Kuten aiemmin todetaan, sähköntuotantolaitokset voidaan luokitella esimerkiksi eri ener-gianlähteiden ja tuotantoprosessien mukaan. Tässä kappaleessa kerrotaan eri uusiutuvia energianlähteitä hyödyntävistä sähköntuotantomuodoista.
2.2.1 Tuulivoima
Uusiutuvien energianlähteiden yhteisen osuuden kasvaessa sähkön kokonaistuotannossa myös tuulivoimalla tuotettu sähkö on kasvattanut osuuttaan markkinoilla. Sen lisäksi, että tuulivoimaloiden määrät ovat kasvaneet, myös niiden koko ja teho on kasvanut merkittä-västi. Maalle tarkoitettujen tuulivoimaloiden napakorkeus on kasvanut jo yli 150 metriin ja nimellisteho voi olla 5 MW. Merituulivoimalat ovat vielä tätäkin massiivisempia. Korkeim-mat merituulivoimalat ovat napakorkeudeltaan jo noin 180 metrisiä ja niiden nimellistehot voivat olla 10 MW. [8]
Koon lisäksi tuulivoimalat on yleensä jaettu myös niiden akseleiden asennon mukaan, pys-tyakselisiin ja vaaka-akselisiin voimaloihin. Tuulivoimaloiden tuotannon teho on tuulen no-peuden lisäksi suoraan verrannollinen potkurin pyyhkäisypinta-alaan. Koska vaaka-akseli-silla tuulivoimaloilla suuri pyyhkäisypinta-ala on helpommin ja kustannustehokkaammin toteutettavissa, suurempi osa laajan mittakaavan tuulivoimatuotannosta on toteutettu näillä. [9]
Pientuulivoimaksi lasketaan yleensä nimellisteholtaan alle 50 kW tuotantolaitokset. Nämä mittaluokaltaan pientuulivoiman ylärajalla olevat voimalat ovat käytössä pääasiassa maata-louksissa ja pienteollisuudessa. Yleisin pientuulivoiman hyödyntämisen kohde on Suomessa kuitenkin mökeillä. Näiden nimellistehot ovat yleensä alle 1 kW ja lapojen pyyhkäisypinta-ala jää 2–3 metriin. Omakotitalojen paikalliseen sähkön tuotantoon käytetään nimelliste-holtaan 3–4 kW tuulivoimaloita. [9]
Pientuulivoimaa käytetään pääasiassa akkujen lataukseen 12, 24, 48 sekä 230 voltin järjes-telmissä [9]. 12, 24, ja 48 voltin tasasähköjärjesjärjes-telmissä tuulivoimaloiden tuottama vaihto-jännite pitää ensin tasasuunnata, jotta tuotettu sähkö voidaan varastoida akkuihin. Tällöin jakeluverkkoon liitetyn järjestelmän pitää muuntaa alun perin tuulivoimalla tuotettu sähkö-energia invertterillä takaisin verkolle sopivan muotoiseksi vaihtosähköksi. Paikallinen pien-tuulivoiman tuotanto voidaan käyttää myös lämmitysenergian tuottamiseen tai liittää suo-raan omakotitalon omaan sähköverkkoon kulutettavaksi [9].
Kuva 1. Havainnekuva tuulivoimaloiden kasvun kehityksestä [76]
2.2.2 Aurinkoenergia
Auringon maahan saakka säteilemää energiaa voidaan hyödyntää energian tuotannossa esi-merkiksi lämpöenergiaa tuottavilla aurinkokeräimillä ja sähköä tuottavilla aurinkoken-noilla. Aurinkosähkön tuotanto perustuu valosähköiseen ilmiöön, jossa auringonsäteilyn fo-tonit vapauttavat aurinkokennojen puolijohdemateriaaleista elektroneja liikkeelle aiheut-taen näin sähkövirran syntymisen. Aurinkokennon n- ja p-tyypin puolijohteissa auringon-säteilyn fotonien energia saa n-puolen elektronit kulkeutumaan p-puolen aukkoihin. Näin kulkeutuvat elektronit luovat kytkettyyn ulkopuoliseen piiriin sähkövirran. Aurinkokennoja vertaillessa kennojen hyötysuhteen lisäksi yhtä tärkeä parametri on, kuinka paljon ovat pää-omakustannukset wattia kohden. [10, s. 152] [11, s. 82–83]
Aurinkokennojen valmistamisen kannalta tärkein ja yleisimmin käytetty aine on pii. Tätä puolijohdemateriaalia käytetään aurinkokennoissa yksi- tai monikiteisenä. Puolijohdema-teriaali piille perustuvat aurinkokennoteknologiat hallitsevat nykyään suurinta osaa, noin 90 prosenttia, markkinoilla käytetyistä aurinkokennoista. Nykymarkkinoilla olevilla piiki-dekennoilla saavutetaan yleensä noin 15–17 prosentin hyötysuhde. Laboratorio-olosuh-teissa on päästy kuitenkin jo yli 20 prosentin hyötysuhteisiin. Piikidekennoista yksikitei-sestä piistä valmistetut kennot ovat tuotantokustannukseltaan monikiteisiä kennoja jonkin verran kalliimpia. [10, s. 153] [12]
Ohutkalvokennot ovat aurinkokennomarkkinoiden hieman uudempi, niin sanotusti toisen sukupolven aurinkokennoteknologia. Ohutkalvokennoissa valmistusmateriaalina piin si-jasta käytetään muita puolijohdeseoksia, kuten esimerkiksi Galliumarsenidia (GaAs). Ohut-kalvokennot rakentuvat hyvin ohuista, yleensä muutaman mikrometrin paksuisista, valo-herkistä kalvoista, jotka on asetettu halvemmalle pohjamateriaalille. Ohutkalvokennot ke-räävät hajasäteilyä piikidekennoja paremmin, mutta ovat kokonaishyötysuhteeltaan kuiten-kin niitä jäljessä. Yleensä markkuiten-kinoiden ohutkalvokennoilla saavutetaan noin 9–11 prosen-tin hyötysuhde. [10, s. 153–154] [12]
Kolmannen sukupolven aurinkokennoteknologioita ei vielä toistaiseksi juuri nähdä markki-noilla, koska ne ovat vielä tutkimus ja kehitysasteella. Kolmannen sukupolven
Kuva 2. Aurinkokennon toimintaperiaate [12]
aurinkokennoteknologioihin kuuluu muun muassa nanokidekennot ja erilaiset joustavat au-rinkokennot. Nanokidekennojen sähkön tuotanto ei enää perustu puolijohteissa tapahtu-vaan pn-liitosten elektronien liikkeeseen, tapahtu-vaan erilaisiin kemiallisiin reaktioihin, jotka saa-vat elektronit liikkeelle virtapiirissä. [12]
Aurinkovoimalaitosten sähkön tuotantoa voidaan hyödyntää joko yksivaiheisena tai kolmi-vaiheisena, riippuen siitä, millaisen invertterin kautta laitos on verkkoon kytketty. Käytet-tävä invertterilaitteisto määräytyykin myös tuotantolaitteiston tehon mukaan. Tällä hetkellä esimerkiksi pienimmät mikrotuotantolaitokset, alle 3 kWp paneelistoilla, ovat markkinoilla olevien invertterilaitteistojen perusteella järkevää kytkeä verkkoon ainoastaan yksivaihei-silla inverttereillä [13]. Yksivaiheisten aurinkosähköjärjestelmien liitännän maksimisulake-koko on 16 A, joten yksivaiheisen aurinkosähkön mikrotuotantolaitoksen maksimiteho voi olla korkeimmillaan noin 3,7 kVA [4]. Teholtaan tätä suuremmat mikrotuotantolaitokset ovat kolmivaiheisesti verkkoon liitettyjä.
Carunan verkkoon asennettiin vuoden 2020 aikana kokonaisuudessaan yli 2800 alle kah-den MVA:n pienaurinkotuotantolaitosta [14]. Näistä noin 2770, eli valtaosa, on korkeintaan 50 kVA:n mikrotuotantolaitoksia [14]. Kaikkien vuonna 2020 aikana asennettujen pienau-rinkovoimalaitosten yhteinen keskiteho on noin 9,25 kVA [14]. Yksivaiheisiksi tuotantolai-toksiksi ilmoitettiin kaikista tuotantolaitoksista olevan kokonaisuudessaan vain 24 kpl, eli selkeä vähemmistö. Tilastojen valossa yleisimmin 1-vaiheiset aurinkosähköä tuottavat mik-rotuotantolaitokset kytketään kiinteistöjen L1 vaiheeseen. Myös edellä mainituista 24 tuo-tantolaitoksesta 75 %, eli 18 kpl, on kytketty vaiheeseen L1. Näin siksi, että myös asiakkaiden suurin kulutuskuorma on usein kytkettynä tähän vaiheeseen, jolloin omasta sähköntuotan-nosta saadaan suurin hyöty. [15]
2.2.3 Vesivoima
Vesivoiman hyödyntäminen perustuu vesimassojen potentiaalienergiaan ja energian tal-teenottoon potentiaalienergian vapautuessa putouksessa. Vapautetun vesimassan potenti-aalienergia muuttuu pudotessaan ensin liike-energiaksi, minkä jälkeen liike-energia muun-netaan vesivoimalan turbiinin mekaaniseksi energiaksi [16]. Turbiinin pyörittämä generaat-tori muuntaa mekaanisen energian lopulta sähköenergiaksi.
Koska vesivoimalat perustuvat vesimassojen potentiaalienergiaan, vesivoimaloiden putous-korkeudet vaikuttavat laitosten tehoon. Vesivoimalat voidaan jakaa tehojen perusteella kol-meen kokoluokkaan. Minivesivoimalat ovat nimellisteholtaan alle 1MW tuotantolaitoksia, pienvesivoimalat 1–10 MW tuotantolaitoksia ja suurvesivoimalat yli 10 MW tuotantolaitok-sia [17]. Yleensä vesivoimalat sijaitsevat jokien varsille rakennetuissa padoissa, jolloin säh-köä voidaan tuottaa tarpeen näin vaatiessa esimerkiksi kulutushuippujen tasaamiseen [16].
Padoilla voidaan myös säädellä veden pintaa ja putoamiskorkeutta. Tavallinen pienvesivoi-malaitoksen putoamiskorkeus suomalaisissa laitoksissa on 2–6 metriä. Suomessa isompien-kin voimalaitosten putoamiskorkeudet ovat maltillisia Jumiskon voimalaitoksen Kemijär-vellä ollessa Suomen korkein 96 metrin putouksellaan. [17]
Koska vesimassojen potentiaalienergiaa on helppo käyttää energiavarastona, on patojen ja vesialtaiden yhteyteen rakennettu soveltuvissa paikoissa myös pumppaamoja, joilla vettä saadaan pumpattua takaisin ylös patoaltaaseen (PHS). Tämä tuo sähkön kulutukseen ja tuo-tantoon tarvittua tasapainoa. Kun sähkön tuotantoa on muiden uusiutuvien energialähtei-den vuoksi enemmän kuin kulutusta, sitä voidaan käyttää edullisesti energiavaraston
lataamiseen eli veden pumppaamiseen ylös altaisiin. Kun muuta uusiutuvaa tuotantoa on vähemmän, aiemmin pumpattua vettä voidaan käyttää sähkön tuottamiseksi. [16]
Jokiin rakennettujen patojen lisäksi vesivoimaa voidaan hyödyntää sähkön tuotantoon myös muilla keinoin. Esimerkiksi vuorovesi-ilmiö liikuttaa suuria määriä vesimassoja päi-vittäin ja tätä käytetään hyväksi sähkön tuotantoon. Nousuveden aikaan veden annetaan virrata vapaasti rannikolla sijaitsevaan altaaseen. Laskuveden aikaan altaaseen padottuun veteen on varastoitunut potentiaalienergiaa, jota voidaan jälleen hyödyntää sähköntuotan-toon juoksuttaessa vesi takaisin mereen. [16]
2.2.4 Pien-CHP
Lämmön ja sähkön yhteistuotannolla (CHP) tarkoitetaan erilaisilla prosesseilla, yleensä polttamalla, toteutettua energian tuotantoa, jossa tuotetaan samassa prosessissa sekä läm-pöenergiaa että sähköä. Sähkön tuotannon sivutuotteena syntyy lämpöä, jota hyödynnetään yhteistuotannossa esimerkiksi teollisuudessa tai kaukolämmössä. Suurempien tuotantolai-tosten yhteistuotannossa käytetystä polttoaineesta saadaan korkea, jopa 90 prosentin, ko-konaishyötysuhde. Yhteistuotannossa energiaa menee vähemmän hukkaan sähkön ja läm-mön erillistuotantoon verrattuna. Pien-CHP tuotannossa ei kuitenkaan päästä hyötysuh-teeltaan yhtä korkeisiin lukemiin kuin suurissa tuotantolaitoksissa. Tämä johtuu siitä, että suurissa laitoksissa tuotantoprosessin optimointi on volyymin vuoksi suhteellisesti kannat-tavampaa. [18]
Pien-CHP:n tuotannossa on käytössä useita eri teknologioita. Perinteisemmistä tuotantota-voista esimerkkeinä voidaan pitää höyrykoneita, höyryturbiineja ja polttomoottoreita. Uu-dempia teknologioita CHP:n pientuotannossa ovat muun muassa lämpötilaeroon
Kuva 3. Vuorovesi-ilmiöön perustuvan vesivoiman toimintaperiaate [16]
perustuvat stirling -moottorit, kaasutoimiset mikroturbiinit, elektrokemiallinen polttoken-notuotanto sekä vielä kehitettävät, esimerkiksi metsähakkeeseen ja muihin biomassoihin perustuvat kaasutusprosessit. [18]
CHP-tuotannossa on teknisesti helppoa käyttää fossiilisten polttoaineiden sijasta uusiutuvia ja bioperäisiä polttoaineita. Erityisesti pienimuotoisessa CHP-tuotannossa tähän onkin yleensä kiinnitetty huomiota. Olomuodoltaan nämä polttoaineet ovat hyvinkin erilaisia.
Polttoaineena voidaan käyttää esimerkiksi kiinteitä metsä- ja peltobiomassoja kuten puuha-ketta, sahanpurua ja olkia, nestemäisiä polttoaineita kuten bioetanolia sekä erilaisia biokaa-suja. [18]
Yleisesti tarkastellen hyvän kohteen tunnusmerkkejä pien-CHP:n tuotantoon ovat riittävä ja tasainen lämmön sekä sähkön kulutus. Lämmön tuotannossa siirtoetäisyydenkin tulisi pysyä maltillisena häviöiden minimoimiseksi. Pienimuotoiselle CHP-tuotannolle sopivia kohteita ovat esimerkiksi maidontuotantoa harjoittavat maatilat. Maatiloilla on monesti myös hyvät edellytykset tuottaa polttoainetta omiin tarpeisiin. Jos omaan laitokseen on in-vestoitu, maatilalla voidaan tuottaa biokaasua esimerkiksi lannasta, rehusta ja biojätteistä omavaraisesti. Vielä pienempää tuotantoa varten markkinoilla on myös talokohtaisia mikro-CHP-laitoksia. [19]
2.2.5 Virtuaalivoimalaitokset
Virtuaalivoimalaitoksella (VPP) tarkoitetaan sähkön tuotannon ja kulutukset yhdistävää älykästä alustaa, jolla voidaan hallita pieniä kulutus- ja tuotantokohteita sekä energiavaras-toja. Virtuaalivoimalaitos ei siis ole oma fyysinen tuotantolaitoksensa. Virtuaalivoimalaitos-ten tehtävänä on maksimoida sähkön ja lämmön pientuotannon arvo. Tämä tapahtuu tasaa-malla kulutus- ja tuotantopiikkien välisiä eroja energiaverkossa. Virtuaalivoimalaitosten toi-minta perustuukin energian tuotannon, varastoinnin ja kulutuksen väliseen jatkuvaan ky-syntäjoustoon.
Toimivaan virtuaalivoimalaitoksen muodostamaan kokonaisuuteen voidaan liittää erilaisia sähkön ja lämmön hajautettuja pientuotantolaitoksia, energiavarastoja, etänä ohjattavissa olevia kulutuspisteitä sekä kokonaisuutta tukevia perinteisiä sähkö- ja lämpövoimaloita [20]. Pelkästään energian tuotannon lisäksi oleellista on vaikuttaa energian kulutukseen.
Energiajärjestelmän kannalta kulutuksen vähentämisellä on samankaltainen vaikutus ko-konaisuuteen kuin tuotannon lisäämisellä. Nämä verkkoon liitetyt kulutuspisteet voivat toi-mia verkossa kuten voimalaitokset, jos niillä on kyky varastoida tai tuottaa energiaa [21].
Tarkkaan mittarointiin ja seurantaan perustuvan älykkään ohjauksen ansiosta kuluttajat ei-vät edes huomaa verkon tasapainotukseen osallistumista. Esimerkiksi kotitalouksien sisä-lämpötilojen ei pitäisi muuttua jatkuvan seurannan ja nopean reagoinnin ansiosta [22].
Suomessa tutkitaan parhaillaan omassa hankkeessaan mahdollisimman laajamittaisia ratkaisuja uusiutuvan energian kustannustehokkaalle käytölle. Kyseessä on BCDC Energia -tutkimushanke, jossa on tarkoitus kehittää toimiva konsepti virtuaalivoimalaitokselle syntäjouston ja sähkön pientuotannon maksimoimiseksi. Tutkimuksessa yhdistetään ky-synnän, pilvipalveluiden ja energiatuotannon optimointi käyttäen hyväksi tuoreimpia ICT- ja digipalveluita sekä entistä tarkempia sääennusteita. Tutkimushankkeen tuloksena on tar-koitus saada aikaan pilvipalveluun pohjautuva digimarkkinapaikka hajautettujen energia-resurssien vaihdantaan. BCDC Energia -tutkimus on Oulun yliopiston koordinoima ja Stra-tegisen tutkimuksen neuvoston (STN) rahoittama hanke. Tutkimusta tehdään yhteistyössä
muidenkin Suomen Akatemian yhteydessä toimivien STN:n rahoittamien hankkeiden kanssa. Näiden lisäksi mukana tutkimushankkeessa on useita muitakin kumppaneita sekä julkiselta että yksityiseltä sektorilta, esimerkiksi Energiavirasto ja Caruna Oy. [23]
Useat yksityiset energia-alan toimijat kehittävät ja ovat jo ottaneet käyttöönkin erilaisia vir-tuaalivoimalaitosten sovellutuksia. Esimerkiksi energiayhtiö Helen kokoaa yksityisiä säh-köllä lämmittäviä kotitalouksia oman sähkötuotteensa kautta tasapainottamaan sähköverk-koa ja energiatuotantoa [22]. Myös Fortum on koonnut noin 70 omakotitaloutta yhdeksi virtuaalivoimalaitokseksi. Näissä omakotitalouksissa Fortum käyttää etäältä lämminvesiva-raajia ja saa ohjattua 100 kW edestä lämmityskuormaa kantaverkkoyhtiö Fingridin sähkö-järjestelmän tehotasapainon ylläpitoon. [24]