Perinteisesti sähkönjakelu on toteutettu vaihtosähköverkoin. Viime aikoina elektroniikan hinnat ovat kuitenkin laskeneet ja tasasähköjakelun käyttömahdollisuuksia on alettu
tutki-maan. Tasasähkönjakelulle on useita kannusteita: samalla poikkipinnalla voidaan ta-sasähköllä kuljettaa suurempi teho kuin vaihtosähköllä, tasasähköä käyttävän elektronii-kan määrä on kasvanut ja lisäksi muun muassa EU:n ilmastotavoitteet elektronii-kannustavat uusiu-tuvan energian tuotannon lisäämiseen, mitä voidaan toteuttaa esimerkiksi hajautetulla pientuotannolla. Aurinkopaneelit ja mikroturbiinit on mahdollisesti helpompi kytkeä ta-sasähkö- kuin vaihtosähköverkkoon, ja järjestelmän kokonaishyötysuhdetta voidaan pa-rantaa, mikäli koko järjestelmä on toteutettu tasasähköllä. LVDC-järjestelmän käyttöpoten-tiaali riippuu paljon myös sovelluskohteesta.
Tasasähkönjakeluverkon toteuttamiseen yleisimmät rakenteet ovat unipolaarinen ja bipo-laarinen. Unipolaarisessa järjestelmässä virtapiiri muodostuu meno- ja paluujohtimista.
Bipolaarisessa ratkaisussa jännitetasoja on kaksi, positiivinen ja negatiivinen suhteessa keskipistejohtimeen. Tasasähköllä pienjännitteen raja on 1500 V, eli unipolaarinen järjes-telmä voi olla jännitteeltään korkeintaan 1500 V ja bipolaarinen ±750 V. Tutkimuksissa ehdotetut jännitetasot vaihtelevat 24 V:sta bipolaariseen ±750 V:iin ja unipolaariseen 1400 V:iin. Suurempi jännite takaisi pienemmät häviöt, mutta saattaa sovelluskohteesta riippuen vaatia jännitteen muunnoksia alaspäin lisäten kustannuksia, eikä ole sähköturval-lisuuden kannalta aina mahdollista. Matalalla jännitteellä häviöt saattavat sen sijaan nous-ta liian korkeiksi, jolloin LVDC-jakelulle ei välttämättä löydy perusteinous-ta. Muun muassa Emerge Alliance® on kehittänyt datakeskusten ja lisäksi muiden tilojen tasasähköverkkoi-hin standardit ja kansainvälinen standardointiorganisaatio IEC on perustanut ryhmän, jon-ka tavoitteena on kehittää LVDC-järjestelmiin liittyvää standardointia.
LVDC-järjestelmistä on maailmalla tehty lukuisia tutkimuksia, jotka vaihtelevat simuloin-neista ja laboratoriojärjestelyistä aina pilotointiin ja kaupalliseen hyödyntämiseen. Lisäksi on tehty erilaisia kannattavuusanalyysejä. Joissain tutkimuksissa on havaittu, ettei pie-noisjännitteen (alle 120 VDC) käyttö ole häviöiden kannalta järkevää. Parhaimmat tulokset on saavutettu yli 300 V:n jännitteellä.
Kiinteistöjen sisäisiin tasasähköverkkoihin on kehitetty useita konsepteja. Käytetyt jännite-tasot vaihtelevat, mutta parhaimmat tulokset on saavutettu 380 V:n järjestelmällä. Lisäksi on esitetty useamman jännitetason järjestelmiä. Kiinteistöjen tasasähköverkkoihin liittyen on käynnissä useita projekteja, muun muassa Stroomversnelling Alankomaissa.
Microgrid on sähkönjakelujärjestelmän osa, joka voi tarvittaessa toimia julkisesta verkosta eristettynä saarekkeena. Siksi microgridissä täytyy olla hajautettua energian tuotantoa se-kä energiavarastoja. Yksi strategia uusiutuvien energiavarojen se-käytön ja
energiatehok-kuuden parantamiseen voisi olla microgridien käyttäminen. Tällä ratkaisulla voidaan lisäk-si vastata kehittyvien alueiden sähköistämiseen.
Myös sähkönjakeluverkkojen toteuttamista tasasähköllä on tutkittu maailmalla. Joissain tutkimuksissa on havaittu, että puolijohteiden häviöiden täytyisi pienentyä merkittävästi, jotta AC/DC-hybridijärjestelmä tai DC-täysjärjestelmä olisi kannattava häviöiden kannalta.
Toisaalta taas joissain tutkimuksissa on havaittu, että DC-jakelua käyttämällä voidaan pa-rantaa järjestelmän kokonaishyötysuhdetta. Lisäksi kuormien tulisi olla mahdollisimman suurelta osin DC-käyttöisiä, jolloin saavutettaisiin paras kokonaishyötysuhteen kasvu.
Maailmalla on käynnissä useita hankkeita, joissa tutkitaan tai jo kaupallisesti hyödynne-tään tasasähkönjakelua eri sovelluskohteissa. Muun muassa Etelä-Koreassa KEPCO suunnittelee saneeraavansa osan vaihtosähköverkkoaan tasasähköverkolla. Lisäksi Alan-komaissa on suunnitteilla ja osin jo rakenteilla tasasähköllä toteutettu sähkönjakelujärjes-telmä DC=DeCent, sekä Stroomversnelling-hanke, jossa kiinteistöihin asennetaan sisäi-nen DC-verkko. Myös TU Delftin kampukselle rakennetaan älykäs tasasähköverkko Eind-hoveniin High Tech Campukselle ja Bathin yliopistoon Englannissa asennettu pieni sasähköverkko. DCC+G on kansainvälinen yhteishanke, joka tutkii pienjännitteisen sasähkönjakelun hyödyntämistä kaupallisiin rakennuksiin. Taiwanissa EPARC tutkii ta-sasähköllä toteutettua kiinteistön sähkönjakelujärjestelmää.
LÄHTEET
Afamefuna, D., Chung, I., Hur, D., Kim, J.-Y., Cho, J. 2014. A Techno-Economic Feasibility Analysis on LVDC Distribution System for Rural Electrification in South Korea. Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol.9, No.5, 2014. S. 742–751.
Arafat, Y., Amin, M. 2011. Feasibility study of low voltage DC house and compatible home appli-ance design. Master’s Thesis. Chalmers tekniska högskola.
Bisschop, F. 2014. 2050 Magazine, issue 10. S. 14–18.
Boeke, U., Wendt, M. 2011. Comparison of low voltage AC and DC power grids [verkkodokumentti]. [Viitattu 16.9.2015]. Saatavissa
http://www.upn.se/html-files/Glava/Referenser/Ref%201%20Boeke-Comparison_of_low_voltage_AC_and_DC_power_grids.pdf
Boeke, U., Wendt, M. 2015. DC Power Grids for Buildings. 2015 IEEE First International Conference on DC Microgrids (ICDCM). 7.–10.6.2015, Atlanta, USA. S. 210–214.
Cvetkovic, I., Dong, D., Zhang, W., Jiang, L., Boroyevich, D., Lee, F., Mattavelli, P. 2012. A Testbed for Experimental Validation of a Low-voltage DC Nanogrid for Buildings. 15th International Power Electornics and Motion Control Conference, 4.–6.9.2012, Novi Sad, Serbia. IEEE.
Dastgeer, F., Kalam, A. Efficiency Comparison of DC and AC Distribution Systems for Distributed Generation. Australasian Universities Power Engineering Conference, 27.–30.9.2009, Adelaide, Australia. IEEE. S. 1–5.
DCC+G 2012a. Definition of scenarios and use cases [verkkodokumentti]. [Viitattu 29.9.2014].
Saatavissa http://dcgrid.tue.nl/files/D1_1_1_Definition_of_scenarios_and_use_cases_V12.pdf DCC+G 2012b. Public summary [verkkodokumentti]. [Viitattu 29.9.2014]. Saatavissa
http://dcgrid.tue.nl/files/DCC_G_D6_1_Public_summary_V1_0.pdf
Direct Current 2014a. Stroomversnelling [verkkodokumentti]. [Viitattu 29.9.2014]. Saatavissa http://www.directcurrent.eu/en/projects/stroomversnelling-rapids
Direct Current 2014b. Factsheet Green Deal DC Haarlemmermeer [verkkodokumentti]. [Viitattu 16.1.2015]. Saatavissa http://www.directcurrent.eu/en/projects/dc-is-decent/12-dc-decent/74-factsheet-green-deal-dc-grid-project-dcdecent
Emerge Alliance 2014a. Occupied Space Standard FAQs [verkkodokumentti]. [Viitattu 28.11.2014].
Saatavissa http://www.emergealliance.org/Standards/OccupiedSpace/StandardFAQs.aspx
Emerge Alliance 2014b. Data/Telecom Standard FAQs [verkkodokumentti]. [Viitattu 28.11.2014].
Saatavissa http://www.emergealliance.org/Standards/DataTelecom/StandardFAQs.aspx
Emhemed, A., Burt, G. 2013. Protecting the last mile – enabling an LVDC distribution network. Uni-versity of Strathclyde.
Energiateollisuus 2014. Sähkön keskeytystilasto 2013 [verkkodokumentti]. [Viitattu 8.10.2014].
Saatavissa
http://energia.fi/sites/default/files/dokumentit/sahkomarkkinat/Sahkoverkko/keskeytystilasto_2013.p df
Euroopan komissio 2014. The 2020 climate and energy package [verkkodokumentti]. [Viitattu 1.12.2014]. Saatavissa http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm
Fingrid 2014. Sähkönvienti mahdollista Suomesta Venäjälle joulukuusta lähtien [verkkodokumentti].
[Viitattu 27.9.2015]. Saatavissa
http://www.fingrid.fi/fi/ajankohtaista/tiedotteet/Sivut%2FS%C3%A4hk%C3%B6nvienti-mahdollista-Suomesta-Ven%C3%A4j%C3%A4lle-joulukuusta-l%C3%A4htien.aspx
Fingrid 2015. Pohjoismainen voimajärjestelmä ja liitynnät muihin järjestelmiin [verkkodokumentti].
[Viitattu 9.9.2015]. Saatavissa
http://www.fingrid.fi/fi/voimajarjestelma/voimaj%C3%A4rjestelm%C3%A4/Pohjoismainen
%20voimaj%C3%A4rjestelm%C3%A4%20ja%20liitynn%C3%A4t%20muihin%20j%C3%A 4rjestelmiin/Sivut/default.aspx
Gwon, G.-H., Kim, D.-U., Oh, Y.-S., Han, J. 2014. Analysis of Efficiency for AC and DC Load in LVDC Distribution System. 12th IET International Conference on Developments in Power System Protection, 31.3.–3.4.2014, Kööpenhamina, Tanska. IET. S. 1–5.
Hatziargyriou, N., Asano, H., Iravani, R., Marnay, C. 2007. Microgrids. IEEE Power & Energy Magazine, vol. 5, no. 4. S. 78–94.
IEC 2015. Systems Evaluation Group - Low Voltage Direct Current Applications, Distribution and Safety for use in Developed and Developing Economies [verkkodokumentti]. [Viitattu 9.9.2015].
Saatavissa http://www.iec.ch/dyn/www/f?p=103:186:0::::FSP_ORG_ID,FSP_LANG_ID:11901,25 Kaipia, T., Karppanen, J., Mattsson, A., Lana, A., Nuutinen, P., Peltoniemi, P., Salonen, P., Parta-nen, J. 2013. A System Engineering Approach to Low Voltage DC Distribution. 22nd International Conference on Electricity Distribution, 10–13.6.2013, Tukholma, Ruotsi. IET. S. 1–4.
Kaipia, T. Salonen, P. Lassila, J. Partanen, J. 2006. Possibilities of the Low Voltage DC Distribution Systems. 2006. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.
Kaipia, T., Salonen, P., Lassila, J., Partanen J. 2007. Application of low voltage DC-distribution system – A techno-economical study. 19th International Conference on Electricity Distribution, 2007, Wien, Itävalta. Cired.
Kakigano, H., Miura, Y., Ise, T., Uchida, R. 2006. DC Micro-grid for Super High Quality Distribution – System Configuration and Control of Distributed Generations and Energy Storage Devices. 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, 18–22.6.2006. IEEE. S. 1–7.
Katiraei, F., Iravani, M., Lehn, P. 2005. Micro-grid autonomous operation during and subsequent to islanding process. IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 20, Issue 1. IEEE. S. 248–257.
Lulu, L., Jing, Y., Liqiang, Z., Xiaoyu, W. 2013. Investigation on the system grounding types for low voltage direct current systems. 2013 IEEE Electrical Power & Energy Conference, 21.–23.8.2013, Halifax, Kanada. IEEE. S. 1–5.
Mäkitalo, I. 2008. Tasasähkönjakelu ja kiinteistöjen tasasähköverkot. Kandidaatintyö. Lappeenran-nan teknillinen yliopisto.
Nilsson, D., Sannino, A. 2004. Efficiency analysis of low- and medium-voltage DC distribution sys-tems. Power Engineering Society General Meeting, 10.6.2004, Denver, USA. IEEE. S. 1–7.
Noritake, M., Iino, T., Fuku, A., Hirose, K., Yamasaki, M. 2009. A Study of the Safety of the DC 400 V Distribution System. 31st International Telecommunications Energy Conference, Incheon, Etelä-Korea, 18–22.10.2009. IEEE. S. 1–6.
Paavola, M. 1975. Sähköjohdot. Porvoo: WSOY.
Pellis, J. 1997. The DC low-voltage house. Technische Universiteit Eindhoven.
Redfern 2014. Smart DC-Microgrids. 2014 15th International Scientific Conference on Electric Power Engineering (EPE), 12–14.5.2014, Brno, Tšekki. IEEE. S. 173–178.
Salonen, P., Kaipia, T., Nuutinen, P., Peltoniemi, P., Partanen, J. 2008. An LVDC Distribution Sys-tem Concept. Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, 9.–11.6.2008, Espoo, Suomi.
Sannino, A., Postiglione, G., Bollen, M. 2003. Feasibility of a DC Network for Commercial Facilities.
IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 5.
Sarker, M., Asare-Bediako, B., Slootweg, J., Kling, W., Alipuria, B. 2012. DC Micro-Grid with Dis-tributed Generation for Rural Electrification. 47th International Universities Power Engineering Con-ference, 4.–7.9.2012, Lontoo, Yhdistynyt Kuningaskunta. IEEE. S. 1–6.
Seo, G., Baek, J., Choi, K., Bae, H. & Cho, B. 2011. Modeling and Analysis of DC Distribution Systems. 8th International conference on Power Electronics, 30.5.–3.6.2011, Jeju, Etelä-Korea.
IEEE. S. 223–227.
SFS 6000-4-41 Suojausmenetelmät. Suojaus sähköiskulta. 3.p. Helsinki: Suomen standardoimis-liitto. 2012.
SFS-IEC 60449 Rakennusten sähköasennusten jännitealueet. Helsinki: Suomen standardoimis-liitto. 2007.
Shuai, H., Daozhuo, J., Qunmin, Y. 2013. Research on the Feasibility of Ring Structure of DC Distribution Network. 2013 2nd International Symposium on Instrumentation and Measurement, Sensor Network and Automation, 23.–24.12.2013, Toronto, Kanada. IEEE. S. 1075–1077.
Siltala, S. 2007. Tasasähköjakelun käyttömahdollisuudet. Kandidaatintyö. Lappeenrannan teknilli-nen yliopisto.
Stroomversnelling 2013. Stroomversnelling in het kort [verkkodokumentti]. [Viitattu 29.9.2014].
Saatavissa http://www.stroomversnelling.net/2013/12/27/stroomversnelling-in-het-kort/
Teknologiateollisuus 2015. Hinnat [verkkodokumentti]. [Viitattu 27.9.2015]. Saatavissa http://teknologiateollisuus.fi/sites/default/files/file_attachments/hinnat.pdf
Vargas Evans, M. A. 2013. Why Low Voltage Direct Current Grids? A case-study assessment of using direct current in low voltage distribution. Master of Science Thesis. Delft University of Tech-nology.
Waeckerlé, P. 2011. Potential of Using Low Voltage Direct Current in Local Distribution Network to Improve the Overall Efficiency. Master’s thesis. Kungliga Tekniska högskolan (KTH).
Webb, V.-J. 2013. Design of a 380 V/24 V DC Micro-Grid for Residential DC Distribution. Master’s Thesis. University of Toledo.
Weiss, R., Ott, L., Boeke, U. 2015. Energy Efficient Low-Voltage DC-Grids for Commercial Build-ings. 2015 IEEE First International Conference on DC Microgrids (ICDCM). 7.–10.6.2015, Atlanta, USA. IEEE. S. 154–158.
Van Wijk, A., 2013. Welcome to the Green Village. Delft: IOS Press.
Woudstra, J., van Willigenburg, P., Groenewald, B., Stokman, H. 2013. Direct current distribution grids and the road to its full potential. 10th Industrial and Commercial Use of Energy Conference, 20.–21.8.2013, Kapkaupunki, Etelä-Afrikka. IEEE. S. 1–7.
Wu, T.-F., Chen, Y.-K., Yu, G.-R., Chang, Y.-C. 2011. Design and Development of DC-Distributed System with Grid Connection for Residential Applications. 8th International conference on Power Electronics, 30.5.–3.6.2011, Jeju, Etelä-Korea. IEEE. S. 235–241.
2006/95/EY Pienjännitedirektiivi. Euroopan parlamentti ja neuvosto. 2006.