TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto
Kari Nurminen
HAJAUTETTUJEN ENERGIARESURSSIEN LIITYNTÄ SÄHKÖVERKON OHJAUS- JA AUTOMAATIOJÄRJESTELMIIN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 28. päivänä toukokuuta, 2004
Työn valvoja ja ohjaaja Professori Matti Lehtonen
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä: Kari Nurminen
Työn nimi: Hajautettujen energiaresurssien liityntä sähköverkon ohjaus-ja automaatiojärjestelmiin
Päivämäärä: 28.05.2004 Sivumäärä: 102
Osasto: Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Professuuri: Sähkötekniikka
Sähköverkot ja suurjännitetekniikka Koodi: S-18
Työn valvoja
ja ohjaaja : Professori Matti Lehtonen
Hajautettujen energiajärjestelmien liittäminen verkkoyhtiön jakeluverkkoon saattaa aiheuttaa sekä teknillisiä että myös taloudellisia ongelmia. Ne on ratkaistava siten, että verkon kunto, toiminta ja sähkön laatu eivät heikkene. Verkkoyhtiöllä on asetusten mukaan liittämisvelvollisuus, mutta liitynnässä on otettava huomioon myös muut verkon käyttäjät.
Koska hajautettuja energialähteitä on hyvin monenlaisia, riippuu verkkoon liityntämenetelmä aina liitettävän laitteen laadusta. Tahtigeneraattorin liittäminen on erilaista kuin epätahtigeneraattorin tai taajuusmuuttajan. Toisaalta liityttäessä verkkoyhtiön tietojärjestelmiin ei primäärisähkönlähteellä ole merkitystä. Hajautetun energilaitoksen omistajan ja verkkoyhtiön on yhdessä sovittava missä laajuudessa ja minkälaatuista tietoa halutaan vaihtaa. Yksinkertaisimmillaan tietoliikenneliityntä voi olla vain tuntitehojen mittausta siirtomaksujen määrittämiseksi kun taas laajimmillaan se voi sisältää edellisen lisäksi koko hajautetun energialaitoksen kaukovalvonnan ja toiminnan ohjauksen. Tästä esimerkkinä voidaan mainita tuulivoimalat, jotka ovat yleensä kaukovalvonnassa, kun taas yksityiseen jokeen asennettu pienvesivoimala ei välttämättä ole liitettynä verkkoyhtiön tietojärjestelmiin muuten kuin tehonmittauksen osalta.
Hajautettujen energialaitosten perustamis- ja rakentamiskustannukset pyritään pitämään sellaisella tasolla, etteivät ne olisi esteenä laitosten perustamiselle. Tähän on mahdollista päästä moduloimalla ja standardoimalla yksiköt mahdollisimman pitkälle.
Tietoliikenneyhteyksien osalta modulointi tarkoittaa sitä, että perusmallissa huomioidaan vain tehojen mittaukset ja verkkoonliityntälaitteiden asennonosoitukset.
Tällöin kustannukset vastaavat keskikokoisen teollisuuslaitoksen liittämistä tuntitehon kaukomittaukseen. Tämä edellyttää tietenkin, että pienjännitejakeluverkko on lähellä ja verkkoyhtiöllä on kaukomittaukseen valmiudet joko PLC-tekniikalla, puhelinliitynnällä, optisella kaapelilla tai langattomalla yhteydellä.
Avainsanat: Hajautetut energiaresurssit, Tiedonsiirto, IEC 61850
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS
Author: Kari Nurminen
Name of the Thesis: Connection of Distributed Energy Resources into the
Control and Automation Systems of Electrical Distribution Networks
Date: 28.05.2004 Number of pages: 102
Department : Department of Electrical and Communications Engineering Professorship: Electrical Engineering
Power Systems and High Voltage Engineering Code: S-18 Supervisor
and Instructor: Professor Matti Lehtonen
The connection of Distributed Energy Resources (DER) into a distribution network may lead to both technical and economic problems. These must be solved so that the condition and function of the distribution network as well as the quality of electricity are not compromised. According to the present regulations, distribution network owners are obliged to connect DER-devices to the network but at the same time, all other users need to be considered.
The means by which a DER-device is connected to a distribution network depends on the type of generating device to be connected, as there are many different types available. The connection of a synchronous generator is different to that of an asynchronous generator or an inverter, for example. On the other hand, when DER-devices will be connected to the information (IT) system used by distribution network operators, the primary energy source has no influence. The owners of the DER-device and the distribution network have mutually to decide the scope and details of information to be exchanged. The simplest way to connect DER- devices to IT-systems is to measure hourly power only, in order to determine the transfer costs of energy, but the connection scheme could also be extended to include complete remote control and operation of the whole DER-device. For example, wind farms are normally remote controlled and operated, while small hydro power plants (HPP) located in private rivers may have power measurements only.
The costs associated with establishing and constructing DER-plants need to be kept at a level that will not prevent their use. That can be done by standardising and modularizing the units as far as possible. As far as communicating systems are concerned, the modularizing means that the DER-base unit will have power measurement and the position indications of the main switching equipment only. The cost of connecting such a base unit into the IT-system of a distribution network is not more expensive than the connection of a middle size industrial plant for remote power measurement. The precondition is, naturally, that there is a nearby existing low voltage distribution network and that the owner of the network is able to implement remote measurements by means of PLC-technology, telephone wires, fibre optics or wireless connections.
Keywords: Distributed Energy Resources (DER), Information transfer, IEC 61850
ALKULAUSE
Tämä työ on tehty PAREE ”.Paikallisten energiaresurssien hallinta hajautetussa energiajärjestelmässä”- projektin puitteissa, jossa määriteltiin pienten paikallisten energiaresurssien hallinnassa tarvittava toiminnallinen konsepti sekä toteutuksen suuntaviivat. Projektissa keskityttiin pienjänniteverkkoon liitettäviin alle 500 kW energiantuotantolaitoksiin.
Hanke toteutettiin VTT:n (VTT-Tuotteet ja tuotanto, VTT-Prosessit), Vaasan Yliopiston (VU), Teknillisen Korkeakoulun ja osallistuvien yritysten yhteistyönä osana TEKESIN ”DENSY - Elajautettujen energiajärjestelmien teknologiat”- teknologiaohjelmaa.
Työ on tehty Teknillisen Korkeakoulun "Sähköverkot ja suurjännitetekniikka”- laboratoriossa, laboratorion esimiehen professori Matti Lehtosen ohjauksessa ja valvonnassa, josta esitän hänelle parhaat kiitokseni.
Kiitokset myös tutkija John Millarille hänen avustaan tiivistelmäkäännöksen tarkastuksessa, sekä projektiin osallistuneille VTT:n ja VU:n työryhmien jäsenille, joilta olen saanut hyviä vinkkejä ja arvokasta taustatietoa työtäni
varten.
Suurimmat kiitokseni ansaitsevat kuitenkin ”lento-ja-mäntä”-vai moni Meeri sekä teekkari-tyttäreni Laura, jotka ovat kannustaneet ja tukeneet minua tämän, minulle niin tärkeän ”projektin” toteuttamisessa.
päivänä toukokuuta, 2004
Kari Nurminen
Sisällysluettelo
TIIVISTELMÄ I
ABSTRACT II
ALKULAUSE III
SISÄLLYSLUETTELO IV
LYHENNELUETTELO VI
1. Johdanto 1
2. Hajautetut energiajärjestelmät 2
2.1 Toiminnalliset haasteet 5
2.2 Hajautuksen edut ja ongelmat 6
3. Tavallisimmat paikalliset energiantuotantotyypit 8
3.1 Pien vesi voimala 9
3.2 Aurinkovoima 10
3.3 Tuulivoima 14
3.4 Polttokennot 17
3.5 Biokaasulaitos 21
3.6 Stirling-moottori 27
3.7 Mikroturbiini 28
4. Hajautetun energialähteen liittäminen verkkoyhtiön jakeluverkkoon 30
4.1 Verkkoonliityntä ja sähkön laatu 32
4.2 Verkkoonliityntä ja suojaus 35
4.3 Verkkoonliityntä ja verkon hallinta 38
5. Verkkoyhtiön yleiset tiedonsiirtoratkaisut 39
5.1 Yleiset tietoliikenneverkot 40
5.2 Internet 45
5.3 Langaton tiedonsiirto 48
5.4 Sähköyhtiön tiedonsiirtotarpeet 50
5.4.1 Tiedonsiirto PLC-tekniikalla 52
5.4.2 Tiedonsiirtotekniikoiden nopeudet 55
5.5 Verkkoyhtiön verkkotietojärjestelmät 55
5.6 Sähköyhtiön automaatio-ja ohjausjärjestelmät 58
6. Liitynnät verkkoyhtiön ohjaus- ja automaatiojärjestelmiin 62 6.1 Tiedonsiirtoa tukevat avoimet standardit 68
6.1.1 OPC Standartdi 68
6.1.2 ШС/UCA 61850 Standardi 69
6.2 Sähköyhtiön ja asiakkaan välinen tiedonsiirto 78 6.3 Hajautetun laitoksen ympäristössä olevien
toimijoiden välinen tiedonsiirtotarve 81
7. Johtopäätökset 89
8. Lähdeluettelo 91
Lyhenneluettelo
A/D Analog/Digital
AD Anaerobic Digestion
AI Air interface
АЖ Aikajälleenkytkentä AMR Automatic Meter Reading
В НК W Blockheizkraftwerk (Paikallinen energiatuotanto(bio)laitos) CAD Computer Aided Design
CDMA Carrier Sense Multiplexing CHP Combined Heat and Power CIS Customer Information System
CPI Communication Programming Interface DA Distribution Automation
DEM Distribution Energy Management DER Distributed Energy Resource DG Distributed Generation
DEC Distribution Line Carrier (vrt. PLC) DMS Distribution Management System
DNS Domain Name System
DSM Demand Side Management EBONE European Backbone
EPRI Electric Power Research Institute EC Fuel Cell (Polttokenno)
FTP File Transfer Protocol
GIS Geographical Information System
GOMSFE Generic Object Models for Substation and Feeder Equipment GSM Global System for Mobile Communications
HMI Human Machine Interface HTTP HyperText Transfer Protocol ICCP Inter Control Center Protocol
ЮА Interface for Distributed Automation IED Intelligent Electronic Device
IP Internet Protocol ISI Intersystem interface IT Information Tecnology LAN Local Area Network
LOM Loss-Of-Mains (saarekekäytön estosuoja) LON Local Operating Network
LV Lämmönvaihdin
MMS Manufacturing Message Specification
MTB Micro Turbine
NAP Network Access Point NOS Network Control System NIS Network Information System
NISDN Narrowband Integrated Services Digital Network OLE Object Linking and Embedding
OPC OLE for Process Control
PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell PJK Pikajälleenkytkentä
PLC Power Line Carrier ( tiedonsiirto sähköverkossa, kuten DLC) PLC Programmable Logic Controller ( hajautettujen energialaitosten
automaatiojärjestelmä)
PV Photovoltaics,
PWM Pulse Width Modulation RTP Real Time Protocol
RTFS Real-Time Publish/Subscribe RTU Remote Terminal Unit SA Substation Automation
SAS Substation Automation System
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SCL Substation Configuration Language
SME Small and Middle Size Enterprises SMS Short Message Service
SMTP Simple Mail Transfer Protocol SOFC Solid Oxide Fuel Cell
TCP Transmission Control Protocol TDMA Time Division Multiplexing TETRA Terrestrial Trunked Radio TFTP Trivial File Transfer Protocol
UCA Utility Communications Architecture UDP User Datagram Protocol
UPS Uninterrupted Power Source
WAN Wide Area Network
WT Wärmetauscher (Lämmönvaihdin) XML Extensible Markup Language
1. Johdanto
Energiamarkkinoiden vapautuminen ja vakauttaminen on aiheuttanut vahvan muutostrendin energiamarkkinoilla. Tämä tarkoittaa jatkuvaa ja kasvavaa prosessia, missä vanhat rakenteet ja käytännöt ovat uhattuna.
Suuntaus on keskitetystä tuotannosta paikallisiin järjestelmiin ja pienempiin yksikkökokoihin. Energiansaannista on tullut yhä kriittisempi yhteiskunnan eri toiminnoille. Sähköenergian riittävyydellä, luotettavuudella ja laadulla on yhä merkittävämpi rooli yhteiskunnan eri toiminnoissa sen siirtyessä yhä enemmän informaatio- ja kommunikaatioteknologiaa hyödyntäväksi tietoyhteiskunnaksi.
Samalla kun verkkoon liitettyjen hajautettujen energiaresurssien määrä lisääntyy, niiden hallintaan ja automaatioon liittyy uusia haasteita ja mahdollisuuksia.
Hinnaltaan edullisen, häiriöttömän ja luotettavan energian saanti edellyttää hajautettujen energiaresurssien koordinoitua automaatiota ja hallintaa.
Ympäristökysymykset, energian saatavuus ja energiamarkkinoiden vapautuminen ovat nostaneet esiin tarpeen kehittää uusia energiantuotantomuotoja ja niihin perustuvia liiketoimintamalleja. Samalla informaatioteknologiassa ja automaatiossa tapahtunut kehitys on tarjonnut uusia mahdollisuuksia näiden toteuttamiseen. Tämä mahdollistaa uudella tavalla hajautetut energiajärjestelmät ja paikallisten resurssien optimaalisen hyödyntämisen. Myös integroitujen palvelujen mahdollisuudet tulevat hajautettujen energiajärjestelmien myötä kasvamaan. Automaatiolla ja informaatiotekniikalla on keskeinen rooli näiden tavoitteiden saavuttamisessa ja energiaketjuun (tuotanto, jakelu, varastointi ja käyttö) liittyvien hallintavälineiden kehittämisessä. Sähkövoimajärjestelmän toimivuudesta vastaavien toimijoiden on joka hetki oltava selvillä järjestelmään kytkettyjen tuotanto- ja kulutuslaitteiden
tilasta. Suuri määrä pienimuotoisia paikallisia energiaresursseja aiheuttaa niiden käytönaikaisen hallinnan osalta haasteita nykyisessä energiajärjestelmässä.
Perinteisiä automaatiojärjestelmiä ei voi etenkään niiden kalleuden takia käyttää paikallisten energiaresurssien hallintaan, vaan tarvitaan uudenlaisia toiminnallisia ja teknologisia ratkaisuja pienten paikallisten energiaresurssien tehokkaaseen hallintaan. Erityisesti nämä ongelmat ilmenevät pienjännitesähköverkkoon liitettävissä alle 500 kW energian tuotanto-, kulutus-ja varastointilaitteistoissa.[ 1]
Tässä työssä käsitellään aluksi lyhyesti hajautettujen energiamuotojen periaatetta, sekä eri energialähteitä, jonka jälkeen käsitellään verkkoonliityntää ja siihen vaikuttavia seikkoja.
Varsinaiseen aiheeseen paneudutaan käsittelemällä erimuotoisia tiedonsiirtotekniikoita ja -ratkaisuja sekä yleisellä tasolla että myös sähköyhtiön ja hajautetun energialaitoksen tarpeista lähtien.
Tiedonsiirtojärjestelmiin kuuluvat oleellisena osana liityntäpinnat määrittelevät standardit, joita on käsitelty myös liittymisen yhteydessä. Lopuksi on kartoitettu hajautettujen energialaitosten yhteydessä toimivien toimijoiden välinen tiedonsiirtotarve.
2.Hajautetut energiajärjestelmät
Philippe Busquin, Euroopan Unionin tutkimuskomissaari, esitti vision hajautetusta energi atuotannosta:
“ What is known as Distributed Generation is a new model for the power system. It is based on the integration into electricity networks of small and medium size generators based on new and renewable energy technologies. It may create a new
era, where thousands or millions of users will own their generators, becoming both producers and consumers of electricity. All these generators will be interconnected through a fidly interactive intelligent electricity network. This revolution will require sophisticated control and communications technologies to ensure smooth operation of electricity networks, the establishment of new models for power distribution, as well as the development of advanced energy storage technology, power electronics and superconducting devices. In addition, it will require multidisciplinary actions for co-ordinating basic research whilst keeping close interaction with normative and regulatory developments involving social and economic factors, and addressing policy, legal and administrative challenges.
Further to the benefits for citizens and society at large, the market potential for these new technologies, the new distribution models and associated business services in both the developed and developing regions of the world are tremendous. To exploit these opportunities, it is crucial to place the European industries and SMEs at the forefront of these technological developments" .[2]
Kuten edellä esitetty, hajautetut energiajärjestelmät DG (Distributed Generation) tulevat olemaan tulevaisuudessa merkittävä osa energiantuotantojärjestelmäämme.
Hajautetulla energiatuotannolla tarkoitetaan yleensä pieniä tai keskisuuria, n.
15 kW:sta aina 10 MW:n kokoisia energiajärjestelmiä, jotka tuottavat lämpö- ja/tai sähköenergiaa omaan käyttöön ja usein myös yleiseen jakeluun.
Useat sovellukset käyttävät fossiilisia polttoaineita (esim. varavoimalaitokset), mutta yleensä hajautettujen energiajärjestelmien yhteydessä puhutaan uusiutuvien energialähteiden, kuten tuulen, veden, bio-energian, auringonsäteilyn tai vedyn käytöstä primäärisenä energiantuottajana näissä järjestelmissä.
Kuvassa [1] on esitetty visio hajautetusta energiajärjestelmästä jossa käytetään pääasiassa uusiutuvia energialähteitä.
Kuva 1. Hajautettu (paikallinen) energiantuotanto (Lähde: VTT_ENERGY)
Paikallinen energiatuotanto tulee lisääntymään voimakkaasti lähivuosina. Varsinkin yhdistetty lämmön ja sähkön tuotanto CHP, {Combined Heat and Power) lisää suosiotaan. Suosion syitä ovat esimerkiksi:
- lämmönsiirron suuret kustannukset
- sähkönsiirron suuret tehohäviöt sekä sähkön hinta
- pyrkimys paikallisten (uusiutuvien) energialähteiden käyttöön ja siten edesauttaa ympäristöystävällistä energiatuotantoa
- mahdollisuus tuottaa ja myydä sähkötehon lisäksi myös kaukolämpöä tai -kylmää
Hajautetuilla laitoksilla voidaan tuottaa perussähkötehon lisäksi lämpöä ja kylmää sekä tarvittaessa myös huipputehoa, varavoimaa ja lisätehoa verkoston äärilaidalla tai saarekekäytössä verkoston puuttuessa.[3]
Esimerkkejä hajautetuista energiatuotantomenetelmistä ovat mm. tuulivoimalat, matalille putouskorkeuksille suunnitellut moduli-rakenteiset vesiturbiinit, polttokennot, biopolttoaineita (-kaasuja, -öljyjä) käyttävät kaasu- ja dieselmoottorit, mikroturbiinit, Stirling- moottorit, aurinkokennot ja -kollektorit.
2.1 Toiminnalliset haasteet
Paikalliset energiaresurssit ovat yleensä pienet ja rajalliset, eikä niihin voida soveltaa suuruuden taloutta. Tällöin on niiden hyödyntäminen taloudellista vain silloin, kun toteutusratkaisut ovat mahdollisimman edulliset, mieluummin standardi- ratkaisuja standardikomponenteilla, kuitenkin siten, että käyttökustannukset voidaan minimoida esimerkiksi automaation avulla. Laitoksen toiminan ja kunnonvalvonnan tulisi olla mahdollista myös kaukovalvontana, jolloin laitos voisi toimia miehittämättömänä.
Edullisten mekaanisten toimintaratkaisujen lisäksi tulee järjestelmään sulauttaa myös nykyaikaiset standardimuotoiset ja avoimet väylä-, kommunikaatio- ja tietoliikenneratkaisut, jotka edesauttavat koko systeemin automatisointia, kaukokäyttöä ja -valvontaa.
Yleensä laitosten yhteydessä olevat muut kiinteistöt tulisi kustannussyistä pystyä liittämään samoihin tiedonsiirtotoimintoihin (tai päinvastoin).
Koska sähköenergiaa ei vielä pystytä varastoimaan taloudellisesti, on sitä tuotettava kulloistakin kulutusta vastaava määrä. Tämä seikka asettaa myös hajautettujen energiaresurssien hallinnalle suuria haasteita.
2.2 Hajautuksen edut ja ongelmat
Hajautetun energiajärjestelmän kilpailukyky perustuu useampaankin seikkaan, joita ovat mm. sähkön korkea hinta ( voidaan tuottaa sähköä omaan käyttöön, sekä myydä verkkoon, jolloin investointien kuoletukset nopeutuvat), paikallisten edullisten energialähteiden käyttö sähkön ja lämmön tuottamiseen, verkon siirtohäviöiden minimoiminen sekä yleinen tarve (imago-etu) uusiutuvien energialähteiden käyttöön ympäristön ja ilmaston suojelemiseksi. Tämän lisäksi mainittakoon se, että paikalliset energialähteet ovat yleensä lähellä kuluttajaa ja energiavarastoja joten raaka-aineen siirtokustannukset ja-häviöt voidaan minimoida.
Lähteessä [4] on esitetty pienen hajautetun laitoksen edut verrattuna etäällä olevaan keskitettyyn tuotantoon. Pienen laitoksen tuotantokustannus (per kWh) on n. 25%
suurempi kuin ison laitoksen, mutta siirron ja jakelun vaikutus keskitetyssä tuotannossa on niin suuri, että hajautetun pienen laitoksen loppuhinta kWh-kohti on n. 10% halvempi kuin etäällä tuotetun energian hinta. Automaation ja ohjauksen osuus on kummallakin laitosella suhteessa sama.
Hajautettujen energiatuotantolaitosten sopeutuminen ja joustavuus muuttuneisiin paikallisiin olosuhteisiin on helpompi järjestää kuin keskitetyssä energiatuotannossa.
Pitempiaikaisissa verkkohäiriötilanteissa paikallista tuotantoa voidaan käyttää kuten varavoimaloita saarekekäytössä. Verkon tullessa taas jännitteelliseksi on kuitenkin suoritettava jälleentahdistus virtasysäysten välttämiseksi.
Eduiksi voidaan myös laskea ylimääräisen energian myynti verkkoon, jolloin voidaan korkean kulutuksen (ja hinnan) aikana tasata huippuja ja näin myös auttaa verkkoyhtiötä tehon siirrossa verkon äärireunoilla. Samalla autetaan jännitteen ylläpitoa verkossa.
Hajautettujen laitosten yleistyessä päästään hyödyntämään sarjatuotannosta saatavia taloudellisia etuja. Laitokset tulevat modulirakenteisiksi ja ne voidaan rakentaa ja koestaa tehtaalla siten, että asennus ja käyttöönottoajat työmaalla tulevat mahdollisimman lyhyiksi. Näin voidaan kustannuksia säästää ja parantaa
käytettävyyttä. Myös häiriötilanteissa rikkoontunut moduliosa voidaan, hyvän suunnittelun ansiosta, vaihtaa nopeasti.
Vaikkakin hajautettuja laitoksia pyritään pääasiassa valvomaan ja ohjaamaan kaukovalvonta-asemilta keskitetysti siten, että ne ovat miehittämättömiä, on laitoksilla silti suoritettava huolto- ja korjaustoimintoja. Tämä aiheuttaa sen, että myös paikallisesti on järjestettävä laitteisto, jolla laitosta voidaan käyttää. Tämä rinnakkainen automaatiojärjestelmä nostaa tietenkin kustannuksia ja vähentää siten sähkön (ja lämmön) siirrosta ja jakelusta saatavia etuja.
Kuten jo edellä mainittiin, paikallisten resurssien hyödyntäminen edellyttää aina pienimuotoista toimintaa, joten suuruuden taloutta ei voida hyödyntää, vaan tarjolla olevat (mahdollisesti käyttämättömät) energialähteet, tekniset järjestelmät ja henkilöresurssit on voitava ottaa käyttöön.
Tämä johtaa myös siihen, että yksittäiset kohteet pitää toteuttaa mahdollisimman halvalla ja mahdollisimman pienellä suunnittelutyöllä. Hajautetuissa pienistä yksiköistä koostuvissa järjestelmissä komponenttien ja periaateratkaisujen etukäteen suunnittelua tarvitaan enemmän kuin isommissa kohteissa, koska räätälöinti-, viritys- ja ylläpitokäynnit tulevat liian kalliiksi. Käyttökustannukset on pyrittävä minimoimaan esim. siten, että laitteita voidaan käyttää täysin automaattisesti ja ylläpito voidaan suorittaa kauko-ohjauksella.
Hyötyjen toteutuminen edellyttää myös, että teknisiä ratkaisuja käytetään tehokkaasti, jolloin esim. kommunikaatioverkon tulee palvella ohjauksen lisäksi muita käyttäjiä (esim. kunnossapitoa ja rakennusautomaatiota).
Hajautettujen energiajärjestelmien hallinnassa käytettävien laitteistojen ja ohjelmistojen tulee perustua nyt ja tulevaisuudessa laajassa käytössä oleviin tekniikoihin. Liitäntöjen ja ohjelmistorajapintojen pitää olla avoimia ja julkisia sekä noudattaa tarkoitukseen soveltuvia standardeja ja de-facto-standardeja. Kentällä hajallaan asennettuja laitteita on voitava käyttää, ylläpitää ja hyödyntää uusiin tarkoituksiin pitkälle tulevaisuuteen (vähintään 10 vuotta), sillä uusien laitteiden asentaminen tulee kalliiksi. On voitava täyttää myös näiden eri käyttäjien tärkeimmät
vaatimukset tiedonsiirron vasteajan ja kapasiteetin (prioriteetit) sekä tietoturvan osalta.
Automaation kannalta edelliset tavoitteet ovat erittäin haasteelliset. Hajautettujen resurssien hallinnan osalta on luotava pitkälle standardoitu avoin laitteisto- ja ohjelmistoalusta, joka ei yksinomaan ole erittäin halpa, vaan myös riittävän älykäs konfiguroitumaan itse halutuksi kokonaisuudeksi. Tarvitaan eri aloille yhteisiä ratkaisuja, joilla on selkeä liittymät toisaalta yksittäisiin ohjauskohteisiin ja toisaalta liiketoimintatason järjestelmiin. Nämä vaatimukset nousevat vieläkin haasteellisemmiksi, koska käytännössä tulee esiintymään erittäinkin suuria eroja siinä, millä tavalla optimaalista järjestelmää pitäisi koota. [1]
3. Tavallisimmat paikalliset (hajautetut) energiatuotantotyypit
Paikalliset energiatuotantolaitokset ovat yleensä laitoksia jotka ovat sijoitetut lähelle energialähteitä tai -varastoja. Niistä saatava energia pyritään käyttämään paikallisesti. Varsinkaan lämpöenergian siirto pitkiä matkoja ei taloudellisesti ole kannattavaa.
Paikallisia energiantuottajia ovat mm. tuulivoima, pienvesivoima, aurinkovoima, polttokennot ja biovoima. Näistä toistaiseksi vain biovoimalla tuotetaan sekä sähkö-, että lämpöenergiaa. Muita käytetään Suomessa vain sähköenergian tuottamiseen.
Etelä-Euroopassa ja muuallakin hyvin aurinkoisilla alueilla voidaan aurinkoenergiaa varastoida lämpimän veden muodossa ja käyttää edelleen lämmitykseen. Tulevaisuudessa polttokennoista vapautuvaa lämpöenergiaa voidaan käyttää myös lämmitykseen, mutta tällaiset laitokset ovat vasta koekäyttöasteella.
Seuraavassa on esitetty lyhyt katsaus paikallisiin energiatuotantomuotoihin.
3.1 Pienvesivoimala
Pien(mini)vesivoimaa on hyödynnetty satoja vuosia, aluksi myllyissä ja sahoissa, 1800-luvun lopusta myös sähköntuotannossa, jolloin sähköverkot muodostuivat pienistä saarekkeista. Sähkön kulutuksen kasvaessa nopeasti I960 ja -70 luvuilla keskityttiin suurten voimalaitosten rakentamiseen ja minivoimalaitokset jäivät hiljalleen pois käytöstä.
Pienvesivoimaksi on määritelty Saksassa (Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke) alle 5MW laitokset, mutta Eurooppalainen keskusjärjestö (European Small Hydraulic Association) on sitä mieltä, että rajana on 10MW sähköteho. Suomessa puhutaan pienvesivoimasta kun sen teho on alle 1MW.
Euroopassa on runsaasti potentiaalia jo pelkästään vanhoissa padoissa. Ruotsissa on 1600 pienvesivoimalaa. Virossa on ollut 800 vesimyllyä, joista on padot jäljellä (vrt.myllylampi). Saksassa on 4200 pienvesivoimalaa joista n. 90% on alle lMW:n tehoisia. Esim. Bayerin osavaltiossa tuotetaan 57% sähköenergiasta vesivoimalla.
Venäjällä on muutamia tuhansia käytöstä poistettuja voimaloita. Keski-Euroopassa on paljon kohteita, useimmat tiheään asutuissa laaksoissa keskellä vanhoja kyliä ja kaupunkeja. Esim. Itävallassa on noin 1700 pienvesivoimalaa tehoalueella 20kW...5MW jotka tuottavat noin 3000GWh kokonaisteholla 600MW. 90% näistä laitoksista on pienempiä kuin 500kW. Eli pienvesivoimapotentiaalia on paljon.
Kuva 2. Erään 86 kW:n pienvesivoimalan yläveden vesiallas Itävallassa
Kuvassa [2] mainitun laitoksen teknilliset tiedot ovat:
Putouskorkeus: l,25m Sähköteho'. 86kW Vuosituotanto: 0,7GWh
Koneistus: Pystyakselinen Francis - Kuiluturbiini
Asynkronigeneraattori, 400/23IV verkkoonsyöttö
Suomessa vesivoiman lisääminen on hankalaa johtuen monimutkaisista lupamenettelyistä ja ympäristönsuojelullisista seikoista. Pienvesivoimapotentiaalin on arvioitu olevan muutamia satoja megawattej a, josta on käytetty vain n. 10%.
Koko potentiaalista yli puolet sijaitsee suojelluissa vesistöissä.[5] Parhaiten uudet pienen kokoluokan vesivoimalat soveltuisivat käytöstä poistettujen vesivoimalaitosten tilalle sekä kohteisiin, joissa on jo pato. Näissä paikoissa ympäristövaikutukset jäävät vähäisemmiksi kuin luonnontilaisissa koskissa.
Tällaisten pienvoimalaitosten vuosituotannoksi arvioidaan yhteensä 350 GWh. Myös vanhat myllyt ovat mahdollisia kohteita, mutta ne yleensä edellyttävät patoamista.
Niiden vuosituotantopotentiaali on yhteensä 170 GWh.[30]
3.2 Aurinkovoima
Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää joko passiivisesti tai aktiivisesti. Passiivisella hyödyntämisellä tarkoitetaan auringon valon ja lämmön suoraa käyttöä ilman erillistä laitetta. Aktiivisessa hyödyntämisessä auringonsäteily muunnetaan joko sähköksi aurinkopaneeleilla tai lämmöksi aurinkokeräimillä. Pientaloissa voidaan käyttää sekä passiivisia että aktiivisia menetelmiä.
Aurinkopaneeleilla säteilyn määrästä voidaan muuttaa noin 15 % sähköksi ja aurinkokerääjillä noin 25 - 35 % lämmöksi. Jos kaikki säteily voitaisiin hyödyntää, niin 20 - 30 m2 suuruinen pinta-ala riittäisi yhden omakotitalon lämmittämiseen. [30]
Aurinkoenergian tuotantoon vaikuttavia tekijöitä ovat säteilytehon vaihtelut vuositasolla sekä sääolosuhteet. Parhaiten aurinkoenergian tuotantoon soveltuvat alueet ovat ns. aurinkovyöhykkeellä, eli päiväntasaajasta parinkymmenen asteen molemminpuolin.
Aurinkoenergiaa ei Suomen leveysasteilla voida käyttää samassa määrin kuin niissä maissa jotka ovat lähempänä päiväntasaajaa. Kesäaikana saadaan Suomessa jopa enemmän auringonsäteilyä kuin Keski-Euroopassa, mutta pitkän ja pimeän talven takia vuotuinen keskimääräinen säteily on vähäistä. Kuitenkin Suomessakin on joitakin sovelluksia tästä energiajärjestelmästä, mutta useimmat niistä ovat verkosta erillisiä ns.“stand-alone”-järjestelmiä kesämökkikäytössä.
Puoli-
Aunnko-
paneeli
,
SäädinШЯЯЯЯЩ
I Vaihtovirta- kuorrnp, __
Akku
Tasavirtakuorma
Kuva 3. Aurinkokennojärjestelmän periaate
Aurinkosähköjärjestelmiä voidaan asentaa myös asuin- ja toimistorakennuksiin, jolloin ne tuottavat osan rakennuksessa tarvittavasta energiasta. Nämä järjestelmät kytketään useimmiten sähköverkkoon, jolloin ne syöttävät oman kulutuksen ylittävän osan yleiseen sähköverkkoon. Järjestelmän asennus ja verkkoonkytkentä edellyttää aina sopimusta sähköyhtiön kanssa ja sähköturvallisuuden varmistusta. [30]
Aurinkosäteilyä hyödynnetään sähköntuotannossa valosähköisen konversion (Photovoltaics, PV ) avulla. Aurinkokennot ovat puolijohteita jotka muistuttavat toiminnaltaan diodia. Sopivasti seostettu puolijohdeaine tuottaa valon virityksen ansiosta aurinkosähköä tasavirtana. Valosähköinen kenno voi pilvisellä säällä tuottaa n. 10-30% huipputehostaan. Kennot kytketään sarjaan ja rinnakkain halutun käyttöjännitten ja tehon mukaisesti. Jakeluverkkoon liittäminen tapahtuu invertterin kautta.
Aurinkokennojen sovellutusalueet ovat moninaiset. Esim. Saudi- Arabiassa hiekka- aavikkoja halkovien teiden varsilla on säännöllisten välimatkojen päässä hätäpuhelinasemia, joiden sähkönsyöttö tapahtuu akkujen ja niitä lataavien aurinkokennojen avulla. Tukiasemat ovat n. 50 km välein.
Kuva 4. Liikennemerkkien sähkönsyöttö aurinkokennoilla Itävallassa
Toinen tapa hyödyntää aurinkoenergiaa ovat ns. aurinkokeräilijät (terminen
konversio), jotka ovat auringon kohtisuoraan säteilyyn asennettujen heijastuspeilien polttopisteisiin vedettyjä putkia tai ns. aurinkokollektoreita, joissa virtaava vesi lämpenee ja siirtää lämmön edelleen käytettäväksi. Tavallisimmat aurinkokerääjät ovat kooltaan 1 - 2 m2 ja ne tuottavat energiaa yleensä 250 - 350 kWh/m2 vuodessa
Sähköenergiaa ei tällä järjestelmällä yleensä tehdä.
EU:n tavoite vuoteen 2010 on 100 milj. m2 kerääjäpinta-alaa. Tavoitteena on saavuttaa miljoonan kerääjän ja 15 milj. m2 kerääjäpinta-ala vuoteen 2003 mennessä.
Tähän mennessä käytössä on noin 13 milj. m2 kerääjäpinta-alaa ja pinta-alan kasvu on noin milj. m2/vuosi. Aurinkoenergian kannalta tärkeimmät maat Euroopassa ovat Saksa, Kreikka ja Itävalta
Solaranlage Arnold Schwarzenegger Stadion - 1.407 m2
H e ” ' * ' *4 s
Kuva 5. Aurinkokollektoriasennus Itävallassa
Kuvan [5] hallin katolle on asennettu kollektorikennoja, joilla kerätään lämpöä paikalliseen kaukolämpöverkkoon.
Kuvan [5] asennuksen teknillisiä arvoja:
Rakennusvuosi: 2002 Kollektoripinta: 1407 m2 Huipputeho: n.800 kW Vuosienergia: 600.000 kWh
3.3 Tuulivoima
Tuulivoimalaitos muuttaa tuulen liike-energian pyörimisliikkeeksi ja edelleen sähköksi, jonka se syöttää sähköverkkoon. Valtakunnan verkossa toimiessaan tuulivoima täydentää muuta sähköntuotantoa, ja muu sähköntuotanto tasaa tuulivoimatuotannon ja kulutuksen eriaikaisuudet.
Tuulivoimalaitos vaatii käynnistyäkseen yleensä noin 3-5 m/s tuulennopeuden, minkä jälkeen tehontuotto kasvaa nopeasti tuulen voimistuessa. Alueella n. 15 m/s - 25 m/s tehoa rajoitetaan joko passiivisella sakkaussäädöllä tai aktiivisella lapakulman säädöllä, ja tuulen yltyessä yli 25 m/s myrskyksi laitos pysähtyy automaattisesti ylikuormitusten ja laiterikkojen estämiseksi.
Tuulen keskinopeus on Suomessa merialueilla tyypillisesti 7-8 m/s, rannikolla ja saaristossa 6-7,5 m/s, Lapin tuntureilla 7-9 m/s ja sisämaassa mäkien laella 4,5- 5.5m/s. Vuodenajoista talvi on parasta aikaa tuulivoiman tuotannolle edellyttäen, että jään ja lumen tarttuminen siipiin on estetty. Suomella on runsaasti tuulivoiman tuotannolle sopivia alueita, ja tuulivoimakapasiteettia on mahdollista lisätä merkittävästi nykyisestä. Maamme 69 tuulivoimalaa (vuonna 2003) tuottavat noin 0,1 prosenttia Suomessa kulutetusta sähköstä. Tuulisähkön tuotanto vaihtelee päivittäin tuulisuuden mukaan.
Tuulivoiman rakentamista rajoittavia tekijöitä on paljon, kuten kalastusalueet, merenkulun ja lentoliikenteen turvallisuus, rannikkoalueiden käyttö, puolustusvoimien ampuma-alueet, kansallispuisto- ja luonnonsuojelualueet. Myös huonot tie- ja sähköverkkoyhteydet rajoittavat edellytyksiä rakentaa tuulivoimaa.[30]
Modernit tuulivoimalaitokset ovat teknisesti erittäin luotettavia. Niiden tekninen käytettävyys (aika, jonka laitos on toimintakunnossa) on yli 95 %, parhaimmillaan 98 - 99 %. Laitokset ovat täysin automatisoituja ja kauko-ohjattuja, joten niiden käyttö ei vaadi miehitystä, vaan ainoastaan kaksi lyhyttä huoltokäyntiä vuodessa sekä
vikatilanteista aiheutuvat korjauskäynnit, joita voidaan arvioida tulevan edellisten lisäksi keskimäärin 2 - 4 kertaa vuodessa.
Laitosten taloudellinen käyttöikä on 20 - 25 vuotta. Osa komponenteista (perustus, torni, konepeti) voi periaatteessa kestää huomattavasti pidempään, osa pääkomponenteista (vaihde, generaattori, lavat) on ehkä uusittava kerran 20 vuoden aikana ja pienemmistä osista monet ovat kuluvia osia, ts. niitä vaihdetaan 2-5 vuoden välein. 20 - 25 vuoden taloudellinen käyttöikä merkitsee sitä että tämän jälkeen korjauskustannukset todennäköisesti kasvavat niin korkeiksi, ettei laitoksen
käyttö enää kannata.
Nykyään eniten myydyt tuulivoimalaitokset ovat nimellisteholtaan 500 - 750 kW, mutta suurempien, 1000 - 2000 kW laitosten markkinaosuus on voimakkaassa kasvussa. Yksikkökoot kasvavat vielä lähiaikoina jopa 5MW:iin saakka.
Tuulivoimalaitokset ovat yleisimmin vaaka-akselisia (potkurimallisia) ja kolmilapaisia.
Mekaaninen voimansiirtojärjestelmä, generaattori, sekä osa ohjaus- ja apulaitteista sijaitsee konehuoneessa, joka kääntyy tuulen suunnan mukaan pitäen roottorin kaiken aikaa tuulta vasten suunnattuna. [6]
laatikko rakenne
Kuva 6. Tuulivoimalaitoksen pääkomponentit
Tuulivoimala vähentää sähkön siirtohäviöitä, etenkin, jos se on verkon latvoilla ja lähistöllä on runsaasti kulutusta. Sähköyhtiölle on näin kannattavaa asentaa tuulivoimaloita verkkoonsa, olivatpa ne omia tai jonkin toisen tuotantoyhtiön.
Tuulivoimala kulutuksenohjauksen kanssa vähentää myös tarvetta investointeihin, joita tarvitaan verkon vahvistamiseen joissakin tapauksissa.
Mikäli sähköyhtiöllä on omaa vesi tms. säätö voi maa, se sopii erinomaisesti yhteen tuulivoiman kanssa. Esim. vähävetisenä aikana syksyisin ja talvisin tuulee runsaasti.
Tällöin vettä voidaan säästää ja käyttää vasta tuulen tyyntyessä. Tuulivoimalan tuotanto pystytään melko luotettavasti ennustamaan 12-36 tunnin päähän. Järjestelmä on sähkölaitosten käytössä Tanskassa ja siellä se on toiminut luotettavasti.
Tuulivoima on varsin ympäristöystävällinen energiantuotantomuoto. Sen käytöstä ei aiheudu päästöjä ilmaan, veteen tai maaperään. Lisäksi laitos voidaan poistaa niiden jättämättä jälkiä maastoon.
Tuulivoimalasta syntyy melua sekä mekaanisten osien liikkeestä että lapojen aerodynaamisesta äänestä. Yksittäinen voimalaitos ylittää 40 dB:n rajan 200-300 metrin etäisyydellä tuulen nopeuden ollessa 8 m/s. Esimerkiksi taajamissa on meluohjearvona yöllä juuri 40 dB. Tuulivoimala pitääkin sijoittaa tarpeeksi etäälle lähimmästä asuinrakennuksesta.
Tuulivoiman heikkoutena on pidetty tekniikan riittämättömästä kehityksestä johtuvaa alhaista sähkötehoa ja saatavan energian kalleutta. Edelleen ilmastolliset olosuhteet ovat rajoittaneet tuulivoiman laajempaa käyttöönottoa. Tosin on todettava, että Britannian hallituksen teettämän tutkimuksen mukaan tuulivoimalla tuotettu sähkö tulee vuonna 2020 olemaan halvempaa kuin fossiilisilla polttoaineilla tuotettu sähköenergia.
Kuva 7. Tuulipuisto Itävallassa(Windpark Bruck/Leitha)
Tuulivoimalan ja tuulipuistojen tiedonvälitystarpeet määrittelee erikseen
IEC 61400-25 (Communications for monitoring and control of wind power plants), jota kuitenkin ollaan siirtämässä jäljempänä käsiteltävän IEC 61850 standardin
yhteyteen.
3.4 Polttokennot
Polttokenno on laite, jolla polttoaine voidaan muuttaa suoraan sähköksi kemiallisen reaktion kautta. Periaatteessa polttoaineena käytetään vetyä ja joissain tapauksissa vedyn ja hiilimonoksidin seosta. Jotkut polttokennotyypit pystyvät ns. sisäiseen reformointiin, jolloin polttoaineena voi käyttää myös metaania tai metanolia.
Reaktioon tarvitaan myös happea, joka yleensä toimitetaan polttokennolle ilman muodossa. Polttokennon etuina ovat hyvä hyötysuhde, 40 - 60 %, äänettömyys ja vähäinen liikkuvien osien tarve. Ns. vapaasti hengittävissä polttokennoissa ei tarvita liikkuvia osia lainkaan.
L V—Tv n,t :
4---\/ со Kuva 8. Polttokennon toimintaperiaate
Polttokennoja valmistetaan useaan eri tarkoitukseen ja siten eri kokoluokissa; mW - 200 kW ja tulevaisuudessa jopa 5 MW. Sovelluksia on paljon: kännyköiden tai kannettavien tietokoneiden sähkönlähde, kevytkulkuneuvot, säähavaintoasemat, kulkuneuvojen moottorit ja -apuvoima, sotilassovelluksia (esim. sukellusveneissä äänettömään paikallaanoloon sukelluksissa ), varavoimajärjestelmät ja hajautettu, talokohtainen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP Combined Heat and Power ). Hajautettu energiantuotanto on eräs lupaavimmista kehitysalueista.
Kiinteistökohtaisten CHP-yksiköiden lisäksi kehitetään suurempia voimaloita. Tällä hetkellä on demonstraatiotarkoituksessa käytössä kymmeniä n. 200 kW:n CHP- laitoksia eri maissa. Maakaasu on polttokennojen yleisin polttoaine, mutta myös biokaasuja käytetään.
Maakaasu verkko
Kuva 9. Polttokennosovellus kotitalouden lämmön ja sähkön tuottamiseen
(Lähde VTT)
Polttokenno koostuu kahdesta elektrodista, anodista ja katodista, sekä niitä erottavasta elektrolyytistä. Vety syötetään polttokennon anodille, jossa se hajoaa protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit läpäisevät elektrolyyttikalvon ja kulkeutuvat katodille. Elektronit kulkevat katodille ulkoisen virtapiirin kautta, jolloin syntyy sähkövirta. Katodilla protonit, elektronit ja katodille syötettävä happi reagoivat keskenään muodostaen vettä. Reaktiossa vapautuu myös lämpöä.
Yksittäisestä polttokennosta saatava jännite on rajallinen, tavallisesti alle yksi voltti.
Jotta jännitteestä saataisiin käyttökelpoinen, kytketään useita yksikkökennoja sähköisesti sarjaan. Näin muodostuu polttokennosto Muuttamalla sarjaan kytkettävien kennojen määrää voidaan kennostosta saatava jännite säätää halutulle tasolle.
Membrane Electrode
Kuva 10. Polttokennon rakenne
Hajautetussa energiantuotantomallissa sähkö ja lämpö tuotetaan pienissä, jopa asuntokohtaisissa yksiköissä. Polttokennot soveltuvat päästöttömyyden ja hiljaisuuden ansiosta tähän mainiosti. Kaukolämmön kanssa polttokennojäijestelmät eivät todennäköisesti tule kilpailemaan, vaan niiden katsotaan kilpailevan etupäässä kaasu- ja öljypolttimien kanssa. Etenkin Keski -Euroopassa on tavallista, että rakennuksiin tulee maakaasuputki ja tarvittava lämpö tuotetaan kaasupolttimella. Jos poltin korvataan polttokennojärjestelmällä, voidaan lämmön lisäksi tuottaa myös sähköä. Hajautettuun energiantuotantoon tarkoitettujen polttokennolaitteiden tehot ulottuvat muutamista kilowateista aina megawattiluokkaan saakka.
Voimakkaimmin polttokennoihin panostaa tällä hetkellä autoteollisuus. Ensimmäiset polttokennoja voimanlähteinään käyttävät automallit tulevat markkinoille 2004.
Polttokennolaitteiden yleistymistä hidastavat vielä toistaiseksi korkeahko hinta sekä vedyn jakelujärjestelmän puuttuminen. Sarjatuotannon alkamisen ja uusien materiaalien kehittämisen odotetaan laskevan polttokennolaitteiden hintaa.
Tällä hetkellä kiinteäoksidipolttokennojen (SOFC) investointikustannukset ovat koekäyttölaitteistoissa noin 6000 - 7000 €/kW(el).
dc/а c Inverter
Fuel Supply System
GasTurbine
Electrical Cabinets
SOFC Generator
Kuva 11. Polttokennokäyttoinen pienvoimala
3.5 Biokaasulaitos
Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen maataloudessa muodostaa useita energiataloudellisia, ympäristötaloudellisia ja sosioekonomisia hyötyjä.
Biokaasulaitos toimiin orgaanisen jätteen jätehuoltona ja tuottaa lannoitteeksi soveltuvaa humusta. Samalla myös hajuhaitat olennaisesti pienenevät mm.
sikatalouksissa. Laitoksen tuottamaa biokaasua käytetään tyypillisesti yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotantoon oman tarpeen peittämiseksi ja oman käytön ylittävä sähkö myydään verkkoon ja lämpö paikallisille kuluttajille. [7]
Siloverschluß Folie Silove isch luß
Biogasanlage
Vorgrube
^Wärme Wohnhaus, Stall Krafl-Wärme-Aggregat
Strom
(Schema)
ПППГ
BHKW
Kuva 12. Biokaasulaitoksen periaate
Kuvassa[12] tallista johdetaan biologinen jäte saostus-esisäilioöön (Vorgrube), josta puhtaampi liete pumpataan mädännyskammioon (Fermenta), jossa kaasu kehittyy.
Kaasu otetaan talteen ja sitä käytetään polttoaineena sähkön ja lämmön kehittämiseen esim. kaasumoottori-generaattori yhdistelmällä (Kraft-Wärme- Aggregat).
3.5.1 Bioenergiat Suomessa:
Puuperäiset polttoaineet (teollisuuden puutähteet ja jäteliemet kuten kuori, puruja mustalipeä, metsähakkeet ja murskeet, pilke, pelletit, briketit, puuhiili, puukaasu, pyrolyysioöljy, energiapajut,
energiakäyttöön soveltuva kierrätyspuu)
Turve (hitaasti uusiutuva biomassapolttoaine, lisäselvitykset käynnissä)
Peltobiomassat
В i oper äi set teollisuuden ja yhdyskuntien prosessi- ja kierrätysjätteet Biopolttonesteet
Biokaasut Biolietteet
Suomen maatalouden biokaasupotentiaaliksi on arvioitu n. 542 milj.qm. Koko Suomen biokaasupotentiaalista on varsin vähäisessä määrin hyödynnetty, vaikkakin bioenergian osuus Suomen primäärienergiasta on 26 % (yli 90 TWh, turve mukaan lukien).
Biokaasua tuottavaa bioprosessia kutsutaan jätteen anaerobiseksi käsittelyksi CAnaerobic Digestion AD). Se on orgaanisten jätteiden hapettomassa tilassa tapahtuva mikrobiaalinen käsittelymenetelmä. Prosessissa kehittyy biokaasua, josta noin 66 % on metaania ja noin 33 % hiilidioksidia. Jäljellejäävää veden ja kiinteän aineksen sekoitusta kutsutaan useilla nimillä: hydrolyysijäännös, humusjäännös mädätetty liete jne. Ympäristölainsäädännön muuttuessa arvioidaan mädätyksen lisääntyvän jätehuoltomuotona ja samalla myös biokaasun käyttö polttoaineena lisääntyy.
AD-laitoksen tuottaman biokaasun määrä riippuu laitoksen rakenteellisista ominaisuuksista, laitokseen syötettävästä biojätteen laadusta ja prosessia täydentävistä lisäaineista, laitoksen käytön hallinnasta yms. seikoista. Lisäksi AD- laitoksen tuottama humusjäännös soveltuu lannoitteeksi ja maanparannusaineeksi.
Periaatteessa voidaan myös prosessista vapautuva hiilidioksidi ottaa hyötykäyttöön.
Biokaasua tuottava reaktori voi prosessin puolesta olla lähes minkä kokoinen hyvänsä. Laitoksen koon kasvaessa investointien yksikkökustannukset alenevat ja biokaasun tuoton kasvaessa sähkön ja lämmön yhteistuotanto tulee kannattavammaksi. Biojätteen hankinta (kuljetus) puolestaan asettaa laitoksen koolle ylärajan. Maataloudessa biokaasulaitos voi käytännössä olla tilakohtainen (esim.
sikalatila) tai useampi tila voi perustaa yhteisen biokaasulaitoksen. Lisäksi bioreaktoriin voidaan ottaa tietyin edellytyksin käsiteltäväksi yhdyskunnan muuta biojätettä tai sitä tarkoitusta varten kasvatettuja kasveja.
Biokaasulaitoksen laitteilla aikaansaatava toiminta on biomassan varastoimista, siirtämistä, säiliössä pitämistä ja sekoittamista, lisäaineiden syöttämistä, massan säiliön lämmittämistä jne.
Biokaasulaitoksen energi ayksi kkö voidaan varustaa kaasumoottori- tai dieselmoottorivoimalaitoksella tai polttokennolaitoksella. Biokaasulaitoksen omakäyttösähkön tarve on 5-12 % polttomoottorilla tuotetusta sähköstä ja omakäyttölämmön tarve 20-30 % tuotetusta lämmöstä. Laitoksen ns. rakennusaste eli sähkötehon suhde tuotettuun lämpötehoon riippuu laitoksen koosta ja lämmön hyödyntämisasteesta kokonaishyötysuhteen ollessa parhaimmillaan 85-90%.
Biokaasulaitoksen (yhteistuotanto) lopputuotteita ovat sähkö, lämpö ja lannoite/maanparannusaine. Joissakin tapauksissa voidaan myös vettä ja hiilidioksidia käyttää hyötytarkoitukseen. Sähköstä osa käytetään omakäyttösähkönä, osa maatilojen ja muiden biokaasulaitoksen osakkaiden sähköntarpeen kattamiseen ja osa sähköstä toimitetaan verkon kautta sähkömarkkinoille. Jos biokaasulaitos sijaitsee etäämmällä maatiloista, käytetään paikallisen sähköyhtiön jakeluverkkoa sähkön siirtoon maatiloille.
Lämmöstä osa kuluu omakäyttölämpönä, osa siirretään maatilan käyttöön ja osalle lämmölle on tarpeen löytää sopiva käyttökohde ja hyödyntäjä.
Biokaasulaitoksen käytön tavoitteena on käsitellä biojätettä jätehuoltomuotona ja tuottaa samalla energiaa sekä hyödyksi käytettävää ravinnehumusta niin että saavutetaan ympäristönäkökohtien ohella mahdollisimman hyvä taloudellinen tulos.
Laitoksen koosta ja laitetekniikasta riippuen biokaasulaitosta voidaan käyttää eri tavoilla.
Joissakin Euroopan maissa biokaasulaitosten käytössä ollaan paljon pitemmällä Suomeen verrattuna. Esimerkiksi Tanskassa ovat yleistyneet keskitetyt biokaasulaitokset, joissa biojätteen mitoitusmäärä on muutamasta kymmenestä tonnista muutamaan sataan tonniin vuorokaudessa. Vastaavasti CHP-yksikön sähköteho nousee muutamaan megawattiin. Itävallassa puolestaan tilakohtaiset biokaasulaitokset ovat yleistyneet ja sähköteho on niissä 100 kilowatin luokkaa.
Mainittakoon, että esim. Saksassa on yli 2000 reaktoria sisältäen sekä suuria
keskitettyjä biokaasulaitoksia että tilakohtaisia laitoksia. Suomessa ollaan suunnittelemassa ja toteuttamassa ensimmäisiä maalilakäyttöön tulevia sähköä tuottavia biokaasulaitoksia ja muutama yksilöllisesti toteutettu maalilakohtainen laitos on jo käytössä. Myös yksi pääasiassa lannankäsittelyyn tarkoitettu keskitetty laitos on edennyt toteutusvaiheeseen. [7]
3.5.2 Biolaitoksen hallintajärjestelmät
Biokaasujärjestelmä käsittää laajan ketjun erilaisia osaprosesseja, joiden hallinta edellyttää yhtenäistä ja koko ketjun kaikkien osien huomioonottavaa hallintajärjestelmää. Hallintajärjestelmä sisältää toisaalta tiedon ja informaation siirron ja siihen liittyvät teknologiat sekä toisaalta ohjaustiedon ja jalostetun informaation tuottamisen ja siihen liittyvät teknologiat.
Hallintajärjestelmän suunnittelu edellyttää koko prosessi ketjun analysointia ohjaus- ja informaationtarpeiden kartoittamiseksi ja yksilöimiseksi.
sS© ©
Kuva 13. Jätehuolto-biokaasulaitoksen pääkomponentit hallintajärjestelmän kannalta (Lähde: Aulis Ranne VTT Prosessit)
Kuvassa [13] hahmotetaan biokaasulaitoksen hallintajärjestelmään liitettäviä osaprosesseja.
Kuvan mukaisesti osaprosessit ovat:
1. Maatila: tilanhoitaja, energiajärjestelmä, maati latoi minta, lannan muodostuminen, lantavarasto
2. Kuljetus: kuljettaja, ajoneuvo, kuljetuskapasiteetti; (tai kuljetin) 3. Biokaasulaitos: laitoksen käyttäjä, eri alaprosessit,
4. Humuslannoitteen käsittely: laitteet, varasto, laatu 5. Biokaasuvarasto
6. Yhteistuotantolaitos 7. Lämpövaraaja
8. Ulkopuolinen lämmön käyttäjä
9. Sähkönsiirtoon ja kauppaan liittyvä järjestelmä 10. Hallintajärjestelmän ydinyksikkö
11-13. Informaation hyödyntäjät ja ulkopuolisen ohjauksen toteuttajat
Tiedonsiirtoyhteydet, liityntälaitteet, muut automaatiokomponentit, optimointiohjelmat sekä informaatio ja tieto ovat koko hallintajärjestelmän muodostavia elementtejä, jotka muodostavat linkit edellä luetelluille osaprosesseille ja jotka ylläpitävät sekä lyhyen että pitkän aikajänteen kokonaistoiminnan hallinnan.
Hallintajärjestelmällä tavoitellaan koko biokaasulaitoksen toiminnan hallitsemista - normaaleissa toiminta- ja ajotilanteissa
- häiriötilanteissa - kunnonvalvonnassa - kunnossapidossa
niin että päätoiminnat: jätehuolto, energian tuotanto ja lannoitetuotanto toimivat ja laitoksen kokonaistaloudellisuus ja ympäristövaatimukset saavutetaan luotettavasti ja edullisimmalla tavalla.[7]
M o torku M,:.vv>eí warmel auteli*»
Vi'oíAeK>»hihlieí * Wnniargekuhlu»
Aljqa^aiii maltoin Abijasiohf
Ik-oiv-o, JL
-Ismi ™ L—Jk™a
Kuva 14. Biokaasua käyttävän CHP-laitoksen periaatekuva (Lähde: Viessmann/ Saksa)
3.6 Stirling-moottori
Stirling-moottori on ollut jo 1800 luvulla ja vielä toisen maailmansodan jälkeenkin varteenotettava vaihtoehto kulkuneuvojen voimanlähteeksi. Moottorin toimintaperiaate perustuu suljetussa tilassa olevan kaasun lämpölaajenemiseen, joka saa aikaan mäntien liikettä. Kuuman ja jäähtyneen kaasun lämpötilaeron on oltava riittävä moottorin käynnistymiseen. Kitkapintojen kulumiseen ja kestävyyteen liittyvät ylivoimaiset suunnitteluongelmat hautasivat kehitystyön aina näihin päiviin asti, vaikka nämä moottorit olisivat olleet jopa 90 % hiljaisempia, hyötysuhteeltaan parempia ja päästöiltään vähäisempiä kuin saman tehoiset polttomoottorit.
Nykyinen ns. vapaa-mäntä rakenteinen moottori on tullut jälleen kilpailukykyiseksi.
Kaikki liikkuvat osat on kapseloitu yhtenäisen kuoren sisään, jonka paineistetussa tilassa lämpötilaerosta riipuva supistuva ja laajeneva kaasu ( heliumia tai vetyä) saa aikaan mäntien avulla liikettä. Sen toimintatehoa voidaan vaihdella nopeasti hyötysuhteen juuri kärsimättä, koska liikkuvien osien geometria on hyvin yksinkertainen - pääasiassa edestakaista liikettä. Tällä hetkellä tehot ovat 10 kW:n
luokkaa, mikä riittää jo suurehkon rakennuksen sähkön ja lämmöntuotannon tarpeisiin. Hyvä työkaasun jäähdytys parantaa moottorin kokonaistehoa.
Itävallassa on tutkittu kaupallisesti saatavilla olevista vakiokomponenteista (kampiakseli, männät, sylinterit yms.) rakennetun stirling-moottorin soveltuvuutta bio-polttolaitoksen (lämpöteho n. 50 kW) yhteydessä asentamalla lämmönkeräimet savukaasun poistoputkeen, jossa lämpötila saattaa olla vielä useita satoja asteita.
Tällä poistolämmöllä on pystytty käyttämään stirling-moottoria n. 3,5 kW:n akseliteholla. Projektin tavoitteena oli selvittää edullisen vakiokomponenteista valmistetun ja bio-polttoainetta käyttävän stirling-lämpövoimalaitoksen rakentamista, jonka sähköteho olisi 30... 100 kW.[8]
Kuval5. AurinkopeilikäyttöinenlO kW Stirling-moottori(Auringon laskun jälkeen kytketään apupoltin päälle) (Lähde:Sandia- Dish/Stirling-System in Albuquerque, USA)
3.7 Mikroturbiini
Mi kroturbi 'mh(MTB) ovat pieniä nopeasti pyöriviä (~50...70.000 rpm) muuttuvanopeuksisia kaasuturbiineita, joissa on matala polttokammiopaine ja lämpötila ja joiden akselitehot ovat luokkaa 20...500kW.
Pienen kokonsa ansiosta saadaan kompressori, turbiini ja generaattori asennettua samalle akselille ja koko laitteisto rakennettua kompaktiksi moduliksi, joka on yksinkertainen ja nopea asentaa. Mikroturbiini ja siihen liittyvät laitteistot voidaan toimittaa asiakkaalle kätevästi yhtenä kappaleena.
Kaasumoottoreihin verrattuna mikroturbiinien etuna ovat alhaiset kunnossapito- ja huoltokustannukset, vähäiset päästöemissiot, pieni asennustilan tarve ja vähäinen melu. Hajautetusti sijoitetut mikroturbiinit voidaan kytkeä keskitettyyn yhteiskäyttöön, jolloin sähkön tuotantoa voidaan optimoida lämmön tarpeen mukaan.
Mikroturbiinin etuja perinteisiin kaasumoottoreihin verrattuna ovat erittäin alhaiset käyttökulut yhdistettynä korkeaan käytettävyyteen ja parempiin päästöarvoihin.
Mikroturbiinin ja polttokennon yhteiskäyttö CHP-laitoksena on osoittautunut tehokkaaksi ja hyötysuhteeltaan melko hyväksi ratkaisuksi, sillä molemmat voivat käyttää samaa bio-kaasua polttoaineenaan. Esimmäiset laitokset, teholtaan 250kW on jo otettu käyttöön Saksassa.
Exhaust
Outlet Recuperator Generator
Turbine
Kuva 16. Leikkaus Mikroturbiini-Generaattori yhdistelmästä
Mikroturbiinien polttoaine on nykytekniikalla normaalisti maakaasu. Myös biokaasua voidaan käyttää, mutta kosteuden ja eräiden epäpuhtauksien ja usein myös hiilidioksidin määrän alentaminen on välttämätöntä. Biokaasua voidaan tuottaa kaatopaikoilta keräämällä sekä yhdyskuntajätteestä tai biojätteestä, kuten karjalannasta, prosessoimalla. Mikroturbiineissa voidaan käyttää myös nestemäisiä polttoaineita, jolloin polttoaine voidaan toimittaa käyttöpaikalle ilman putkisiirtoyhteyksiä. [7]
Exhaust
Inlet ф АС to Di
DC to AC
Kuva 17. MTB-toimintaperiaate
Kuten kuvan [17] toimintaperiaate-kaaviosta näkyy voidaan mikroturbiinilaitosta jo itsessään pitää CHP- laitoksena, joka tuottaa lämpöä ja sähköä.
4. Hajautetun energialähteen liittäminen verkkoyhtiön jakeluverkkoon
Sähkömarkkinalain (386/1995) 9 § 2 momentin mukaan: "Verkonhaltijan tulee pyynnöstä ja kohtuullista korvausta vastaan liittää verkkoonsa tekniset vaatimukset täyttävät sähkönkäyttöpaikat ja sähköntuotantolaitokset toiminta-alueellaan (liittämisvelvollisuus). Liittämistä koskevien ehtojen ja teknisten vaatimusten tulee olla tasapuolisia sekä syrjimättömiä ja niissä on otettava huomioon sähköjärjestelmän toimintavarmuuden ja tehokkuuden vaatimat ehdot.
Verkonhaltijan tulee määritellä sähkömarkkinalain mukaisesti omat liittymisehtonsa, julkaista liittämistä koskevat tekniset vaatimukset ja antaa liittyjälle tämän pyynnöstä kattava ja riittävän yksityiskohtainen arvio liittymiskustannuksista. Liittämisen lisäksi verkonhaltija on velvollinen siirtämään sähköä kohtuullista korvausta vastaan' (sähkömarkkinalain 10 §). Sähkömarkkinoilla ei sähköä myydä "verkkoon"
vaan sitä myydään sähkönkäyttäjille tai muille asiakkaille (esim. jälleenmyyjät).
Tuottajien on siis löydettävä sähkölleen asiakas ja toimittava sähkömarkkinoilla
sähkökaupan osapuolena. Sähkökaupan osapuolena olemiseen liittyy eräitä velvollisuuksia, kuten tasevastuu (sähkömarkkinalain 16b§) ja taseselvitykseen liittyvät velvollisuudet (sähkömarkkinalain 16c§ ja 16d§). Kenelläkään (esimerkiksi ns. paikallisella sähkönmyyjällä) ei ole velvollisuutta ostaa sähköntuotantoa, vaan asiakas löytyy mikäli hinta ja muut tuotteen ominaisuudet ovat oikeat. Uusiutuva tuotanto on oikeutettu tiettyihin energiatukiin (investointi- ja verotuet), jolla uusiutuvan/hajautetun tuotannon kilpailukykyä on parannettu. Myös osa sähkönkäyttäjistä on valmis maksamaan korkeampaa hintaa uusiutuvilla energialähteillä tuotetusta sähköstä. [9]
Hajautetun energialähteen (paikallisen energiatuotantolaitoksen ) liittämisestä alueelliseen sähkönjakeluverkkoon on siis sovittava paikallisen jakeluverkkoyhtiön kanssa.
Pääsääntöisesti hajautettu tuotanto pienentää jakeluverkkoyhtiön käyttökustannuksia, koska tuotantoyksikön tuottama teho pienentää kantaverkosta ottoa, jolloin jakeluverkkoyhtiön kantaverkkoyhtiölle maksamat kantaverkkomaksut pienenevät.
Jakeluverkon siirtotariffeja mietittäessä, tulee tuotantotyypin vaikutus huomioida, koska vaikutus on sitä suurempi mitä paremmin tuotanto korvaa talviarkipäivän kantaverkosta ottoa ja mitä suurempi vuosittain tuotettu energia on. Vaikeammin arvioitavia tekijöitä ovat kustannusvaikutukset häviöihin ja käytönvalvontaan.
Johtolähdön häviöt minimoituvat, kun tuotettu teho on yhtä suuri kulutuksen kanssa.
Käytönvalvonnan kulut voivat lisääntyä ylimääräisen seurannan ja toistuvien uudelleenasetteluiden myötä. Mittaroinnin, taselaskennan ja verkon ylläpidon kustannukset ovat yleensä samaa luokkaa kuin vastaavan kokoisen kuluttajankin aiheuttamat kustannukset. Tuotantoyksikön vaikutukset sähkön laatuun voivat olla ristiriitaiset: samalla kun yksikkö parantaa verkon jännitejäykkyyttä, voi se kasvattaa välkynnän, yliaaltojen ja virhekeskeytysten määrää.[10]
Yleisiin jakeluverkkoihin liitettäviä pienvoimaloita lisääntyy, kun tuotantoteknologiat kehittyvät ja komponentit halpenevat. Hajautetuista laitoksista perinteinen varavoimalaitos ei ole ollut ongelma verkon kannalta, sillä se on yleensä syöttänyt jännitekatkoksen ajan kohteita, jotka ovat olleet jakeluverkosta erillään.
Nyt kuitenkin sähkömarkkinoiden vapautumisen sekä kiristyneiden päästö- ja ympäristövaatimusten johdosta paikallisiin energiaresursseihin perustuvien pienvoimaloiden kehittämistä ja verkkoonkytkemistä tuetaan monin eri tavoin.
Yleistyessään laitokset tuovat myös uusia teknisiä vaatimuksia ja ongelmia verkonhaltijan ratkottavaksi. Edellä mainitun lisäksi ja riippuen paikallisen tuotannon tavasta on otettava huomioon myös sähkölain ja -asetuksen vaatimukset sähköyhtiöksi määriteltävälle sähkön tuottajalle.
Teknilliseltä kannalta katsottuna hajautettujen energiantuotantolaitteistojen liittäminen sähköverkkoon edellyttää, että tietyt vaatimukset täyttyvät. Nämä vaatimukset voidaan pääpiirteittäin jakaa kolmeen eri luokkaan, jotka koskevat sähkön laatua, suojaus-ja turvallisuusasioita sekä verkon tehotasapainoa ja hallintaa.
Verkkoonliitynnän vaatimukset
Suojaus ja turvallisuus
Sähkön laatu Verkon tehotasapaino ja hallinta
Kuva 18. Verkkoonliitynnän teknisten vaatimuksien periaatteellinen jako.[12]
Hajautetun tuotantolaitteiston toimiessa normaalissa toimintavälissä täytyy sen syöttämän sähkön olla standardien esittämien ohjeiden mukaista. Lisäksi verkon tehotasapainoon ja hallintaan liittyvät vaatimusten tulee täyttyä. Mentäessä normaalin toimintavälin ulkopuolelle täytyy hajautettu tuotantoyksikkö suojaus- ja turvallisuusvaatimusten perusteella kytkeä verkosta irti.
4.1 Verkkoonliityntä ja sähkön laatu
Sähkön laatuvaatimuksia on esitetty standardissa SFS-EN 50160 ”Yleisen jakeluverkon jakelujännitteen ominaisuudet”. Standardissa esitetään laatuvaatimuksia niin pien- kuin keskijännitteelle. Jakelujännitteelle asetettujen
vaatimusten tulee täyttyä myös kytkettäessä hajautettuja energiantuotantolaitteistoja sähköverkkoon. Standardissa esitetyistä laatuvaatimuksista voidaan soveltaa hajautettujen tuotantoyksiköiden yhteydessä ainakin seuraavia tekijöitä:
- taajuus
-jännitetasoja sen vaihtelut - yliaallot
-jännitteen epäsymmetria - jännitekuopat
- nopeat jännitemuutokset - verkon signaal¡jännitetaso
Vastaavia laatutekijöitä on esitetty useissa eri verkkoonliityntää koskevissa ohjeistuksissa. Verkon signaalijännitetason tarkkailu tulee kysymykseen erityisesti siinä tilanteessa, jossa itse sähköverkkoa käytetään erilaisten ohjaus- ja datasignaalien siirtämiseen automaatiojärjestelmän eri osien välillä.
Pienvoimala voidaan kytkeä jakeluverkkoon seuraavilla tavoilla:
a) muuntajan kautta keskijänniteverkkoon (esim. tuulivoimala)
b) laitoksen yhteydessä olevaan kiinteistökeskukseen, joka on liitettynä jakeluverkkoon (esim. varavoimalaitos)
c) suoraan jakeluverkkoon, johon on liitettynä myös muita pienjännitekuluttajia (esim. CHP-laitos)
Sähköenergialiitto (Sener) on julkaissut suositukset pienvoimalan liittämisestä yleiseen jakeluverkkoon [11], jossa käsitellään pääasiassa kohdan c) liityntätapausta.
Liitettäessä pienvoimala jakeluverkon säteittäisjohtoon, jossa on muita kuluttajia, jännitetason on pysyttävä standardien rajoissa. Verkon pääjännitteen muutos
kytkettäessä pienvoimala verkkoon saa olla korkeintaan 4 % .
Polttokennolaitos sekä nopeat tai muuttuvanopeuksiset generaattorit (esim.
mikroturbiinit ja nykyisin myös tuuligeneraattorit) liitetään verkkoon vaihtosuuntaajan avulla. Haittana olivat alussa suuret invertteriliitetyt laitokset, jotka vaativat loistehoa ja aiheuttivat verkkoon yliaaltoja (etenkin 5. 7. 11. ja 13.
harmoniset ovat merkityksellisiä). Nykyisin yliaaltojen suodatus on mahdollista ja nykyaikaiset PWM (Pulse Width Modulation) -vaihtosuuntaajat tuottavat jo hyvälaatuista sähköä.
Aurinkokennolaitos liitetään periatteessa samalla tavalla kuin polttokennolaitos.
Perusedellytyksenä verkkoonliitännälle on turvallinen eroonkytkentä (esim.
alijännitereleellä ) laitoksen joutuessa saarekekäyttöön.
Tahtigeneraattorit suositellaan kytkettäväksi verkkoon automaattisella tahdistuslaitteistolla ja epätahtigeneraattorit tyhjäkäyntinopeudella (minimijättämä), jolloin käynnistysvirtapiikki on pienin.
Keskijänniteverkon jännitteenalenema on keskeinen rajoitustekijä avoj ohto verkon suunnittelussa. 20 kV:n johtolähdöt voivat olla useita kymmeniä kilometrejä (jopa sata kilometriä) pitkiä ja kuormitus voi olla hyvin alhainen harvaan asutuilla alueilla.Tällaisen johtolähdön impedanssi on huomattavan suuri. Jos jännitetasoon nähden suuri tuotantoyksikkö halutaan liittää tällaisen johtolähdön varrelle etäälle sähköasemasta, voi rajoittavaksi tekijäksi muodostuakin jännitteen nousu jännitteenaleneman sijaan alhaisen kuormituksen aikaan. Tällaisia verkonosia, jotka samalla ovat potentiaalisia hajautetun tuotannon sijoituskohteita, voi sijaita rannikolla, saaristossa ja tunturi-Lapin alueilla. Hajautetun tuotannon lisäämisen vaikutuksesta sähkön laatu voi parantua (esim. kasvattaa verkon oikosulkutehoa tai pienentää jännitteenalenemaa) tai heikentyä (esim. kasvattamalla keskijänniteverkon jännitevaihtelua ja säröä) riippuen tapauskohtaisista olosuhteista ja kytkettävästä tuotan to yksi köstä. [10]
4.2 Verkkoonliityntä ja suojaus
Jos energian tuotantoa harjoitetaan sähköyhtiön verkossa esim. rinnakkain verkon kanssa tai syötönvaihto-vaihtokytkimellä varavoimana, on toiminnasta sovittava etukäteen verkkoyhtiön kanssa.
Näissä tapauksissa on suunnitelmat, joihin sisältyvät teknisten tietojen lisäksi selvitykset verkkoonliittymisautomatiikasta ja -suojauksesta sekä pienvoimalan ja mahdollisesti sen yhteydessä olevän kiinteistön pää- ja suojauskaavioista, hyväksytettävä jakeluverkon haltijalla ennen laitteiston käyttöönottoa.
Hajautettu sähköntuotanto voi aiheuttaa jakeluverkon suojaukselle seuraavia ongelmia: [12]
- suojauksen toiminnan estyminen - virhelaukaisut
- tuotantoyksiköiden tarpeettomat laukaisut - jälleenkytkennän onnistumisen estäminen - tahdistamaton jälleenkytkentä
- oikosulkuvirtatasojen muutokset - jänniteongelmat
- maasulkusuojauksen ongelmat, erityisesti pienjänniteverkkoon kytkettyjen tuotantoyksiköiden toiminta ja vaikutukset keskijänniteverkon maasuluissa.
- ei-toivotun saarekkeen syntyminen, mikä voi johtaa useisiin yllä mainittuihin ongelmiin.
Näihin ongelmiin etsitään ratkaisuja paikallisten suojausfunktioiden avulla. Erityisen mielenkiinnon kohteena on saarekekäytön estävä suojaus LOM (Loss-Of-Mains), joka koetaan monesti ongelmalliseksi [31]. Hajautettujen energiaresurssien hallintajärjestelmän käyttöönotto tuo uusia mahdollisuuksia tämän suojausongelman
ratkaisemiseksi. Hajautetun tuotannon hallintajärjestelmä voisi palvella suojausta tuomalla sille seuraavia mahdollisuuksia:
- laukaisun erittäin nopea välittäminen (siirtolaukaisu, transfer trip) - releiden etäasettelu
- vikavirtatason määritys kussakin kytkentätilanteessa (kytkentätilanteen välitys)
Verkkoonliitynnän vaatimuksien toisen osion muodostavat suojausta ja turvallisuutta koskevat asiat. Suojausvaatimuksien mukaisia suojia voivat olla mm. [12]
- ali-Zylijännitesuoja - ali-Zylitaajuussuoja - ylivirtasuoja - epäsymmetriasuoja - maasulkusuoja
- saarekekäytön estosuoja (LOM-suoja) - suoja tahdistamiselle
- takatehosuoja
Tapauskohtaisesti on päätettävä, mitä suojia liitynnässä käytetään. Suojien valintaan vaikuttavat mm. se, millaiseen verkkoon tuotantolaitteisto kytketään ja se, minkä tyyppinen itse liityntälaite on (epätahtigeneraattori, tahtigeneraattori, vaihtosuuntaajakytkentäinen).
Ali-Zylijännite-, ali-Zylitaajuus- sekä ylivirtasuojat muodostavat verkkoon liitettävän hajautetun tuotantoyksikön perussuojat. Esimerkiksi ylivirtasuojaus voidaan toteuttaa sulakkeilla, kompaktikatkaisijoilla tai ylivirtareleillä. Sulakkeiden ja kompakti katkaisijoiden käyttö on yleensä releisiin verrattuna yksinkertaisempi ja edullisempi vaihtoehto. Ne soveltuvatkin paremmin pienjänniteverkon liitäntöihin.
Kuitenkin esimerkiksi pienjänniteverkkoon kytkettävän, vaihtosuuntaajaan perustuvan hajautetun tuotantoyksikön sulakkeellisessa oikosulkusuojauksessa voi
ilmetä ongelmia, mikäli vaihtosuuntaajan säätöpiiri on toteutettu siten, että sen syöttämän vikavirta on korkeintaan nimellisvirran suuruinen tai vähän nimellisvirtaa suurempi. Tällöin sulake ei välttämättä toimi ja poista vikaa tarpeeksi nopeasti.
Epäsymmetriasuojalla suojaudutaan vaihesuureiden epäsymmetriaa vastaan.
Maasulkusuojan käyttö tulee kysymykseen lähinnä keskijänniteverkon tapauksissa.
Saarekekäytön esto (LOM-suojalla) tulee kysymykseen kytkettäessä hajautettua tuotantoa rinnan yleisen jakeluverkon kanssa. Saarekekäytön esto tarkoittaa, että tuotantolaitteisto ei saa syöttää verkkoon tehoa silloin, kun kyseisen verkon osan yhteys pääverkkoon on katkennut esim. verkon suojalaitteen toiminnan seurauksena Erityisen haastava on saarekekäytön esto verkon pikajälleenkytkennöissä (PJK).
Pikajälleenkytkennät ovat maasta erotetussa keskijännite-avojohtoverkossa erittäin tärkeitä verkon luotettavuuden kannalta. Niiden avulla poistetaan nopeasti jopa noin 90 % verkon vioista. Hajautetut tuotantoyksiköt voivat vaarantaa pikajälleenkytkennän onnistumisen ylläpitämällä vikavalokaarta, jos niitä ei kytketä pois ns. jännitteettömänä väliaikana, mistä seuraa vaatimus erittäin nopeasta eroonkytkennästä. Toinen vakava mahdollinen ongelma on tahdistamattomana toteutuva jälleenkytkentä, jos tuotantoyksikkö ei ole kytkeytynyt irti ennen PJK- hetkeä. Vaiheoppositiossa tapahtuvalla jälleenkytkennällä voi olla vakavia seurauksia sekä tuotantoyksikölle että verkon laitteille.
Tahdistamista varten täytyy olla omat tahdistuslaitteensa. Tällöin varmistetaan, että esimerkiksi jakeluverkon rinnalle kytkettävä tuotantolaitteisto tahdistuu verkon kanssa siten, että jännitteet ja taajuudet ovat yhtäsuuret, eikä vaihe-eroa tuotantolaitteiston ja verkon jännitteiden välillä ole.
Takatehosuojaa taas tarvitaan tilanteessa, jossa esim. voimakoneen vikautumisen johdosta verkko alkaa pyörittää generaattoria moottorina tai jos hajautettu tuotantoyksikkö on kytketty esimerkiksi rakennuksen yhteyteen ja tehoa on tarkoitus siirtää vain ko. rakennuksen sähkölaitteille. Mikäli haluttu tehon virtaussuunta muuttuu toisinpäin, laukaisee takatehosuoja tuotantoyksikön irti verkosta.
Takatehosuojalla voidaan myös laitteisto kytkeä hallitusti irti verkosta pienentämällä syöttötehoa kunnes tehon suunta muuttuu.
