kulutusta ilman kiuasta.
KUVIO 6. Keskuksen KK-1.3 sähkönkulutus vuodelta 2017
Viikkotasolla kiukaan käytön vaikutusta sähkönkulutukseen on havainnollistettu kuviossa 7. Tarkastelujakso kuviossa on maanantaista 16.1. sunnuntaihin 22.1.
asti. Kuviosta huomataan, että viikonpäivillä ei juurikaan ole vaikutusta kiukaan käyttöön. Kiukaan käyttö ajoittuu iltapäivästä myöhään iltaan, ja se on säännöl-listä kello-ohjauksen vuoksi. Tämän vuoksi kiuas on potentiaalinen kohde kysyn-täjoustolle ympäri vuoden.
KUVIO 7. Keskuksen KK-1.3 15 minuutin keskipätötehot ajalta 16.1.2017 - 22.1.2017
Kolmas suurempi sähkön kuluttaja on IV-konehuoneen ryhmäkeskus RK-IV1.1.
Keskus syöttää ilmanvaihtokoneiden puhaltimia, joten sen kuormitus on tasai-sempaa kuin KK-1.3:lla ja PK/KK-1.1:llä. Tämä voidaan todeta vertaamalla tau-lukosta 3 keski- ja huipputehoja keskenään. Kuormitusta viikkotasolla havainnol-listetaan kuviossa 8, jossa on esitetty keskuksen pätötehot maanantaista 16.1.
sunnuntaihin 22.1. asti. Kuviosta huomataan tehontarpeen olevan rakennuksen käyttöaikoina varsin tasaista, joskin se kohoaa iltaa kohden. Tällöin liikuntahallilla on enemmän käyttäjiä, joten ilmanvaihtokoneetkin toimivat suuremmalla teholla.
Samasta syystä viikonloppuna kulutus on ollut pienempää.
KUVIO 8. Keskuksen RK-IV pätötehot ajalta 16.1.2017 - 22.1.2017
Kaksi muuta ryhmäkeskusta syöttävät lähinnä valaisimia ja pistorasioita, joten niiden kuormitus on pientä. Varsinkin kellarin keskuksen RK-VSS1.4 kuormitus on todella pieni alle 300 W huipputehollaan. Keskus syöttääkin ainoastaan kella-rissa sijaitsevia väestönsuojaa sekä varastoa, joiden käyttö on vähäisempää kuin yleisten tilojen. Keskuksen KK-1.2 tehot ovat hieman suuremmat kuin kellarin keskuksella, mutta muihin keskuksiin verrattuna kuitenkin aika pienet.
Kuvioista 7 ja 8 huomataan, että keskusten RK-IV ja KK-1.3 päivän huippukulutus osuu molemmilla iltapäivälle, jolloin tiloissa on enemmän käyttäjiä. Kuviossa 9 kolmen suuritehoisimman keskuksen kulutusta verrataan rakennuksen
kokonais-kulutukseen samalla viikon tarkasteluvälillä, kuin aiemminkin. Kuviosta huoma-taan, kuinka suurimmat kulutushuiput osuvat aikoihin, jolloin kiuas on päällä. Il-manvaihdon tehonnousu iltapäivien ja iltojen aikana on melko pientä tähän näh-den. Matalin kulutus on öisin, jolloin tilat eivät ole auki asiakkaille.
KUVIO 9. Suuritehoisimpien keskusten pätötehot ajalta 16.1.2017 - 22.1.2017 Kuvioon 10 on piirretty vielä helmikuun tuntitehojen keskiarvojen perusteella yh-den päivän keskiarvollinen tehoprofiili. Kuviosta nähdään, että vuorokausitasolla kulutus on pienimillään puolesta yöstä aina kello kuuteen aamulla. Vaikka kes-kiarvolaskelma tasoittaakin kuvaajasta suurimmat tehovaihtelut, saadaan siitä yleisluontoinen käsitys tehomuutosten ajankohdista.
KUVIO 10. Helmikuisen vuorokauden keskiarvollinen tehoprofiili
Rakennuksen verkosta otetut kokonaistehot ovat suurimmillaan talvisin, jolloin lämmitysjärjestelmän kuormitus on korkealla eikä aurinkosähköjärjestelmä tuota sähköä. Vastaavasti kesällä tarvittava lämmitys- ja valaistusteho on pieni ja au-rinkopaneelit tuottavat sähköä. Tämä nähdään kuviosta 11, jossa on kuvattu ra-kennuksen verkosta ottamaa kokonaistehoa koko vuoden 2017 ajalta.
KUVIO 11. Koko rakennuksen nimellis- ja pätötehot vuoden 2017 ajalta
Lämmityksen pienentynyt tehontarve verrattuna talveen nähdään tarkemmin ver-taamalla kuvioita 9 ja 12. toisiinsa. Kuvio 12 havainnollistaa, kuinka varsinkin pääkeskuksen tehot ovat korkeamman ulkolämpötilan vuoksi huomattavasti pie-nemmät. Myös keskuksen KK-1.3 tehot ovat pienemmät kuin talvisin, sillä saunan lämmittämiseen ei tarvita yhtä paljon tehoa ulko- ja saunatilan välillä vallitsevan pienemmän lämpötilaeron vuoksi.
KUVIO 12. Rakennuksen tehot väliltä 10.7.2017 - 16.7.2017
Aurinkosähkön tehontuotto ajoittuu kevään ja kesän ajalle ja on suurimmillaan noin 14 kW (kuvio 13). Koska järjestelmä kuluttamisen sijaan tuottaa tehoa, se on merkattu negatiiviseksi.
KUVIO 13. Aurinkosähköjärjestelmän tuotto vuodelta 2017
Keskuksen RK-IV kokonaistehokuvaajasta (kuvio 14) kuitenkin huomataan, että suurin osa aurinkopaneeleilla tuotetusta sähköstä kulutetaan jo RK-IV-keskuk-sella. Silloinkin, kun keskus syöttää tehoa rakennuksen sähköverkkoon päin, tuo-tettu teho pysyttelee viiden kilowatin alapuolella. Näin ollen rakennuksen oma-tuotanto käytetään aina rakennuksen sisällä, eikä sitä tarvitse myydä verkkoon.
KUVIO 14. Keskuksen RK-IV kokonaistehot vuodelta 2017
6 KYSYNTÄJOUSTON TOTEUTUS L-TALOSSA
Testirakennuksessa sähkötehopiikkejä oli tarkoitus tasata sekä akuston, että älykkään kuormanohjauksen avulla. Tässä työssä keskityttiin akuston osuuteen tehohuippujen tasaamisessa.
Akusto hankittiin ja mitoitettiin sillä ajatuksella, että sitä käytettäisiin aurinkosäh-köjärjestelmän tuottaman energian varastoimiseen. Lisäksi akustoa oli tarkoitus käyttää tehohuippujen leikkaamiseen. Aurinkoenergian ohella akustoa oli tarkoi-tus ladata verkkosähköllä silloin, kun sähkön spot-hinta on alhaalla.