Säätövoima

Vaihtelevan tuuli- ja aurinkovoiman tuoma muutos sähköverkkoon aiheuttaa haastei-ta verkon ylläpidossa. Kuten työssä on jo aiemmin mainittu, litiumioniakut voivat olla tulevaisuudessa merkittäväkin toimija verkon ylläpidossa ja taajuuden säädössä.

Tästä syystä säätövoima nähdäänkin hyvin potentiaalisena käyttökohteena akuille (Römer et al. 2012) (Hesse et al. 2017). Haasteet aiheutuvat siitä, että sähköverkkoon ei voida varastoida energiaa, vaan sähkön tuotannon ja kulutuksen on jokaisena ajanhetkenä oltava yhtä suuret. Koska täydellinen ennustettavuus on mahdotonta, sähköverkossa on jatkuvasti joko hieman enemmän tuotantoa tai kulutusta, mikä aiheuttaa sähköverkon taajuuteen muutoksia. Kun tuotantoa on enemmän kuin ku-lutusta, taajuus pyrkii nousemaan, ja kulutuksen ylittäessä tuotannon, taajuus taas

laskee. Näitä taajuudenmuutoksia kompensoidaan taajuusreserveillä, joita hallinnoi Suomessa Fingrid. (Fingrid Oyj 2021b) Perinteisessä sähköverkossa resilienssiä ovat tuoneet suuret pyörivät generaattorit, joiden inertia on vakauttanut verkkoa. Tätä inertiaa ei ole tuuli- tai aurinkovoimaloissa. (Datta et al. 2019) Säätövoiman on myös todettu olevan kaupallisesti kannattavaa verrattuna muihin akkujen käyttötarkoituk-siin. (Fong et al. 2017)

Datta et al. (2019) osoittavat artikkelissaan, että vielä hieman yli 14 % tuulivoiman osuudella sähköverkko ei tarvitse tuekseen sähkövarastoja. Kuitenkin vähän alle 18 % osuudella sähköverkon heilahtelut eivät enää ole sallittujen arvojen rajoissa.

Artikkelissa on tutkittu järjestelmän resilienssiä erinäisissä häiriötilanteissa, mutta se antaa suuntaviivoja sille, millä tuulivoiman osuudella sähköverkossa alkaa näkyä ongelmia vaihtelevasta tuotannosta johtuen. Suomen sähköntuotannosta oli vuonna 2020 tuulivoimaa 11.8 % ja aurinkovoimaa 0.4 % (Energiateollisuus 2021), joten tuleviin ongelmiin olisi kannattavaa varautua nyt. Kuvasta 7 on nähtävissä, miten tuulivoiman osuus Suomen sähköntuotannosta on kehittynyt vuosien 2006 ja 2020 välillä. Suomen Tuulivoimayhdistyksen mukaan tuulivoimateollisuuden tavoitteena on tuottaa noin 30 % Suomen sähköstä (30 TWh) vuoteen 2030 mennessä. Tämä voi aiheuttaa haasteita sähköverkon taajuuden ylläpidon suhteen. (Finnish Wind Power Association 2020)

Kuva 7: Tuulivoiman kehittyminen Suomessa. Data: Energiateollisuus (2021) Fingrid hallinnoi Suomessa seuraavia eri taajuusreservejä: Taajuusohjattu käyt-töreservi (Frequency Containment Reserve for Normal Operation (FCR-N)), Taa-juusohjattu häiriöreservi (Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D)), Nopea taajuusreservi (Fast Frequency Reserve (FFR)), Automaattinen taajuu-denhallintareservi (automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR)) ja

Säätösähkö-28

markkinat ja nopea häiriöreservi (manual Frequency Restoration Reserve (mFRR)).

Näillä reserveillä on omat tarkoituksensa, FCR-N ja FCR-D pyrkivät pysäyttämään taajuuden muutoksen sen alentuessa tai kohotessa, aFRR ja mFRR taas pyrkivät palauttamaan taajuuden toivottuun 50 Hz arvoon. FFR on uudentyyppinen reservi, joka on suunniteltu käytettäväksi pienen inertian hetkinä. (Fingrid Oyj 2021b)

Kuvassa 8 on havainnollistettu taajuuden käyttäytymistä sähköverkossa. Suo-messa taajuuden normaalirajat ovat 49.9 - 50.1 Hz, ja taajuus vaihtelee sähkön kulutuksen ja tuotannon epäsuhdan mukaisesti kaikkina ajanhetkinä hieman. Pienet taajuudenmuutokset eivät kuitenkaan aiheuta häiriöitä sähkön kuluttajille. Suu-remmat taajuushäiriöt voivat kuitenkin aiheuttaa esimerkiksi vahinkoa laitteille, jolloin verkon taajuuden tarkka monitorointi ja sen vakaana pitäminen on olennaista.

(Kirby et al. 2002) On myös mahdollista, että tulevaisuuden kehittyneemmät elektro-niset laitteet ovat alttiimpia taajuuden vaihteluille, jolloin verkon taajusvaatimukset kiristyvät. Tällöin säätövoiman tarve kasvaisi entisestään.

Kuva 8: Sähköverkon taajuus vaihtelee myös normaalissa tilanteessa jonkin verran, koska kulutusta ja tuotantoa ei ole täsmälleen saman verran.

Juuri akut ovat säätövoiman kannalta mielenkiintoisia monesta eri syystä. Niillä on mahdollista vastata verkon taajuuden vaihteluihin hyvin nopeasti ja tarkasti, ja hyödyntämällä BMS:ä niiden käytöstä johtuvaa ikääntymistä voidaan hillitä tehok-kaasti. Akkujen jännitteenkäyttöaluetta säätämällä voidaan vaikuttaa sekä akun ikääntymiseen että sen hyödynnettävyyteen reservimarkkinoilla, ja akulla voi erilai-sissa käyttötilanteissa ja verkoissa olla tarvetta erilaiselle teho-kapasiteetti -suhteelle.

Akut ovat siis helposti modifioitavissa, ja modulaaristen akkujen tapauksessa myös jälkikäteen muokattavissa. (Fleer & Stenzel 2016)

Akkujen käyttöön säätövoimana kannustaa myös säätövoimalle ominainen pienen energiakapasiteetin tarve. Datta et al. (2019) osoittavat artikkelissaan, että

käy-tettäessä akkua taajuudenhallintaan siltä ei vaadittu paljoa energiakapasiteettia, vaan yhden verkon vian jälkeen akun kapasiteetti oli lähes täysin sama kuin en-nen vikaa, vaikka se oli kompensoinut vian aiheuttamaa häiriötä verkossa. Akkua pystyttiin siis käyttämään myös uusiin kompensointeihin heti, ja oikeanlaisella hal-linnalla akun varaustaso voitaisiin pitää ikääntymisen kannalta suotuisalla alueella.

Tämä myös mahdollistaa esimerkiksi ajoneuvoakkujen uudelleenkäytön säätövoima-tarkoituksessa, koska pienentynyt energiakapasiteetti ei aiheuta haittaa toiminnalle.

(Neubauer & Pesaran 2011) Säätövoima ei käyttökohteena edellytä akuilta saman-laista suoriutumiskykyä tai energiakapasiteettia, kuin esimerkiksi ajoneuvoakuilta vaaditaan.

Säätövoimaa tarjoavat akut tarvitsevat tuekseen tarkan ohjausjärjestelmän. Järjes-telmän peruskomponentit ovat akku, kaksisuuntainen DC/AC-muunnin ja verkkoon kytketty muuntaja. Ohjausjärjestelmän tehtävä on valvoa verkon taajuutta ja jänni-tettä, ja tarvittaessa lähettää signaali akulle joko akun purkamisesta tai lataamisesta, verkon tilanteen tasaamiseksi. Verkon tilanteen tarkkailun lisäksi ohjausjärjestelmän tulee seurata akun varaustasoa, jotta se ei nouse tai laske jännitealueen ulkopuolelle.

(Datta et al. 2019) Akkujen käyttäminen säätövoimana edellyttää hyvää hallinta-järjestelmää myös siksi, että tehokkaan käytön takaamiseksi akkujärjestelmän tulee voida huomioida tulevaisuuden muutokset sähköverkon taajuudessa (esimerkiksi tuu-len voimakkuuden vaihtelut jotka voivat vaikuttaa tuulisähkön tuotantoennusteeseen) ja toisaalta konkreettiset, hetkittäiset muutokset sähköverkon jännitetilassa. Akun täytyy kyetä optimoimaan oma toimintansa nykyhetkessä yhdistäen siihen kuitenkin tulevaisuuden olosuhteet. (Maeyaert et al. 2020)

Säätövoima on osaltaan jo hyvin tunnettu akkujen käyttötapa, ja sitä sovelle-taankin muunmuassa Suomessa. Tämä johtuu osittain siitä, että akkuja voidaan säätövoiman lisäksi käyttää yleensä myös muihin tarkoituksiin, joten säätövoiman tarjoaminen reservimarkkinoille voi tehdä akun hankkimisesta muuhun tarkoitukseen kannattavampaa. Aiemmin mainittujen akun ominaisuuksien lisäksi tätä käyttötar-koitusta tukee siis säätömarkkinoiden kautta akun suurempi käyttöaste. On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että akun käyttäminen muihin kuin alkuperäiseen tarkoitukseen voi heikentää sen suoriutumista tässä pääasiallisessa tarkoituksessa. (Maeyaert et al.

2020)