ÄLYKKÄÄTSÄHKÖVERKOTJA ENERGIA-MARKKINAT

SISÄLLYS

4 Älyverkkotutkimus luo perustaa tulevaisuuden energiajärjestelmälle

6 Ohjelman vaikuttavuus

7 Osallistujan puheenvuoro

8 Älykäs sähköverkko

10 Tulevaisuuden energiajärjestelmä

12 Tasasähkö tuo varmuutta sähkönjakeluun

14 Sähköautot sujuvasti sähköverkkoon

17 Sähkön kysynnästä joustavaa – ja joustosta kannattavaa

19 Kaikki hyöty etäluettavasta sähkömittarista

21 Tuulivoima ja sähköverkko haastavat toisensa

23 Kotitaloudet kasvavat sähköntuottajiksi vähitellen

24 Älykäs sähköverkko vaatii uutta teknologiaa

27 Älykäs sähköverkko korjaa itse vikansa

29 Nopea tiedonkulku helpottaa vikatilanteissa

4 SMART GRIDS AND ENERGY MARKETSSMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 5

Ä LY VERKKOTUTK IMUS LUO PERUSTA A TULEVA ISUUDEN ENERGIAJÄRJESTE LMÄLLE

Suomalaiset yritykset ja tutkimuslaitokset kehit-tivät tulevaisuuden energiajärjestelmää monialai-sessa tutkimusohjelmassa Älykkäät sähköverkot ja energiamarkkinat.

Sähköverkon älykkyydellä tarkoitetaan yksinkertai-simmillaan automaatiota, joka parantaa verkkojen luotettavuutta ja kannattavuutta.

”Pitkällä aikavälillä älyverkkotutkimus tähtää kuitenkin radikaaleihin muutoksiin energiamark-kinoilla niin kansallisella kuin kansainväliselläkin tasolla”, kertoo ohjelmapäällikkö Jani Valtari. Muutoksia edellyttävät kestävän kehityksen tavoitteet energiantuotannossa sekä lisääntyvä sähköenergian tarve. On varmistettava, että tulevai-suuden sähköjärjestelmä tukee uusiutuvan energian tuotantoa.

Tutkimusohjelman tavoitteena oli kehittää älyverk-koratkaisuja, joita voidaan havainnollistaa Suomen energiajärjestelmässä ja hyödyntää maailman-laajuisesti. Ratkaisut liittyvät verkkojen arkkiteh-tuuriin, komponentteihin, hallintaan ja ylläpitoon. Teknologian ohella ohjelmassa kehitettiin liiketoimin-tamalleja tulevaisuuden sähkömarkkinoille.

Tutkimuksen perimmäisenä tarkoituksena oli vahvistaa alan osaamista ja kilpailukykyä Suomessa.”Lähtökohtamme on erittäin hyvä. Suomi ja muut pohjoismaat ovat aivan kärjessä automaatiotekno-logian hyödyntämisessä sähköverkoissa. Voidaan sanoa, että sähköverkot ovat jo nyt älykkäitä, mutta kehitys jatkuu yhä nopeampana”, Valtari toteaa.

Älyverkkojen kehittäminen edellyttää teknisesti ennen kaikkea energiateknologian sekä tieto- ja viestintäteknologian asiantuntemusta. Lisäksi käytännön ratkaisut vaativat tiivistä yhteistyötä sähkön myyjien ja jakelijoiden välillä. Yhteistyön eri tasot varmistettiin liittämällä ohjelmaan peräti 25 yrityksen ja 8 tutkimuslaitoksen voimat. Tutkijat hyödynsivät ja vahvistivat myös kansainvälisiä verkostojaan.

”Yhteistyö on mahdollistanut sen, että olemme voineet tutkia koko järjestelmän muutosta. Olemme luoneet tutkimusalustoja, joiden avulla olemme voineet demonstroida tutkimustuloksia todelli-sissa ympäristöissä. Samalla olemme rakentaneet valmiuksia uusille tuotteille ja toimintatavoille. Tästä yritysten on helppo jatkaa omaa tuotekehitystään”, Valtari sanoo. Hän itse työskentelee ABB:llä, joka oli yksi ohjelman osallistujista.

Tutkimusohjelmaa johti CLEEN Oy (Cluster for Energy and Environment), joka on strategisen huippuosaa-misen keskittymä (SHOK) energia- ja ympäristöalan yrityksille ja tutkimusyhteisöille.

Ohjelma tunnetaan nimellä SGEM (Smart Grids and Energy Markets) eli Älykkäät sähköverkot ja energia-markkinat. Sen kokonaisarvo oli 52 miljoonaa euroa, josta yritykset maksoivat 34 prosenttia, julkiset tutki-muslaitokset 10 prosenttia sekä Tekes 56 prosenttia. Ohjelma alkoi vuoden 2010 alussa ja päättyy helmi-kuussa 2015.

52 M I L J . €34 % YR I T YKSE T

1 0 % JULK ISE T TUTK IMUS - L A I TOKSE T

56 % T EKES

ABB OY

A IDON OY

AL STOM GR ID OY

CARUNA OY

OY CYBERSOF T AB

ELEKTROB I T W IRELESS COMMUNICAT IONS OY

ELEN IA OY

EMPOWER IM OY

EMPOWER OY

EMTELE OY

F INGR ID OYJ

HELEN SÄHKÖVERKKO OY

HEL S INGIN ENERGIA

INNO-W OY

MX E L EC TR IX OY

NOKIA S I EMENS NE T WORKS OY

OULUN SÄHKÖNMY YNT I OY

SUUR-SAVON SÄHKÖ OY

TEKL A OY

TEL IA SONER A F INL AND OYJ

THERE CORPOR AT ION OY

THE SWITCH DR IVE SYSTEMS OY

T I E TO F INL AND OY

VANTA AN ENERGIA SÄHKÖVERKOT OY

V IOL A SYSTEMS OY

A ALTO -KORKEAKOULUSÄ ÄT IÖ

I TÄ-SUOMEN YL IOP ISTO

L APPEENR ANNAN TEKN I L L INEN YL IOP ISTO

MIT TATEKN I IK AN KESKUS

OULUN YL IOP ISTO

TAMPEREEN T EKN I L L INEN YL IOP ISTO

TEKNOLOGIAN TUTK IMUSKESKUS V T T

VA A SAN YL IOP ISTO

5634

10

Ohjelman vaikuttavuus

YHTE ISKUNNALL I SEST IVA IKUT TAVA

108 UUT TA D IP LOMI - INS INÖÖRIÄ CLEANTECH -ALUEEL L E

41 JATKO- OP ISKEL I JA A

20 ULKOMAISTA TUTK I JA A

INA L EHTO, asiantuntija Energiateollisuus ry

SGEM-ohjelmassa tehty selvitys tuki merkittävästi mikrotuotantolaitosten teknisten vaatimusten Euroopan tason harmonisointia Suomen osalta. Selvityksen pohjalta annoim-mekin Energiateollisuudessa valtakunnallisen suosituksen hyväksyä Suomessa jakeluverkkoi-hin Saksan standardit täyttävät mikrotuotanto-laitteet. Tämä avasi Suomen markkinat useille uusille mikrotuotantolaitteiden valmistajille ja näin edisti mm. aurinkosähkön yleistymistä

OPER AT I IV I S EST I T EHOK A S

95 % BUDJE TOIDU ISTA KULU ISTA

840 SUUNNITE LTUA TUOTOSTA

ANT T I MUTANEN , tutkija Tampereen teknillinen yliopisto

SGEM on ollut paitsi rahoittaja, myös tärkeä kanava yhteistyöhön teollisuuden kanssa, mutta ennen kaikkea se on mahdol-listanut pitkäjänteisen työskentelyn tutkimus-aiheeni parissa. Tällainen sitoutuminen on poikkeuksellista nykyisessä pirstaloituneessa rahoituskentässä.

VÄ I TÖS - K IR JA A

VERTA ISARV IO I TUA T I E T E E L L I STÄ L EHT I - ART IKKEL IA

KONFERENSS I - JULK A ISUA

T I E T E E L L I S EST IKORKEATA SOINEN

13 71

219

TERO K A IP IA , tutkija Lappeenrannan teknillinen yliopisto

SGEM on tuottanut uutta tietoa niin sähkömarkkinoista kuin verkkotekniikastakin. Esimerkki teknologian kehittämisen tieteelli-sestä tuloksellisuudesta on maailman ensim-mäinen jatkuvassa sähkönjakelukäytössä oleva haja-asutusalueen ±750 V pienjännitteinen tasasähkömikroverkko ja siihen liittyvät 3 väitöskirjaa, 8 lehtiartikkelia, ja kymmenet konferenssijulkaisut.

T EOLL I SEST I MERK I T TÄVÄ

13 TUTK IMUS - P I LOT T IA

23 MILJ. € UUS IA S I SÄ IS IÄ T&K HANKKE I TA

240 TEKNISTÄ R APORT T IA T EOLL I SUUDEN TARPE IS I IN

MIKAEL LATVALA, teknologiajohtaja There Corporation Oy

There Corporation on hyötynyt mer-kittävästi SGEM-ohjelmasta. Se on mahdol-listanut kysynnänjouston ratkaisujen tutki-mista yhdessä, mutta lisäksi se on auttanut luomaan business-kontakeja meille tärkeisiin partnereihin. SGEM-ohjelmaa on hallittu erittäin hyvin, mikä näkyy siinä että teke-minen ei ole siiloutunut vaan partnereiden aito kiinnostus yhteistyöhön on jatkunut koko ohjelman ajan.

OSALL I STUJAN PUHEENVUOROÄlykkäät sähköverkot ovat maailmanlaajuisesti yksi tärkeimmistä Cleantech-ratkaisuista. Juuri älykkäiden sähköverkkojen avulla mahdol-listetaan uusiutuvan sähköntuontannon merkittävä lisäys. Uusiutuvan tuotannon lisääntyessä vaatimukset toimitusvarmuuden ja vikasietoi-suuden osalta kasvavat. Yhteiskunta tulee yhä riippuvaisemmaksi sähkö-energiasta, mikä edelleen korostaa älykkäiden sähköverkkojen merkitystä.

Suomessa on merkittävää älyverkko-osaamista eri toimialoilla ja tieteen-aloilla. Osaaminen kohtaa SGEM-tutkimusohjelmassa. Laajan ja monia-laisen konsortion avulla olemme yhdessä pystyneet mallintamaan tulevai-suuden sähköverkkoja jo tänään – yksin se ei olisi mahdollista. Tämä auttaa ABB:tä yhä kiristyvässä globaalissa kilpailussa monella tavalla. Yhteistyössä olemme rakentaneet uusia ratkaisuja, joilla Suomen oman sähköverkon älykkyys pysyy kehityksen kärjessä ja Suomessa kehitetyistä ratkaisuista saadaan globaaleja huippuvientituotteita. Tämä on tutkimuspanostuk-semme lopullinen päätavoite.

Tulevaisuudessa Suomi tarvitsee entistä enemmän korkean jalostus-arvon Cleantech-osaamista sekä toimialarajat ylittävää innovointia. SGEM -ohjelma on ollut hyvä esimerkki siitä, miten innovaatiokeskittymiä luodaan. Toivomme laajapohjaisen tutkimusyhteistyön jatkuvan myös SGEM-ohjelman jälkeen.

TAUNO HE INOL AToimitusjohtaja ABB Oy

8 SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS

SÄ ÄTÖVOIMA

SUURJÄNN I T E 1 1 0 – 400 KV

KESK I JÄNN I T E 1 0–60 KV

P I ENJÄNN I T E 400 V / 230 V

ÄLYKOT I , SÄHKÖAUTO, E TÄLUE T TAVA

SÄHKÖMIT TAR I , OHJAT TAVA KULUTUS . . .

P ERUSVOIMA

TUUL I - PU ISTO

HAJAUTE T TUTUOTANTO

ÄLYK Ä S SÄHKÖA SEMA

ÄLYK Ä S MUUNTAMO

ENERGIA- VAR A STOT

NOPEA T I EDON- S I I RTO

TA SA SÄHKÖ SA AREKE - VERKKO

HAJAUTE T TU TUOTANTO

AVOIME T T I E TOL ÄHTEE T

I TSEKORJA AVAT VERKOT

V IRTUA AL ISE T VOIMAL A I TOKSE T

JOUSTON MY YNT I SÄHKÖMARKK INOI L L A

AKT I IV I S EN KULUT TAJAN

PALVELUT

CLEANTECH - V I ENT I TUOT TE I TA

SUOS I TUKSE T REGUL A AT IOON JA TUK IPOL I T I I KK A AN

SÄ Ä STÖJÄ VERKON- VAHV ISTUSKULU ISTA

ENNAKOIVA KUNNONVALVONTA

KYSYNNÄN- JOUSTO

E TÄLUE T TAVAT SÄHKÖMIT TAR I T

MOB I I L I L A I T T E E T4G

SÄHKÖ- AUTOT

K A APELOINT I OHJAT TAVA KULUTUS

ENERGIAVAR A STOT

Älykäs sähköverkko

HAASTEENA toimitusvarmuus ja sähköverkon uudet komponentit

APUNA uudet tietotekniset ratkaisut

TULOKSENA uudet älykkäät toiminnot

TAVOITTEENA uudet tuotteet, palvelut ja liiketoimintamallit

REA AL IA IK A ISE T SÄHKÖMARKK INAT

AKT I IV I S EN VERKON HALL INTA

PER INTE INEN SÄHKÖVERKKO

ÄLYK Ä S SÄHKÖVERKKO

10 SMART GRIDS AND ENERGY MARKETSSMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 11

”Käsillä on energia-alan suurin murros sitten sähkön käyttöönoton”, toteaa sähkötekniikan professori Jarmo Partanen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. Uudistusten ketju on käynnistynyt energiantuotannosta.

Uusiutuvien energialähteiden, kuten auringon ja tuulen, suosio kasvaa, koska energiantuotannossa pyritään rajoittamaan hiilidioksidipäästöjä ja hillit-semään siten ilmastonmuutosta. Saman aikaan alaa ajaa muutokseen lisääntyvä sähköenergian tarve.

Hajautettua tuotantoa hallitustiAurinko- ja tuulivoimalat ovat poikkeuksia sähköjär-jestelmissä alkaen niiden pienestä koosta. Suurehkoja tuulipuistoja lukuun ottamatta tyypillisiä tuottajia ovat omakotitalot, toimistotalot sekä julkiset tilat. Nämä pientuottajat pyrkivät tavallisesti käyttämään tuotta-mansa sähkön itse ja myymään ylijäämän verkkoon.

Tulevaisuuden energiajärjestelmä

Uusiutuvat energialähteet mullistavat sähköverkot ja -markkinat. Ennen jousti vain

sähkön tuotanto, tulevaisuudessa joustaa myös kysyntä.

”Haasteena on se, miten hajautettu tuotanto liitetään verkkoon tehokkaasti ja luotettavasti”, Partanen sanoo. Hänen mukaansa liittymä itsessään on ratkaistu jo varsin kelvollisesti, mutta verkon kuormitus vaatii yhä enemmän huomiota, jotta sähkön tuotanto ja kulutus pysyisivät tasapainossa.Perinteisessä energiajärjestelmässä voimalaitokset ennustavat kulutusta ja säätävät tuotantoa ennus-tuksen mukaan. Sen sijaan aurinko ja tuuli tuottavat milloin tuottavat ja vieläpä minimaalisin kustan-nuksin. Tästä seuraa tuotannon ennakoimatonta heilahtelua, joka koettelee järjestelmän tehota-sapainon hallintaa mutta myös sähköntuottajien taloutta. Aurinkoisena ja tuulisena päivänä perin-teisen voimalaitoksen tulot romahtavat, kun sähkön markkinahinta painuu alas. Pahimmissa tilanteissa tuottaja maksaa asiakkaalle siitä, että tämä ottaa sähköä vastaan.

”Jos sähköntuotanto ei kannata, voimalaitokset poistuvat markkinoilta. Mutta miten silloin taataan sähkön tarjonta pilvisenä päivänä?” Partasen mukaan sähköjärjestelmän uudistuksessa on alkamassa toinen aalto.

”Tähän mennessä on saatu aikaiseksi paljon hyvää mutta myös ongelmia. Nyt ratkaistaan ongelmat ja luodaan sähkömarkkinoiden uusi malli.”

Joustoa kysyntään ja tarjontaanTulevaisuuden sähköjärjestelmässä sähkön kysyntä joustaa. Partasen mukaan olennaista on saada kotitaloudet mukaan joustamaan tarjoamalla niille helppoja ja taloudellisesti kannattavia ratkaisuja.”Esimerkiksi Suomessa on paljon sähkölämmitteisiä taloja, joissa vesivaraajan voisi lämmittää järjestelmän kannalta parhaaseen aikaan. Varaajan lämmitysteho sopii erinomaisesti myös reserviksi häiriötilanteiden varalle”, Partanen sanoo. Hän odottaa, että ensi vuosi-kymmenellä myös sähköenergian varastoinnista tulee taloudellisesti kannattavaa. Silloin joustoa voivat tarjota muun muassa sähköautojen akut.

Partanen painottaa, että joustavasta kysynnästä huolimatta myös tarjonnan on joustettava, jotta sähkönjakelu pysyisi luotettavana. Ketterä, ohjattava säätövoima voisi täydentää kankeasti säädettävää perusvoimaa ja hallitsemattomasti heiluvaa tuuli- ja aurinkovoimaa.

”Ohjattava tuotanto voi tarkoittaa esimerkiksi hetkessä käynnistettävää ja pysäytettävää poltto-moottorivoimalaitosta, nopeasti ohjattavaa vesivoimaa tai nykyistä paremmin ohjattavia polttoon perustuvia lauhde- ja vastapainelaitoksia. Joustotuotteiden kasvava kysyntä edistää markki-natalouden mukaisesti kehitystä myös olemassa olevissa järjestelmissä”, Partanen sanoo. Sähköverkon kuormitusta tasoittaisi myös mahdollisuus siirtää sähköä yhä pidemmälle.

”Esimerkiksi Keski-Euroopassa tuuli- ja aurinkoe-nergiaa voisi siirtää pitkiäkin matkoja sen mukaan, missä aurinko kulloinkin paistaa. Siellä haasteena ovat lupa-asiat.”

Lisää älyä sähköverkkoonJoustavat ratkaisut edellyttävät sähköverkon kehit-tämistä. Nyt yhteinen sähköverkko liittää toisiinsa sähkön käyttäjien, tuottajien ja siirtäjien laitteet. Tulevaisuudessa laitteiden välillä kulkee myös yhä enemmän tietoa tietoliikenneyhteyksien avulla – teollisessa internetissä. Viimeistään silloin on kyse älykkäästä sähköverkosta.

Partasen mukaan suomalaista sähköverkkoa voi kutsua älykkääksi jo nyt. Esimerkiksi valtaosassa suomalaiskodeista on etäluettava sähkömittari, joka tarjoaa erinomaiset edellytykset älyverkon kehittämi-selle edelleen.

”Sähköverkko kehittyy jatkuvasti ja juuri nyt nopeam- min kuin koskaan”, Partanen toteaa.

12 SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS

Suomessa käytetään verkkovirtana vaihtovirtaa eli vaihtosähköä. Aikoinaan sähköverkkoon valittiin vaihtosähkö muun muassa siksi, että sen jännitettä on helppo säätää muuntajien avulla. Suurille siirto-määrille ja -matkoille sopivat suuret jännitteet, ja jakeluun pienemmät.

Tehoelektroniikan kehityttyä tasavirta eli tasasähkö on nostettu esille varteenotettavana vaihtoehtona pienjännitteisessä jakeluverkossa, ja sitä tutkittiin myös SGEM-ohjelmassa.

”Tutkimuksemme mukaan tasasähkö on järkevä vaihtoehto erityisesti harvaan asutun alueen jakelu-verkoissa”, kertoo tutkija Tero Kaipia Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. Hän perustelee väitettä muun muassa kustannuksilla, jotka syntyvät silloin, kun häiriöille alttiita keskijänniteverkon avojohtoja korvataan maakaapeleilla. Hänen mukaansa kaape-loinnin kokonaishinta laskee merkittävästi, jos osa keskijänniteverkosta korvataan pienjänniteverkolla. ”Näin voidaan toimia, koska tasasähköllä saavutetaan vaihtosähköä suurempi tehonsiirtokyky pienjännit-teisessä sähkönjakelussa. Tasasähköverkkoon on myös edullisempaa ja helpompaa kytkeä hajautettua tuotantoa ja akkuja”, Kaipia toteaa.

Kaipian mukaan tasasähkö sopii vaihtosähköä paremmin myös kyläyhteisön omaan mikroverkkoon, siis sähköverkon osaan, jonka voi tarvittaessa erottaa julkisesta verkosta saarekkeeksi. Mikroverkossa oma tuotanto ja omat akut voivat tarjota sähköä jopa useiden tuntien ajan esimerkiksi silloin, kun myrsky on lamauttanut laajemman sähköverkon.

”Tuloksena sähkönkäyttäjien kokemat sähkökatkot vähenevät ja tarve maakaapeloida keskijännite-verkkoa pienenee.” Tutkimusohjelmassa kehitettyä tasasähköjärjestelmää voi Kaipian mukaan käyttää

Tasasähkö tuo varmuutta

sähkönjakeluun

monipuolisesti myös taajamien jakeluverkoissa sekä erityiskohteissa, kuten tievalaistuksessa, sähköajoneu-vojen latausjärjestelmissä ja jopa kiinteistöjen sisällä.

Koska pienjännitteinen tasasähköverkko johtaa useimmiten asiakkaan kotiin asti, kodissa tarvitaan suuntaaja, joka vaihtaa sähkön takaisin vaihtosäh-köksi, jotta kodinkoneet ja pistorasiat toimisivat. Samalla suuntaaja siivoaa sähköstä pois häiriöt, kuten jännitetasovaihtelut ja räpsyt eli pienet sähkökatkot. Kaipia odottaakin tasasähköverkon kohentavan sähkön laatua sen lisäksi, että se laskee kustannuksia.

”Modernin suuntaajatekniikan avulla sähkön laatua voidaan hallita paikallisesti tavalla, joka ei aiemmin ole ollut mahdollista”, Kaipia sanoo. Hän korostaa, että asiakkaalle asennettava suuntaaja ei ole ylimää-räinen laite, vaan sillä voi korvata etäluettavan sähkömittarin siinä vaiheessa, kun mittari vaatisi muutenkin päivitystä.

SGEM-ohjelmassa kehitettiin tasasähköverkkoon optimoitua laiteteknologiaa sekä työkaluja verkkojen suunnittelijoille ja rakentajille. Teknologian toimintaa tutkittiin jakeluverkoissa muutaman asiakkaan alueilla. Testiverkkoja rakensivat Suur-Savon Sähkö Oy Lappeenrannan teknillisen yliopiston kanssa sekä Elenia Oy ABB Oy:n kanssa. Elenian suunnitteluin-sinööri Tomi Hakala odottaa testiverkon tarjoavan pitkän aikavälin käyttökokemuksia, jotka ovat hänen mukaansa ensiarvoisen tärkeitä, kun uuden tekniikan laajamittaista käyttöönottoa suunnitellaan.

”Koekäyttö on tähän mennessä sujunut hyvin. Seuraava askel on se, että yritykset kehittävät ja tuovat markkinoille tuotteistettuja laitteistoja, joita tasasähkönjakelun laajamittainen hyödyntäminen edellyttää”, Kaipia sanoo.

Pienjännitteinen tasasähkö on taloudellisesti varteenotettava vaihtoehto, kun jakeluverkkoja uusitaan.

Se helpottaa myös hajautettua tuotantoa sekä alueellisten verkkojen erottamista omavaraisiksi saarekkeiksi.

TERO K A IP IATutkija, Lappeenrannan teknillinen yliopisto

Tutkimuksemme mukaan tasasähkö on järkevä vaihtoehto erityisesti harvaan asutun alueen jakeluverkoissa.

M IKROVERKON VOI I RROT TA A MUUSTA VERKOSTA SA AREKKEEKS I

M IKROVERKKO ( TA SA SÄHKÖ)± 750 V

KESK I JÄNN I T EVERKKO (VA IHTOSÄHKÖ) 20 KV

TA SA SUUNTA AJA

P I ENJÄNN I T T E I S EN TA SA SÄHKÖN-JAKELUVERKON JÄNN I T E ON ± 750 V( v r t . p i en j änn i t te i s en va i h to sähkö -ve r kon j änn i te on 400 V )

14 SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS

Kun sähköautojen käyttö lisääntyy, vaikutus tuntuu sähköverkossa. Sen lisäksi, että sähköautot vaativat energiaa, niiden lataaminen kuormittaa sähkö-verkkoa epätasaisesti. Sähkötekniikan professori Jarmo Partanen Lappeenrannan teknillisestä yliopis-tosta pitää selvänä, että energiantarpeesta selvitään mutta epätasaiseen kuormitukseen on puututtava ennen kuin sähköautot yleistyvät. Aihe otettiin myös osaksi SGEM-tutkimusohjelmaa.

Jos suuri joukko sähköauton käyttäjiä lataisi autonsa palattuaan illansuussa kotiin, lataaminen kuormittaisi sähköverkkoa huomattavasti ja edellyttäisi Partasen mukaan merkittäviä investointeja verkkoon. Kun Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimus-ryhmä simuloi verkon kuormitusta, tuli ilmi, että lataamista ohjaamalla lisäkustannukset jäisivät lähes huomaamattomiksi.

”Jos autonomistajalle riittää, että akku on aamulla täynnä, lataamisen voi ajoittaa mihin tahansa hetkeen sitä ennen, ja kustannukset olisivat aivan marginaalisia.”

Parhaimmillaan sähköautojen akut voivat jopa tasoittaa verkon kuormitusta toimimalla hajautetun tuotannon energiavarastoina.

”Katolla oleva aurinkopaneeli tuottaa päivällä sähköä, joka menee autoon, tai jos auto ei ole paikalla, sähkö varastoituu kellarissa sijaitsevaan akkuun ja lorahtaa sitten illalla autoon – tai jopa verkkoon”, Partanen visioi. Verkkoyhtiöt säästäisivät inves-toinneissa ja sitä kautta myös kuluttajat siirtomak-suissa. VTT osoitti lisäksi simuloimalla, että sähköau-tojen tarjoama jousto tekisi hajautetun tuotannon hyödyntämisestä nykyistä helpompaa ja kannatta-vampaa ja voisi siten vähentää hiilidioksidipäästöjä koko sähköjärjestelmässä.

Tällä hetkellä sähköautojen latausjärjestelmät eivät tue älykästä lataamista, mutta lataamista koskeva standardi tarjoaa siihen jo mahdollisuuden. Elektrobit on hyödyntänyt mahdollisuutta ensimmäisten joukossa ja kehittänyt lataamiseen protokollaoh-jelmiston, joka ottaa huomioon verkon tilan sekä käyttäjän tarpeet, jotka liittyvät muun muassa lataa-misen ajankohtaan ja sähkön hintaan.

”Kun sähköautojen määrä lisääntyy, niiden liittä-minen verkkoon älykkäällä tavalla on edellytys verkon kuormituksen hallinnalle”, toteaa johtaja Hannu Hakalahti Elektrobitiltä.

Kun käytössä on suuri määrä sähköautoja, niiden hallitsematon lataaminen voi sekoittaa sähköverkon

tasapainon. Parhaimmillaan sähköautot voivat kuitenkin tasoittaa verkon kuormitusta.

Sähköautot sujuvasti

sähköverkkoon

JARMO PARTANENProfessori, Lappeenrannan teknillinen yliopisto

Parhaimmillaan sähköautojen akut voivat jopa tasoittaa verkon kuormitusta toimimalla hajautetun tuotannon energiavarastoina.

2

1

4

2

6

3

8

4

10

5

1 2

6

7

8

9

10

1 4 1 6 1 8 20 220

SUOR A YÖL ATAUS

PORR A STE T TU YÖL ATAUS

YHD ISTE T T Y T YÖPA IKK A- JA KOT I L ATAUS

OPT IMOITU L ATAUS

NYKY INEN T EHONTARVE I LMAN SÄHKÖAUTOJA

TEHO MW

KELLONA IK A

SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 17

Sähköjärjestelmän perusta on säilynyt ennallaan sähkönjakelun alusta alkaen. Tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa, jotta sähkön laatu säilyy hyvänä ja verkko kunnossa. Tuotantoa on perinteisesti säädetty kulutuksen mukaan, mutta aurinko- ja tuulie-nergia ovat sekoittamassa käytäntöjä. Niiden tuotanto ei jousta, ja sitä on vaikea ennakoida.

”Tuotannon rajoittaminen on vaihtoehto, mutta se sotii uusiutuvan energian käytön periaatteita vastaan. Onkin yhä tärkeämpää, että sähkön kysyntä joustaa”, toteaa kehitysjohtaja Jan Segerstam Empower IM Oy:stä. Hänen mukaansa markkinoiden ja sähkö-verkkojen rakenteet eivät tue joustoja erityisen hyvin pienissä hajautuneissa kohteissa, kuten kotitalouk-sissa. Mitä rakenteille olisi sitten tehtävä, oli yksi tutki-musaihe SGEM-ohjelmassa.

Vapailla sähkömarkkinoilla rakenteiden uudistaminen edellyttää lukuisten eri osapuolien yhteistyötä ja risti-riitaisten tavoitteiden sovittamista yhteen. Energian tuottajille ja käyttäjille kysynnän jousto tuo parhaim-millaan taloudellisia etuja. Sen sijaan sähköverkon haltijoille jousto merkitsee nykytilanteessa ennen kaikkea kustannuksia. Jousto vaatii verkolta älyä, ja äly maksaa. Parhaimmillaan jousto kuitenkin auttaa verkkoyhtiöitä välttämään tai ainakin siirtämään investointeja, jotka liittyvät verkkoinfrastruktuurin vahvistamiseen.

”SGEM-ohjelman avulla pystyimme mallintamaan tulevaisuuden ympäristöä kokonaisvaltaisesti yhdessä. Yksin sitä ei voisi tehdä kukaan”, Segerstam toteaa. Hän pitää Suomen kehittyneitä sähkömarkkinoita poikke-uksellisen hyvänä kehitysympäristönä. Erinomaisena lähtökohtana toimivat etäluettavat sähkömittarit, jotka on asennettu lähes jokaiseen suomalaiseen

kotiin. Mittareissa on tekniset valmiudet ohjata muun muassa 600 000 kodin sähkölämmitystä.

SGEM-ohjelmassa pohjustettiin joustojen ohjaamista eri menetelmin ja luotiin tarvittavat toimintoketjut joustoihin liittyvään tiedonvaihtoon. Tiedonvaihtoa tutkittiin neljässä eri kaupungissa hieman eri näkökul-mista, ja yhdessä tutkimuksessa myös kuluttajat osallistuivat ohjaamisen määrittelyyn. Etäluettavien sähkömittareiden vaihtoehtona käytettiin myös kotiin sijoitettavia ohjausjärjestelmiä, joita voi ohjelmoida vapaasti ja päivittää valvomosta käsin.

Segerstam odottaa tutkimuksen johtavan sähkön myynnin ja jakelun liiketoimintamalliin, jossa kysynnän jousto on otettu huomioon. Hänen mukaansa malli voi olla hyödyksi myös muissa pohjoismaissa sekä Keski-Euroopassa. Hän huomauttaa, että joustoon kannustavan hinnoittelun hyödyntämistä edistäi-sivät Suomessa myös lainsäädännön muutokset. Tällä hetkellä kuluttaja voi valita aikaperusteisen hinnoit-telun ja ohjauksen, joka jakaa sähkön hinnan tavalli-sesti kiinteisiin tuntihintoihin tai päivä- ja yöhintoihin.Segerstam uskoo, että joustoihin kannustava kulutta-jamarkkina syntyisi, jos sähkömittareiden ohjausmah-dollisuus tuotaisiin vapaiden markkinoiden käyttöön laajamittaisesti.

”Kannustavampi hinnoittelu perustuisi sähkön toteutuvaan hankintahintaan kulutuksen hetkellä. Olisi tärkeää, että hyöty tulee todella niille, jotka joustavat. Pelkkä hinnoittelu ei kuitenkaan riitä. On myös tärkeää, että kaikki asiakkaan toimitusketjuun kuuluvat osapuolet osallistuvat joustojen ohjaukseen. Näin vältetään jouston aiheuttamat piilokustannukset toimitusketjun eri osissa.”

Sähkön kysynnästä joustavaa – ja joustosta

kannattavaaAurinko- ja tuulienergian tuotanto ei jousta, joten sähkön kulutuksen on joustettava. Jotta kuluttajan kannattaisi joustaa, on uusittava sähköverkkojen

ja -markkinoiden rakenteita.

JAN SEGERSTAMKehitysjohtaja, Empower IM Oy

SGEM-ohjelman avulla pystymme mallintamaan tulevaisuuden ympäristöä kokonaisvaltaisesti yhdessä. Yksin sitä ei voisi tehdä kukaan.

SÄHKÖNKULUTUS SUOMESSAYHDEN TALV IV I IKON A IK ANA

MW

h/h 16 000

14 000

12 000

10 000

8 000MA TI KE TO PE LA SU

ES IMERK IKS I L ÄMMIT YSTÄ OHJA AMALL A KOT I TALOUDE TK IN VOIVAT TA SOIT TA A KULUTUKSEN P I IKKE JÄ .

JOS SÄHKÖN KULUT TAJAH INTA PERUSTU IS I SÄHKÖN HANK INTAH INTA AN KULUTUKSEN HE TKEL L Ä , S E VOIS I MOT IVOIDA KULUT TAJ IA JOUSTAMA AN KULUTUKSESSA TUOTANNON HE I L AHTE LUJEN MUK A AN .

8 000MA TI KE TO PE LA SUSU

SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 19

Etäluettava sähkömittari on oltava Suomessa lain mukaan 80 prosentilla jakeluverkkojen asiakkaista. Käytännössä mittari on lähes kaikissa suomalaisissa kotitalouksissa. Koko maailman mittakaavassa ratkaisu on harvinainen ja Suomi edelläkävijä. Mittarinlukijat eivät kolkuttele enää ovilla, mutta mitä muuta mitta-reilla voidaan saavuttaa? Tätä kysymystä käsiteltiin SGEM-ohjelmassa lukuisissa eri yhteyksissä.

”SGEM-ohjelmassa mittareiden hyödyntämistä on voitu tarkastella kokonaisvaltaisesti ottaen huomioon kaikki osapuolet”, toteaa sähkötekniikan professori Pertti Järventausta Tampereen teknilli-sestä yliopistosta.

Kuluttajan ja sähkön myyjän näkökulmista edut ovat ilmeiset. Mittarin avulla sähkön myyjä voi seurata ja laskuttaa asiakkaan sähkönkulutusta tunnin tarkkuu-della, ja kuluttaja voi säästää kohdistamalla sähkönku-lutustaan edullisimpiin aikoihin.

”Sähköyhtiö voi myös kehittää palveluita, jotka helpot-tavat asiakkaita kulutuksen seuraamisessa ja ohjaami-sessa.” Silloin, kun kysynnän jousto leikkaa kulutuksen huippuja, se tasoittaa verkon kuormitusta ja siitä hyötyvät myös verkkojen haltijat.

Järventausta korostaa, että on myös muita mahdol-lisuuksia hyödyntää etäluettavia mittareita tulevai-suuden energiajärjestelmässä. Kun mittarit keräävät

yksityiskohtaista tietoa kunkin asiakkaan kulutuk-sesta, eri asiakastyyppien kuormat voidaan mallintaa entistä tarkemmin, mikä auttaa verkon suunnittelussa ja häviöiden arvioinneissa.

Verkkoyhtiöt hyödyntävät etäluettavia sähkömit-tareita myös vianhallinnassa muun verkostoauto-maation rinnalla. Valvomoiden tietojärjestelmät keräävät ja analysoivat tietoa verkon eri osista muun muassa vikojen estämiseksi ja tunnistamiseksi.

”Etäluettavat mittarit tarjoavat hyvinkin tarkkaa tietoa muun muassa sähkön laadusta, erityisesti jännitteen osalta”, Järventausta kertoo. Mittarit lähettävät myös automaattisesti ilmoituksen verkkoviasta ja ohjaavat siten huoltoryhmän suoraan vikapaikalle, mikä lyhentää sähkökatkojen kestoa.

Samalla, kun sähkömittareiden hyödyntäminen lisääntyy, mittarit myös kehittyvät. Lisäksi kehitetään koteihin asennettavia ohjausjärjestelmiä, jotka tarjoavat sähkömittareita monipuolisemmin mahdolli-suuksia muun muassa kysynnän joustoon. Se, ajavatko nämä järjestelmät toiminnallisuudessa nykymitta-reiden ohi, ei huolestusta Järventaustaa.

”Mittarin elinkaari on joka tapauksessa maksimissaan 15 vuotta. Edelläkävijät alkavat vaihtaa mittareita jo lähivuosina.”

Kaikki hyöty etäluettavasta sähkömittarista

Etäluettava sähköenergiamittari on käytössä lähes kaikilla asiakkailla koko Suomessa.

Monipuolisesti hyödynnettynä se luo edellytykset sähköverkon älykkäälle hallinnalle ja sähkömarkkinoiden kehittämiselle.

PERT T I JÄRVENTAUSTAProfessori, Tampereen teknillinen yliopisto

Silloin, kun kysynnän jousto leikkaa kulutuksen huippuja, se tasoittaa verkon kuormitusta ja siitä hyötyvät myös verkkojen haltijat.

VERKKO- YHT IÖ

SÄHKÖ- MARKK INAT

€

Yksityiskohtainen tieto kulutuksesta sekä mahdollisuus kysynnän joustoon ja ennakointiin » kustannukset laskevat

Tarkkaa tietoa kulutuksesta » kustannukset laskevat » sähkön laatu paranee

Tarkkaa tietoa kulutuksesta ja sähkön laadusta sekä automaattisia ilmoituksia verkkovioista » vianhallinta tehostuu » kuormitusten mallintaminen ja verkon tilan estimointi tarkentuvat » häviöiden kompensointi ja investointien kohdistaminen tehostuvat

SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 21

Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid varmistaa, että sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapaino säilyy joka hetki. Tehtävää helpottaa se, että sähkön suuret tuottajat ovat velvollisia arvioimaan ja säätämään tuotantoaan. Joukossa on kuitenkin yhä useampia tuottajia, joille tuotannon säätäminen ei ole miele-kästä, eikä heitä siihen velvoitetakaan. Esimerkiksi hajautetulle tuotannolle on tyypillistä, että sähköä syntyy, kun tuulee tai aurinko paistaa.

Jotta Fingrid voisi varautua myös tuulivoiman tuotantoon, se ennustaa sitä itse. VTT tutki SGEM-ohjelmassa ennustamisen tapoja ja kehitti mallin, joka ennustaa seuraavan vuorokauden tuotantoa ja näyttää toteutuneen tuotannon viimeisen puolen vuorokauden ajalta.

”Malli perustuu muun muassa tuuliennusteisiin ja todennäköisyyslaskentaan. Se ottaa myös huomioon, mitä eri voimalaitokset ovat eri tuulilla tuottaneet”, kertoo erikoistutkija Seppo Hänninen VTT:ltä.

Fingridin valvomon operaattorit ovat seuranneet VTT:n tekemää ennustetta noin vuoden ajan. ”Ohjelma on ollut hyvä lisä jo käytössä olevien työka-lujen rinnalla, ja sen käyttöliittymä on selkeä, joten harkitsemme ennusteen käyttämistä jatkossakin”, sanoo asiantuntija Markku Piironen Fingridistä.

Tuulivoimaa silmällä pitäen tutkittiin myös sähköjoh-tojen mitoittamista. Turvallisen sähkönsiirron edelly-tyksenä on, että johdin ei pääse lämpenemään liikaa. Lämpenemiseen puolestaan vaikuttaa, paljonko sähköä siirretään johtimen poikkipinta-alaan nähden ja millaisissa olosuhteissa. Johtojen jäähdytys paranee esimerkiksi kovassa tuulessa.

SGEM-ohjelmassa tutkittiin sähkömarkkina-, lämpötila- ja siirtokapasiteettitietoja tilanteissa,

joissa johtojen kuormitus muodostuu sähkön-siirron pullonkaulaksi. Hännisen mukaan on mahdol-lista saavuttaa huomattavia säästöjä kasvattamalla johtojen sallittua kuormitettavuutta ympäristöolo-suhteiden sallimissa rajoissa.

Tuulivoimalat koettelevat siis sähköverkkoja, mutta ongelmia voi virrata myös verkkoa pitkin tuulivoi-malaan. Onkin tärkeää, että tuulivoimala irtoaa automaattisesti verkosta vakavan verkkovian sattuessa, jotta se ei vaurioituisi. Hännisen mukaan tuulivoimala saattaa kuitenkin irrottautua verkosta turhaan harmit-toman ja ohimenevän verkkovian seurauksena.

Tällaisten tilanteiden tutkimiseksi SGEM-ohjelmassa luotiin simulointiympäristö, johon mallinnettiin tuuli-voimatuotanto ja sähköverkko käyttäen hyväksi fyysisiä laitteita sekä simulointiohjelmia.

”Tuulivoiman kehittäjät voivat testata siinä tuuli-voiman suojausjärjestelmiä simuloimalla erityyppisiä ja -pituisia vikoja.”

Hajautetun tuotannon lisääntyessä edellytykset sähkö-verkkojen saarekekäytölle paranevat. Saarekekäyttö tarkoittaa tietyn alueen verkon, mikroverkon, erotta-mista muusta verkosta esimerkiksi verkkovian seurauksena silloin, kun alueen oma sähköntuotanto riittää alueen kulutukseen. SGEM-ohjelmassa tutki-muskohteeksi valittiin mikroverkon ja sen sisäisen sähköntuotannon ohjaus sekä saarekekäytön automaattinen tunnistaminen ja verkon suojaus.

”Tunnistamisen jälkeen verkon suojaus on muutettava tilannetta vastaavaksi. Tämän on tapahduttava nopeasti ja automaattisesti, koska saarekekäyttöön siirtyminen ja takaisin voi tapahtua useita kertoja päivässäkin riippuen saarekkeen oman sähköntuo-tannon edellytyksistä”, Hänninen toteaa.

Tuulivoima ja sähköverkko

haastavat toisensaTuulivoiman ennustaminen helpottaa sen

hyödyntämistä sähköverkossa. Tuulivoiman käyttöä edistää myös suojauksen kehittäminen niin

verkossa kuin voimalassakin.

SEPPO HÄNN INENErikoistutkija, Teknologian tutkimuskeskus VTT

Tuulivoiman kehittäjät voivat testata simulointiympäristössä tuulivoiman suojausjärjestelmiä simuloimalla erityyppisiä ja -pituisia vikoja.

10–28 22:0010–28 18:00 10–29 02:00

KOKO MA A

Teho

[MW

] 200

150

100

50

010–28 14:00 10–29 06:00 10–29 10:00 10–29 14:00 10–29 18:00 10–29 22:00

NYKY

HETK

I

SGEM-OHJELMA SSA KEH I T E T T Y MALL I ENNUSTA A TUUL IVOIMAN TUOTANTOA F INGR ID IN VALVOMOSSA .

95% luottamusväli

Varautumisen tarve ennen SGEM-ohjelmassa kehitettyä mallia.

TOTEUTUNUT ENNUSTE

TOTEUTUNUT / 120 MW

2H ENNUSTE

12H ENNUSTE

ENNUSTE – ONLINE

ENNUSTE – KAIKKI / 230 MW

SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 23

Visiot uusiutuvien energialähteiden lisääntymisestä perustuvat pitkälti hajautettuun pientuotantoon. Yritysten ja kotitalouksien odotetaan tuottavan sähköä esimerkiksi pienen tuulivoimalan tai aurinko-paneelien avulla.

SGEM-ohjelmassa selvitettiin suomalaisten kotitalo-uksien halukkuutta aurinkosähkön pientuotantoon. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa 20 energia-alan asiantuntijaa ja 17 aurinkopaneelien omistajaa kertoivat näkemyksensä aiheesta.

Tutkimuksen mukaan suurin syy pientuotannon vähäiseen suosioon on laitteistoinvestoinnin pitkä takaisinmaksuaika, joka on monesti jopa 25 vuotta. ”Asiantuntijat uskovat, että investoinnin takaisinmak-suajan pitäisi painua alle 10 vuoteen, jotta kuluttajat innostuisivat laajamittaisesti omasta sähköntuotan-nosta”, sanoo energiamarkkinoiden tutkija Merja Pakkanen Vaasan yliopistosta. Hänen mukaansa takaisinmaksuaikaa piti liian pitkänä valtaosa niistäkin, jotka olivat asentaneet aurinkopaneelit.

”Samat ihmiset saattoivat kuitenkin perustella hankintaansa sillä, että paneelit tuottavat ilmaista sähköä”, Pakkanen huomauttaa. Moni perusteli inves-tointiaan myös ympäristöarvoilla, ja osaa sähköntuot-taminen kiinnosti teknisesti, vaikka tuotepaketti ei edellyttänytkään teknistä osaamista.

Ennen aurinkopaneelien hankintaa omakotitalon omistajia oli kiinnostanut turvallisuus liittyen talon kattoon.

”Kokemukset ovat olleet myönteisiä, ja lähes kaikki olivat valmiita suosittelemaan paneeleja muillekin.”

Jokaisella haastatellulla pientuottajalla on mahdol-lisuus käyttää tuottamansa sähkö itse tai syöttää sitä

Kotitaloudet kasvavat sähköntuottajiksi

vähitellen

verkkoon. Edullisinta olisi käyttää sähkö itse, mutta aurinkoiset tunnit ja talouden sähkönkulutus eivät välttämättä osu luontevasti yksiin. Pakkasen mukaan moni pientuottaja oli järjestelmällisesti siirtänyt kulutustaan aurinkoisiin tunteihin, mutta kaikilla ei ollut siihen kiinnostusta tai aikaa.

Haastateltujen pientuottajien keski-ikä, 59 vuotta, vastasi haastateltujen asiantuntijoiden arviota, jonka mukaan potentiaalisimmat sähkön pientuottajat ovat yli 50-vuotiaita.

”Nuorilla voi olla suurikin halu uusiutuvan energian hajautettuun tuotantoon, mutta heillä saattaa olla myös pian edessä muutto toiseen kiinteistöön. Olisikin tärkeää nähdä aurinkopaneelit sijoituksena, joka nostaa kiinteistön arvoa heti ja tuottaa pidem-mällä aikavälillä”, toteaa tutkimuksen asiantuntijahaas-tatteluun osallistunut tuotepäällikkö Olli Raatikainen Fortumista. Hänen mukaansa tutkimus toi havainnol-lisesti esille hajautetun tuotannon suosiota sekä sen leviämisen edellytyksiä.

Tutkimuksen toisessa osassa tutkijat selvittivät netti-kyselynä niiden kuluttajien näkemyksiä, jotka eivät ole hankkineet aurinkopaneeleja. Tutkimukseen osallistui 198 omakotitaloasukasta. Näistä 74 % piti sähkölaskun merkitystä suurena ja sähkölämmittä-jistä vielä useampi.

Tuuli- ja aurinkovoimasta kuluttajilla oli niin myönteisiä kuin kielteisiäkin näkemyksiä, mutta pääosin niiden lisäämistä kannatettiin. Kotitalouksien omasta sähköntuotannosta suurin osa tiesi vain vähän tai ei mitään. Aurinkopaneelien sopivana investointikustannuksena vastaajat pitivät noin 4 000 euroa ja takaisinmaksuaikana kahdeksaa vuotta.

Kotitalouksilla on paikka tulevaisuuden sähköjärjestelmässä sähkön kuluttajina mutta myös pientuottajina. Ovatko suomalaiset valmiita tähän?

MERJA PAKK ANENErikoistutkija, Vaasan yliopisto

Kokemukset ovat olleet myönteisiä, ja lähes kaikki olivat valmiita suosittelemaan paneeleja muillekin.

24 SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS

Sähköverkkojen etähallinta on lisääntynyt Suomessa voimakkaasti viime vuosina. Verkkoviat saadaan paikannettua yhä nopeammin ja vika-alueet rajattua siten, että yhä harvempi asiakas kärsii sähkökatkosta ja yhä harvempi verkkolaite vaurioituu vikavirrasta.”Kehittynyt etähallinta on myös ehto hajau-tetun sähköntuotannon luotettavaan hallintaan. Esimerkiksi tuulivoimala on irrotettava vioittu-neesta verkosta nopeasti vaaratilanteen välttämi-seksi”, toteaa tutkimuspäällikkö Jani Valtari ABB:ltä.

SGEM-ohjelmassa tutkittiin teknologioita, jotka mahdollistavat yhä älykkäämmän verkonhallinnan. Esimerkiksi VTT:n kehittämä vianilmaisin voidaan liittää suoraan keskijänniteverkon johtoon, josta se lähettää viestin langattomasti esimerkiksi tuulivoi-malaan tai sähköasemalle. Sähköasemalla ABB:n tutkima keskitetty automaatiojärjestelmä kerää ja analysoi kaikki verkon suojaukseen liittyvät viestit.

”On helpompaa ja halvempaa päivittää keski-tettyä automaatiojärjestelmää kuin erikseen sähköaseman jokaista suojarelettä”, Valtari toteaa. Hänen mukaansa keskitetty tietojenkäsittely auttaa myös huomaamaan verkossa muhivia vikoja ennen kuin ne äityvät vakaviksi. Ennakointia tukee myös Mikesin kehittämä analysaattori, joka tarjoaa entistä tarkempia mittaustuloksia.

Valtari pitää tärkeänä, että teknologioita päästiin tutkimaan ja kehittämään käytössä olevissa sähkö-verkoissa. Hän uskoo, että suomalaisvoimin kehitetyt teknologiat voivat kasvaa kaupallisesti merkittäviksi tuotteiksi ja menestyä myös vientimarkkinoilla.

Verkon äly vaatii laitteiden ohella nopeaa tiedonsiirtoa. ”Olemme päässeet langattomissa 3G- ja 4G-verkoissa 40 millisekuntiin. Siinä ajassa viesti välittyy esimerkiksi sähköasemalta tuotantolaitokseen, ja luotettavuus on verkkoyhtiöiden vaatimalla tasolla”, Valtari sanoo.

VTT selvitti lisäksi kaupallisten tietoliikenneverk-kojen luotettavuutta ja kustannustehokkuutta.

Älykäs sähköverkko vaatii uutta teknologiaa

Rajatun maaseutualueen sähkö- ja tietoliikenne-verkkoja ja niiden toimintaa mallinnettiin mittausten ja kasvillisuustietojen avulla.

”Aiheutimme malliin tyypillisiä sähköverkkojen vikatilanteita ja katsoimme, miten ne vaikuttavat tietoliikenneverkkoon sekä sähköverkon langat-tomaan etäohjaukseen”, kertoo johtava tutkija Seppo Horsmanheimo VTT:ltä. Koska tietoliikenne-verkkojen tukiasemat tarvitsevat sähköä, pitkäkes-toinen sähkökatko vaikuttaa tietoliikenneyhteyksiin ja sitä kautta sähköverkon etäohjattaviin laitteisiin sekä verkkoa kentällä korjaavien henkilöiden matka-puhelimiin. Tämä tuli selvästi esille, kun tutkimuk-sessa analysoitiin dataa Tapani- ja Hannu-myrskyistä.

”Datan avulla pystyimme mallintamaan tarkasti, miten myrskyt vaikuttivat sähkö- ja tietoliiken-neverkkoihin ja miten verkot palautuivat niistä”, Horsmanheimo sanoo.

Osa tutkimuksesta keskittyi kaupunkiympäristöön, jossa rakennukset asettavat uusia haasteita langat-toman verkon kuuluvuudelle ja viiveelle. ”Teimme mittaukset ympäristössä ja simuloimme verkkojen toimintaa niiden perusteella”, Horsmanheimo kertoo. Hänen mukaansa rajatuilla alueilla tehdyt tutkimukset tarjoavat hyvän perustan eri alueiden analysointiin Suomessa ja ulkomailla. Hän uskoo, että mallinnus kiinnostaa ensisijaisesti sähköverkon haltijoita, joiden on valittava, missä ja mihin langattomia verkkoja kannattaa käyttää. Toisaalta, tulokset kiinnostavat todennäköisesti teleoperaattoreita, jotka haluavat kehittää toimintaansa.

Tutkimus on jo pitkälti osoittanut, että kaupalliset tietoliikenneverkot soveltuvat Suomessa älyverkon tiedonsiirtoon, kunhan verkkoyhtiöt ja teleoperaat-torit tuntevat langattomien verkkojen mahdolli-suudet ja rajoitukset ja ottavat huomioon verkkojen keskinäisen riippuvuuden.

Sähköverkon etähallinta edellyttää edistyksellisiä laitteita sekä luotettavia tietoliikenneyhteyksiä.

Olemassa oleva teknologia auttaa osin.

KES

KIJ

ÄN

NIT

E 20

KV

S UURJÄNN I T E 1 1 0 KV

V IAN I LMA IS IN

ÄLYK Ä S SÄHKÖ- A SEMA

NOPEAT I EDONS I IRTO

JAN I VALTAR ITutkimuspäällikkö, ABB

Suomalaisvoimin kehitetyt teknologiat voivat kasvaa kaupallisesti merkittäviksi tuotteiksi ja menestyä myös vientimarkkinoilla.

SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 27

SGEM-ohjelman alussa verkkoviat johtivat Helsingissä keskimäärin lähes tunnin sähkökatkoihin. Helen Sähköverkko Oy:ssä arvioitiin, että sähkönjakelun häiriöt maksoivat asiakkaille noin kaksi miljoonaa euroa vuodessa. Verkkoyhtiössä arvioitiin myös, että kustannukset kutistuisivat erittäin pieniksi, jos sähkö-katkot lyhenisivät minuuttiin.

”Viiden tai kymmenen vuoden päästä voimme parhaimmillaan puhua jo muutamista minuuteista. Jo nyt olemme päässeet keskimäärin noin 40 minuuttiin. Olemme ottaneet käyttöön uutta teknologiaa, pereh-tyneet hyviin käytäntöihin ulkomailla ja laatineet omia optimointimalleja”, kertoo yksikönpäällikkö Osmo Siirto Helen Sähköverkosta. Hän korostaa, että optimointimalleja voi hyödyntää myös muissa sähkö-verkoissa niin Suomessa kuin ulkomaillakin.

Helen Sähköverkon tekniset parannukset liittyvät pitkälti etäkäytön ja -valvonnan hyödyntämiseen vian paikantamisessa ja vika-alueen erottamisessa. SGEM-ohjelmassa määriteltiin vianhallinnan logiikkaa sekä edullisia kaupunkiverkkoon soveltuvia vianilmai-simia, joita voidaan asentaa tiheästi koko verkkoon.

”Tavoitteena on kattava ja älykäs vianhallinta. Kaupunkialueella verkon vikojen automaattinen paikantaminen ja erottaminen nopeuttavat oleel-lisesti vianhallintaa. Tällöin voidaan välttää kenttä-työhön liittyviä hankaluuksia, kuten hidasta liikku-mista muun liikenteen joukossa sekä vaikeuksia päästä kiinteistöihin ja muuntamoihin tekemään

Älykäs sähköverkko korjaa itse vikansa

kytkentöjä”, Siirto toteaa. Hän luonnehtii tulevai-suuden verkkoja itsestään korjautuviksi, ja samaa termiä käyttää älyverkkoprojektin päällikkö Oleg Gulich Carunasta. Käytännössä kyse ei ole korjaami-sesta, vaan pitkälti siitä, että vian sattuessa sähkönja-kelulle löytyy automaattisesti uusi reitti.

Caruna kehitti SGEM-ohjelmassa vianhallintaa maaseutuympäristön keskijänniteverkoissa ja tutki ABB:n kanssa automaatioratkaisuja Kirkkonummen Masalassa, jossa avojohdot ovat alttiita voimakkaille tuulille eivätkä kalliot houkuttele maakaapeleiden asentamiseen. Tutkimusohjelmassa käynnistettiin myös laajempi koekäyttö Pusulassa. Tiedonhallintaa keskitettiin sähköasemille uusin välinein, ja verkkoon lisättiin vianilmaisimia.

Avojohtoverkkoa haastavat muun muassa johtojen päälle kaatuneet puut ja katkenneet oksat. Oksat voivat johtaa sähköä johdosta toiseen tai maahan ja aiheuttaa siten oikosulkuja tai maasulkuja. Perinteisessä sähköverkossa vikapaikkaa joudutaan etsimään jopa 50 kilometrin säteellä, kun taas Masalassa ja Pusulassa vika löytyy 1–2 kilometrin tarkkuudella.

”Sähkökatkot on saatu lyhenemään puoleen”, Gulich kertoo. Hän korostaa, että älykäs verkko pystyy parhaimmillaan jopa estämään lyhyitä sähkökatkoja, räpsyjä, joita aiheuttavat muun muassa sähköjohtoja ohimennen sipaisevat oksat.

Sähköverkon vikoja ei voida kokonaan estää. Sähkökatkojen määrää ja pituutta on kuitenkin helppo

leikata niin maalla kuin kaupungissakin lisäämällä verkkoon älyä. Uusia ratkaisuja on jo koekäytössä.

ALUE , JOLTA V IK A A E TS I T TÄVÄ I LMAN V IAN I LMA IS INTA (N . 50 KM)

ALUE , JOLTA V IK A A E TS I T TÄVÄ V IAN I LMA IS IMEL L A ( 1 -2 KM)

V IAN I LMA IS IN

VERKKOK ATK A IS I JA

OSMO S I IRTOYksikönpäällikkö, Helen sähköverkko

Tavoitteena on kattava ja älykäs vianhallinta. Kaupunki-alueella verkon vikojen automaattinen paikantaminen ja erottaminen nopeuttavat oleellisesti vianhallintaa.

!

K ÄY T TÄJÄRYHMÄT

AUTOMA AT T INEN T I E TO TO IM I JO IDEN

JÄRJESTE LM ISTÄ

PEKK A VERHOProfessori, Tampereen teknillinen yliopisto

Kehitimme tilannekuva-järjestelmää, johon voivat syöttää tietoja myös viranomaiset ja ne sähkön käyttäjät, joille sähkön saatavuus on kriittistä.

K ART TAPOHJA INEN K ÄY T TÖL I I T T YMÄ

MANUA AL ISEST I PÄ IV I T E T TÄVÄ

STA AT T INEN T I E TO

SMART GRIDS AND ENERGY MARKETS 29

Keskijänniteverkon avojohtoja on Suomessa edelleen runsaasti, ja ne ovat alttiita häiriöille. Tyypillinen häiriö on maasulku, joka syntyy tavallisesti silloin, kun oksa tai kaatunut puu koskettaa johtoon. Jos puu johtaa sähkön sujuvasti maahan, sähköaseman suojarele havaitsee vian heti virran ja jännitteen muutoksista. Sen sijaan silloin, kun puu ja maa ovat jäässä tai maaperä on kallioista, ne johtavat sähköä heikommin, eikä suojarele välttämättä reagoi.

”Myös tällainen suuri-impedanssinen vika kehittyy tavallisesti vaarallisemmaksi ja haitallisemmaksi”, toteaa tutkijatohtori Ari Nikander Tampereen teknil-lisestä yliopistosta. Maasulku voi aiheuttaa lähis-töllä liikkuvalle sähköiskun, ja verkossa se voi johtaa laajaan sähkökatkoon. On siis tärkeä havaita orasta-vakin vika ajoissa.

SGEM-ohjelmassa tätä tarkoitusta varten kehitettiin keskitettyä suojausmenetelmää. Kun perinteinen suojarele päättelee tilanteen siinä johtolähdössä, johon se on sijoitettu, uusi menetelmä hyödyntää kaikkien johtolähtöjen ja niiden suojareleiden tietoja sähköaseman keskitetyssä tietokoneessa.

Menetelmän kehittämistä varten mallinnettiin sähköverkko ja sähköasema fyysisine laitteineen, ja

Nopea tiedonkulku helpottaa

vikatilanteissa

suuri-impedanssisia vikoja tunnistettiin menestyksek-käästi tässä ympäristössä.

Häiriötilanteilta ei voi kuitenkaan välttyä kokonaan etenkään avojohtoverkossa. Siksi SGEM-ohjelmassa kehitettiin myös sähköverkkoyhtiöiden, viran-omaisten ja asiakkaiden välistä tiedonkulkua.

”Kehitimme tilannekuvajärjestelmää, johon voidaan koota olennaiset tiedot esimerkiksi sähkökatkon laajuudesta. Järjestelmään voivat syöttää tietoja myös viranomaiset ja ne sähkön käyttäjät, joille sähkön saatavuus on kriittistä, kuten sairaalat”, sähkötek-niikan professori Pekka Verho Tampereen teknil-lisestä yliopistosta kertoo. Esimerkiksi tuhoisan myrskyn aikana järjestelmän tarkoituksena on auttaa verkkoyhtiöitä korjaustöiden priorisoinnissa ja viran-omaisia, kuten palo- ja pelastustointa, oman toimin-tansa suunnittelussa. Se voi lähettää myös automaat-tisia varoituksia osapuolten välillä.

Järjestelmää kehitettiin yhteistyössä viranomaisten kanssa, ja käsillä on nyt nettiselaimessa toimiva demonstraatio järjestelmän perusperiaatteista.

Kun puu kaatuu avojohdolle, älykäs sähköverkko huomaa vian ennen kuin siitä aiheutuu vaaraa tai

laajaa sähkökatkoa. Vikatilanteissa helpottaa myös sujuva tiedonkulku verkonhaltijan, viranomaisten

ja asiakkaiden välillä.

SÄHKÖVERKKOYHT IÖ

SÄHKÖVERKKOYHT IÖT

PEL A STUSTOIM I

SÄ ÄENNUSTEE T

L I IKENNE T I EDOT TEE T

KR I I T T I ST EN KOHTE IDEN MÄ ÄR I T TÄMINEN

PEL A STUSTOIM I A S IAKK A ATKUNTA

JAN I VALTAR I

SGEM ohjelmapäällikkö, CLEEN Oyjani.valtari@cleen.fi / +358 50 335 2730

JAT TA JUSS I L A-SUOK A S

Teknologiajohtaja, CLEEN Oyjatta.jussila@cleen.fi / +358 40 825 6500

TOMMY JACOBSON

Toimitusjohtaja, CLEEN Oytommy.jacobson@cleen.fi / +358 40 828 2711