PL 20, 53851 LAPPEENRANTA, p. 05 62111, fax. 05 621 6799 http://www.lut.fi/fi/technology/lutenergy/electrical_engineering/
Kandidaatintyö ja seminaari 19.3.2009
Esa Niemelä 0295018 Säte 3
Sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien
elinkaarianalyysi
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Sähkötekniikan osasto
Esa Niemelä
Sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaarianalyysi Kandidaatintyö
2009
54 sivua, 3 kuvaa, 24 taulukkoa, 3 liitettä Tarkastaja: Dipl.ins. Tero Kaipia
Hakusanat: sähkönjakelu, sähkönjakeluverkon komponentit, elinkaarianalyysi.
Tässä työssä on tarkasteltu sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaaria niiden energiankulutuksen näkökulmasta. Työssä kerrotaan elinkaarianalyysin käyttämisestä tutkimusmenetelmänä erityisesti sähkönjakeluverkkojen tarkastelussa. Tarkasteltaviksi komponenteiksi on valittu 110 kV/20 kV sähköasemalta päämuuntajat ja keskijännite- puolen kojeistot, keskijännitejohtolähdön maakaapeli- ja ilmajohtorakenteet sekä jakelu- muuntajat, pienjännitemaakaapelit ja -avojohdot.
Työssä esitetään yksinkertainen menetelmä komponenttien elinkaarien aikana kuluvan energiamäärän ja siitä aiheutuvien CO2-päästöjen arviointiin. Lisäksi esitetään tuloksia tehdyistä esimerkkitarkasteluista ja analyysin lähtötietojen määrittämisestä. Työn tarkoi- tus on auttaa verkkoyhtiöitä arvioimaan komponentti-investointien kannattavuutta ener- giatehokkuuden näkökulmasta. Energiahäviöt ovat usein verkkoyhtiön suurin asiakas ja päästökaupan myötä myös CO2-päästöillä on hintansa. Energiatehokkaiden ratkaisujen käyttäminen on tullut entistä tärkeämmäksi komponentteja uusittaessa.
Department of Electrical Engineering Esa Niemelä
Life cycle analysis of the primary-components in electrical distribution network Bachelor’s Thesis
2009
54 pages, 3 figures, 24 tables and 3 appendices Supervisor: M.Sc.eng. Tero Kaipia
Keywords: electricity distribution, components in distribution network, life cycle analysis
The main focus of this thesis is on analysing the life cycle energy consumption of the primary components of electricity distribution networks. The methodology of the life cy- cle analysis is approached especially from the viewpoint of the electricity distribution.
The components selected for the analysis are 110 kV/ 20kV transformers and medium voltage switchgears at 110 kV/ 20kV substation, medium voltage overhead lines and un- derground cables, distribution transformers, and low voltage aerial cables and under- ground cables.
A simplified methodology for assessing the energy consumption and CO2-emissions re- sulting from the energy consumption over the life cycles of selected components is pre- sented in this thesis. Furthermore, results of example studies and initial values of the analysis are presented. The objective of this thesis is to help distribution companies to overview the feasibility of component investments from the aspect of energy efficiency.
Energy losses in the network are often the biggest single customer of a distribution com- pany and due to emissions trading there is also a price for the CO2-emissions. Energy efficiency of network components is a relevant factor when selecting new network com- ponents.
1 Johdanto...3
2 Elinkaarianalyysi...4
2.1 Elinkaarianalyysin vaiheet ...4
2.2 Lähtötiedot...5
2.3 Elinkaarianalyysissä käytettävät tietokoneohjelmat...5
3 Elinkaarianalyysi sähkönjakelutekniikan näkökulmasta...6
3.1 Sähkönjakeluverkon primäärikomponentit ...7
3.1.1 110/20 kV Sähköaseman komponentit ...7
3.1.2 Keskijännitejohtolähdön komponentit...8
3.1.3 Muuntopiirin komponentit...10
3.2 Yleisimmät komponenttien valmistuksessa käytetyt raaka-aineet...11
3.3 Sähkönjakeluverkon komponenttien elinkaari ...13
3.3.1 Valmistus ...13
3.3.2 Logistiikka ...14
3.3.3 Asennus ja käyttöönotto...14
3.3.4 Käyttö ...15
3.3.5 Huolto ja kunnossapito ...15
3.3.6 Käytöstä poistaminen ...15
4 Sähkönjakeluverkkojen energiataseen määrittäminen...16
4.1 Sähköasema ...18
4.1.1 Sähköaseman päämuuntaja...18
4.1.2 Sähköaseman kojeiston kenno ...22
4.1.3 Sähköasemakomponenttien elinkaarianalyysin tulokset ...23
4.2 Keskijännitejohtolähtö ...24
4.2.1 Johtorakenteet ...24
4.2.2 Keskijännitejohtojen elinkaarianalyysin tulokset...31
4.3 Pienjännitemuuntopiirit ...32
4.3.1 Jakelumuuntajat ...32
4.3.2 Pienjänniteverkon johtorakenteet ...35
4.3.3 Pienjänniteverkkojen elinkaarianalyysin tulokset ...41
4.4 Analyysin tulokset ja yhteenveto ...41
5 Johtopäätökset ...43
Lähdeluettelo ...45
Liitteet I UniSwitch M1 kojeiston valmistuksessa käytettävät materiaalit II Verkkoyhtiöiden haastattelujen kysymykset
III Komponenttien toimintokohtaiset energiankulutukset ja päästöt
Lyhenteet ja merkinnät
Lyhenteet
PAS Päällystetty avojohto suurjännitteelle
PE Polyeteeni
PEX Silloitettu polyeteeni PVC Polyvinyylikloridi
Merkinnät
c CO2-päästöjen vähentyminen CO2 hiilidioksidi
CU kupari
E energia
I virta
P teho
t aika
R resistanssi
r kuormituksen kasvu
S näennäisteho
U jännite
W energia
Alaindeksit
h häviö, huippu
k kuormitus
n nimellinen
1 Johdanto
Elinkaarianalyysissä käydään läpi tuotteen tai toiminnon elinkaaren jokainen vaihe valitun tarkastelunäkökulman mukaisesti. Kuvassa 1 on havainnollistettu elinkaarianalyysiin avulla tarkasteltavia vaiheita. Tässä työssä tarkastellaan sähkönjakeluverkon primääri- komponenttien elinkaaria energiankulutuksen näkökulmasta. Tarkasteltavat komponentit ovat tässä työssä sähköaseman päämuuntajat ja keskijännitepuolen kojeistot, keskijänni- tejohtolähtöjen maakaapeli- ja ilmajohtorakenteet sekä muuntopiirien muuntajat, maa- kaapeli- ja ilmajohtorakenteet.
Käytöstä poista- minen
Kunnossa- pito
Käyttö
Käyttöön- otto
Kuljetus Valmistus Raaka-
aineiden hankinta
Purka- minen
Kierrätys ja jätteen käsittely
Kuva 1. Elinkaarianalyysin avulla tarkasteltavia elinkaaren vaiheita.
Kuvan 1 eri vaiheiden kohdalla tarkastellaan näin ollen sitä, kuinka paljon vaiheen aikana komponentti kuluttaa energiaa joko suoraan tai välillisesti. Myös CO2-päästöjä ja kus- tannuksia sivutaan. Elinkaarianalyysiä tehtäessä ei aina ole saatavilla täsmällisiä tietoja tuotteen tai toiminnon elinkaaren kaikista vaiheista, joten on turvauduttava erilaisiin ar- vioihin ja approksimaatioihin. Lisäksi eri vaiheisiin kuluvaa energiamäärää on mahdoton- ta tarkasti määrittää, mikäli ei rajata energiankulutuskohteita vain merkittävimpiin teki- jöihin. Ilman rajausta jokaisen vaiheen energiankulutukseen vaikuttavien tekijöiden mää- rää voisi laajentaa loputtomasti tarkentamatta merkittävästi kuitenkaan analyysin loppu- tulosta. Työn tarkoitus on auttaa verkkoyhtiöitä arvioimaan komponentti-investointien kannattavuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Energiahäviöt ovat usein verkkoyhti-
ön suurin asiakas ja päästökaupan myötä myös CO2-päästöillä on hintansa. Energiate- hokkaiden ratkaisujen löytäminen on tärkeää vanhoja komponentteja uusittaessa.
2 Elinkaarianalyysi
Elinkaarianalyysi voidaan tehdä monista eri näkökulmista kuten taloudellisesta, ympäris- tölähtöisestä tai sosiaalisesta näkökulmasta. Näkökulman valinta riippuu kiinnostuksen kohteena olevasta asiasta. Jos esimerkiksi yritys haluaa selvittää tuotteen ympäristövai- kutukset koko sen elinkaaren ajalta, valitaan näkökulmaksi luonnollisesti ympäristöläh- töinen lähestymistapa. Vastaavasti jos halutaan tietää elinkaaren kokonaiskustannukset, valitaan käytettäväksi taloudellinen näkökulma.
Elinkaarianalyysi kattaa tuotteen tarkastelun koko sen käyttöajalta eli raaka-aineiden hankinnasta ja tuotteen valmistuksesta käytön ja ylläpidon kautta purkamiseen ja jätteen loppusijoittamiseen. Elinkaarianalyysistä on hyötyä esimerkiksi tuotteiden tai prosessien kehittämisessä ja suunnittelussa, yrityksen strategisessa suunnittelussa, yrityksen priori- teettien asettamisessa, julkisessa politiikassa, markkinoinnissa sekä yleisesti päätöksente- on tukemisessa. Lisäksi elinkaarianalyysistä on käyttökelpoinen arvioitaessa tuotteiden ympäristöystävällisyyttä, energiatehokkuutta sekä energiahäviöitä elinkaaren eri vaiheis- sa. (Vatanen 1998)
2.1 Elinkaarianalyysin vaiheet
Yleisesti elinkaarianalyysillä tarkoitetaan tuotejärjestelmän elinkaaren aikaisten syöttei- den ja tuotosten sekä mahdollisten ympäristövaikutusten koostamista ja arviointia. Se on käyttökelpoinen erityisesti silloin, kun tuotteiden pitoajat ovat pitkiä, esimerkiksi kym- meniä vuosia, ja alkuinvestoinnin suuruus on mittava. Elinkaarianalyysin vaiheet voidaan karkeasti jakaa seuraavasti: (Vatanen 1998)
1 Suunnittelu
2 Raaka-aineiden hankinta 3 Valmistus
4 Logistiikka (tuotteen siirtäminen käyttäjälle) 5 Käyttö
6 Hävitys 7 Loppusijoitus
Usein eri tuotteilla painottuu voimakkaasti tietty vaihe esimerkiksi elinkaaren kokonais- kustannuksia tai energiatehokkuutta tarkasteltaessa Tällöin muut vaiheet eivät ole niin relevantteja elinkaaren kokonaisuuden kannalta ja osa niistä voidaan jättää vähemmälle huomioarvolle tai jättää jopa käsittelemättä kokonaan.
Joitain tuotteita voidaan käyttää uudelleen, kierrättää tai polttaa, jolloin osa tuotteen elinkaaren aikana kuluvasta energiasta kompensoituu. Tämä on siis huomioitava tuotteen elinkaarianalyysin eri vaiheita tarkasteltaessa. Uusiokäyttö on viime aikoina kasvattanut huomattavasti suosiotaan niin tuotteen valmistuksessa käytettävien raaka-aineiden kuin tuotteen loppusijoituksenkin kohdalla. (Vatanen 1998)
2.2 Lähtötiedot
Elinkaarianalyysiä tehtäessä tarvitaan tietoja tarkasteltavasta tuotteesta tai toiminnosta.
Nämä tiedot voidaan jakaa primääriseen ja sekundääriseen tietoon. Primäärisellä tiedolla tarkoitetaan suoraan tuotetta valmistavalta, sitä käyttävältä tai muuten tuotteen elinkaa- reen vaikuttavalta yritykseltä saatavaa informaatiota. Primäärisiä tietoja hankittaessa olisi hyvä, mikäli samankaltaisella tavalla tuotteen elinkaareen vaikuttavia yrityksiä olisi usei- ta, yksittäiset poikkeamat saataisiin minimoitua. Tiedot ovat yleensä hyvin yksityiskohtai- sia ja ne annetaan tavallisesti tietyltä yhteisesti sovitulta ajanjaksolta. (Vatanen 1998)
Sekundäärinen tieto on julkisista tietolähteistä saatua tietoa. Tällaisia lähteitä voivat olla esimerkiksi, kirjat, tietokannat ja Internet. Sekundääriseen tietoon tulee suhtautua kriitti- sesti, joten tiedon varmistamiseksi on hyvä vertailla useista eri lähteistä saatavilla olevaa tietoa. (Vatanen 1998)
2.3 Elinkaarianalyysissä käytettävät tietokoneohjelmat
Elinkaarianalyysin tekemiseen on käytettävissä myös tietokoneohjelmistoja. Näitä ovat esimerkiksi hollantilainen SimaPro ja ruotsalainen LCA Inventory Tool. Kyseisiä ohjel- mistoja käytetään pääasiassa ympäristölähtöisen elinkaariarvioinnin tekemisessä. Sima- Pro:ssa on laaja tietokanta, jonka avulla saadaan yksityiskohtaisia tietoja referensseineen.
Käyttäjä voi lisäksi päivittää jatkuvasti tietokantaa. Tietokoneohjelmien avulla voidaan nopeuttaa huomattavasti elinkaarianalyysin tekoa ja analyysin tekemisessä käytetyt tiedot pysyvät järjestelmällisesti paikallaan ja ne ovat helposti jälleenkäytettävissä.
Elinkaarianalysoinnin tulosten perusteella voidaan vertailla halutun näkökulman ominai- suuden kuten kustannusten tai ympäristöystävällisyyden puolesta edullisimpia vaihtoehto- ja. Näin ollen esimerkiksi yritys voi arvioida suunnittelemiensa investointien vaikutuksia paremmin tai poliittiset päättäjät voivat käyttää tuloksia tehtävien päätösten tukena.
(www.pre.nl), (Vatanen 1998)
3 Elinkaarianalyysi sähkönjakelutekniikan näkökulmasta
Elinkaarianalyysiä voidaan soveltaa sähkönjakelutekniikkaan ja erityisesti sähkönjakelu- verkon komponenttien elinkaarien tarkasteluun. Ennen tarkastelun aloittamista on valit- tava näkökulmat, joiden kautta elinkaarta arvioidaan. Tässä työssä keskitytään arvioi- maan komponenttien elinkaarien eri vaiheiden energiankulutusta. Sähkönjakeluverkkojen yhteydessä on elinkaarianalyysiä käytetty aiemmin esimerkiksi komponenttien ympäristö- vaikutusten arvioimisessa.(Vatanen 1998) Energiankulutusta tarkkaileva lähestymistapa poikkeaa edellisestä, mutta energiankäytöllä on yhteys ympäristövaikutuksiin sekä verk- koyhtiön ja edelleen sen asiakkaiden ja omistajien talouteen.
Energiatehokkuus kuvaa tietyn tuotteen tai toiminnon energiankäyttöä tietyllä tarkastelu- jaksolla. Energiahäviöt ovat se osuus energiasta, jota ei voida primääriseen tarkoitukseen hyödyntää. Käytön aikaisten häviöiden lisäksi komponentteihin voidaan ajatella sitoutu- neen se energiamäärä, joka on tarvittu, jotta komponentit on voitu valmistaa ja jotta jär- jestelmää voidaan käyttää. Energiankulutuksen lisäksi analyysissä arvioidaan eri vaiheista aiheutuvia CO2-päästöjä, jotka ovat sidoksissa energiankulutukseen.
Työssä arvioidaan sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien energiankulutuksen kan- nalta kriittisiä vaiheita. Tulosten perusteella voidaan esimerkiksi verkkoyhtiössä arvioida suunniteltavien komponentti-investointien kannattavuutta energiatehokkuuden näkökul- masta ja näin ollen tehdä entistä paremmin perusteltuja verkkoteknisiä valintoja tulevai- suudessa. Sähkönjakeluverkon komponenteissa aiheutuvat häviöt ovat usein verkkoyhti- ön suurin asiakas. Häviöihin kuluvan energian verkkoyhtiö joutuu kuitenkin kustanta- maan itse. Lisäksi aiheutuville CO2-päästöille on päästökaupan myötä laitettavissa hinta- lappu. Näin ollen energiatehokkaat komponenttiratkaisut voivat parantaa verkkoyhtiön tulosta ja imagoa.
3.1 Sähkönjakeluverkon primäärikomponentit
Sähkönjakeluverkon primäärikomponentteina tarkastellaan 110kV/20kV sähköaseman päämuuntajaa, 20 kV kojeistoja, keskijänniteavojohtoja, -maakaapeleita, 20/0,4kV jake- lumuuntajia, pienjänniteverkon maakaapeleita sekä pienjänniteverkon riippukierrejohti- mia. Kuvassa 2 on havainnollistettu sähkönjakelujärjestelmää, johon tarkasteltavat kom- ponentit on sijoitettu.
Kuva 2. Sähkönjakelujärjestelmään on sijoitettu tarkasteltavat komponentit.
3.1.1 110/20 kV Sähköaseman komponentit
Sähköasema on sähkönsiirtoverkon ja sähkönjakeluverkon välissä oleva linkki. Sähkö- aseman rakentaminen on verkkoyhtiölle huomattava investointi, mutta uusien sähköase- mien vaikutuksesta esimerkiksi jännitteenalenemia sekä keskeytys- ja häviökustannuksia saadaan pienennettyä. Sähköaseman hintaan vaikuttavat esimerkiksi sähköaseman koko, tontti jolle asema rakennetaan sekä sähköasemalla käytettävät tekniset ratkaisut. (Lakervi 2008)
Päämuuntajat (110kV/20kV)
Sähkönjakeluverkon merkittävin ja kallein komponentti on sähköaseman päämuuntaja, joka muuntaa sähkönsiirtoverkosta tulevan tavallisesti 110 kV jännitteen jakeluverkossa yleisesti käytettyyn 20 kV jännitetasoon. Päämuuntajan hinta riippuu muuntajan näen- näistehosta sekä esimerkiksi eristystekniikasta. Nimellisteholtaan 6 – 1 000 MVA pää- muuntajien hinnat vaihtelevat välillä 268 500 € - 996 310 € (EMV 2009). Päämuuntajien pitoajat ovat 30 - 45 vuotta (EMV 2007).
Muuntajan valmistuksessa käytettävistä materiaaleista merkittävimmät ovat teräs, kupari, alumiini sekä öljyeristeisessä muuntajassa käytettävä öljy. Valmistuksessa käytetään myös muita materiaaleja kuten erilaisia maaleja, puuta ja posliinia. Näiden osuudet muun- tajan kokonaispainosta ovat kuitenkin pienet.
Esimerkiksi erään 9,6 MVA öljyeristeisen päämuuntajan kokonaispaino on 27 432 kg.
Tästä painosta erilaisia teräsmateriaaleja on yhteensä 15 886 kg eli 57,9 %. Kuparia on 3 526 kg eli 12,8 %, öljyä 6 780 kg eli 24,7 % ja alumiinia 65 kg eli 0,2 % muuntajan kokonaispainosta. (Environdec 2000)
Sähköaseman kojeistot
Sähkönjakeluverkoissa käytettävillä kojeistoilla tarkoitetaan sähköntuotannossa, siirros- sa, muuntamisessa tai muuttamisessa tarvittavaa rakennekokonaisuutta, johon kuuluu kytkin-, suoja-, ohjaus- ja valvontalaitteita.
Kojeistot voidaan jakaa ulkokuoren perusteella metallikuorisiin sekä eristysainekuorisiin.
Jakeluverkoissa käytetään eniten metallikuorikojeistoja, jotka voidaan edelleen jakaa ko- jeiston sisäisen osastoinnin perusteella metalli-, tila- ja kennokoteloituun kojeistoon. Me- tallikoteloidussa kojeistossa kokoojakiskosto, katkaisija ja lähdön kojeet ovat omissa ti- loissaan ja tilojen välinen osastointi on maadoitettua metallia. Tilakoteloidussa kojeistos- sa kokoojakiskosto, katkaisija ja lähdön kojeet ovat omissa tiloissaan ja tilojen välinen osastointi on osittain tai kokonaan eristysainetta. Kennokoteloiduksi kojeistoksi katso- taan kaikki muut kojeistot kuin metalli- ja tilakoteloidut kojeistot. Jos kojeistojen pääasi- allisena eristysaineena toimii esimerkiksi ilma, käytetään kojeistoista nimitystä ilmaeris- teinen kojeisto. Käytettäessä eristysaineena eristyskaasua, joka on eri paineessa kuin normaali ilmanpaine, puhutaan kaasueristeisistä kojeistoista. (ABB TTT)
Sähköaseman kojeistojen hinta riippuu merkittävästi kojeiston ja esimerkiksi sähköase- man kiskorakenteesta. Kojeistojen hinnat vaihtelevat välillä 21 970 € - 49 700 € (EMV 2009). Kojeistojen pitoajat vaihtelevat 30 ja 45 vuoden välillä (EMV 2007). Liit- teessä I on eritelty UniSwitch M1 kojeiston eri osien valmistuksessa käytettävät materi- aalit. (ABB Uni) Kyseistä kojeistoa käytetään lähinnä muunto- ja kytkinasemilla, mutta kyseisen komponentin avulla päästään kiinni kennokojeiston yhden kennon energiankulu- tuksen suuruusluokkaan.
3.1.2 Keskijännitejohtolähdön komponentit
110 kV/20 kV sähköasemalta alkaa sähkönjakelu ja tavallisesti sähköä kuljetetaan sähkö- asemalta 20 kV keskijännitejohtoja käyttäen. Sähköasemalta lähtee usein useita johtoläh-
töjä, joiden määrä riippuu alueen infrastruktuurista sekä sähköaseman ja erityisesti pää- muuntajan koosta.
Avojohtorakenteet
Keskijännitejohtolähdöillä käytetään paljon avojohtorakenteita. Avojohdon valintaperus- teeksi on tavallisesti luettu sen edullisuus verrattuna maakaapelirakenteeseen. Avojohto onkin usein hyvä ratkaisu avoimeen maastoon kuten pelloille, jossa puut eivät pääse osumaan johtimiin. Suomessa on kuitenkin yhä tuhansia kilometrejä avojohtoja, jotka kulkevat metsissä. Nämä johdot aiheuttavat suurimman osan sähkönjakelussa aiheutuvis- ta katkoksista ja ovat näin ollen verkkoyhtiöille suuri keskeytyskustannusten aiheuttaja.
Avojohtorakenteiden hintaan vaikuttaa eniten johtimen poikkipinta-alan suuruus. Lisäksi hintaan vaikuttavat johtimen eristysrakenne sekä mahdollinen suojavaippa (PAS- johtimet). Esimerkiksi Pigeon on keskijänniteverkossa käytettävä avojohto. Johdin on valmistettu alumiinista ja se on vahvistettu keskikohdaltaan teräksellä. Johtorakenteen investointikustannus on 25 140 €/km ja pitoaika 30 - 45 vuotta (EMV 2009), (EMV 2007).
Maakaapelirakenne
Maakaapelin käyttö keskijännitejohtolähdöillä on kasvattanut suosiotaan viime aikoina.
Syynä tähän on erityisesti maakaapelin käyttövarmuus verrattuna avojohtimiin. Tarken- tunut verkkoyhtiöiden valvonta ja niiden oikeus kerätä hieman voittoa ovat lisänneet verkkoyhtiöiden halua pienentää keskeytyskustannuksia. Tähän on käytetty yhtenä rat- kaisuna avojohtorakenteiden vaihtamista maakaapeliin. Maakaapelia käytetään kaupun- geissa ja tiheillä asutusalueilla, joissa tilaa avo-johdoille ei ole ja sähkönjakelulta edellyte- tään mahdollisimman suurta luotettavuutta. Maakaapelit ovat hankintahinnaltaan kalliita verrattuna avojohtoihin. Nykyään kehittynyt auraustekniikka on nopeuttanut maakaape- lin asennusta. Maakaapeleiden pitoajat ovat usein pidempiä kuin avojohtojen. Pitoajat voivat olla jopa yli 50 vuotta.
AHXAMK-W eli ”Wiski”, on kolmijohtiminen maakaapeli, jossa kolme vaihejohdinta on kierretty maadoitusköyden ympärille. Sitä käytetään paljon 20 kV kaapelina ja sen nimel- lisjännite on U0/U = 12/20 kV. Vaihejohtimet ovat valmistettu alumiinista ja niiden vaipat ovat mustaa PE-muovia. Johdinsuojana on puolijohtava muovi ja eristys on toteutettu
PEX-muovilla. Keskusköysi on paljas kuparijohdin. (Vatanen 1998) Esimerkiksi AHXAMK-W-185 kaapelin asentaminen maksaa 41 990 €/km ja kaapeliojan kaivu taa- jama-alueella 21 700 €/km (EMV 2009). Kaapelin auraus maksaa noin 18 550 €/km.(Energiateol. 2006) Pitoaika vaihtelee välillä 30 - 45 vuotta (EMV 2007).
3.1.3 Muuntopiirin komponentit
20 kV avojohto tai kaapeli päättyy tavallisesti jakelumuuntajalle, josta alkaa pienjännite- verkko. Muuntopiiriin kuuluu jakelumuuntaja sekä pienjänniteverkon avojohdot ja kaa- pelit. Lisäksi verkossa voi olla muita ohjaus- ja suojalaitteita.
Jakelumuuntajat
Pienjännitemuuntopiiri alkaa jakelumuuntajalta. Jakelumuuntaja muuntaa 20 kV jännit- teen esimerkiksi pienjänniteverkoissa tyypilliseksi 400 V jännitteeksi. Jakelumuuntaja voi olla asennettu joko pylvääseen, maan päälle koppiin tai jonkin rakennuksen sisälle. Niin sanotut puistomuuntajat ovat erityisesti tiheiden asutusalueiden maakaapeliverkoissa suosittuja. Pylväsmuuntamo on selkeästi edullisin muuntamorakenne ja kiinteistömuun- tamo kallein.
Muuntajat voivat olla öljyeristettyjä tai valuhartsieristeisiä. Valuhartsieristyksellä sääste- tään huomattavasti tilaa eikä ole vaaraa öljyn valumisesta ympäristöön. Tosin valuhartsin käytölläkin aiheutuu päästöjä esimerkiksi valmistuksen aikana. Öljyeristeinen muuntaja voi olla joko paisuntasäiliöllä varustettu tai ilman paisuntasäiliötä, jolloin muuntajan run- ko joustaa hieman lämpötilavaihteluiden myötä. (Setälä 2005)
Jakelumuuntamoiden pitoajat ovat tavallisesti 30 - 45 vuotta (EMV 2007). Niiden hinta riippuu muuntajan näennäistehosta sekä eristyksestä. 16 - 1600 kVA jakelumuuntajien yksikköhinnat vaihtelevat 2 900 € ja 22 940 € välillä. (EMV 2009)
Pienjänniteverkon riippujohtorakenne (AMKA)
AMKA on pienjänniteverkossa paljon käytetty ilmassa kulkeva kolmijohtiminen riippu- kierrejohto, jonka nimellisjännite on U0/U = 0,6/1,0 kV. Siinä kolme vaihejohdinta on kierretty paljaan kannatinköyden ympärille. Vaihejohdin on valmistettu alumiinista ja se on eristetty mustalla PE-muovilla. Kannatinköysi on tiivistettyä alumiiniseosta. (Vatanen 1998) AMKA:n pitoaika riippuu paikasta, johon se rakennetaan ja pitoajat vaihtelevat
tavallisesti 25 ja 40 vuoden välillä (EMV 2007). AMKA:n hinta riippuu merkittävästi johtimen poikkipinta-alasta ja esimerkiksi AMKA 70 maksaa 17 510 €/km. (EMV 2009)
Pienjänniteverkon maakaapelirakenteet
Pienjänniteverkossa käytetään nykyään hyvin paljon maakaapelia. Kaapeli kulkee usein vain lyhyen matkan jakelumuuntajalta sähkönkuluttajalle ja johto voidaan usein aurata maahan. Lisäksi vältytään avojohtojen aiheuttamalta maisemahaitalta ja tilantarpeelta.
AXMK on maakaapeli, joka koostuu neljästä alumiinijohtimesta. Sitä käytetään pienjake- luverkoissa ja sen nimellisjännite on U0/U = 0,6/1,0 kV. Eristys AXMK:ssa on toteutettu PEX-muovilla ja vaippa koostuu mustasta PVC-muovista. (Vatanen 1998) Esimerkiksi AXMK-70 kaapeli ja sen asentaminen maksaa 12 630 €/km ja kaapeliojan kaivu taajama- alueella 21 700 €/km (EMV 2009). Kaapelin auraus maksaa noin 18 550 €/km.(Energiateol. 2006) Pitoaika vaihtelee välillä 30 - 45 vuotta. (EMV 2007) 3.2 Yleisimmät komponenttien valmistuksessa käytetyt raaka-aineet
Komponenteissa eniten käytetyt materiaalit ovat alumiini, kupari, teräs sekä erilaiset muovit. Tarkastellaan seuraavaksi tarkemmin kyseisiä materiaaleja.
Alumiini
Alumiini on kevyttä ja hyvin korroosiota kestävää. Se on maankuoren kolmanneksi eni- ten esiintyvä alkuaine, yleisin metalli ja sillä on hyvät lämmön- ja sähkönjohtokyvyt.
Alumiinia voidaan valmistaa joko louhitusta bauksiitista tai hyödyntämällä uudelleen käy- töstä poistettuja alumiinituotteita ja alumiiniromua. Bauksiittia esiintyy eniten päivän- tasaajan läheisyydessä, josta sitä tuodaan jatkojalostusta varten esimerkiksi Eurooppaan.
4 - 5 tonnista bauksiittia saadaan keskimäärin kaksi tonnia alumiinia, mutta Euroopassa käytetään yleisesti korkealaatuisempaa alumiinia, jota saadaan yksi tonni 3,7 bauksiitti- tonnista. Valmistusprosessissa bauksiitista erotetaan ensin puhdas alumiinioksidi käyttä- mällä Bayerin kemiallista prosessia, jonka jälkeen alumiinia voidaan valmistaa elektrolyy- sin avulla. Alumiinin uusiokäyttö säästää energiaa sekä materiaalia ja siitä aiheutuu vain noin sadasosa CO2-päästöjä verrattuna siihen, että valmistetaan alumiinia bauksiitista.
Energiaa vastaavasti säästyy noin 95 %. Kierrätetty alumiini sopii samaan tai vähemmän vaativaan käyttötarkoitukseen, jossa sitä on aiemmin käytetty. (Vatanen 1998) Alumiinin
tuottamiseen bauksiitista tarvitaan paljon sähköenergiaa noin 13 000 kWh/t. (Nykänen 2005)
Kupari
Kupari on jalometalli, jota löytyy luonnosta metallisessa muodossa, mutta taloudellisesti käyttökelpoisissa kupariesiintymissä kupari on usein sitoutuneena joko rikkiin tai hap- peen. Kaapeleiden valmistuksessa kuparin oleellisin ominaisuus on sen konduktiivisuus, jonka vuoksi johtimissa käytettävän kuparin on oltava elektrolyyttisesti puhdistettua.
Kuparin valmistusprosessissa on malmien louhinnan jälkeen vuorossa kuparirikasteen sulatus, jonka seurauksena saadaan kuparikiveä. Konvertoinnin jälkeen saadaan raakaku- paria, jonka jälkeen on jäljellä vielä anodiuunin ja elektrolyysin avulla tehtävä käsittely.
Kuparia voidaan myös kierrättää poistamalla käytetystä kuparista elektrolyysin avulla epäpuhtaudet. Tämä on taloudellisempi ja vähemmän energiaa vaativa prosessi kuin ku- parin valmistus malmeista. (Vatanen 1998) Paksuudeltaan 1 mm kuparilevy painaa 8,9 kg/m2 (Teräselementti 2008) ja yhden paksuudeltaan 0,6 mm kuparilevyn valmistamiseen kuluu energiaa noin 0,17 GJ/m2. (kupfer-institut.de) Energiaa kuluu täten noin 8 800 kWh/t.
Teräs
Teräksen tarkoitus kaapeleissa on usein varmistaa johdinrakenteen mekaaninen kestä- vyys. Teräs on rautaa, joka sisältää hieman hiiltä ja muita seosaineita. Sitä saadaan val- mistettua rautamalmista, jota on runsaasti saatavilla. Teräksen valmistuksen päävaihe on konvertointi, jossa epäpuhtauksien ja erityisesti hiilen määrä säädetään halutulle tasolle.
Myös terästä kierrätetään ja se on hyvin kustannustehokasta, koska teräs voidaan erottaa esimerkiksi muusta romusta magneettisesti. Suuri osa maailmassa valmistettavasta teräk- sestä palaa kierrätyksen kautta uusiokäyttöön. (Vatanen 1998) Teräksen tuottamiseen kuluu energiaa noin 9 000 – 10 000 kWh/t.(lahtisbp.fi)
Muovit
Muoveja käytetään sähkönjakeluverkon komponenteista erityisesti kaapeleissa, joissa eristykset tehdään usein polyeteenistä (PE) ja vaippa polyvinyylikloridista (PVC). Muo- via valmistetaan kemiallista prosessia käyttäen, mutta muovien talteenotto ja uusiokäyttö
on jatkuvasti lisääntynyt. (Vatanen 1998) Esimerkiksi polyeteenin valmistus kuluttaa noin 8 200 kWh/t ja polystyreenin noin 18 900 kWh/t.(lahtisbp.fi)
3.3 Sähkönjakeluverkon komponenttien elinkaari
Sähkönjakeluverkon komponenttien elinkaarien merkittävimmät vaiheet riippuvat hyvin paljon siitä, mitä komponenttia tarkastellaan. Kun tarkastellaan esimerkiksi komponentin kuluttamaa energiamäärää, painottuu osalle komponenteista valmistus kun taas toisille komponentin käyttö.
3.3.1 Valmistus
Sähkönjakeluverkon tuotteiden valmistukseen kuluu merkittävästi energiaa. Valmistus on myös merkittävä tekijä joidenkin komponenttien, kuten sähköaseman kojeistojen, elin- kaaren kokonaisenergiankulutuksesta, koska näiden komponenttien käytön aikana ei kulu merkittävästi energiaa häviöinä.
Valmistuksessa aiheutuviin CO2-päästöihin päästään kiinni tarkastelemalla valmistuksessa kuluvaa energiamäärää ja edelleen sitä, miten energia on tuotettu. Usein voidaan olettaa, että energia on sähköenergiaa, joka on otettu valtakunnallisesta verkosta. Näin ollen voi- daan laskea sähköntuotannossa käytettävistä fossiilisista polttoaineista aiheutuvat CO2- päästöt valmistuksessa käytettävälle energiamäärälle.
Tässä työssä valmistuksen energiankulutuksessa ei ole huomioitu käytettävien raaka- aineiden valmistuksen ja logistiikan energiankulutusta. Raaka-aineteollisuus on tyypilli- sesti hyvin energiaintensiivistä ja sen energiankulutus tulisi huomioida osana komponen- tin valmistusta. Tältä osin valmistusvaiheen analyysin tarkentaminen edellyttäisi kuitenkin kunkin komponentin koko raaka-aine ketjun tuntemusta. Esimerkiksi metallien kohdalla tämä tarkoittaa ketjua malmin louhinnasta kaivokselta lähtien kaikkine välikuljetuksineen ja jalostusvaiheineen aina komponenttivalmistajalle asti. Koska tämän vaiheen riittävän yksityiskohtaisten tietojen hankinta jäisi tämän työn laajuudessa osittain arvailujen va- raan, on ketjun tarkastelu päätetty jättää pois. Edellä esitettyjen materiaalien valmistuk- seen käytettävien energiamäärien perusteella saa kuitenkin käsityksen materiaalin valmis- tukseen kuluvan energian suuruusluokasta.
3.3.2 Logistiikka
Kaikki sähkönjakeluverkon komponentit on kuljetettava käyttöpaikalleen. Myös valmis- tuksessa käytettävät raaka-aineet kuljetetaan tehtaalle, joissa niistä valmistetaan valmiita tuotteita. Komponentit vaativat mahdollisesti myös huoltotoimenpiteitä, joita ei voida suorittaa niiden käyttöpaikoillaan, joten komponentit on kuljetettava huoltoon ja edelleen takaisin paikoilleen. Viimeinen kuljetus on komponentin kuljetus hävitettäväksi tai kierrä- tettäväksi. Kuljetustarve on hyvin erilainen eri komponenteille johtuen esimerkiksi kom- ponentin koosta, painosta ja laadusta. Esimerkiksi sähköaseman päämuuntaja painaa pal- jon ja se todennäköisesti huolletaan elinkaarensa jossain vaiheessa perusteellisesti käyttö- paikkansa ulkopuolella. Vastaavasti maahan aurattua kaapelia ei koskaan nosteta paikal- taan huoltoa varten muualle korjattavaksi.
Valmiiden komponenttien kuljetuksissa käytetään pääasiassa kuorma-autoja ja ajoneu- voyhdistelmiä, joiden energiankulutus on yleisesti tiedettävissä. Raaka-aineita puolestaan kuljetetaan paljon laivoilla ja rautateitse. Kun tiedetään kuljetettavien komponenttien pai- not sekä kuljetettava matka, voidaan arvioida komponentin osuutta kuljetuksessa aiheu- tuviin energiahäviöihin sekä CO2-päästöihin.
3.3.3 Asennus ja käyttöönotto
Jokainen sähkönjakeluverkon komponentti joudutaan asentamaan ja ottamaan käyttöön.
Tähän prosessiin tarvitaan usein energiaa kuluttavaa kalustoa kuten autonostureita, kai- vureita sekä muita moottoriajoneuvoja. Asennuksessa ja käyttöönotossa käytettävä ener- giamäärä riippuu jälleen merkittävästi siitä, mikä komponentti on kyseessä. Esimerkiksi suurikokoisen sähköaseman päämuuntajan asennukseen kuluu enemmän energiaa kuin jakelumuuntajan asennukseen. Toisaalta koko elinkaaren energiankulutusta tarkasteltaes- sa on esimerkiksi sähköaseman kojeistojen asennukseen kuluvan energian prosentuaali- nen osuus koko sen elinkaaren energiankulutuksesta huomattavasti suurempi, kuin esi- merkiksi muuntajan. Tämä johtuu siitä, että muuntajilla on käytönaikaisia energiahäviöi- tä, mutta kojeistoilla ne ovat hyvin pienet.
Johtimien asentaminen maahan vaatii tavallisesti enemmän energiaa kuin ilmajohdon asentaminen. Näihin päästään kiinni tarkastelemalla työkoneiden ja ajoneuvojen käyttöä ja kulutusta.
3.3.4 Käyttö
Komponenttien käytön energiatehokkuus ja siitä aiheutuvat häviöt on arvioitava tarkasti, koska komponenttien pitoajat ovat usein kymmeniä vuosia ja komponenttien läpi kulkee suuria määriä sähköenergiaa. Käyttö on elinkaarianalyysin tärkein vaihe erityisesti muun- tajille sekä sähkön siirtoon ja jakeluun käytettäville kaapeleille ja avojohdoille. Näissä komponenteissa syntyvien häviöiden määrä riippuu läpi siirrettävän energian ohella mer- kittävästi komponentin ominaisuuksista. Vastaavasti osalle komponenteista, kuten säh- köaseman kojeistoille, käytössä ei aiheudu merkittävästi energiahäviöitä. Käytössä aiheu- tuviin CO2-päästöihin päästään kiinni tarkastelemalla Suomessa sähköntuotannossa käy- tettäviä energianlähteitä ja sitä, kuinka suuri osa näistä on uusiutumattomia energialähtei- tä.
3.3.5 Huolto ja kunnossapito
Sähkönjakeluverkon komponentit vaativat myös huoltoa ja kunnossapitoa, johon tarvi- taan energiaa kuluttavaa kalustoa. Kunnossapitoon laskettavia tarkastustoimenpiteitä vaativat erityisesti muuntajat ja avojohtorakenteet. Vähemmän kunnossapitoa vaativat kaapelit ja riippukierrejohdot. Avojohdoille tehtävät kunnossapitotoimenpiteet tarkoitta- vat tavallisesti johtokatujen raivaamista ja kaapeleiden tapauksessa esimerkiksi kaapelin eristeen ominaisuuksien mittaamista.
Jakeluverkossa tapahtuvat jakelukatkokset johtuvat usein vioittuneesta johtimesta, joka joudutaan korjaamaan. Vika johtuu usein esimerkiksi avojohtimen päälle kaatuneesta puusta tai poikki kaivetusta kaapelista. Useasti viankorjaus lasketaan osaksi rakenteen huoltoa. Tässä työssä viankorjausta käsitellään komponenttikohtaisesti eriytettynä kun- nossapidosta, koska nämä toimenpiteet on tapana eriyttää myös jakeluverkkojen kustan- nusanalyyseissä. Tämä mahdollistaa tarvittaessa sijoituspaikkakohtaisten lähtötietojen käyttämisen vikatarkasteluissa, sillä vikamäärät ja siten viankorjauksen tarve voivat vaih- della huomattavasti sijoituspaikan mukaan.
3.3.6 Käytöstä poistaminen
Loppusijoitus ja komponentin hävitys eivät tavallisesti ole merkittävä osa komponentin kokonaisenergiankulutuksesta. Lisäksi komponentteja ja komponenteissa käytettäviä ma- teriaaleja voidaan käyttää uudelleen, joten esimerkiksi kaikki valmistusvaiheessa käytetty energia ei sitoudu enää pelkästään alkuperäiseen tuotteeseen.
4 Sähkönjakeluverkkojen energiataseen määrittäminen
Tässä työssä tarkastellaan sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaaren eri vai- heiden energiankulutusta ja syntyviä CO2-päästöjä. Komponenttien elinkaaria analysoi- daan esimerkkitapausten avulla, jotka luovat kuvan energiankulutuksen suuruusluokasta.
Yleispätevien arvojen saavuttaminen edellyttäisi laajoja tilastollisia tarkasteluja. Energia- määrien ja CO2-päästöjen laskennassa käytetään apuna Suomen sähköntuotantorakennet- ta, joka on esitetty kuvassa 3.
Kuva 3. Suomen sähkönhankinta energialähteittäin vuonna 2007.(energia.fi)
Suomen sähkönhankinnassa käytettävistä energianlähteistä 33,9 % aiheuttaa CO2- päästöjä. Oletetaan lisäksi, että Suomeen tuodusta sähköenergiasta tuotetaan suhteelli- sesti sama osuus fossiilisia polttoaineita käyttäen, joten Suomen kokonaissähkönhankin- nasta 38,6 % perustuu CO2-päästöjä aiheuttaviin energianlähteisiin. Vuonna 2007 Suo- messa käytettiin 90,3 TWh sähköä. Saman vuonna Suomessa tuotettiin sähköä noin 77,75 TWh, josta aiheutui 17,6 miljoonaa tonnia hiilidioksidia. Suomeen tuotiin sähkö- energiaa 12,55 TWh (energia.fi), josta voidaan arvioida aiheutuneen noin 2,84 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä edellä mainituin oletuksin. Yhteensä sähkön tuotannosta voi- daan siten arvioida syntyneen 20,44 miljoonaa tonnia hiilidioksidia, eli 226 gCO2/kWh.
Esimerkkilaskelmiin on hankittu lähtötietoja komponenttivalmistajien omista julkaisuista, internet-sivuilta sekä kirjallisuudesta. Alan yrityksiltä on myös kysytty suoraan arvioita eri komponenttien elinkaarien eri vaiheista seuraavasti: (liite 2)
• Komponenttien asennuksesta, käyttöönotosta, korjauksesta, huollosta ja käytöstä poista- misesta on saatu arvioita Kymenlaakson Sähkö Oy:ltä ja Suur-Savon Sähkötyö Oy:ltä (KLS), (SSS)
• Muuntajien valmistukseen kuluvasta energiasta on tietoja saatu Trafotek Oy:ltä (Trafo- tek)
• Johtojen valmistukseen kuluvasta energiasta on tietoja saatu Reka Oy:ltä (Reka) Valmistajien dokumentteja on käytetty seuraavasti:
• Johtojen teknisiä tietoja Prysmian Cables and Systems Oy:n julkaisusta (Prysmian 2009)
• Jakelumuuntajien teknisiä tietoja ABB Oy:n julkaisusta (ABB TTT)
• Kojeistojen teknisiä tietoja ABB Oy:n julkaisusta (ABB Uni)
Osassa esimerkkilaskuista on käytetty seuraavia parametreja, joista osa vaihtelee todelli- suudessa hyvin paljon tilannekohtaisesti. Nämä parametrien arvot ovat eri lähteiden pe- rusteella muodostettuja arvioita, joiden avulla saadaan käsitys energiankulutuksen ja CO2-päästöjen suuruusluokasta komponenttien kussakin elinkaaren vaiheessa.
• Litra dieseliä (bensiiniä) sisältää energiaa 38,6 MJ (hypertextbook.com), (unido.org)
• Palaessaan litra dieseliä tuottaa noin 2,66 ja litra bensiiniä noin 2,35 kilogrammaa CO2- päästöjä (ake.fi)
• Täysperävaunullisen ajoneuvoyhdistelmän polttoaineen kulutukseksi on arvioitu 50 l/100 km (tekniikkatalous.fi)
• Täysperävaunuyhdistelmän omamassa noin 20 t, täydessä kuormassa 60 t (volvot- rucks.com)
• Ajoneuvoyhdistelmä (täysperävaunu) kuluttaa polttoainetta 50 l/100 km
• Kuorma-auto kuluttaa polttoainetta 40 l/100 km, nosturikäytössä 10 l/h (gigapower.fi)
• Työryhmäauto kuluttaa polttoainetta 17 l/100 km ja pakettiauto 11 l/100km. (Lukemat Suur-Savon Sähkötyö Oy:n autoista)
• Kaivuri kuluttaa 15 l/h (autokanta.com)
• Moottorikelkka kuluttaa 20 l/h (gigapower.fi)
• Saha kuluttaa 1,4 l/h(Ecfo 2002)
Lisäksi esimerkkitilanteissa on oletettu seuraavia asioita:
• Komponenttien pitoaika on 40 a
• Komponenttien kuljetusmatka on keskimäärin 100 km
• Komponenttien asentamisen, käyttöönoton, huollon, kunnossapidon ja poistamisen takia kuljettava matka on keskimäärin 40 km
• Johtimet ovat esimerkkitilanteissa 1 km pituisia
• Keskijänniteverkon komponenttien kuormitusvirtana on käytetty 100 A ja pienjännitever- kon kuormitusvirtana 22 A (Väissi 2006, Vatanen 1998)
• Muuntajia ja sähköaseman kojeistoja on tarkasteltu yksittäin
4.1 Sähköasema
Sähkönjakeluverkko alkaa 110 kV/20 kV sähköasemalta. Sähköaseman tärkeimmät komponentit ovat päämuuntaja sekä kojeistot. Selvitetään näiden komponenttien elinkaa- ren aikana kuluttama energia sekä aiheutuvat CO2-päästöt.
4.1.1 Sähköaseman päämuuntaja Valmistus
Muuntajia valmistavan Trafotek Oy:n tehtaan sähkönkulutuksen avulla voidaan arvioida muuntajien valmistamiseen kuluvaa energiaa. Yritys valmisti vuonna 2008 noin 100 000 kuivamuuntajaa ja valmistukseen kului sähköenergiaa 2 300 000 kWh. Näin ollen yhdelle muuntajalle kohdistuu valmistusvaiheen energiankulutuksesta noin 23 kWh. Valmistettu- jen muuntajien keskiteho oli noin 10 kVA, joten energiaa kului noin 2,3 kWh/kVA. Lu- keman perusteella esimerkiksi 25 MVA muuntajan valmistusvaiheen energiankulutuksek- si voidaan arvioida 57 500 kWh ja CO2-päästöiksi noin 13 000 kg.
Kuljetus
Päämuuntaja kuljetetaan yleensä lavetin avulla suoraan sen käyttöpaikalleen tai välivaras- toon. Oletetaan, että 25 MVA muuntaja kuljetetaan suoraan käyttöpaikalleen 100 km päähän tehtaalta. Polttoainetta kuluu noin 40 l, joten energiaa kuluu muuntajan kuljetta- misessa noin 430 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 106 kg.
Käyttöönotto
• Tarvitaan: kuorma-auto nosturilla, työryhmäauto, pakettiauto, 2 asentajaa, asennusväli- neet ja tarvikkeet
• Kesto: muuntajan koosta riippuen useita tunteja (12-24 h)
Suunnittelijat käyvät pakettiautolla sähköasemalla ennen muuntajan asentamisajankohtaa, joten kilometrejä kertyy 40 ja polttoainetta kuluu 4,4 l. Energiaa kuluu noin 47 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 12 kg. Asentajat tulevat asennuspaikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan kolmen päivän aikana keskimäärin 120 km. Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 20,4 l. Energiaa kuluu noin 219 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 54 kg. Nosturilla varus- tettu kuorma-auto ajaa työpäivän aikana 40 km ja on 6 h nosturikäytössä, joten polttoai- netta kuluu tällöin 76 l. Energiaa kuluu 815 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 202 kg. Li-
säksi energiaa kuluttavat asennuksessa tarvittavat laitteet, mutta näiden osuus on suhteel- lisen pieni. Yhden päämuuntajan asennukseen kuluu yhteensä noin 1 080 kWh energiaa ja CO2-päästöjä aiheutuu 270 kg.
Käytössä aiheutuvat häviöt
Muuntajien käytössä syntyy tyhjäkäyntihäviöitä ja kuormitushäviöitä. Tyhjäkäyntihäviöi- den suuruus riippuu muuntajan koosta ja sen ominaisuuksista. Tyhjäkäyntihäviöt ovat koko ajan samansuuruiset eivätkä ne riipu muuntajan läpi siirrettävästä tehosta. Kuormi- tushäviöt sen sijaan riippuvat muuntajan kuormituksesta eli siitä, kuinka paljon tehoa muuntajan läpi siirretään. Muuntajan vuotuinen tyhjäkäynnissä kuluttama energia voidaan laskea yhtälöllä (4.1) (Partanen 2008):
0 8760
2
0 ⋅
= n
n
h P
U
E U , (4.1)
missä P0 on nimellinen tyhjäkäyntihäviöteho, U jännite ja Un nimellisjännite. Muuntajan kuormitushäviöihin kuluva energia voidaan laskea yhtälöllä (4.2) (Partanen 2008):
h kn n
hk P t
S
E S ⋅ ⋅
=
2
, (4.2)
missä S kuormitusteho, Sn nimellisteho ja Pkn nimellinen kuormitushäviöteho. Häviöiden huipunkäyttöaika tk voidaan laskea yhtälöllä (4.3) (Partanen 2008):
83 8760 , 0 17 , 0
2 k k
h
t t
t = ⋅ + ⋅ , (4.3)
Kun käytetään kuormituksen huipunkäyttöaikana 4400 h (Vatanen 1998), saadaan hävi- öiden huipunkäyttöajaksi 2 582 h. Muuntajan vuosittaiset kokonaisenergiahäviöt saadaan laskettua yhtälöllä (4.4):
hk h
h E E
E = 0 + (4.4)
Taulukossa 1 on esitetty häviölaskennan tulokset 25 MVA 110/20 kV päämuuntajalle, jonka huippukuorman on ajateltu olevan 60 % nimellisestä ja ensiöjännitteen nimellisar- vossa. Energiahäviöiden kattamiseksi vaaditaan lisäsähköä, jonka tuottamisessa ja siirtä- misessä aiheutuu uusia teho- ja energiahäviöitä sekä CO2-päästöjä. Lisäksi verkkoyhtiö joutuu itse ostamaan häviöenergian sähkömarkkinoilta.
Taulukko 1. Muuntajan vuotuiset häviöenergiat sekä laskemisessa käytetyt parametrit (ABB TTT).
Sn[kVA] P0[kW] Pkn[kW] Eh0
[kWh/a]
Ehk
[kWh/a]
Eh
[kWh/a]
CO2-päästöt [t/a]
Päämuuntaja (25 MVA) 25 000 15,5 100 135 780 92 950 228 730 52
Muuntajan pitoajan ollessa 40 vuotta, kuluu energiaa käytön aikaisiin häviöihin yhteensä 9 150 MWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 2 080 t, jos muuntajan kuormitus pysyy koko ajan samana ja sähkön tuotantorakenne ei muutu. Toisaalta jos muuntajan kuorma kasvaisi 40 a pitoaikana noin r = 0,5 %/a voidaan syntyvän geometrisen sarjan summaan perustuen määrittää oletusta vastaava häviöenergia pitoajalta yhtälön (4.5) mukaan.
( )
( ) ( ) ( ( ) )
(
1)
111 1
1 2
2 2
hk 0 a
40
1
2 hk
0 h_tot
− +
−
⋅ + +
⋅ +
⋅
= +
⋅ +
⋅
=
∑
= r
r r E
E t r E
E t E
t h
t
t
h (4.5)
Yhtälön (4.5) mukaan tyhjäkäynti häviöihin kuluisi em. oletuksin pitoaikana noin 5 431 MWh ja kuormitushäviöihin 4 592 MWh, eli yhteensä häviöihin menisi 10 023 MWh energiaa. Myöskään sähköntuotannon CO2 päästöjen ei voida olettaa pysy- vän vakioina koko pitoaikaa. Kun huomioidaan samanlaisena koko pitoajan ylitse tapah- tuva CO2-päästöjen vuosittainen vähentyminen c, voidaan päästöille kirjoittaa yhtälö (4.6)
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) )
( ) ( )
−
−
⋅ +
−
−
⋅
⋅ +
−
⋅ +
⋅
− + +
−
⋅ −
−
⋅
⋅
= 1 1 1
1 1
1 1 1 1
1
1 1 1
co
CO 2
2 2
hk 0
2 2_tot
c r
c c r
r c E
c c E
t t
h (4.6)
missä co2 on sähköntuotannon ominaispäästöt tarkastelun ensimmäisenä vuonna (226 gCO2/kWh). CO2-päätöt riippuvat lineaarisesti kulutetusta energiasta. Jos sähkön- tuotannon CO2-päästöt vähenevät c = 5 %/a koko 40 a ajan kuormituksen samalla kas- vaessa 5 %/a, saadaan kuormitushäviöiden aiheuttamiksi päästöiksi 403 t ja tyhjäkäynti- häviöiden aiheuttamiksi päästöiksi 508 t, eli yhteensä päästöjä syntyisi 911 t.
Kunnossapito
Muuntajille tehdään erilaisia tarkastuksia ja huoltotoimenpiteitä kuten öljyanalyysejä vuo- sittain. Lisäksi muuntajalle tulisi tehdä kokonaisvaltainen kuntokartoitus kerran sen elin- kaaren aikana.(abb.fi) Oletetaan, että tarkastukset ja huoltotoimenpiteet tehdään kerran vuodessa. Muuntajan luo kuljetaan pakettiautolla, jolla ajetaan 40 km. Polttoainetta ku- luu yhteensä 4,4 l. Energiaa kuluu noin 47 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 12 kg.
Viankorjaus
• Tarvitaan: kuorma-auto nosturilla, kuorma-auto + lavetti, työryhmäauto,asennus- välineet ja tarvikkeet kun muuntaja joudutaan viemään pois käyttöpaikaltaan
• Kesto: Muuntajan irrotus paikaltaan 6-12 h, korjaus kestää vian laadusta riippuen useita viikkoja huoltohallissa
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. Tyypillisesti muuntajaa ei voida korjata paikan päällä, tarvitaan nosturilla varustet- tu kuorma-auto, joka ajaa työpäivän aikana 40 km ja on 4 h nosturikäytössä. Polttoainet- ta kuluu 56 l. Energiaa kuluu tällöin 600 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 149 kg. Lavetilla varustettu kuorma-auto ajaa päivän aikana yhteensä 40 km ja polttoainetta kuluu noin 20 l. Energiaa kuluu noin 214 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 53 kg. Kun muuntaja on kor- jattu, tuodaan se takaisin käyttöpaikalleen tai se korvataan vaihtokoneella irrotusvaihees- sa. Tähän kuluu suunnilleen saman verran energiaa kuin muuntajan irrotukseen. Energiaa kuluu yhteensä noin 1 775 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 441 kg. Keskeytystilastoinnin mukaan sähköasemilla on tapahtuneiden vikojen määrä keskimärin on 0,43 kpl/a eli 4,3 vikaa 10 vuodessa (Energiateol. 2007). Päämuuntaja on kuitenkin hyvin käyttövarma komponentti, joten suurin osa vioista voidaan ajatella tapahtuvan muissa komponenteis- sa. Luonnonilmiöiden osuus sähköaseman vioista on tilastoinnin mukaan 0,09 vikaa/a (Energiateol. 2007). Jos oletetaan tämän osuuden kohdistuvan pääosin päämuuntajille vikaantuisi päämuuntaja likimain kerran kymmenessä vuodessa. Tällä oletuksella kuluu muuntajien vian korjaukseen energiaa noin 160 kWh/a ja CO2-päästöjä aiheutuu noin 40 kg/a. Todellisuudessa myös osa luonnonilmiöiden aiheuttamista vioista kohdistuu muille sähköaseman komponenteille.
Käytöstä poistaminen
• Tarvitaan: kuorma-auto nosturilla, kuorma-auto + lavetti, työryhmäauto, 2 asentajaa, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: 8-16 h
Asentajat tulevat paikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan kahden päivän aikana 80 km.
Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 13,6 l. Energiaa kuluu noin 146 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 36 kg. Nosturilla varustettu kuorma-auto ajaa yhden päivän aikana yhteensä 40 km ja on nosturikäytössä 6 h. Polttoaineen kulutus on yhteensä noin 76 l dieseliä.
Energiaa kuluu noin 815 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 202 kg. Lavetilla varustettu
kuorma-auto ajaa päivän aikana yhteensä 40 km. Tähän kuluu polttoainetta noin 20 l.
Energiaa kuluu noin 214 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 53 kg. Energiaa kuluu yhteensä 1 180 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 290 kg.
4.1.2 Sähköaseman kojeiston kenno Valmistus
Sähköaseman kojeiston kennon valmistusvaiheessa kuluu energiaa noin 130 kWh, kun kojeiston paino on noin 130 kg. (ABB Uni) Kun oletetaan, että energia on sähköenergi- aa, aiheutuu tämän 130 kWh energian tuottamisesta yhteensä noin 30 kg CO2-päästöjä.
Kuljetus
Oletetaan, että kojeistot kuljetetaan tehtaalta verkkoyhtiölle osana ajoneuvoyhdistelmän kuormaa. Kun kojeiston paino on noin 130 kg, sen osuus kuormasta on 0,35 %. Energi- aa kuluu yhteensä 536 kWh, mistä kojeiston osuus on 0,35 % eli 1,8 kWh. CO2-päästöjä yhteensä noin 0,5 kg.
Käyttöönotto
• Tarvitaan: kuorma-auto nosturilla, työryhmäauto, pakettiauto, asentajat, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: 8 h/kenno
Suunnittelijat käyvät pakettiautolla sähköasemalla ennen kojeiston asentamisajankohtaa, joten kilometrejä kertyy 40 ja polttoainetta kuluu 4,4 l. Energiaa kuluu noin 47 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 12 kg. Asentajat tulevat asennuspaikalle työryhmäautolla, jonka kulutus on 17 l/100km. Autolla ajetaan päivän aikana 40 km ja dieseliä kuluu yhteensä 6,8 l. Energiaa kuluu noin 73 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 18 kg. Nosturilla varustettu kuorma-auto ajaa päivän aikana yhteensä 40 km ja on nosturikäytössä 3 h. Kulutus on yhteensä noin 46 l dieseliä. Energiaa kuluu noin 493 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 122 kg. Yhden kennon asennuksessa kuluu täten yhteensä noin 613 kWh energiaa ja CO2-päästöjä aiheutuu 152 kg.
Kunnossapito
Tarkastukset ja huoltotoimenpiteet tehdään suosituksen mukaan neljän vuoden välein.
(abb.fi) Sähköasemalle kuljetaan pakettiautolla, jolla ajetaan 40 km. Polttoainetta kuluu
yhteensä 4,4 l. Energiaa kuluu yhtä tarkastusta kohden noin 47 kWh ja CO2-päästöjä ai- heutuu 11,7 kg.
Viankorjaus
• Tarvitaan: 1-2 työntekijää, työryhmäauto, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: 2-8 h/kenno
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. Tilastoinnin mukaan vikojen määrä sähköasemalla 0,43 kpl/a (Energiateol. 2007).
Jos oletetaan että näistä vioista karkeasti puolet kohdistuu jollekin keskijännitepuolen kojeistolle kuluisi kennon vikojen korjaukseen energiaa noin 16 kWh/a josta CO2- päästöjä aiheutuu noin 4 kg/a.
Käytöstä poistaminen
• Tarvitaan: kuorma-auto nosturilla, työryhmäauto, asentajat, asennusvälineet ja tarvikkeet
• Kesto: irrotus 2-4 h/kenno
Nosturilla varustettu kuorma-auto ajaa päivän aikana yhteensä 40 km ja on nosturikäy- tössä 3 h. Polttoaineen kulutus on yhteensä noin 46 l dieseliä. Energiaa kuluu noin 49 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 122 kg. Asentajat tulevat paikalle työryhmäautolla, jolla ajetaan 40 km. Näin ollen dieseliä kuluu yhteensä 6,8 l. Energiaa kuluu noin 73 kWh ja CO2-päästöjä aiheutuu 18 kg. Yhden kennon käytöstä poistamisessa kuluu yhteensä noin 566 kWh energiaa ja CO2-päästöjä aiheutuu 140 kg.
4.1.3 Sähköasemakomponenttien elinkaarianalyysin tulokset
Taulukoissa 2 ja 3 on esitetty sähköaseman päämuuntajan ja kojeistojen elinkaaren eri vaiheiden energiankulutus ja aiheutuvat CO2-päästöt. Käytön aikana syntyvät häviöt on laskettu yhtälöillä (4.1), (4.2), (4.3) ja (4.4) kappaleessa 4.1.1 esitetyin lähtötiedoin. Tu- lokset on esitetty toimintoa tai yhtä vuotta kohden. Arviot 40 a pitoajalta on esitetty lu- vun 4.4 yhteenvedossa oletuksella ettei komponenttien kuormitus tai vuosittaiset CO2- päästöt muutu tänä aikana. Todellisuudessa koko elinkaaren aikana kuluvan energian ja aiheutuvien CO2-päästöjen laskemiseksi tulisi tietää esimerkiksi mahdollinen tehon kasvu, energian tuotannon rakenne sekä CO2-päästömäärien kehitys.
Taulukko 2. Päämuuntajan (25 MVA) elinkaaren eri vaiheiden energiankulutus ja aiheutuvat CO2- päästöt yhtä vuotta tai toimintoa kohden.
Valmistus [kWh/kpl], [kg/kpl]
Kuljetus [kWh/kpl],
[kg/kpl]
Käyttöön- otto [kWh/kpl],
[kg/kpl]
Käyttö [kWh/a]
Kunnos- sapito [kWh/a],
[kg/a]
Vian- Korjaus [kWh/vika],
[kg/vika]
Käytöstä poisto [kWh/kpl],
[kg/kpl]
Energia 57 500 430 1 080 229 000 47 1 800 1 200
CO2-
päästöt 13 000 106 270 52 000 12 440 290
Muuntajan energiankäytön kannalta merkittävin elinkaaren vaihe on käyttö. Häviöiden suuruus riippuu merkittävästi yhtälöihin syötettävistä parametreista. Verkkoyhtiöillä on mahdollisuus vaikuttaa käytön aikaisiin häviöihin valitsemalla tekniset reunaehdot täyttä- vä muuntaja, jonka P0n ja Pkn ovat mahdollisimman pienet.
Taulukko 3. Sähköaseman kojeistojen elinkaaren eri vaiheiden energiankulutus ja aiheutuvat CO2- päästöt yhtä vuotta tai toimintoa kohden.
Valmistus [kWh/kpl],
[kg/kpl]
Kuljetus [kWh/kpl],
[kg/kpl]
Käyttöönotto [kWh/kpl],
[kg/kpl]
Kunnos- sapito [kWh/a],
[kg/a]
Vian- Korjaus [kWh/vika],
[kg/vika]
Käytöstä poisto [kWh/kpl], [kg/kpl]
Energia 130 1,8 613 47 73 566
CO2-päästöt 30 0,5 152 12 18 140
Sähköaseman kojeistojen elinkaaren aikana syntyy huomattavasti vähemmän energiahä- viöitä ja CO2-päästöjä kuin muilla komponenteilla. Tähän vaikuttaa erityisesti se, että kojeistojen käytön aikana ei synny merkittäviä häviöitä. Suurimmat energiamäärät kulu- vat kojeistojen käyttöönotossa ja käytöstä poistamisessa.
4.2 Keskijännitejohtolähtö
Keskijännitejohtolähtö alkaa sähköasemalta ja päättyy muuntopiireihin tai teollisuusyksi- köihin. Tehdään elinkaarianalyysi keskijänniteverkoissa käytettäville avojohdoille sekä maakaapeleille.
4.2.1 Johtorakenteet Johtimien valmistus
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. Kuljetetaan 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 rakennetaan 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 työryh- mäautolla, 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:lla noin 132 t ja Al 132:lla 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.
