4. ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMINEN JAKELUVERKOSSA
4.5 Järjestelmätason ohjaustoimenpiteet energiatehokkuuden edistämisessä
Perinteisen komponenttien korvaamisen ohella sähköverkon energiatehokkuutta voidaan edistää järjestelmätason ohjaustoimenpiteillä. Lähteen (Tractebel Engineering & Ecofys, 2015) mukaan järjestelmätason ohjaustoimenpiteillä tarkoitetaan sähkönkäytön ohjausta ja sähköverkon hallintaa, eli tavanomaisemmin sanottuna kysyntäjoustoa ja verkon käyt-töä. Suomen jakeluverkon teknisten häviöiden ollessa Euroopan kärkitasoa verkkoyhtiöi-den energiatehokkuuverkkoyhtiöi-den edistäminen tulee tulevaisuudessa painottumaan yhä enemmän järjestelmätason ohjaustoimenpiteisiin. Luvuissa 4.5.1 ja 4.5.2 selvitetään kysyntäjouston ja verkon käyttötoiminnan roolia jakeluverkon energiatehokkuuden edistämisessä verk-koyhtiössä.
4.5.1 Verkon hajautettujen resurssien kontrollointi
Verkon hajautettujen resurssien kontrollointi tarkoittaa hajautetun tuotannon (DG), ky-syntäjouston (DR) ja energiavarastojen (ES) muodostamaa kontrolloitavaa kokonai-suutta. Toisin sanoen kyseessä on järjestelmä, jonka kautta sähkönkäyttö ja tätä kautta verkon energiatehokkuus pystytään kokonaisoptimoimaan. Tällöin verkon sähköntuotan-toa sekä asiakkaiden sähkönkäyttöä ohjataan siten, että sähköntuotanto- ja siirto pystytään toteuttamaan ympäristöystävällisesti ja kustannustehokkaasti siirtämällä sähkönkäyttöä alhaisemman kysynnän tunneille. Sähköverkon energiatehokkuuden näkökulmasta ha-jautettujen resurssien kontrolloinnilla voidaan edistää energiatehokkuutta marginaalisia häviöitä vähentämällä (kuormitusprofiilien tasaaminen) ja sähkönsiirtomatkoja lyhentä-mällä (paikallinen energiantuotanto ja -kulutus).
Verkon hajautettujen resurssien kontrolloinnin mahdollistamaa sähköverkon energiate-hokkuuden edistäminen riippuu pääasiallisesti kolmesta avaintekijästä: 1) spatiaalisesta- 2) temporaalisesta- ja 3) teknisestä yhteensopivuudesta. Spatiaalisessa yhteensopivuu-dessa on kyse hajautettujen resurssien ”tilaa koskevasta” yhteensopivuudesta eli siitä, kuinka lähellä tuotanto ja kulutus ovat toisiaan fyysisesti. Yleensä verkon energiatehok-kuus on sitä parempi, mitä lähempänä DG tai ES ovat kulutuskohdetta. Vastaavasti
tem-poraalinen yhteensopivuus kuvaa hajautetun resurssin ajallista yhteensopivuutta. Ylei-sesti verkon häviöt pienenevät DG-penetraatiotason kasvaessa, kun johdon kuormitus pienenee DG:n tuottaessa osan sähkön kysyntätarpeesta. Toisaalta energiatehokkuus ke-hittyy verkon puolelta vain tiettyyn pisteeseen asti: DG-penetraatioasteen kasvaessa tiet-tyyn pisteeseen asti sähköntuotanto ylittää monesti hetkellisesti kysynnän, jolloin tehoa syötetään asiakkaan puolelta verkkoon. Tällaisessa tilanteessa energiatehokkuuden vai-kutus heikkenee kuvan 4.8 mukaisesti ja saavuttaa lopulta energiatehokkuuden näkökul-masta jopa lähtötasoa heikomman tilanteen. (Tractebel Engineering & Ecofys, 2015)
Kuva 4.8 DG-penetraatioasteen vaikutus sähköverkon energiatehokkuuden kehittymi-seen. (Heckmann et al., 2013)
Kuten kuvasta huomataan, verkon energiatehokkuus kehittyy DG:n penetraatioasteen kasvaessa tiettyyn pisteeseen asti. Toisaalta tilanteessa, jossa sähkönkysyntä on pientä, jopa verraten pieni DG-penetraatioaste saattaa aiheuttaa tilanteita, joissa verkon energia-tehokkuus heikkenee. Sveitsissä tehdyn tutkimuksen mukaan (Bucher, 2014) tutkimuk-sen kohteena ollut sähköverkko oli energiatehokkuudeltaan optimaalisessa tilanteessa, kun aurinkopaneeleilla tuotetun energian penetraatioaste oli 25 prosenttia sähköverkossa kulutetusta kokonaisenergiasta. Tällöin sähkönjakelun häviöt olivat jopa 20 prosenttia pienemmät, kuin ilman hajautettua tuotantoa. Vastaavasti penetraatioasteen ylittäessä 50 prosenttia verkon energiatehokkuus menee heikommaksi kuin tilanteessa, jossa DG:tä ei ole lainkaan verkkoon kytkettynä. Kolmas hajautettujen resurssien energiatehokkuuden avaintekijä on tekninen yhteensopivuus, joka tarkoittaa järjestelmän teknistä soveltu-vuutta reagoida alati muuttuvaan kysyntä/tarjonta –suhteeseen. Esimerkiksi DG:n yhtey-teen kytkettävät akut edistävät järjestelmän teknistä energiatehokkuutta, kun tiettynä ajanhetkenä tuotettu ylijäämäenergia pystytään hyödyntämään myöhempänä ajanhetkenä teknisen ratkaisun kautta.
DR vaikutusta verkkoyhtiöiden energiatehokkuuteen on tutkittu ruotsalaisessa Sala-Heby Energi Elnät AB verkkoyhtiössä. (Koliou et al., 2013) Tutkimuksessa analysoitiin kuor-mitusprofiilien tasoittamisen kautta saatavaa energiansäästöä. Tutkimus toteutettiin siten, että verkkoyhtiön etäluettavilta sähkömittareilta kerättiin tuntikohtaiset kuormitusdatat vuosien 2007 ja 2012 väliltä ja muodostettiin kuvan 4.9 mukainen peruskuormituskäyrä (BLC) päivän jokaiselle tunnille. Tämän jälkeen kuormituskäyrää simuloitiin siten, että 10 prosenttia huippukysynnän sähköntarpeesta (klo 9.00–20.00) siirrettiin pienemmän kysynnän ajalle (klo 23.00–8.00). Tällä tavoin saatiin muodostettua resultanttikuormitus-käyrä (RLC).
Kuva 4.9 Energi Elnät AB verkkoyhtiön keskimääräiset päivittäiset kuormituskäyrät (Ko-liou et al., 2013)
Kuvassa 4.9 esitetyille kuormituskäyrille laskettiin tutkimuksessa esitetyn teorian mukai-sesti häviöiden suuruudet, joiden kautta saatiin laskettua häviösäästön suuruus. Lasken-nan tulokseksi saatiin 4 prosentin lasku verkon häviöissä, kun 10 prosenttia huippukysyn-nän kuormituksesta siirrettiin pienemmän kysynhuippukysyn-nän aikaan. Todellisuudessa 4 prosentin häviöiden pienentäminen kuormitusprofiilin tasaamisen kautta on nykytekniikalla täysin mahdollista. Esimerkiksi hankkeessa ”The Model City Mannheim” (MVV Energie et al., 2013) tutkittiin älykkään ohjausjärjestelmän potentiaalia asiakkaan sähkönkäytön ohjauk-sessa. Hankkeessa tuhannen kotitalousasiakkaan sähkönkäyttöä ohjattiin kotiautomaation sekä älykkään energiapalvelun (Energy Butler) kautta. Pääasiallisesti asiakkaan sähkön-käyttöä ohjattiin dynaamisesti ja hintaperusteisesti. Projektin aikana asiakkaat siirsivät kulutustaan huipputunneilta pienemmän kuormituksen tunneille keskimäärin noin 11 pro-sentilla, mikä osoittaa kuormituskäyrien tasaamisen kautta saatavan 4 prosentin energi-ansäästöpotentiaalin ilmeiseksi.
Kysyntäjoustopalveluiden ja niihin liittyvien hankkeiden, kuten luvussa 3.2.4 esitellyn virtuaalivoimalaitos -projektin ollessa vasta kehitteillä hajautettujen resurssien kautta
saa-tavaa energiansäästövaikutusta on nykytilanteessa vaikea arvioida. Tulevaisuudessa ky-syntäjoustopalveluiden vakioituessa häviösäästövaikutuksia voisi pyrkiä arvioimaan pe-rus- ja resultanttikuormituskäyriä vertaamalla. Laskentamenetelmänä voitaisiin hyödyn-tää jo tutkimuksessa (Koliou et al., 2013) käytettyä laskentamenetelmää. Nykytekniikalla edellä esitetyn kaltainen laskenta on jo mahdollista ja tarkentuu lähitulevaisuudessa, kun tuntimittauksesta siirrytään mittaamaan 5 minuutin sarjaa. Laskennan kannalta suurin haaste lienee resultantti kuormituskäyrän muodostaminen.
4.5.2 Sähköverkon hallinta
Sähköverkon hallinnalla pystytään vaikuttamaan verkon energiatehokkuuteen ohjaamalla verkon kuormitusta automatiikan ja käyttöteknisten toimenpiteiden kautta. Energiatehok-kuuden näkökulmasta verkostoautomaatiolla tarkoitetaan pääasiallisesti loistehon kom-pensoinnin kautta pieneneviä loistehon siirron häviöitä. Vastaavasti käyttötekniset toi-menpiteet ovat verkkoyhtiön käyttökeskuksesta tehtäviä verkonohjaustoimenpiteitä, joilla verkon kytkentätilaa pystytään optimoimaan energiatehokkuuden edistämiseksi.
Tässä luvussa arvioidaan verkkoyhtiön keinoja edistää sähkönjakelun energiatehokkuutta käyttöteknisten toimenpiteiden kautta. Tarkastelun ulkopuolelle jätetään maakaapeloin-nista aiheutuvan kapasitiivisen loistehon kompensoinnin häviösäästövaikutus, sillä lois-tehon kompensointi ajatellaan maakaapeloinnin edellyttämänä ”teknisenä pakkona”.
Energiatehokkuutta pystytään edistämään käyttöteknisillä toimenpiteillä verkon kytken-tätilaa ohjaamalla eli pääasiallisesti jakorajaoptimoinnin ja sähköasemien päämuuntajien välistä kuormitusta tasaamalla. Jakorajaoptimointi ja päämuuntajien kuormitukset suun-nitellaan verkkoyhtiössä laskemalla verkkotietojärjestelmällä verkolle nk. peruskytken-tätilanne, jossa kokonaisoptimoidaan verkon käyttövarmuus ja häviöt. Teoriassa verkko-topologian asettelujen kautta saatavia häviösäästöjä voitaisiin arvioida eri peruskytkentä-tilanteiden häviöitä vertaamalla. Peruskytkentäperuskytkentä-tilanteiden välistä arviointia mutkistavat kuitenkin useat muuttujat, kuten kuormituksen kasvu ja verkon rakenteelliset muutokset, jotka vääristävät huomattavasti arvioinnin oikeellisuutta. Toisaalta yksittäisten kytkentä-tilanteiden muutosten energiansäästövaikutuksen laskeminen voi olla mahdollista ja kan-nattavaa, mikäli tunnistetaan relevantit ja pysyvät verkkotopologian muutokset. Tällöin laskenta on kuitenkin tehtävä tapauskohtaisesti.
Toisin kuin keskijänniteverkossa, suurjänniteverkossa (110 kV) kytkentätilanteet ovat melko pysyviä. Tämä mahdollistaa häviösäästöjen kohtuullisen tarkan arvioimisen tilan-teissa, joissa 110 kV verkon peruskytkentätilannetta päivitetään. Toisaalta 110 kV verkon läpi syötetään myös huomattavasti isompia tehoja kuin keskijänniteverkossa, jolloin käyt-töteknisten toimenpiteiden laskeminen saattaa mahdollistaa suuriakin häviösäästöjä. Esi-merkiksi opinnäytteessä (Kohonen, 2017) arvioitiin jopa 3,2 GWh vuotuiset häviösäästöt, kun kaksi 110 kV säteittäistä johtolähtöä kytkettiin renkaaseen Turku Energian sähköver-kossa. Tämä osoittaa, että häviösäästöjen laskeminen ja raportointi 110 kV verkon tasolta on kannattavaa, mikäli se vain on mahdollista.
Tämän diplomityön yhteydessä pyrittiin tunnistamaan häviösäästövaikutukseltaan poten-tiaalisin kytkentätilanteen muutoksen energiatehokkuustoimi Elenian verkossa häviö-säästön suuruusluokan arvioimiseksi käynnissä olevalle sopimuskaudelle. Luvussa 5.3 on kuvattu esimerkinomainen laskentamenetelmä tilanteelle, jossa Hämeenlinnan alueella kaksi 110 kV säteittäistä johtolähtöä kytketään renkaaseen.