Kandidaatintyö 29.3.2019 LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka
PAKASTIMIEN KÄYTTÖ KYSYNTÄJOUSTON KOMPONENTTINA
The usage of freezers as an element of demand re- sponse
Oskari Kauppinen
TIIVISTELMÄ
Oskari Kauppinen 0401327
LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka
Tero Ahonen
PAKASTIMIEN KÄYTTÖ KYSYNTÄJOUSTON KOMPONENTTINA 2019
Kandidaatintyö.
38 s.
Sähköntuotannon säädettävän tehon määrä vähenee uusiutuvien energiamuotojen yleisty- essä ja syrjäyttäessä perinteistä säädettävää sähköntuotantoa. Siten on tärkeä tutkia erilaisia keinoja säätötehon vähenemisen negatiivisten vaikutusten vähentämiseksi. Kysyntäjousto on yksi tärkeä osa tätä työtä.
Tämä työ tutkii pakastimien kysyntäjoustoa sen teknisten ratkaisujen, kohdeyleisön ja kan- nattavuuspotentiaalin näkökulmasta. Tavoitteena on siten määritellä parhaat menetelmät, jolla kysyntäjoustoa voitaisiin toteuttaa. Tämän jälkeen tuloksia vertaillaan yksittäisellä pa- kastimella toteutettuun mittausdataan ja tämän pohjalta määritetään yksittäisen pakastimelle saatava säästö/korvaus.
Halvin tapa teknillisesti toteuttaa kysyntäjousto pakastimille on jonkintasoinen älyrele, jolla pystytään etänä kytkemään pakastin päälle tai pois päältä. Tämän kustannukset pyörivät muutaman kymmenen euron luokassa. Parhaat markkinapaikat etenkin pienellä pakastimien kokonaismäärällä on oman sähkön kulutuksesta joustaminen tunneilla. Tämän lisäksi taa- juusohjattu käyttö- ja häiriöreservi ovat toimivia markkinapaikkoja. Toimijana näille on käy- tännössä tarvittava isompi toimija, joka ohjaa kysynnänjoustoa, jotta kunnolla pystyttäisiin osallistumaan kysynnänjoustoon. Tällä hetkellä kuitenkaan pakastimen kysynnänjoustolla ei saada tarpeeksi suuria säästöjä aikaan, jotta saataisiin katettua kunnolla laitekustannuksia, kuluttajien ja kysynnänjoustoa operoivan osapuolen vaatimuksia kulujen ja tuottojen vaati- muksista katettua.
ABSTRACT
Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT LUT School of Energy Systems
Electrical Engineering Oskari Kauppinen
THE USAGE OF FREEZERS AS AN ELEMENT OF DEMAND RESPONSE 2019
Bachelor’s Thesis.
38 p.
Examiner:
Tero Ahonen
The amount of load following power plants is decreasing since the amount of un adjustable renewable energy is increasing and it’s replacing traditional load following power. There- fore, it’s important to research different methods to decrease the negative effect of that change. Demand response is one important field of this research.
This work examines the usability of freezers from the point of view of demand response, which technical solutions it might use, appropriate target audience and cost-effectiveness.
The goal is to determine the best methods that demand response can be produced. After this an analysis of measurement data for a single freezer is done to determine savings for it.
The cheapest way to technically create ability for demand response for freezers is some level of a smart relay, which can be turned on or off remotely. The best marketplace for especially smaller number of freezers is hour-based demand response. Also, frequency driven operation and fault reserves are possible marketplaces for demand response solutions. The operator for the solution would be mainly a bigger organization that could gather a bigger fleet that they could attend the marketplaces with. In practice demand response with freezers wouldn’t be able to cover all the investment costs, the needs for costs and profits of customers and the operator.
SISÄLLYSLUETTELO
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet
1. Johdanto ...6
2. Kysyntäjousto ...7
2.1 Säätösähkön toiminta Suomessa ...9
2.2 Säätösähkö- ja säätökapasiteettimarkkinat ... 10
2.3 Taajuusohjattu käyttö- ja häiriöreservi ja niihin osallistuminen ... 11
2.4 Nord Pool day-ahead –markkinat ... 12
2.5 Yösähkö ... 12
2.6 Virtuaalivoimalat ... 13
2.7 Kysyntäjouston muut pilottiprojektit ... 13
2.7.1 There Corporationin lämmityksen kysyntäjousto ... 13
2.7.2 SEAM Group OY:n kylmävaraston kysyntäjousto ... 14
2.7.3 S-ryhmän kysyntäjoustoprojekti "HertSi" ... 14
3. Pakastimien kysyntäjousto ... 16
3.1 Pakastimien kysyntäjouston mahdollisuudet ... 16
3.1.1 Pakastimeen liitettävä kysyntäjousto-laite ... 16
3.1.2 Kotiautomaatio kysyntäjouston ohjausratkaisuna ... 17
3.1.3 Toisen sukupolven älykäs kodin sähkönkulutusmittari ... 18
3.2 Pakastimien käynnistymisen luoma impulssi ja sen mahdollinen vaikutus ... 20
3.3 Kysyntäjouston aiheuttamat riskit kuluttajalle ja niiden minimoiminen ... 21
4. Empiirisen datan tutkinta ... 23
4.1 Testipakastimen toimivuuden tarkastelu empiirisen datan pohjalta ... 23
4.2 Nord Pool day-ahead –markkinadata ja sen soveltuvuus kysyntäjoustoon ... 26
4.3 Taajuusohjatut markkinat ja sen soveltuvuus kysyntäjoustoon ... 28
5. Johtopäätökset ... 31
Lähteet ... 33
Liitteet ... 38
KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET
EU Euroopan Unioni
EN 62552:2013 Standardi, jolla määritetään pakastimien ominaisuuksien esitys- muoto.
AMR Nykyaikainen älykäs sähkönkulutusta mittaava laite.
Wi-Fi Yleisesti käytetty langaton tiedonsiirtomenetelmä laitteen ja reititti- men välillä.
Ylössäätötunti Ylössäätötunti tarkoittaa tuntia, jolloin taajuuden ylläpitämiseksi on jouduttu taajuudensäätöreservien avulla nostamaan energian tuotan- toa tai laskemaan sen kulutusta.
Alassäätötunti Alassäätötunti tarkoittaa tuntia, jolloin taajuuden ylläpitämiseksi on jouduttu taajuudensäätöreservien avulla laskemaan energian tuotan- toa tai nostamaan sen kulutusta.
1. JOHDANTO
Tämän työn tavoitteena on tutkia pakastimien toimintaa kysyntäjouston näkökulmasta, että voiko pakastimien sähkönsaannin katkaista vaikuttamatta siellä säilöttävien tuotteiden elin- kaareen suuremmin, ja onko järjestelmien implementointi taloudellisesti kannattavaa.
Työssä keskitytään tutkimaan kuluttajille tarkoitettujen pakastimien soveltuvuutta miettien sopivaa mallia, jolla toiminnollisuutta on paras ja kannattavin toteuttaa tutkien erilaisia tek- nisiä metodeita, joilla kysyntäjousto mahdollistetaan ja palvelun toimittajaa, jonka sitä kan- nattaisi toteuttaa. Myös kysyntäjouston markkinapaikkamahdollisuuksia käydään läpi, ja tätä kautta määritellään paras muoto kysyntäjoustolle tällä hetkellä, jonka pohjalta tehdään kannattavuuslaskentaa kysyntäjoustolle.
Kandidaatintyö vastaa kysymyksiin onko pakastimen kysyntäjousto kuluttajatasolla kannat- tavaa, ja mitkä ovat ne parhaat mallit, joilla sitä voidaan toteuttaa nykyään tai lähitulevai- suudessa. Työssä myös avataan käsitteitä ja tulevaisuuden mahdollisuuksia pakastimien ky- syntäjouston ympäriltä.
Tilastokeskus on tehnyt tutkimuksen vuonna 2006 suomalaisten omistamasta kulutuselekt- roniikasta, jossa mukana on myös pakastimet. Kaikkien kotitalouksien pakastimien yhteis- määrä on 89 % kaikista kotitalouksista (6). Kotitalouksien määrä Suomessa oli kyseisen tut- kimuksen mukaan noin 2,5 miljoonaa kotitaloutta. Näiden lukujen mukaan Suomessa on siis noin 2,2 miljoonaa pakastinta.
2. KYSYNTÄJOUSTO
Kysyntäjousto (engl. Demand Response DR) tarkoittaa muutosta sähkön loppukäyttäjän nor- maaliin sähkönkulutukseen sähkön hinnan mukaan tai hinnoittelua, jolla pyritään vähentä- mään loppukäyttäjän sähkökulutusta korkean markkinahinnan tai epävarman verkon stabii- liuden aikana (1). Tämän avulla saadaan kulutuksen huippua tasoitettua hintojen noustessa hetkellisesti hyvin korkeiksi tai stabiiliuden vaarantuessa saadaan suurinta heilahtelua hel- potettua.
Käytännössä tämä tarkoittaa yksittäisen kuluttajan näkökulmasta heidän käyttämänsä säh- kön kulutuksen siirtämistä tai vähentämistä sähköjärjestelmän tarpeiden mukaisesti. Jotta nämä sähköä säästävät laitteet saataisiin kuluttajan ulottuville ja kiinnostamaan heitä tar- peeksi, täytyy ratkaista useampia ongelmia. Näistä tärkeimmät ovat niiden vaikuttamatto- muus kuluttajien normaaleihin tottumuksiin. Selkeä osa kuluttajista ei halua muuttaa säh- könkulutustottumuksiaan ilman merkittäviä säästöjä sähkölaskussaan (24).
Accenturen tutkimuksessa kuluttajien tottumuksista (6) selvitettiin useamman kehittyneen maan kuluttajien mielipiteitä sähkönkulutuksen mielipiteitä ympäri maailman. Kuva 2-1 ja Kuva 2-2 esittävät kuluttajien halukkuutta rajoittaa sähkönkäyttöään, kun sähkön toimitta- jalla on eritasoinen kyky rajoittaa kuluttajien sähkölaitteiden kulutusta. Tiedosta käy ilmi, että asiakkaat eivät ole valmiita mielellään täysin luopumaan sähkölaitteidensa toiminnasta tai vähintään vaativat merkittäviä säästöjä sähkölaskussaan näin tapahtuessa. Samoilla lin- joilla on myös Salla Annala väitöstyössään (24), jossa todetaan, että 2000–4999 kWh kulut- tavat tarvitsevat vähintään 50€ vuosittaisia säästöjä ennen kuin suostuisivat antamaan kont- rollia laitteistaan muille.
Kuva 2-1 Todennäköisyys sille, että kuluttaja suostuu kysyntäjoustoon, jos sähkön toimittaja pystyy kontrol- loimaan tiettyjen merkittävien sähkölaitteita ilman, että kuluttajalla on mahdollisuutta siihen vaikuttaa verrattuna sähkölaskussa saataviin säästöihin, sisältäen varmasti ja luultavasti vas- tanneet (6).
Kuva 2-2 Todennäköisyys sille, että kuluttaja suostuu kysyntäjoustoon, jos sähkön toimittaja pystyy kontrol- loimaan joidenkin laitteiden sähkönkulutusta niin, että kuluttaja pystyy tämän ohittamaan ver- rattuna sähkölaskussa saataviin säästöihin, sisältäen varmasti ja luultavasti vastanneet (6).
2.1 Säätösähkön toiminta Suomessa
Säätösähkö on tapa, jolla säädetään sähkönkulutusta ylös- tai alaspäin tarpeen mukaisesti.
Tätä tarvetta määrittelee sähköverkon taajuus, joka on samalla hetkellä eri puolella verkkoa sama riippumatta missä päin verkkoa taajuus mitataan, ellei verkkoja olla toisistaan eroteltu.
Verkon taajuus Pohjoismaissa, joissa on yhteinen sähköverkko, on 50 Hz. Taajuus yritetään pitää mahdollisimman tasaisesti kyseisessä arvossa. Taajuuden poikkeamasta muodostetaan positiivinen tai negatiivinen aika, jonka avulla varmistetaan, että verkko toimii keskiarvoi- sesti 50 Hz taajuudella Suomessa ja muualla pohjoismaissa yhteisessä verkossamme. Kun esimerkiksi kertyy positiivisia sekunteja, tarkoittaa se, että verkon taajuus on keskiarvoisesti ollut yli 50 Hz. Tätä kutsutaan aikapoikkeamaksi. Kun ero kasvaa liian suureksi, tasoitetaan sitä pitämällä tuotantoa kulutusta pienemmällä sen ajan, että taajuuseron sekuntikello saa- daan nollattua (21). Suomessa taajuuden tasapainoa seuraa ja kontrolloi Fingrid.
Δ𝑡 = ∫𝑡−𝑡𝑓0
0 𝑑𝑡 = ∫ 60003 0,150𝑑𝑡 = 7,2𝑠 (1)
Aikapoikkeaman maksimiarvona on 30 sekuntia, joten Fingridillä on selkeä halu pitää aika- poikkeama selkeästi tämän arvon sisällä. Yhtälö 1 esittelee aikapoikkeaman laskemiseen käytettyä yhtälöä sekä esittelee esimerkin sen laskemisesta. Esimerkissä lasketaan 0,1 Hz:n aikapoikkeama tunnin ajalta, jolloin poikkeamaksi saadaan 7,2 sekuntia.
Kuva 2-3 Taajuudensäätö sillä hetkellä, kun taajuus lähtee laskuun. (10)
2.2 Säätösähkö- ja säätökapasiteettimarkkinat
Fingrid vastaa säätösähkö- ja säätökapasiteettimarkkinoista. Näiden avulla pyritään tasaa- maan vaihtelua, jota tulee sähkön ilmoitetun kulutuksen/tuotannon ja toteutuvan kulutuk- sen/tuotannon välillä. Esimerkiksi tuulivoimala ei tuota tunnin aikana yhtä paljon kuin on ilmoittanut, kun tuulen määrä oli pienempi kuin ennusteessa (20).
Sopimuksessa on määritelty, että säätösähköä voivat Suomessa toteuttaa kaikki toimijat, joilla on kyky vähintään 10 MW:n säätötehoon tai 5 MW:n säätötehoon, jos kyseessä on elektronisesti aktivoitava säätö, 15 min kuluessa. Sopimuksen mukaan laitteet voivat kuiten- kin olla alle 10/5 MW tehoisia, jolloin voidaan käyttää useamman eri laitteen yhteistä sää- tökykyä vähintään 10/5 MW:n tehon saavuttamiseksi (20).
Sopimukset tehdään jokaiselle tunnille erikseen ja toimijan on kyettävä säätämään vähintään 5 MW:n edestä koko sopimuksen tunnin ajan. Tämä johtaa siihen, että laitteiden, joiden sää- tökyvyn kesto alittaa tämän tunnin, täytyy tehoa todellisuudessa olla moninkertaisesti enem- män, jotta säätöä voidaan suorittaa tässä markkinapaikassa.
Kyseisen minimisäätötehon takia ei pienten toimijoiden, kuten yksittäisten kuluttajien tai pienten yhteisöjen, ole mahdollista itse osallistua säätömarkkinoille. Muutenkin toiminta pienille toimijoille olisi haastavaa toiminnan nopeusvaatimusten takia. Tämän takia mahdol- lisuus rajoittuu suurempiin toimijoihin. Tämä ei siis lähtökohtaisesti tue tämän kandidaatin- työn tavoitteita, jotka ovat selvittää keinoja, joilla pakastimien kysyntäjoustolla pystytään lähtemään pienemmästä kapasiteetista liikkeelle.
2.3 Taajuusohjattu käyttö- ja häiriöreservi ja niihin osallistuminen
Fingrid hoitaa Suomessa taajuusohjattuja käyttö- ja häiriöreservejä. Taajuusohjattu käyttö- reservi tarkoittaa normaalia käytönaikaista automaattista taajuudensäätöä, joka pyrkii pitä- mään taajuudenvaihtelut 49,9 Hz ja 50,1 Hz välillä eli pitämään aikapoikkeaman tasaisena.
Tämän lisäksi on myös taajuusohjattu häiriöreservi, joka pitää huolen, että verkon häiriöti- lanteissa saadaan taajuus stabiloitua esimerkiksi tilanteissa, joissa isompi voimalaitos, kuten ydinvoimala, tippuu verkosta yllättäen. Häiriöreservi pyrkii pitämään taajuuden vähintään 49,5 Hz:ssä (25).
Käyttöreserviin pääsee mukaan 0,1 MW:n säätöteholla, jonka säätönopeus on 3 s eli teho saadaan tässä ajassa käyttöön. Häiriöreserviin pääsee mukaan 1 MW:n säätöteholla releoh- jatuissa kohteissa joko 5 s 50 % ja 30 s 100 % lineaarisäädöllä tai välittömällä irtikytken- nällä, kun taajuus menee liian alas (25). Nämä voisivat siten teoriassa olla mahdollisia kaup- papaikkoja kysynnänjoustolle, mutta Fingrid vaatii kuitenkin mittauksia kysynnänjouston komponenteille varmistaakseen säädön tapahtumisen (29) ja tällä hetkellä kotona olevien AMR-mittarit eivät ole tähän valmiita, sillä ne mittaavat ainoastaan tuntikohtaista energian- kulutusta (30) ja säätöjen kestot voivat olla sen verran lyhyitä, ettei tällä mittaustaajuudella voida mitenkään täyttää Fingridin vaatimuksia.
Korvausta Fingrid antaa käyttöreservin kapasiteetista 14 €/MW reserviin osallistuttua tuntia kohden ja häiriöreservistä 2,8 €/MW reserviin osallistuttua tuntia kohden vuonna 2018 (31).
Säädössä joustetusta energiasta annetaan ylössäätöhinnan mukainen korvaus (29).
2.4 Nord Pool day-ahead –markkinat
Kuva 2-4 Nord Pool tuntihintojen määräytyminen (18).
Nord Pool on osapuoli, joka hoitaa sähkön myyntiä ja ostoa. Yleisin heidän tuotteistaan on Elspot, joka on päivää ennen tapahtuva sähkön hintaa määrittelevä markkinapaikka. Hinnat määritellään pörssissä siten, että ostajat ja myyjät määrittelevät tunneittain määrän, jolla he ovat valmiita ostamaan tai myymään sähköä. Näin saadaan aikaan hinta kullekin tunnille kysynnän ja tarjonnan kohtaamispisteeseen (18).
Tämän markkinan hyödyntäminen kysynnänjoustossa on hyvinkin yksinkertaista tilanteissa, jossa kysynnänjoustoa toteuttava osapuoli ostaa sähköä muutenkin markkinoilta. Tällaisia toimijoita ovat mm. sähkönmyyjät.
2.5 Yösähkö
Perinteisempi muoto kysynnänjoustosta, jota on jo pitkään toteutettu, on yösähkö. Yösäh- kössä päivä ja yö ovat asiakkaalle hinnoiteltu eri tavalla, joka ohjaa asiakasta kuluttamaan sähköä enemmän halvempaan yöaikaan (27). Esimerkkeinä käyttäytymisestä on vesivaraa- jan toiminnan ajoittaminen yöaikaan tai esimerkiksi talon lämmityksen painottaminen yöai- kaan.
2.6 Virtuaalivoimalat
Pilottien tasolla tällaisia kuluttajien kysyntäjouston niputtamisia suuremmiksi kokonaisuuk- siksi on tapahtumassa, joten lähitulevaisuudessa nämä mahdollistavat suhteellisen pieniko- koisenkin kysynnänjouston liittämisen osaksi isoa kokonaisuutta ja tätä kautta mahdollista- maan hyvinkin isojen tehojen kysynnänjoustoa. Esimerkkeinä tässä on Fortumin virtuaali- voimala. Heidän pilottiprojektissa liitetään vesivaraaja virtuaalivoimalaan niin, että varaajan lämmityksen ajankohtaa säädellään markkinahinnan pohjalta hieman aikaisemmaksi tai myöhemmäksi (26).
Fortumin virtuaalivoimala on esimerkki siitä, että säätöä voidaan myös toteuttaa ilman Fing- ridin markkinoita. Kun kyseessä on sähköä myyvä osapuoli, voivat he luoda säätöä myös oman kapasiteettinsa osalta, vaikka silloin säädetään sähköä nimenomaan markkinoilta os- tettavan sähkön suhteen eikä päästä kiinni Fingridin omaan markkinapaikkaan kappaleen 2.4 mukaisesti. Vaatimusten perusteella Fortum pystyy kuitenkin taajuudensäätömarkkinoille lähtemään mukaan, sillä 1 MW teholla pystytään minimivaatimukset täyttämään kappaleen 2.3 mukaisesti.
2.7 Kysyntäjouston muut pilottiprojektit
2.7.1 There Corporationin lämmityksen kysyntäjousto
There Corporation on toteuttanut Fingridin tilaaman kysynnänjoustotutkimuksen (2). Tutki- mus keskittyy kotitalouksien lämmityksen kysyntäjoustoon. Tutkimuksessa varustetaan omakotitalojen lämmityslaitteisto ja vesivaraaja Theren kysyntäjoustojärjestelmällä sekä otettu lisäksi asiakkailta tutkimukseen, joilla on yksinkertaistetumpi järjestelmä, joka ei ole Theren toimittama. Järjestelmällä pystytään osallistumaan seuraaviin ohjauksiin: häiriöre- servin ylössäätö, Häiriöreservin ylössäädön keskeytys, ajastettu säätösähkö ja säätösähkön aktivoinnin peruutus.
Tutkimuksen perusteella kysyntäjoustoa voidaan toteuttaa potentiaalisesti alle 5 sekunnin viiveellä, joten säätöä voidaan tehdä hyvinkin nopeasti. Suurin osa säädöistä saadaan toteu- tettua 2 sekunnin aikaikkunassa ja keskiarvoisesti 2,3 sekunnin sisällä. Lisäksi säätö onnistui 100 % todennäköisyydellä. Tämä johtui pienestä otannasta eli todellisuudessa hajontaa tulisi tapahtumaan enemmän.
Tutkimuksen loppupäätelmänä todetaan, että tulokset tutkimuksen kysyntäjoustosta ovat hy- vin potentiaalisia. Kehitystä täytyy kuitenkin jatkaa, että saamme valmiit keinot varsinaisesti toteuttaa kysyntäjoustoa markkinoille. Kaupallistamista pitää vielä edistää ja kuormapoten- tiaalia täytyy vielä kasvattaa.
2.7.2 SEAM Group OY:n kylmävaraston kysyntäjousto
SEAM Group Oy toteutti Fingridille tutkimuksen kysyntäjoustosta kylmävaraston osalta (3).
Tutkimuksessa kysyntäjoustoa toteutettiin Suomen johtavassa pakastevarastossa. Pakaste- varaston vuosikulutus on 20 GWh. Kysyntäjoustoa toteutettiin 0,3 MW:n teholla. Ohjaus tapahtui automaattisesti pilvipalvelun lähettämän ohjauskäskyjen perusteella. Ohjausko- mennot pystyttiin toteuttamaan keskimäärin 10 sekunnin läpimenoajalla. Kysyntäjoustoa to- teutettiin 8 tuntia päivässä.
2.7.3 S-ryhmän kysyntäjoustoprojekti "HertSi"
S-ryhmä toteutti kysyntäjouston pilottiprojektin Fingridille (4). S-ryhmä suurimpana ei-te- ollisena sähkökuluttajana on hyvin sopiva kysyntäjouston toimija. Sillä on suuri määrä eri- kokoisia marketteja, hotelleja, ravintoloita jne. Lisäksi sillä on useita varavoimakoneita suu- rimpien markettien toiminnan varmistamiseksi (4). Näitä ei ole ennen valjastettu kysyntä- jouston tarpeisiin. Lisäksi suuren lämmöntuotannon takia sillä on suuri potentiaali kysyntä- joustoon.
Pilotti toteutettiin Hämeenmaan ja Pirkanmaan osuuskauppojen yhteensä seitsemässä Pris- massa. Kaikissa Prismoissa toteutettiin pilottia kysyntäjouston ja varakoneiden osalta. Ky- syntäjoustoa toteutettiin taajuusohjatuille reservimarkkinoille ja varavoimakoneita Elspot-, Elbas- ja säätösähkömarkkinoille. Kysyntäjoustoon kuuluivat IV-koneet, saattolämmitys, lämpöpumput ja osittain myös valaistus.
Tuloksina pilotista oli, että säädöt kysyntäjoustoon liittyvissä laitteissa toimivat nopeasti alle viiden sekunnin läpimenoajalla, joten ne sopivat nopeudellaan hyvin kysyntäjouston tuot- teeksi myös taajuusohjatulle käyttöreservin tuntimarkkinoille. Lisäksi varavoimakoneet saa- daan toimintaan nopeasti eli niiden käyttö on toimivinta Elspot,- ja Elbas-markkinoilla. El- bas-markkina on Elspot-markkinoita täydentävä palvelu, jossa voidaan käydä kauppaa aina
kahta tuntia ennen toimitettavaa tuntia (34). Varavoimakoneiden kapasiteetti ei täytä tarvit- tavaa 10 MW:n vaatimusta säätösähkömarkkinoille, joten tällä hetkellä se ei ole sopiva sille markkinapaikalle. Laitteisto toimii teknisesti kokonaisuudessa hyvin kysyntäjouston tarkoi- tuksiin.
Pilotissa todettiin, että todellista säätöä on vaikea todentaa, koska marketin sähkönkulutuk- sessa on suurta varianssia jatkuvasti ja säätötoimenpiteitä ei kokonaismittauksilla saada hy- vin toteutettua. Pilotissa todetaankin, että laitteiston pitäisi pysyä hyvin yksinkertaisena ja investoinnin pienenä, sillä säätyvät kapasiteetit ovat pieniä ja täten saatava hyöty laitetta kohden on pieni. Pilotissa pyydetäänkin Fingridin kyseenalaistavan omat sääntönsä, jotta pienemmänkin tehon omaavat toimijat pystyisivät osallistumaan paremmin kysyntäjous- toon.
3. PAKASTIMIEN KYSYNTÄJOUSTO
3.1 Pakastimien kysyntäjouston mahdollisuudet
Jotta voidaan tarkemmin tutustua laitteisiin ja menetelmiin, täytyy määrittää asiakaskunta ja toimintamalli, jolle ratkaisua kannattaa toteuttaa. Yksittäiselle kuluttajalle pakastimien ky- syntäjoustosta saatava hyöty jää hyvin minimiin, sillä kotitalouksiin tarkoitettujen pakasti- mien teho ei käytännössä edes yllä 0,5kW:n ja säästöä kysyntäjouston nimissä tapahtuisi vain välillä hetkellisesti.
Eri asia on, kun puhutaan suuremmista toimijoista. Esimerkiksi suuremmilla sähkönmyyjillä on asiakkainaan helposti suuriakin massoja. Tällöin voidaan puhua aivan eri tavalla sovel- luksista, joihin laitetta voidaan soveltaa. Tärkeimpinä sovelluksina voidaan pitää taajuussää- töä ja yksittäisen/yksittäisten tuntien kulutuksen vähentämistä, sitä kautta palveluntoimitta- jalle saadaan säästöä ostamatta jääneestä sähköstä.
Tällä hetkellä ratkaisujen yhteisenä huonona puolena voidaan pitää sitä, että mikään tämän- hetkinen laite ei sisällä tarpeellisia toiminnollisuuksia, jotta päästäisiin kaksisuuntaiseen, älykkääseen säätämiseen. Tämä tarkoittaa sitä, että kaikki ratkaisut, joita työssä tullaan esit- tämään, eivät ota millään tavalla huomioon laitteiden sisäistä lämpötilaa, joten yksi taso vuo- rovaikutuksesta jää käyttämättä. Tämä johtaa siihen, että ratkaisuissa tarvitsee ottaa huomi- oon, ettei kuluttajien pakastamien elintarvikkeiden laatu kärsi minkään tyyppisen pakasti- men kanssa kysyntäjoustoa harjoittaessa. Käytännössä siis tarvitsee ottaa huomioon huo- noimman tasoinen laite, joka järjestelmään liitetään ja täten asettaa pohja-arvot malleille.
Alimmalla tasolla pakastimien kysyntäjoustossa puhumme yksittäisen laitteen päälle ja pois kytkevästä laitteesta. Tästä seuraavana tulee kotiautomaatio, johon on lisätty kysyntäjous- toon tarvittavaa ohjelmistoa. Kolmantena listalla on toisen sukupolven älykäs mittari.
3.1.1 Pakastimeen liitettävä kysyntäjousto-laite
Yksinkertaisimpana ratkaisuna pakastimien kysyntäjouston osalta voidaan sanoa olevan verkkoon liitettävä kytkin, jota voidaan ohjata etäältä tarvittaessa. Tällaisessa toteutuksessa hyvänä puolena on, että se ei vaadi toteutukseen muuta kuin internet-yhteyden, jota kautta
se muualle kytkeytyy. Huonoina puolina ovat mahdolliset tietoturvaongelmat ja kytkinlait- teen investointikustannukset.
Tutkittaessa laitteita, jotka voisivat teorian tasolla soveltua kysyntäjouston laitteeksi, tulee vastaan laitteita kuten D-linkin Smart Plug (11) ja tp-linkin Kasa Smart Wi-Fi Plug (22).
Kyseinen laite pystytään kytkemään verkkoon Wi-Fi:n avulla. Tätä kautta siis pystytään kontrolloimaan laitetta mistä päin maailmaa tahansa. Täten siihen voitaisiin luoda jonkinta- soinen kysyntäjouston sovellus. Komponenttitasolla soveltuvuutta suoraan on vaikea arvi- oida ja lisäksi tietoturva on kyseenalainen.
Yleisesti kuitenkin voidaan olettaa, että kuluttajahintaan muutamalla kymmenellä eurolla pystytään ostamaan älykäs pistorasia, kuten aiemmin mainittu Kasa on myynnissä 20$ (23), jolla voidaan yksittäisten laitteiden kysyntäjoustoa toteuttaa. Todellisuudessa toki kysyntä- joustoa toimittavalle yritykselle kustannukset jäisivät selkeästi alemmas. Muina vaatimuk- sina voidaan olettaa olevan lähinnä reititin/modeemi, joka löytyy jo valmiina monen kotoa.
Jotta taajuusohjatuille markkinoille olisi mahdollisuutta päästä täytyy laitteen toteutuksessa ottaa huomioon Fingridin säännökset säädönaikaisesta tehonmittauksesta, josta maininta oli kappaleessa 2.3. Täten mahdollistetaan laajemmat keinot kysynnänjoustoon osallistu- miseksi.
Wi-fiin kytkettävät pistorasiat ja vastaavat älykkäät releet ovatkin luultavin ratkaisu, jota palveluntarjoajat tulevat tarjoamaan. Sillä saadaan yhtenäinen alusta, jonka yksikkökustan- nukset saadaan ajettua hyvin alhaiseksi. Kysymykseksi jää kuitenkin tulevatko kysyntäjous- tosta saatavat voitot kattamaan investoinnin kulut ja jääkö siitä mitään tuottoa palveluntar- joajille.
3.1.2 Kotiautomaatio kysyntäjouston ohjausratkaisuna
Kotiautomaatioratkaisuja alkaa löytymään markkinoilta enenevissä määrin. Niillä pystytään kontrolloimaan lähes mitä tahansa laitetta erillään tai osana kokonaisuutta. Tähän kysyntä- jouston lisääminen ei vaadi varsinaisesti kuin automaatiolle yksilöivän kytkennän pakasti- melle, jotta pystytään toimet keskittämään kyseiseen laitteeseen. Tästä ylöspäin voidaan au- tomaatio liittää verkkoon ja ohjailla tätä kautta järjestelmää.
Esimerkkeinä tällaisista palveluista ovat aikaisemmin luvussa 2.7.1 mainittu There. There käyttää projektissaan omaa Electric Heating Control (EHC) lämmityksensäätöjärjestelmää, jota käytettiin testaamaan kodin lämmityksen kysyntäjoustoa (2). Toisena esimerkkinä on Mi Casa Verden VeraPlus Advanced Home Control automaatiojärjestelmä (12). Tuote on ohjausyksikkö, jolla voidaan ohjata erilaisia laitteita jopa 1500 kappaletta. Ohjauslaitteen alaisia laitteita pystytään ohjata puhelimella etänä. Palvelu on siis kytketty internetiin ja sii- hen saa liitettyä mm. Amazon Alexan ja kontrollointi onnistuu mistä tahansa päin maailmaa.
Seuraavana on ABB:n free@home palvelu (13). Automaation lisäksi free@home tuoteper- heeseen kuuluu runsaasti laitteita, jotka voidaan liittää suoraan palveluun. Lisäksi free@home tarjoaa useita integraatioita jo internetiin. Esimerkiksi ovipuhelimen videokuva voidaan lähettää pilveen, josta sitä voidaan tarkastella etänä mistä tahansa. Lisäksi järjes- telmä tarjoaa integraatiomahdollisuuksia esimerkiksi Amazonin Alexa tekoälylle.
Edellisiä esimerkkejä voidaan kutakin käyttää kysyntäjouston osana. Laitteiden ohjaus ja ohjauksen ohjelmointi onnistuu jo luonnostaan. Lisäksi laitteet ovat verkkoon liitettyjä, joten teknisiä rajoitteita ei päällisin päin ole. Toimintanopeus kyseisissä ratkaisuissa on suurin este potentiaaliselle taajuussäätöä toteuttavalle kysyntäjoustolle. Lisäksi yksinkertainen kysyntä- jousto on helppo toteuttaa, jos vain pystymme yksilöiden katkaisemaan pakastimen sähkön- syötön pois päältä.
Kotiautomaation esteenä on kuitenkin hyvin suuri hinta, jonka kustannuksiin palveluntarjo- ajat eivät tule todennäköisesti lähtemään mukaan. Lisäksi tuen kehittäminen näille alustoille pienien käyttäjämäärien takia tulee luultavasti olemaan hyvin epätodennäköistä.
3.1.3 Toisen sukupolven älykäs kodin sähkönkulutusmittari
Suomessa otettiin vuosikymmenen vaihteessa käyttöön ensimmäisen sukupolven älykäs säh- könkulutusmittareita (AMR 1.0). Nämä poikkeavat vanhemman polven kulutusmittareista sillä, että ne ovat kytkettyinä ylemmälle tasolle sähkönjakeluyhtiöiden tietojärjestelmiin.
AMR-mittarit lähettävät kulutusdataa jakeluyhtiöille, jolloin poistuu tarve asiakkaan luona tapahtuvaan mittareiden lukuun. Tätä tietoa välitetään jakeluyhtiöiden kautta myös asiak- kaan sähkönmyyntiyhtiölle, jotta laskutusta voidaan toteuttaa. Valitettavasti ensimmäisen sukupolven AMR-mittareilla on hyvin rajoittuneita ominaisuuksia. Sillä mm. kerätään kulu- tusdataa tunnin välein ja lähetetään kerran vuorokaudessa eteenpäin, Tämä on aivan liian
matala taajuus kysyntäjoustoa mietittäessä. AMR-mittareissa on myös hyvin rajoittunut muistikapasiteetti ja rajoittunut ohjelmoitavuus. Nämä yhdessä estävät minkään tasoisen ky- syntäjouston toteuttamisen ensimmäisen sukupolven AMR-mittareilla. (14)
Ensimmäisen sukupolven mittareiden tilalle on EU suunnittelemassa toisen sukupolven äly- mittareita eli AMR 2.0. Suomeen asennetut ensimmäisen sukupolven älymittarit ovat tulossa käyttöikänsä loppupäähän jo 2020-luvulla ja täten voidaan alkaa miettimään AMR 2.0 -rat- kaisuja ja niiden mahdollisuuksia kysyntäjouston osana. Tarkoituksena on, kuten Pöyry on teettänyt työ- ja elinkeinoministeriölle selvityksen (15), tuoda enemmän ominaisuuksia lait- teisiin osittain EU:n määräysten takia ja osittain vaatimusten ja mahdollisuuksien kehittymi- sen takia. Kyseistä selvitystä on hyvä käyttää referenssinä tuleville AMR 2.0 -mittareille tulevaisuudessa selvitystyön tuoreuden, selvityksen toimittajan ja tilaajan aseman vuoksi.
Taulukko 3-1 AMR 2.0 selvitystyön tuloksia kysyntäjouston osalta (15)
Kuten taulukossa Taulukko 3-1 todetaan, olisi toisen sukupolven älymittareissa tarpeellista olla vähintään yksi lähtö kysynnänjouston tarpeisiin. Tämä tekisi pakastimen liittämisen osaksi kysyntäjoustoa helpoksi operaattorilta kuluttajan sähköpääkeskukseen. Tästä eteen- päin täytyy vain varmistaa, ettei samaiseen lähtöön ole kytketty muita laitteita tai olla varma, että niiden katkominen ei aiheuta kuluttajaa haittaavia lieveilmiöitä.
Toteutuessaan vähintään Pöyryn määrittelemällä tavalla AMR 2.0 voi siis tulla hyvinkin po- tentiaalinen kysyntäjouston komponentti. Kuitenkin vaillinaista laitteissa on se, että vähim- millään mittari sisältäisi vain yhden kysyntäjoustolähdön, jolloin pakastinsovellukselle voi
olla kilpailevia tapoja toteuttaa kysyntäjoustoa ja näitä ei välttämättä saada kytkettyä samaan lähtöön.
Sähkönjakeluyhtiöille merkitys kysyntäjouston osalta on mahdollisuus kulutuksen opti- mointiin. Kun kulutusta pystytään tasoittamaan normaalisti suurempaa kulutusta sisältäviltä tunneilta matalampaa kulutusta sisältäville tunneille, voidaan verkon kapasiteettia laskea, koska huipputeho, jolle verkot ovat mitoitettu, laskee (16). Täten jakeluyhtiöillä on paineita panostaa kysyntäjoustoon ja kysyntäjoustoon liittyviä lähtöjä voi tulla parhaimmillaan enemmän kuin lopullinen minimistandardi vaatii.
Pakastinnäkökulmasta kuitenkaan jakeluyhtiöille ei ole hyötyä lähteä toteuttamaan liiketoi- mintaa niiden sähkönkulutusta. Tämä sen takia, koska jakeluyhtiöille tärkein toiminta on jakelun tuottaminen mahdollisimman luotettavasti kohtuullisella kustannuksella eikä pakas- timen kulutuksenjousto suoranaisesti tuo merkittäviä parannuksia kumpaankaan. Poikkeuk- sena toki edelliseen on toki tilanne, jossa jakeluyhtiö tuottaa jo muita kysyntäjouston palve- luita ja näin pakastimen kysyntäjouston lisääminen portfolioon ei vaadi suurempaa työtä.
Silti tämä vaatii taajuusmarkkinoille erikseen liittymistä.
3.2 Pakastimien käynnistymisen luoma impulssi ja sen mahdollinen vaikutus
Kun pakastimia on käytetty kysyntäjoustoon, tarvitsee ne kytkeä verkkoon takaisin. Jotta kytkemisen vaikutuksiin päästäisiin kiinni, täytyy arvioida yksittäisen pakastimen vaikutus verkkoon kytkeytyessään ja näiden kumulatiiviset vaikutukset. Sähkömoottorin käynnisty- essä se tarvitsee käynnistymisvirran, joka on selkeästi suurempi kuin käytönaikainen virta.
Tätä työtä varten tarvitsee määritellä yleinen pakastimissa käytetty moottorityyppi kompres- soreissa. Tieto tarkkojen määritelmien osalta on hyvin vaillinaista, mutta LG on julkaissut tietoa omista käyttämistään kompressoreista (8), joten käytetään tätä yleisenä vakiona mui- denkin valmistajien pakastimien kompressoreiden moottoreita arvioidessa. Kyseinen käy- tetty moottorityyppi on harjaton tasavirtamoottori. Tämän tyyppiseen moottoriin löytyy käynnistysvirrasta hyvin suuntaa antavia arvoja. Yksi näistä arvoista on 30-kertainen virta käynnistyksessä ajonaikaiseen virtaan verrattuna (9). Vaikutus on siis hyvin selkeä ja tulee ottaa huomioon mietittäessä laitteiden kysyntäjouston jälkeistä uudelleenkäynnistystä.
Koska meillä ei ole mitään tietoa siitä, että onko pakastimen lämpötila tippunut lämpötilaa säätelevän termostaatin määrittämän lämpötilan alle, täytyy lähteä oletuksesta, että kaikkien pakastimien lämpötila on noussut käynnistyspisteen yläpuolelle.
Vaikutusta saadaan minimoitua syklittämällä. Tämä tarkoittaa sitä, että ajoitetaan pakasti- mien uudelleenkäynnistys hieman eri aikoihin kumulatiivisen virtapiikin vähentämiseksi.
Ominaisuuden lisääminen ei ole ongelma, kunhan ylemmän tason ohjauksessa otetaan se vain huomioon.
3.3 Kysyntäjouston aiheuttamat riskit kuluttajalle ja niiden minimoiminen
Palvelu, jolla kysyntäjoustoa tarjotaan, täytyy saada kuluttajille tarpeeksi kiinnostavaksi, jotta he siihen lähtevät mukaan. Eli palvelun täytyy olla tarpeeksi tuottava, että voidaan asi- akkaille siitä tarjota tarpeeksi houkutteleva osa, jotta he aluksikin kiinnostuvat. Tämän li- säksi suuri merkitys on myös riskien poistamisella tai vähintään minimoinnilla.
Suurimpia riskejä asiakkaille on tietoturva-asiat sekä se, että kysyntäjouston takia heidän tuotteidensa säilytysaika lyhentyisi merkittävästi. Suurimmat ongelmat toteutuksen mielessä on, että halvimmat ratkaisut kysyntäjouston toteuttamiseksi eivät sisällä minkäänlaista pa- kastimen lämpötilamittausta, joka vaatisi paljon monimutkaisemman ratkaisun, jolloin sen toteutuskustannus olisi selkeästi suurempi. Tämä johtaa siihen kysymykseen, että kuinka estetään kuluttajien pakastamien tuotteiden negatiivinen vaikutus tuotteen säilyvyyteen.
Pidemmällä aikavälillä mietittäessä voidaan todeta, että pakastimen lämpötilalla on hyvinkin suuri merkitys joidenkin ruokalajien säilyvyyteen etenkin lihan ja vastaavien tuotteiden säi- lyvyyteen (7). Kuitenkin tapahtumat ovat hyvin hitaita, joten harvoin tapahtuvassa kysyntä- joustossa vaikutukset voidaan määritellä merkityksettömiksi, ja jos varmistetaan pakasti- mien lämpötilalle jotain rajoja, jonka sisällä se pysyy, ei ongelmia tämän osalta ilmene.
Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että rajoitetaan kysyntäjouston takia katkottavaa sähköä tarpeeksi lyhyeksi ajaksi. Tämä voidaan esimerkiksi tutkimalla määritellä mahdollisimman laajan laitteiston käyttäytymistä arvioimalla. Nykyaika helpottaa kuitenkin mallintamista huomattavasti, ettei välttämättä kovin suurta määrää eri malleja tarvitse tutkia, koska pysty- tään mahdollisesti monitoroimaan sähkönkulutusta. Tällä pystytään tietämään millä sykleillä laite toimii ja arvioimaan hieman kulloisiakin lämpötiloja. Jos vielä malliin on yhdistetty
laitetiedot, voidaan sen toimintapisteistä muokata malleja, jolla pystytään parhaimmillaan päättelemään kuorman käyttäytymistä tulevaisuudessa.
4. EMPIIRISEN DATAN TUTKINTA
4.1 Testipakastimen toimivuuden tarkastelu empiirisen datan pohjalta
Tutkimme työtä varten pakastimen kulutusarvoja. Kyseinen pakastin on malliltaan Electro- lux EC2331AOW säiliöpakastin. Tilavuutta pakastimella 216 litraa ja pakastimen ener- gialuokka on A++. Pakastinta on tutkittu Lappeenrannan teknillisen yliopistolla ja mittaus- data on peräisin kyseisistä tutkimuksista. Yhden pakastimen tutkiminen mahdollistaa vertai- lun toisiin malleihin, kun pystymme vertailemaan niitä energiastandardin EN 62552:2013 mukaan määriteltyjen arvojen kautta.
Kuva 4-1 Pakastimen lämpenemiskäyrä ilman kuormaa.
Kuva 4-2 Pakastimen lämpenemiskäyrä 15 litran glykolikuormalla.
Pakastin on muokattu tutkimuskäyttöön lisäämällä siihen uusi ohjausyksikkö, jolla pystytään laitetta ohjaamaan kysyntäjoustomielessä. Sillä on tehty eristävyysmittauksia tyhjänä sekä 15 litran glykoliastian kanssa, lämpötilan käyttäytymistestejä, kun termostaatti on säädetty toimimaan alueella -10 - -20 Celsius asteen (°C) välillä ja tämän jälkeen -15 - -20 °C välillä.
Näiden testien jälkeen on toteutettu Elspot-markkinahintoja vertailemalla kysyntäjoustoa.
Lämpötilat on mitattu termostaatilta sekä pakastimen pohjalta.
Tätä työtä varten tullaan keskittymään eristävyystesteihin sekä tarkkailemaan pakastimen lämpötilan käyttäytymistä ja sitä kautta soveltuvuutta kysyntäjouston komponentiksi. En- siksi tutkitaan pakastimen eristävyyttä. Tämän avulla voidaan saada selville raja-arvoja, joi- den puitteissa voidaan kulutusjoustoa toteuttaa.
Ensimmäisenä Kuva 4-1 esittää pakastimen eristystä, kun siinä ei ole mitään sisällä kuor- mana. Pakastin saavuttaa kylmimmillään lämpötilakseen -28,54 °C. Keskitytään arvioimi- sessa -18 °C lämpötiloihin ja hieman siitä kylmempiin lämpötiloihin, koska -18 °C on EU:n
määritelmän mukaan (17) minimi pakastamislämpötila. Oletetusti toteutuva lämpötila pa- kastimissa sijoittuu tämän arvon tuntumaan tai alapuolelle muutamia asteita. Otetaan tarkas- teluun myös hieman lämpimämpiä lämpötiloja, koska täytyy ottaa huomioon arvioitaessa sopivaa kysyntäjouston maksimiaikaa huonoin mahdollinen tilanne, jossa pakastin saattaa olla kysyntäjoustoa toteutettaessa.
Taulukko 4-1 Pakastimen lämpeneminen tyhjillään.
Alkulämpötila (°C) Loppulämpötila (°C) Kulunut aika (min)
-28,5 0,0 202
-28,5 -10,0 89
-22,0 0,0 184
-22,0 -10,0 71
-20,2 0,0 178
-20,2 -10,0 65
-18,1 0,0 168
-18,1 -10,0 55
-14,9 0,0 149
-14,9 -10,0 36
Taulukko 4-1 esittelee tyhjänä lämpenevän pakastimen lämpenemisnopeutta minuuteissa eri lämpötilojen välillä. Koska dataa ei löydy siitä, kuinka paljon keskimäärin kuluttajat pakas- tavat hyödykkeitä eikä edes siitä minkä tyyppisiä pakastimia kuluttajilla on, ei työssä voida tehdä vertailevaa tutkimusta ja joudutaan keskittymään käsillä olevaan empiiriseen tutki- musdataan.
Taulukko 4-2 Pakastimen lämpeneminen 15 litran glykolilastilla.
Alkulämpötila (°C) Loppulämpötila (°C) Kulunut aika (min)
-29,0 0,0 380
-29,0 -10,0 119
-22,2 0,0 361
-22,2 -10,0 100
-19,9 0,0 353
-19,9 -10,0 92
-18,0 0,0 343
-18,0 -10,0 82
-14,9 0,0 320
-14,9 -10,0 59
Taulukko 4-2 esittelee pakastimen lämpenemistä, kun pakastimessa on jäädytettynä 15 litraa glykolia. Glykolikuormaa käyttämällä on haluttu demonstroida pakastettavien tuotteiden vaikutusta pakastimen lämpenemiseen. Kyseisellä pakastimella voidaan todeta, että tunti ta- solla kysyntäjoustoa pystytään toteuttamaan helposti. Kuitenkaan kuluttajien pakastimet harvemmin ovat näin kylmäksi aseteltu. Taulukko 4-2 perusteella tarvitaan kuitenkin 5 °C ero lämpötilassa ennen kuin päästään tunti tasolle kysyntäjoustossa. Pelkästään tällä erolla tarvittaisiin siis vähintään -23 °C lämpötila kysyntäjoustoon ryhdyttäessä, jotta täytettäisiin EU:n -18 °C maksimilämpötila pakastimessa. Tähän kun lisätään vielä pakastimen hyste- reesi eli luontainen syklittäinen lämpötilavaihtelu, niin on vaikea löytää kuluttajia, joilla nämä kriteerit täyttyisivät.
Tutkitun pakastimen teho on tutkimuksen aikana käydessään keskimäärin 65 W. Teho tippuu käynnistymisen n.80 W:sta kohti lopun n.60 W. Testiaineistosta on vaikea tarkkaan määri- tellä suhdetta, milloin pakastimen kompressori on käynyt ja milloin ei, koska sillä on ajettu erilaisia kokeita jatkuvasti. Suunnilleen arvioituna kuitenkin nähdään, että pakastimen kompressori pyörii n. 50 % ajasta.
Kun pakastimen arvoja vertaillaan muihin pakastimiin, täytyy ottaa huomioon, että pakasti- men lämpötilansäätö on itsetoteutettu eikä suoraan heijastele kaupallisten tuotteiden asetel- tuja arvoja. Täten lämpötilaheittelyt saattavat olla hieman eri luokkaa verrattaessa tutkittavaa laitetta markkinoilla oleviin laitteisiin. Muilta osin laite toimii samoin vastaava markkinoilta löytyvä pakastin.
4.2 Nord Pool day-ahead –markkinadata ja sen soveltuvuus kysyntäjoustoon
Jotta voimme määritellä pakastimien soveltuvuutta kysyntäjoustoon, täytyy tutkia markki- nadataa, joilla se luultavammin tulisi kysyntäjoustoa toteuttamaan. 2.4-kappaleessa esitelty pääasiallinen sähkön markkinapaikka pohjoismaissa olisi hyvin luultava markkinapaikka etenkin kysyntäjoustoa toteuttaville osapuolille, jotka jo valmiiksi ostavat sähköä markki- noilta. Tällöin toimija (esimerkiksi sähköä kuluttajalle myyvä yritys) pystyy kysyntäjous- tolla vähentämään sähkönkulutusta kalliilla tunneilla ja siirtämään tätä halvoille tunneille.
Tätä varten seuraavaksi analysoidaan noin puolen vuoden ajanjaksolta 29.10.2017–
16.5.2017 eli yhteensä 200 päivää hintatietoa tunneittain, jotta voimme määritellä kuinka
paljon potentiaalisia säästötunteja tapahtuu. Liite I esittää kerätyn hintatiedon. Hintatieto on esitetty muodossa €/MWh.
Puolen vuoden datasta voidaan alkaa muodostaa käsitystä siitä, kuinka hinta käyttäytyy päi- vittäin ja kuinka paljon mahdollisuuksia kysyntäjoustolle vapautuu ja kuinka suuria mahdol- lisuuksia ne ovat. Keskitytään datassa niihin tunteihin, joissa edellinen tunti on seuraavaa tuntia kalliimpi eli, että voimme siirtää aikaisemman tunnin kulutuksen seuraavalle tunnille.
Tämän selkeä arviointi on kuitenkin kysyntäjouston toimijoille haastavaa, kun hintoja ei ole suoraan ja markkinahintoja täytyy arvailla.
Datan perusteella kysyntäjoustolle mahdollisia tunteja on seuranta-ajalla 2661 kappaletta, jos otetaan laskuihin kaikki tunnit, jotka ovat kalliimpia kuin seuraavat. Kuitenkin todelli- suudessa näin tarkkaan on vaikea hintaa arvioida, joten arvioidaan selkeällä hinnan vaihte- lulla. Täten valitaan tuntien välisen tuntihinnan vaihtelun minimiksi 4 €/MWh. Vähintään 4
€/MWh hinnan tippumista tapahtuu seuranta-ajalla 445 kertaa. Tämä on siis 16,7 % koko- naismäärästä hinnantiputuksia. Tällä hintakriteerillä saavutettu säästö on 5210 €/MW. Tämä tulos saadaan laskemalla jokaisen hinnan tiputuksen säästö per megawatti ja summaamalla nämä yhteen. Vertailuna, jos kaikki hinnantiputukset otettaisiin huomioon, olisi kysyntä- joustosta saatavat hyödyt 7450 €/MW. Tästä voidaan siis huomata, että 4 €/MWh minimira- jalla saadaan jo 69,9 % potentiaalisista säästöistä eli minimi on jo hyvää luokkaa maksimaa- lisesta. Vaikea on kuitenkin arvioida hinnanvaihteluiden arvioinnin yksinkertaisuutta.
Kokonaiselle vuodelle säästöt olisivat 9500 €/MW 4 €/MWh minimihinnalla arvioitaessa.
Kymmenessä vuodessa säästöä kertyisi siis luokkaa 95000 €/MW, jos oletetaan pakastimien kulutuksen pysyvän samanlaisena jatkuvasti ja oletetaan hinnanvaihtelun pysyvän keskiar- vollisesti samalla tasolla kuin arvioidussa aineistossa. Kappaleen 4.1 testipakastimen teho on keskimäärin 65 W ja se käy keskimäärin testeissä 50 % ajasta. Näillä arvoilla laskettuna saisimme käytetyllä kysyntäjoustomallilla vuodessa 0,31 € säästöt aikaan 4 €/MWh mini- mierolla. Kyseisellä menetelmällä toteutetusta kysyntäjoustosta saatavat säästöt ovat laitetta kohti siis hyvin minimaalisia.
Kuva 4-3 Tuntihintojen keskiarvo kerätyn tuntihintatiedon perusteella.
Toinen tapa toteuttaa kysyntäjoustoa on tasaisesti päivittäin olla käyttämättä pakastimia päi- vän kalleimpina tunteina ja käyttää niitä tunteina, jolloin sähkön hinta on halvempaa eli kes- kellä päivää ja öisin, kuten Kuva 4-3 esittää. Tätä tapaa ei kuitenkaan käydä tässä työssä läpi, sillä tämä vaatisi tarkempaa tietoa pakastimien lämpötiloista, jotta voitaisiin varmistaa, että yhdenkään pakastimen lämpötila ei nousisi liian suureksi. Tätä ei kuitenkaan tämän työn käsittelevillä laitteilla pystytä toteuttamaan.
4.3 Taajuusohjatut markkinat ja sen soveltuvuus kysyntäjoustoon
Kuten kappaleessa 2.3 käytiin läpi, on yksi markkinapaikoista kysyntäjoustolle taajuusoh- jattu käyttö- ja häiriöreservi. Työn laajuuden puitteissa ei markkinapaikkaa käydä liian sy- vällisesti läpi ja energian korvaukseen ei tartuta.
Taulukko 4-3 Yhteensä taajuuspoikkeamia siirtoverkossa vuonna 2016 (32).
Kuten Taulukko 4-3 osoittaa, suurin osa taajuuspoikkeamista ovat lyhytkestoisia. Tämä joh- taa siihen, että energiaa taajuuspoikkeamien säädöissä kuluu keskimäärin hyvin vähän. Tästä päätellen kapasiteettikorvauksesta saatava korvaus olisi merkittävämpi kuin energiantuotan- nosta saatava korvaus. Lisäksi taulukosta huomataan, että häiriöreservin puolelle laskettavia säätötoimia ei ole monta.
Kun otetaan kapasiteetista saatava korvaus, joka on esitelty kappaleessa 2.3, ja lasketaan siihen perustuen testipakastimen mukaan arvoja, voidaan todeta, että kyseisen pakastimen kanssa, kun pystyttäisiin osallistumaan vuoden jokainen tunti käyttöreserviin, voisi pakasti- men kapasiteettikorvaukset olla 8,0 €/a. Kuitenkin tämä on olettaen, että pakastimella on kyky jatkuvasti toteuttaa taajuussäätöä, joka ei pidä paikkansa, koska pakastin pyörii aino- astaan 50 % ajasta. Vastaava luku häiriöreserville on 1,6 €/a ja kyseisiin lukuihin ei ole myöskään otettu huomioon todellista käyntimäärää vaan oletetaan sen olevan 100 %. Todel- linen korvaus siis sekä käyttöreserville, että häiriöreserville, on noin puolet tästä.
Käyttöreserviin liittyminen vaatii luultavasti aika paljon varmistamista, jotta kuluttajien pa- kastimien lämpötilat eivät nouse liian korkeaksi missään tilanteessa. Tämä tarkoittaa oletet- tavasti sitä, että pakastimia tulisi olemaan huomattavasti enemmän tehollisesti kuin käyttö- reserviin ilmoitettu teho. Tällöin kuitenkin kokonaiskorvaus laskisi yksittäisen laitteen koh- dalla.
Taulukko 4-4 Sähkön ylös- ja alassäätöhinnat keskimäärin vuosina 2004 ja 2005 (33).
Käyttö- ja häiriöreservin lisäksi on myös ottaa kysyntäjoustoa toteuttavan osapuolen mah- dolliset omat säästötarpeet. Tällaisia on esimerkiksi sähkönmyyjillä, kun ne merkinneet oman kulutuksensa alakanttiin ja kuluttavat enemmän kuin ovat sitä markkinoilta ostaneet.
Jos kyseinen tunti sattuu olemaan myös ylössäätötunti, joutuisi yhtiö maksamaan siitä vir- heestä korvausta. Tätä kutsutaan ylössäätöhinnaksi, joka tulee normaalin markkinahinnan päälle. Tätä välttääkseen pystyy myyntiyhtiö potentiaalisesti käyttämään kysyntäjoustoa hyödyksi pienentääkseen näitä maksuja. Taulukko 4-4 esittelee vuoden 2004 ja 2005 keski- määräisiä ylössäätöhintoja, joista voidaan huomata, että varianssia saattaa vuosien välillä olla huomattavasti ja kustannuksen myös olla merkittäviä. Täten kysyntäjouston implemen- tointi saattaa olla kiinnostava sähkönmyyntiyhtiöille itselleen.
5. JOHTOPÄÄTÖKSET
Kysyntäjoustoon on olemassa ja kehittymässä useita ratkaisuja, joilla sitä voidaan toteuttaa.
Myös kysyntäjoustossa on tapahtunut useita pilottiprojekteja, joiden tulokset näyttävät lu- paavilta. Kuluttajille tällä hetkellä lupaavimpia ovat kodin lämmitykseen liittyvät kysyntä- jouston muodot. Yrityksille kysyntäjoustossa tulee olemaan laajempia ratkaisuja, kun säh- könkulutus on paljon merkittävämpi osa kulurakennetta ja potentiaalisia kysyntäjouston kohteita on joillakin toimialoilla hyvinkin merkittäviä määriä. Pakastimien kysyntäjoustoon soveltuvin laitteisto on luultavimmin älykäs pistoke, jolla voidaan etänä kytkeä pakastin päälle ja pois. Tällaisen laitteen kuluttajahinta pyörii muutaman kymmenen euron luokassa.
Kappaleessa 4.2 tutkittiin Nord Pool day-ahead hintoja 200 päivän ajalta ja toteutettiin ky- syntäjouston laskentoja niin, että jos jonkin yksittäisen tunnin jälkeisen tunnin tuntihinta on hyvin paljon alhaisempi kuin edellisen, siirrettiin kalliimman tunnin kulutus halvemmalle tunnille. Lisäksi rajattiin hintavaihtelun minimi 4 €/MWh, koska pieniin hinnanvaihteluihin on vaikeampi tarttua. Näillä keinoilla saatiin potentiaalisiksi säästöiksi 9500 €/MW vuotta kohden. Eli jokaista säästettyä MW kohden saataisiin kyseisenlaiset säästöt. Tämä arvo pe- rustuu työssä laskettuun arvioon siitä, kuinka paljon säästöä saataisiin aikaan siirtämällä ku- lutusta halvemman sähkön tunneille. Kappaleessa 4.1 tutkitun pakastimen tapauksessa tämä tarkoittaisi 60 snt säästöä vuodessa.
EU:n säädösten mukaan kylmäketjussa maksimilämpötila on 18 °C. Tämä asettaa lähes mah- dottomat rajat kysyntäjouston toteuttamiselle tunti tasolla, koska tunti tason kysyntäjousto aiheuttaa 5 °C lämpötilamuutoksen ja tämän varmistaminen ja aikaansaaminen voi olla to- della haastavaa.
Taajuusmarkkinoille päästäessä säästöt olisivat selkeämpiä. Kuitenkin kriteerit vaativat sen verran, että markkinoille vaatii selkeästi enemmän valmistelua, että pystytään varmistamaan sopimusten mukainen säätökyky. Kappaleen 4.3 mukaisesti testipakastimella toteutettavassa käyttöreserviin osallistumisessa kapasiteettikorvaukset olisivat luokkaa 4 €/a ja häiriöreser- vin kapasiteettikorvaukset luokkaa 80 snt/a. Korvaukset ovat siis huomattavampia kuin itse- toteutettu kysyntäjousto.
Tulosten perusteella voidaan todeta, että työn mukaisella kysyntäjouston asettelulla ei saada katettua kysyntäjouston laitteiston investointeja kovinkaan selkeästi tuloksen tekemisestä puhumattakaan, joten tämän tyyppinen kysyntäjousto ei ole käytännössä nykymarkkinoilla kannattavaa, jos tavoitteena kysyntäjoustolla on saada tuottoa aikaiseksi. Myöskään kappa- leessa 2 käsiteltyjä kuluttajien minimivaatimuksia ei pystytä kattamaan ollenkaan.
Suurempien toimijoiden näkökulmasta, kuten teollisten pakastimien tai esimerkiksi kauppo- jen näkökulmasta kyseisillä kysyntäjouston menetelmillä voi olla jopa huomattavia säästöjä.
Etenkin kun mietitään kauppaketjuja, jotka voivat potentiaalisesti yhdistää useamman kau- pan yhteen kysyntäjouston sopimukseen. Tällöin saadaan säästöt maksimoitua ja haitat mi- nimoitua yksittäisen kaupan osalta.
Tulevaisuudessa voimme kehittää kysyntäjoustoa siihen suuntaan, että tallennamme pakas- timien käyttöä, jolloin voimme arvioida ja laskea sen, että missä välissä pakastimen komp- ressori käy ja arvioida suhteellisen tarkkaan pakastimen kulloistakin lämpötilaa, jolloin pys- tytään optimoimaan kysyntäjoustoa. Myös palveluntuottajan näkökulmasta pystytään pa- remmin arvioimaan teho, joka tullaan kulloisellakin hetkellä saavuttamaan ja kuinka pitkäksi aikaa, jolloin pystytään toimintaa arvioimaan ja ohjaamaan tehokkaammin. Näitä keinoja hyödyntäen päästään varoarvoista tehokkaammin eroon kohti todellisia lämpötiloja, joita pakastimen sisällä on. Lisäksi datan kerääminen mahdollistaa erilaisia kysyntäjouston mal- leja, kuten kappaleessa 4.2 mainittu päivän piikkihintojen ajoilta kohti halvempia tunteja kulutuksen siirtäminen, joka paremmilla kontrolloinneilla pystyttäisiin saamaan aikaan.
Näillä keinoin voidaan tuotto-odotetta nostaa selkeästi ja tällöin kysyntäjousto voi tulla kan- nattavaksi.
LÄHTEET
(1) DOE 2006. Benefits of Demand Response in Electricity Markets and Recommenda- tions for Achieving Them, A report to the United States Congress Pursuant to Section 1252 of the Energy Policy Act of 2005. DOE – U. S. Department of Energy.122 p.
(2) Palola, Ilkka. Kysynnänjouston pilottiprojekti. 2016. verkkodokumentti. Fingrid Oyj. https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/sahkomarkkinat/kysynta- jousto/kysynnanjouston-pilottiprojekti-loppuraportti-julkinen.pdf Luettu 20.08.2017
(3) Pakastevaraston hyödyntäminen taajuusohjatuksi käyttöreserviksi. 2015. verkko- dokumentti. Fingrid Oyj. https://www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/markkinaliit- teet/Kysynt%C3%A4jousto/Pakastevarasto.pdf Luettu 20.08.2017
(4) S-ryhmän kysyntäjoustoprojekti ”HertSi”. 2015. verkkodokumentti. Fingrid Oyj.
https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/sahkomarkkinat/kysynta- jousto/kysyntajoustoprojekti-s-ryhmassa-loppuraportti.pdf Luettu 20.08.2017
(5) Kotitalouksien kulutus 2001-2006. 2008. verkkodokumentti. Tilastokeskus.
http://www.stat.fi/til/ktutk/2006/ktutk_2006_2007-12-19_kat_002.html Luettu 22.08.2017
(6) Understanding Consumer Preferences in Energy Efficiency. 2010. verkkodoku- mentti. Accenture. https://www.accenture.com/t20160811T002327__w__/us- en/_acnmedia/Accenture/next-gen/insight-unlocking-value-of-digital-consu-
mer/PDF/Accenture-Understanding-Consumer-Preferences-Energy-Efficiency-10- 0229-Mar-11.pdf Luettu 22.08.2017
(7) Gortner, W.A., Fenton, F., Volz, F.E., Gleim, E. 1948. Effect of Fluctuating Storage Temperatures on Quality of Frozen Foods. Ind. Eng. Chem., 40 (8), pp 1423-1426.
(8) Inverter Compressor Technology for Refridgerator. 2013. verkkodokumentti. LG.
http://www.lg.com/global/business/download/resources/cm/Inverter_Compres- sor_Technology_for_Refrigerator(Reciprocating).pdf Luettu 15.03.2018
(9) Robinson, S. Cycle-by-Cycle: Current Limiting Eases Design of Motor Drives. 2008.
verkkodokumentti. Powerelectronics.com. http://www.powerelectronics.com/po- wer-management/cycle-cycle-current-limiting-eases-design-motor-drives Luettu 15.03.2018
(10) Partanen Jarmo. Sähkönsiirtotekniikka – luentomateriaali. 2010. LUT Ener- gia. Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto.
(11) Wi-Fi Smart Plug. verkkodokumentti. D-link. http://us.dlink.com/pro- ducts/connected-home/wi-fi-smart-plug/ Luettu 24.4.2018
(12) VeraPlus Advanced Home Controller. verkkodokumentti. Vera. http://get- vera.com/controllers/veraplus/ Luettu 23.4.2018
(13) ABB-free@home. verkkodokumentti. ABB. http://new.abb.com/low-vol- tage/fi/tuotteet/kiinteistoautomaatio-kotiautomaatio/ratkaisut/freeathome Luettu 23.4.2018
(14) Taipale, O. Kysyntäjouston mahdollisuudet energiamittareiden ja muiden tie- tolähteiden avulla. 2017. verkkodokumentti. https://www.theseus.fi/bitstream/han- dle/10024/134733/Taipale_Olli.pdf Luettu 19.4.2018
(15) Älyverkkotyöryhmä. AMR 2.0 Seuraavan sukupolven älykkäiden sähkömit- tareiden vähimmäistoiminnallisuudet. 2017. verkkodokumentti. Pöyry.
http://tem.fi/documents/1410877/3481825/AMR+2.0+loppura-
portti+15.12.2017/6a2df7e6-a963-40c0-b4d8-d2533fbca488/AMR+2.0+loppura- portti+15.12.2017.pdf Luettu 19.4.2018
(16) Koski, A. Tehotariffi kannustimena sähköverkkoyhtiön asiakkaiden tehon- käytön ohjauksessa. 2017. verkkodokumentti. http://www.elenia.fi/sites/www.ele- nia.fi/files/Diplomity%C3%B6_Koski_Anmari.pdf Luettu 26.4.2018
(17) Quick-frozen foods. 2011. verkkodokumentti. EUR-Lex. http://eur- lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=LEGISSUM:l21116 Luettu 14.5.2018
(18) Day-ahead market. verkkodokumentti. Nord Pool.
https://www.nordpoolgroup.com/the-power-market/Day-ahead-market/ Luettu 14.5.2018
(19) Commission communication in the framework of the implementation of the Commission Regulation (EC) No 643/2009 of 22 July 2009 implementing Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for household refrigerating appliances and of Commission Delegated Regulation (EU) No 1060/2010 of 28 September 2010 supplementing Directive 2010/30/EU of the European Parliament and of the Council with regard to energy labelling of household refrigerating appliances. 2014. verkkodokumentti. EUR-Lex.
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CE- LEX%3A52014XC0124%2805%29 Luettu 21.5.2018
(20) Säätösähkö- ja säätökapasiteettimarkkinat. verkkodokumentti. Fingrid Oyj.
https://www.fingrid.fi/sahkomarkkinat/reservit-ja-saatosahko/saatosahko--ja-saato- kapasiteettimarkkinat/ Luettu 21.8.2017
(21) Kulutuksen ja tuotannon tasapainon ylläpito. verkkodokumentti. Fingrid Oyj.
https://www.fingrid.fi/kantaverkko/suomen-sahkojarjestelma/kulutuksen-ja-tuotan- non-tasapainon-yllapito/ Luettu 21.8.2017
(22) Kasa Smart Wi-Fi Plug. verkkodokumentti. tp-link. https://www.tp- link.com/us/products/details/cat-5516_HS100.html Luettu 12.6.2018
(23) Kasa Smart Wi-Fi Plug. verkkodokumentti. Amazon.com. https://www.ama- zon.com/TP-Link-Required-Control-Anywhere-HS100/dp/B0178IC734/ Luettu 12.6.2018
(24) Annala, S. Households’ willingness to engage in demand response in the finn- ish retail electricity market: an empirical study. 2015. verkkodokumentti.
https://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/113819/Salla%20Annala%20A4.pdf Luettu 30.6.2018
(25) Taajuusohjattu käyttö- ja häiriöreservi. verkkodokumentti. Fingrid Oyj.
https://www.fingrid.fi/sahkomarkkinat/reservit-ja-saatosahko/taajuusohjattu-kaytto- -ja-hairioreservi/ Luettu 30.6.2018
(26) Kotisi lämminvesivaraajasta on moneksi – Fortum etsii 1000 asiakasta virtu- aalivoimalaansa. 2016. verkkodokumentti. Yle. https://yle.fi/uutiset/3-9250187 Lu- ettu 30.6.2018
(27) Päivä- ja yösähkö. verkkodokumentti. Vantaan energia sähköverkot Oy.
https://www.vantaanenergiasahkoverkot.fi/palvelut/paiva-ja-yosahko/ Luettu 30.6.2018
(28) Hirn, E. Kysyntäjouston laaja näkökulma ja mahdollisuudet. 2015. verkko- dokumentti. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/99948/Hirn_Esa.pdf Luettu 14.7.2018
(29) Taajuusohjattujen reservien ylläpidon sovellusohje. 2018. verkkodoku- mentti. Fingrid Oyj. https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/sahkomarkki- nat/reservit/liite220-20taajuusohjattujen20reservien20yllapidon20sovelluso-
hje202018.pdf Luettu 14.7.2018
(30) 66/2009 Valtionneuvoston asetus sähköntoimitusten selvityksestä ja mittauk- sesta. 2009. verkkodokumentti. Suomen valtionneuvosto. https://www.fin- lex.fi/fi/laki/alkup/2009/20090066 Luettu 14.7.2018
(31) Taajuusohjatun käyttö- ja häiriöreservin vuosisopimus. 2018. verkkodoku- mentti. Fingrid Oyj. https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/sahkomarkki- nat/reservit/taajuusohjatun-kaytto-ja-hairioreservien-vuosisopimus-2018.pdf Luettu 14.7.2018
(32) Frequency quality analysis. 2016. verkkodokumentti. Fingrid Oyj.
https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/en/news/frequency_quality_ana- lysis_2016.pdf Luettu 14.7.2018
(33) Helander, A. Tasesähkön hinnoittelumallit tuulivoimalle. 2007. verkkodoku- mentti. http://docplayer.fi/3143337-Tasesahkon-hinnoittelumallit-tuulivoi- malle.html Luettu 16.7.2018
(34) ELBAS. verkkodokumentti. Nord Pool. http://wwwdyna- mic.nordpoolspot.com/marketinfo/content/content.cgi?theme=elbas Luettu 27.11.2018
