4.2 Keskijännitejohtolähtö
4.2.1 Johtorakenteet
Voimajohtoja valmistavan Reka Kaapeli Oy:n vuonna 2007 valmistuksessa käyttämä energia oli 0,85 kWh/tuotettu kaapelikilogramma. Arvossa on mukana tehtaiden koko-naissähkönkulutus ja luku on painotettu kaikista vuonna 2007 valmistetuista johdoista.
Tämän perusteella voidaan laskea voimajohtojen valmistukseen keskimäärin kuluva ener-giamäärä ja aiheutuvat CO2-päästöt, kun johtoa valmistetaan 1 000 m. Esimerkki tulok-set on esitetty taulukossa 4.
Taulukko 4. Eri kolmivaihejohtojen johtimien valmistusvaiheessa kuluva energia sekä aiheutuvat hiilidioksidipäästöt.
Johto Pituus asennettuna [m] Paino [kg] Energiankulutus
[kWh] CO2-päästöt [kg]
AHXAMK-W 120 1 000 2 625 2 231 504
3 x AAC 132 1 000 2 730 2 321 525
Kuljetus
Kaapelit pakataan keloihin, jotka kaapelin käyttäjä usein palauttaa käytön jälkeen takaisin kaapelin toimittajalle. Kaapelikelojen kuljettamiseen käytetään Suomen rajojen sisäpuo-lella pääasiassa kuorma-autoja, mutta ulkomaille vietäessä myös laivoja ja junia. Olete-taan, että täysi kaapelikela kuljetetaan Suomessa tehtaalta tilauksen tehneelle verkkoyh-tiölle. Kuljetukseen käytetään täysperävaunuyhdistelmää, joka painaa noin 60 tonnia ja kuluttaa polttoainetta noin 50 l/100 km. Arvioidaan kuorman osuudeksi kokonaispainos-ta noin 40 tonnia. Kuljetekokonaispainos-taan 1 000 m 20 kV maakaapelia AHXAMK-W 3*120AL+35 CU. Tarkastellaan tilannetta, jossa kelan ja siihen kiedotun kaapelin yh-teispaino on noin 2 625 kg. Oletetaan, että ajoneuvoyhdistelmä on täydessä kuormassa, jolloin tarkasteltavan kelan osuus kuormasta on noin 6,6 %. Kun kuljetusmatka on 100 km, kuluu polttoainetta noin 50 l. Litra dieseliä sisältää energiaa 38,6 MJ ja se poltetaan moottorissa noin 40 prosentin hyötysuhteella. Energiaa kuluu yhteensä 536 kWh. Kaape-lin osuus kuljetukseen vaadittavasta energiasta on noin 35 kWh ja kuljetuksen CO2 -päästöistä noin 9 kg.
Vastaavasti voidaan laskea myös muiden johtojen kuljetukseen kuluva energiamäärä pai-non perusteella. Taulukossa 5 on esitetty eri voimajohtojen kuljetuksessa käytettäviä energiamääriä, kun johdon pituus on 1 000 m, kuljetettu matka on 100 km ja ajoneu-voyhdistelmän polttoaineen kulutus 50 l/100 km.
Taulukko 5. Kolmivaihejohtojen kuljetukseen kuluvat energiamäärät ja aiheutuvat CO2-päästöt.
Pituus asennettuna [m] Paino [kg] Energiaa kuluu kun osana kuormaa [kWh]
Kuljetuksesta aiheutu-vat CO2-päästöt [kg]
AHXAMK-W 120 1 000 2 625 35 8,7
3 x AAC 132 1 000 2 730 37 9
Avojohtorakenteen käyttöönotto ja asentaminen
• Tarvitaan: kaivuri, kuorma-auto nosturilla, työryhmäauto, pakettiauto, 3-5 työntekijää, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: asentajien työ 70-125h/km, maastosuunnittelu 26-40 h/km, kaivu 35 h/km raivaus 25h/km
Maastosuunnittelijat käyvät kolmena päivänä pakettiautolla alueella ennen johdon asen-tamisajankohtaa. Ajomatkaa kertyy 120 km ja polttoainetta kuluu 13,2 l, joten energiaa kuluu noin 142 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 35 kg. Oletetaan, että uusi avojohtora-kenne raavojohtora-kennetaan vanhalle johtokadulle tai helposti raivattavaan maastoon. Raivausta varten työskentelee yksi henkilö maastosta ja olosuhteista riippuen noin 13 h. Raivaaja kulkee paikalle kahtena päivänä pakettiautolla ajaen yhteensä80 km. Auto kuluttaa ener-giaa noin 94 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 23 kg. Lisäksi arvioidaan, että raivaussaha kuluttaa polttoainetta noin 1,4 l tunnissa, joten 13 tunnissa kuluu 18 l polttoainetta.
Energiaa kuluu noin 237 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 59 kg. Asentajat tulevat asen-nuspaikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan 9 päivän aikana 360 km. Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 61,2 l. Energiaa kuluu noin 656 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 163 kg.
Pylväiden kaivamista varten tarvitaan kaivuri, joka työskentelee yhteensä 18 h ja kuluttaa polttoainetta 270 l. Energiaa kuluu noin 2 895 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 718 kg.
Asennustyöstä osa tehdään pylväiden yläpäissä. Työn voi tehdä kiipeämällä pylvääseen, mutta usein käytetään nostinta apuna. Tarvitaan siis kuorma-auto nosturilla, jonka olete-taan olevan käytössä 33 h. Lisäksi osa tarvikkeista tuodaan kuorma-autolla. Se tulee työmaalle viitenä päivänä ja ajomatkaa kertyy yhteensä noin 200 km. Polttoainetta kuluu yhteensä 410 l. Energiaa kuluu 4 396 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 1091 kg. Tarvitaan myös kelauslaite, joka kuluttaa polttoainetta yhteensä noin 100 l. Kelauslaite kuluttaa energiaa siten 1072 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 266 kg. Yhteensä avojohdon asenta-miseen kuluu energiaa 9 500 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 2 355 kg.
Maakaapelirakenteen käyttöönotto ja asentaminen
Maakaapelit voidaan asentaa joko kaivamalla ne maahan tai käyttämällä auraustekniik-kaa, joka on nopeampaa kuin kaivaminen. Aurausta ei kuitenkaan voida aina käyttää vai-keakulkuisen maaston vuoksi. Asennuksessa kuluva aika riippuu merkittävästi maaston laadusta, johon kaapeli asennetaan.
• Tarvitaan: kaivuri, työryhmäauto, pakettiauto, 2-4 työntekijää, kelauslaite, asennusväli-neet ja tarvikkeet
• Kesto: olosuhteista riippuen kaivamalla kaivurityötä 130-200 h/km ja asennustyötä 200-440 h/km, auraamalla kaivurityötä 70 h/km ja asennustyötä 65-80 h/km
Maakaapelien asennuksen keskimääräinen energiankulutus on tässä työssä laskettu olet-taen aurauksen osuudeksi puolet asennetusta kaapelipituudesta. Erikseen asennustapoja on käsitelty seuraavissa kappaleissa.
Kaivaen
Maastosuunnittelijat käyvät kahtena päivänä pakettiautolla alueella ennen kaapelin asen-tamisajankohtaa, joten kilometrejä kertyy 80 ja polttoainetta kuluu 8,8 l. Energiaa kuluu noin 94 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 23 kg. Asentajat tulevat asennuspaikalle työrmäautolla, jolla ajetaan yhdeksän päivän aikana 360 km. Näin ollen dieseliä kuluu yh-teensä 61,2 l. Energiaa kuluu noin 656 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 163 kg. Kaivurilta kuluu aikaa noin 100 h. Polttoainetta kuluu 1500 l. Energiaa kuluu noin 16 083 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 3 990 kg. Tarvitaan myös kelauslaite, joka kuluttaa polttoainetta 10 l/h. Polttoainetta kuluu yhteensä 1000 l. Energiaa kuluu noin 10 722kWh ja CO2 -päästöjä aiheutuu 2 350 kg. Yhteensä kaapelin asennuksessa kaivettuun ojaan kuluu energiaa 27 556 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 6 526 kg.
Auraten
Maastosuunnittelijat käyvät kahtena päivänä pakettiautolla alueella ennen kaapelin asen-tamisajankohtaa ajaen yhteensä 80 km, johon polttoainetta kuluu 8,8 l. Energiaa kuluu noin 94 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 23 kg. Asentajat tulevat asennuspaikalle työryh-mäautolla, jolla ajetaan viiden päivän aikana 200 km. Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 34 l. Energiaa kuluu noin 365 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 91 kg. Auraustekniikkaa käyttämällä kaivurilta kuluu auraamiseen aikaa noin 40 h. Polttoainetta kuluu 600 l.
Energiaa kuluu noin 6 433 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 1 397 kg. Yhteensä kaapelin asennuksessa auraten energiaa kuluu noin 6 892 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 1 710 kg.
Käytön aikana aiheutuvat häviöt
Voimakaapelin käyttöikä vaihtelee huomattavasti ja tähän vaikuttaa siirto- ja jakeluver-kon rakenne sekä mahdollisesti johdolla kuljetettavan sähköenergian määrän kasvu. Käy-tön aikana aiheutuu teho- sekä energiahäviöitä ja lisäksi energiaa kuluu kunnossapitoon ja vikojen korjaamiseen.
Käytönaikainen tehohäviö Ph voimakaapelissa lasketaan yhtälöllä (4.7): (Partanen 2008) 3RI2
Ph = , (4.7)
missä R on häviöresistanssi ja I johdon kuormitusvirta. Energiahäviöt voidaan laskea yh-tälöllä (4.8): (Partanen 2008)
h h
h P t
W ≈ ⋅ (4.8)
Kun käytetään häviöiden huipunkäyttöajan arvoa th=1 755 h ja kuormitusvitana 100 A, saadaan erilaisille voimajohdoille seuraavan taulukon mukaiset teho- ja energiahäviöt.
Taulukossa 6 on esitetty esimerkkitulokset eri johtimille.
Taulukko 6. Esimerkkejä 1km johtimien teho- ja energiahäviöistä sekä niiden laskemisessa käytetyt arvot.
Johto I [A] R [ /km] Ph [W/km] Eh [kWh/km,a] CO2-päästöt [kg/a]
AHXAMK-W 120 100 0,253 7 590 13 320 3 300
AAC 132 100 0,219 6 570 11 530 2 860
Jos johtojen kuormitus pysyisi muuttumattomana ja pitoaika olisi 40 a, kuluisi johtojen häviöihin noin AHXAMK-W 120:lla 533 MWh/km energiaa ja Al 132:lla 461 MWh/km.
Jos vielä oletetaan sähköntuotannon päästöt muuttumattomiksi syntyisi päästöjä pitoajal-la AHXAMK-W 120:lpitoajal-la noin 132 t ja Al 132:lpitoajal-la noin 114 t. Toisaalta johtojen kuormitus tuskin pysyy koko pitoaikaa vakiona ja sähköntuotannon rakenteen muuttuessa nykyinen päästöjen väheneminen jatkunee vielä pitkälle tulevaisuuteenkin. Jos oletetaan johdoille 0,5 % vuotuinen kuorman kasvu ja päästöjen vähentyvän 5 % vuodessa koko pitoajan saadaan yhtälöiden 4.5 ja 4.6 kuormitushäviötermien avulla laskettua AHXAMK-W 120 johdolle 40 a pitoajan häviöenergiaksi 658 MWh ja sitä vastaaviksi CO2-päästöiksi 58 t.
Avojohtorakenteiden kunnossapito
Taulukossa 8 on esitetty keskijänniteverkon avojohdoille kunnossapidossa tehtävät toi-menpiteet kilometriä kohti niiden keskimääräisen elinkaaren 40 a aikana.
Taulukko 8. Avojohtojen 40 a elinkaaren aikana kunnossapidossa tehtävät toimenpiteet. (Vatanen 1998)
Raivaukset Saha 116,5 h, auto 875 km
Tarkastukset Kelkka 23 h, auto 277,5 km
Maadoitusmittaukset Auto 30 km
Huollot/korjaukset Auto 557,5
Häiriöt Auto 340,5 km
Häiriö-, korjaus- ja huoltomatkat tehdään työryhmäautolla ja tarkastukset ja maadoitus-mittaukset pakettiautolla. Pois lukien viankorjaukseen kuluva energia, kunnossapitoon kuluu energiaa vuoden aikana yhteensä noin 215 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 48 kg.
Avojohtorakenteiden viankorjaus
• Tarvitaan: työryhmäauto, kuorma-auto nosturilla, 2-4 työntekijää, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: Vian laadusta riippuen useita tunteja, 2h
Asentajat tulevat paikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan päivän aikana 40 km. Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 6,8 l. Energiaa kuluu noin 73 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 18 kg. Tarvitaan lisäksi nosturilla varustettu kuorma-auto, joka ajaa työpäivän aikana 40 km ja on 2 h nosturikäytössä, joten polttoainetta kuluu tällöin 36 l. Energiaa kuluu tällöin 386 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 96 kg. Yhteensä energiaa kuluu noin 460 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 114 kg. Avojohdoilla esiintyy vikoja keskimäärin 6,14 kpl/100 km,a (Energiateol. 2007). Täten energiaa kuluu viankorjaukseen vuoden aikana 1 km johdolla yhteensä noin 28 kWh/a ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 7 kg/a.
Maakaapelirakenteiden kunnossapito
Taulukossa 9 on esitetty keskijänniteverkon maakaapeleille kunnossapidossa tehtävät toimenpiteet kilometriä kohti niiden keskimääräisen elinkaaren 40 a aikana.
Taulukko 9. Keskijänniteverkon maakaapeleille 40 a elinkaaren aikana tehtävät kunnossapitotoimen-piteet. (Vatanen 1998)
AHXAMK-W
Tarkastukset Kelkka 13 h, auto 150,5 km
Maadoitusmittaukset Auto 30 km
Huollot/korjaukset Auto 541 km
Häiriöt Auto 150 km
Häiriö-, korjaus- ja huoltomatkat tehdään työryhmäautolla ja tarkastukset ja maadoitus-mittaukset pakettiautolla. Pois lukien viankorjaukseen kuluva energia, kunnossapitoon kuluu energiaa kuluu vuoden aikana yhteensä noin 102 kWh/a ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 25 kg/a.
Maakaapelirakenteiden viankorjaus
• Tarvitaan: työryhmäauto, kaivuri, 2-4 työntekijää, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: Vian laadusta riippuen useita tunteja, 2h
Asentajat tulevat paikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan päivän aikana 40 km. Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 6,8 l. Energiaa kuluu noin 73 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 18 kg. Tarvitaan lisäksi kaivuri, joka on käytössä yhteensä 2 h. Polttoainetta kuluu 30 l, jo-ten energiaa kuluu noin 320 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 80 kg. Yhteensä energi-aa kuluu noin 393 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 98 kg. Maakaapeleilla esiintyy vi-koja keskimäärin 1,04 kpl/100 km,a.(Energiateol. 2007) Täten energiaa kuluu viankorja-ukseen vuoden aikana 1 km kaapelilla yhteensä noin 4 kWh/a ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 1 kg/a.
Avojohtorakenteen käytöstä poistaminen
• Tarvitaan: kuorma-auto nosturilla, työryhmäauto, 2-4 työntekijää, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: olosuhteiden perusteella noin 60 h/km
Asentajat tulevat paikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan yhdeksän päivän aikana 360 km.
Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 38,6 l. Energiaa kuluu noin 656 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 163 kg. Kaivuri työskentelee 5 h ja kuluttaa polttoainetta 75 l. Energiaa kuluu noin 804 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 200 kg. Nosturilla varustettu kuorma-auto kuljettaa käytöstä poistetun johdon kierrätykseen. Nosturia käytetään avuksi johtimien irrottamisessa. Arvioidaan polttoainetta kuluvan yhteensä 332 l. Tämän energiasisältö on 3 560 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 883 kg. Tarvitaan myös kelauslaite, joka kuluttaa
polttoainetta yhteensä noin 100 l, jolloin energiaa kuluu noin 1 072 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 266 kg. Yhteensä energiaa kuluu 6 090 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 1 512 kg.
Maakaapelirakenteen käytöstä poistaminen
• Tarvitaan: kaivuri, työryhmäauto, kuorma-auto, kelauslaite, 2-4 työntekijää, asennusvä-lineet ja tarvikkeet
• Kesto: Olosuhteista riippuen 65 h/km (voidaan jättää myös maahan)
Asentajat tulevat paikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan yhdeksän päivän aikana 360 km.
Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 38,6 l. Energiaa kuluu noin 656 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 163 kg. Kaivuri työskentelee 65 h ja kuluttaa polttoainetta 975 l. Energiaa ku-luu noin 10 454 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 2 594 kg. Tarvitaan myös kelauslaite, joka kuluttaa polttoainetta yhteensä noin 650 l. Energiaa kuluu noin 6 969 kWh ja CO2 -päästöjä aiheutuu 1 729 kg. Kela kuljetetaan lopuksi pois kuorma-autolla, jolta kuluu polttoainetta 20 l. Energiaa kuluu noin 214 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 53 kg. Ener-giaa kuluu yhteensä 18 294 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 4 539 kg.