ari unkuri sÄhkÖautojen vaikutukset kaupungin … julkiset dtyot/unkuri_ari_julk.pdf ·...

ARI UNKURI

SÄHKÖAUTOJEN VAIKUTUKSET KAUPUNGIN

SÄHKÖNJAKELUVERKKOON Diplomityö

Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkö-tekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 2. kesäkuuta 2010

II

TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma UNKURI, ARI: Sähköautojen vaikutukset kaupungin sähkönjakeluverkkoon Diplomityö, 52 sivua, 4 liitesivua Toukokuu 2011 Pääaine: Sähköverkot ja -markkinat Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Avainsanat: Sähköauto, ladattava auto, ladattava hybridi, latauksen mallinnus, verkko-vaikutukset Sähköverkosta ladattavien autojen odotetaan korvaavan fossiilisia polttoaineita käyttä-viä autoja tulevaisuudessa. Sähköautot kehittyvät koko ajan ja ovat vasta tulossa mark-kinoille, joten työ sisältää useita oletuksia ja arvioita, mikä aiheuttaa epävarmuutta tu-loksiin. Työn päätarkoitus on selvittää autokannan sähköistymisen vaikutuksia Tampe-reen Sähköverkko Oy:n kaupunkialueella sijaitsevaan sähkönjakeluverkkoon vuosina 2010–2030. Työssä keskitytään kolmeen aiheeseen: sähkön siirron kasvuun, vaikutuksiin säh-

könjakeluverkolle ja vaikutuksiin kotitalouksien sähköliittymille. Näitä varten luodaan kolme erilaista sähköautokannan kehitysennustetta, joista perusskenaariolle kohdistuu pääpaino. Latauksesta aiheutuva sähkön siirron kasvun analysointi toteutetaan puhtaasti laskennallisesti. Verkkovaikutuksia varten mallinnetaan perusskenaarion ja nopea ske-naarion mukaisesti pienjänniteliittymille hidasta latausta (1-vaiheinen, 3 kW) ilman la-tauksen ohjausta. Näin ollen yksi mallinnus riittää sekä pienjännite- että keskijännite-verkon tarkastelua varten, koska pienjännitemuuntopiirien kuormitukset summautuvat jakelumuuntajille keskijänniteverkon kuormitukseksi. Liittymien tarkastelua varten teh-dään erillinen mallinnus eri luottamustasolla. Kaikki mallinnukset toteutetaan verkkotie-tojärjestelmän tietokantaan ja laskenta toteutetaan verkkotietojärjestelmän laskentaso-velluksella. Laskentatulokset analysoidaan taulukkolaskentaohjelmalla tilastollisesti. Tutkimus osoittaa, että tarkasteluajanjakson aikana sähkönsiirtokapasiteetti ei muo-

dostu ongelmaksi. Myöskään keskijännitetasolla ei ole odotettavissa mitään merkittäviä vaikutuksia. Pienjänniteverkolla taas on todennäköistä, että tarkasteluajanjakson lopulla sähköautojen lataus aiheuttaa pienessä määrin lähinnä paikallisia ylikuormitusongelmia jakelumuuntajilla ja pienjännitelähdöillä. Suurin riski on tiheään asutuilla kerrostaloalu-eilla. Latauksesta aiheutuva kotitalouksien sähköliittymien ylikuormitus jää marginaali-seksi tarkasteluajanjakson aikana. Pienjänniteverkolla on siis odotettavissa joitakin muuntajan vaihtoja ja verkon vah-

vistus tarvetta. Jakeluverkon komponenttien pitkän käyttöiän takia uutta verkkoa raken-taessa ja vanhaa verkkoa saneeratessa kannattaa varautua jo nyt sähköautojen latauksen aiheuttamaan lievään kuormituksen kasvuun. Tarkasteluajanjakson jälkeen, jos sähkö-autoilun osuus on noussut yli 50 %:n markkinaosuuteen, latauksen ja verkon älykkyys huolehtivat todennäköisesti verkon tasaisemmasta kuormituksesta leikaten huippukuor-mitusta.

III

ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master’s Degree Programme in Electrical Engineering UNKURI, ARI: Consequences of Electric Cars to the City Distribution Network Master of Science Thesis, 52 pages, 4 Appendix pages May 2011 Major: Power networks and electricity market Examiner: Professor Pertti Järventausta Keywords: Electric car, plug-in vehicle, plug-in hybrid, modelling of charging, conse-quences to distribution network It is widely assumed that plug-in-vehicles will take the place of vehicles which use fos-sil fuels in future. This thesis includes plenty of assumes and estimates because plug-in-vehicles are developing all the time and just coming to the market. That causes some uncertainty to the results. The aim of this thesis is to find out consequences of charging plug-in-vehicles to the urban distribution network in Tampere within the years 2010-2030. It is assumed that there is neither intelligent charging nor smart grid during these years. It is focused on three main topics in the thesis: increase of electric transmission,

consequences to the distribution network and consequences to the electrical interfaces of the households. Due to these topics it is created three different predictions of electric cars invasion. Main focus is on the basic scenario. The analyzing of increase of electric transmission caused by charging is carried out fully computationally. Other studies are carried out by modeling charging of plug-in-vehicles to the database of the network in-formation system. Every modeling is done in low voltage level. This means that it is possible to get results from both medium voltage and low voltage networks because low voltage loads accumulate to distribution transformers. Network calculations are done by calculation tool of network information system. The results are analyzed statistically. The study indicates that the capacity of the electric transmission doesn’t cause prob-

lems during the period of analysis. Also, there are nothing remarkable consequences to wait for in the medium voltage level. In the low voltage level, it is probable that charg-ing of plug-in-vehicles causes some local overload problems. The biggest risk is in the densely populated apartment building areas. Charging causes overload to the marginal proportion of the households’ electrical interfaces during the period of analysis. So, charging of plug-in-vehicles probably forces to change some distribution trans-

formers and to make some strengthening in the low voltage network. It is profitable al-ready now to prepare for little increase of electrical load caused by charging of plug-in-vehicles because the components of the distribution network have long life cycle. If the electrical motoring get success it is assumed that there is intelligent charging and smart grid after the period of analysis. With help of these systems charging of plug-in-vehicles won’t increase the top load of the network anymore.

IV

ALKUSANAT

Tämä diplomityö on tehty Tampereen Sähköverkko Oy:n ehdottamasta aiheesta. Työn

aihe oli vaativa, koska sähköautot ovat vasta tulossa kuluttajien käyttöön ja sen takia

täytyi ennakoida tulevaisuuden tapahtumia. Samalla aihe oli kuitenkin erittäin mielen-

kiintoinen.

Diplomityön tarkastajana toimi professori Pertti Järventausta Tampereen teknilliseltä

yliopistolta. Työn ohjaajana toimi Tampereen Sähkölaitos -yhtiöiden kehitysjohtaja (DI)

Mika Pekkinen. Lisäksi teknisten asioiden ohjauksesta vastasivat Tampereen Sähkö-

verkko Oy:n verkkopäällikkö (ins.) Petri Sihvo ja kehitysinsinööri (DI) Jussi Järvinen.

Heille kaikille haluan esittää suuren kiitoksen avusta sekä asiantuntevista ja rakentavista

kommenteista.

Erityiskiitoksen haluan esittää Tampereen teknillisen yliopiston tutkija (DI) Antti Rau-

tiaiselle kuormitusmallien saamisesta tämän työn käyttöön sekä niihin liittyvistä kom-

menteista.

Kiitos myös perheelleni ja ystävilleni sekä koko Tampereen Sähköverkko Oy:n henki-

lökunnalle työn aikana saamastani tuesta ja kannustuksesta.

Tampereella 11.huhtikuuta 2011

Ari Unkuri

V

SISÄLLYS

1. Johdanto.....................................................................................................................1

2. Sähköajoneuvot ja niiden lataustavat ........................................................................3

2.1. Sähköautokannan kasvuennusteet .....................................................................5

2.2. Lataustavat.........................................................................................................9

2.2.1. Hidas lataus .....................................................................................10

2.2.2. Puolinopea lataus.............................................................................11

2.2.3. Pikalataus.........................................................................................11

2.2.4. Lataustapojen vertailu .....................................................................11

3. Sähkön siirron lisäys erilaisilla kysyntämalleilla ....................................................13

3.1. Latausenergian laskentakaava .........................................................................14

3.2. Perusskenaario.................................................................................................14

3.3. Nopea skenaario ..............................................................................................15

3.4. Hidas skenaario ...............................................................................................16

4. Kuormituskäyrät ......................................................................................................18

4.1. Tuntitehosarjan muutos indeksisarjaksi ..........................................................19

4.2. Sähköautojen latauksen indeksisarjat ..............................................................20

4.2.1. Omakotitalo .....................................................................................22

4.2.2. Rivi- / kerrostalo ja tavaratalo .........................................................24

4.2.3. Työpaikka ........................................................................................27

5. Mallinnus verkostolaskentaa varten ........................................................................29

5.1. Oletukset..........................................................................................................30

5.2. Latauksen mallinnus........................................................................................30

5.3. Koko verkon laskenta ......................................................................................32

6. Sähköautojen aiheuttamat verkostovaikutukset ......................................................34

6.1. Keskijänniteverkko..........................................................................................34

6.2. Pienjänniteverkko ............................................................................................39

7. Latauksen vaikutus sähköliittymien kokoon ...........................................................44

7.1. Omakotitaloliittymä.........................................................................................44

7.2. Rivi- ja kerrostaloliittymä................................................................................45

8. Yhteenveto...............................................................................................................48

Lähteet .............................................................................................................................51

Liitteet .............................................................................................................................53

VI

TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT

α Laturin turvamarginaali prosentteina.

β Sähköverkosta ladattavan hybridiauton ajo-osuus sähköllä.

δ Lämpötilariippuvuusindeksi.

∆E Sähkön siirron lisäys.

∆T Poikkeama ajanhetken t keskilämpötilasta.

η Hyötysuhde.

e Energian kulutus.

s Ajosuorite.

n Automäärä.

Pit Kuluttajan i keskituntiteho ajanhetkellä t.

Sit Sisäinen tunti-indeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t.

Uit Ulkoinen kaksiviikkoindeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t.

Wi Kuluttajan i vuosienergia.

AC Alternating current. Vaihtovirta.

AER All-electric range. Täysin sähköinen ajomatka.

BEV Battery electric vehicle. Akkusähköauto.

DC Direct current. Tasavirta.

E-REV Extended range electrical vehicle. Sähköverkosta ladattava

hybridiauto.

ET Energiateollisuus ry.

EV Electric vehicle. Sähköauto.

EU Euroopan unioni.

FEV Full-electric vehicle. Täyssähköauto.

HEV Hybrid electric vehicle. Hybridiauto.

IEC International Electrotechnical Commission. Kansainvälinen

sähköalan standardointiorganisaatio.

li-ion Litiumioni.

KA Keskiarvo.

K-aste Kuormitusaste.

KT Kerrostalo.

NiMH Nikkelimetallihydridi.

ns Nopea skenaario.

OKT Omakotitalo.

PHEV Plug-in hybrid electric vehicle. Sähköverkosta ladattava

hybridiauto.

ps Perusskenaario.

VII

REEV Range extended electrical vehicle. Sähköverkosta ladattava

hybridiauto.

RT Rivitalo.

SOC State of charge. Akun lataustila prosentteina.

tp Työpaikka.

TSV Tampereen Sähköverkko Oy.

V2G Sähköenergian takaisinsyöttö verkkoon (vehicle-to-grid).

V2H Kodin varavoima (vehicle-to-home).

Sähköasemien tunnukset:

ALJ Alasjärvi

HRV Hervanta

KLV Kaleva

LMP Lamminpää

MLP Myllypuro

MLS Multisilta

NRM Nurmi

NSL Naistenlahti

RAT, RTN Ratina

RTH Rautaharkko

TKK Keskiputous

VSL Vesilinna

1

1. JOHDANTO

Maailman öljyvarojen hiipuminen ja kasvihuonekaasupäästöjen pienentäminen ovat

2010-luvun kuuma puheenaihe. Yleisimpien arvioiden mukaan todetut öljyvarat loppu-

vat nykykäytöllä noin 40 vuoden kuluttua. Optimistisien ennusteiden mukaan öljyhuip-

pu, eli öljyntuotantomaksimi, saavutetaan vuoden 2020 tienoilla, kun taas pessimistisien

arvioiden mukaan olemme jo öljyhuipulla, jonka jälkeen öljyn hinta alkaa peruuttamat-

tomasti kohota [1]. Päästöjen osalta Euroopan Unionin (EU) energia- ja ilmastosopimus

edellyttää päästökaupan ulkopuolisiin kasvihuonekaasujen päästöihin 16 % vähennyk-

sen vuoden 2005 tasosta vuoteen 2020 mennessä [2].

Tieliikenteen osalta öljyriippuvuutta voidaan vähentää merkittävästi vaihtamalla

polttomoottoriauto sähköverkosta ladattavaan autoon. Samalla myös tieliikenteestä ai-

heutuvat paikalliset päästöt vähenisivät merkittävästi. Nämä kaksi tärkeintä tekijää ovat

johtaneet siihen, että lähes kaikilla nykyisillä ja muutamalla uudella autonvalmistajalla

on vähintään suunnitteilla oma sähköautomalli. Toisilla valmistajilla sähköauto on kehi-

tysvaiheessa, kun eräät valmistajat ovat jo tuoneet ensimmäiset mallinsa markkinoille.

Muita sähköajoneuvon etuja polttomoottoriautoon verrattuna ovat korkeampi ener-

giatehokkuus, hiljainen käyntiääni, huoltovapaus ja alhaiset ajokustannukset. Korkeam-

pi energiatehokkuus muodostuu sähkömoottorin hyvästä hyötysuhteesta, tyhjäkäynnit-

tömyydestä ja jarrutusenergian talteenotosta. Huoltovapaus johtuu siitä, että sähkömoot-

torissa on vähemmän liikkuvia osia. Liikenteen sähköistymisen suurimmat ongelma-

kohdat ovat akkuteknologian kehitys ja riittävän latausinfrastruktuurin olemassaolo.

Tällä hetkellä sähköajoneuvojen osuus on marginaalinen. Odotettavissa kuitenkin

on, että sähköautokanta kasvaa nopeasti seuraavien vuosikymmenten aikana. Koska osa

autoista tulee olemaan sähköverkosta ladattavia autoja, tulee niillä olemaan myös vaiku-

tusta sähkönjakeluverkkoon. Siksi on tärkeää, että verkkoyhtiö osaa varautua mahdolli-

simman hyvin autokannan sähköistymiseen rakentaessaan uutta ja kunnossapitäessään

vanhaa sähkönjakeluverkkoa. Tämän opinnäytetyön tarkoitus on tutkia ladattavien säh-

köautojen vaikutuksia Tampereen Sähköverkko Oy:n (TSV) omistamaan sähkönjakelu-

verkkoon kaupunkialueella.

Tämän työn tavoitteena on siis saada vastaus erilaisten sähköautokannan kehitysen-

nusteiden avulla kolmeen kysymykseen:

• Kuinka paljon sähköautoista aiheutuva sähkön siirron tarve kasvaa?

• Mitä muutoksia aiheutuu sähkönjakeluverkolle?

• Miten sähköautojen lataus vaikuttaa sähköliittymien kokoon?

Koska työssä tarkasteltava aikajänne kattaa vuodet 2010 – 2030, työhön liittyy paljon

tulevaisuuden epävarmuustekijöitä ja oletuksia.

1. JOHDANTO 2

Sähköauton verkkoon liittäminen mahdollistaa akkujen latauksen lisäksi myös ener-

gian takaisinsyötön. Tällöin sähköenergia kulkeutuisi akuista takaisin verkkoon päin

esimerkiksi sähkönjakelun häiriötilanteessa tai tasaamaan kuormitushuippuja. Energian

takaisinsyötöstä käytetään yleisesti termiä V2G (vehicle-to-grid) ja ladattavan auton

käytöstä kodin varavoimalähteenä termiä V2H (vehicle-to-home). Tässä työssä olete-

taan sähkön suunta yksisuuntaiseksi, sähköverkosta akkuihin, koska nykyisen ja lähitu-

levaisuuden akkuteknologian sekä akkujen korkean hinnan vuoksi kahdensuuntainen

tehonsiirto ei olisi kustannustehokasta.

Älykäs latausmetodiikka, joka mahdollistaisi siirtokapasiteetin tehokkaamman käy-

tön, jää myös tarkasteltavan aiheen ulkopuolelle kahdesta syystä. Ensimmäinen on se,

että ladattavat sähköautot ovat vasta tulossa markkinoille ja niiden määrän oletetaan

olevan vasta työn tarkasteluajanjakson lopulla niin suuri, että älykkäälle lataukselle olisi

tarvetta. Toiseksi älykästä latausmetodiikkaa ei ole vielä olemassa ja sen kehitys vie

vuosia. Toteutuessaan älykäs lataus tuo etuja sekä verkkoyhtiölle että sähkön käyttäjäl-

le. Kuluttajalle se mahdollistaisi muun muassa latauksen silloin, kun sähkön kulutus on

pienimmillään ja hinta on halvin, sekä akussa olevan energian myynnin sähköverkkoon,

kun sähkön kysyntä on huipussaan. Tällöin verkkoyhtiö hyötyisi kulutushuippujen leik-

kaantumisesta ja verkon tasaisemmasta kuormituksesta, mikä vaikuttaa alentavasti

verkkoinvestointikustannuksiin. Tämänkaltainen älyverkko vaatii teknologian lisäksi

myös lainsäädännön ja markkinoiden kehitystä.

3 3

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT

Sähköajoneuvoiksi luokitellaan autot, jotka tavalla tai toisella käyttävät liikkumiseen

sähköenergiaa [2]. Sähköautotyyppejä on muutama, mutta niille on olemassa lukuisia

nimityksiä.

Hybridiauto (Hybrid electric vehicle, HEV) pitää sisällään aina useamman energia-

lähteen. Hybridiautoihin voi kehitellä useita energialähdevariaatioita, mutta tavallisin on

polttomoottorin ja akuston yhdistelmä. Tämä sähköautotyyppi saa viime kädessä kaiken

energiansa polttomoottorista ja sähkö toimii vain energian käytön tehostajana. Sähkö-

moottorin idea on siis avustaa polttomoottoria kiihdytyksissä ja käynnistyksessä siten,

että polttomoottori voi toimia mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Toinen sähkö-

moottorin tehtävä on ottaa jarrutusenergiaa talteen akkuihin. Regeneratiivisen jarrutuk-

sen lisäksi akkuja ladataan vain polttomoottorilla. Hybridiautolla ei normaalisti ole täy-

sin sähköistä ajomatkaa AER (all electric range) ollenkaan, mutta joissakin varianteissa

sähkökäytön voi pakottaa päälle muutaman kilometrin matkalle, kun nopeus on alle 50

km/h. Hybridiautosta käytetään myös nimityksiä hybridi ja autonominen hybridi. [2; 3]

Sähköverkosta ladattava hybridiauto (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) on pe-

riaatteessa HEV-auto, johon on lisätty vain laturi ja latauspistoke. Käytännössä PHEV:n

akkukapasiteetti on myös suurempi, jolloin sen AER on 20 – 80 kilometriä, jonka jäl-

keen matkaa voi jatkaa polttomoottorin avulla HEV-auton kaltaisesti. Toiminnan oleel-

lisin ero on siis se, että PHEV:n nettoenergiasta osa on sähköenergiaa, joka on ladattu

sähköverkosta tai muusta ulkoisesta lähteestä. PHEV:n muita nimityksiä ovat ladattava

hybridiauto, ladattava hybridi, lataushybridi ja plug-in-hybridi. Lisäksi englanninkieli-

set termit E-REV (Extended range electrical vehicle) ja REEV (range extended electric

vehicle) tarkoittavat ladattavia hybridiautoja. [2; 3]

Sähköauton (electric vehicle, EV) ainoa energialähde on akusto, johon energia on

ladattu sähköverkosta tai muusta ulkoisesta lähteestä. Siinä ei siis ole polttomoottoria

eikä generaattoria, joten auto on saatava lataukseen ennen, kun akuista loppuu energia.

Siksi akuston kapasiteetti on huomattavasti suurempi ja samalla paljon massiivisempi

kuin PHEV-autossa. Sähköautojen AER vaihtelee tällä hetkellä 80 ja 350 kilometrin

välillä, mikä on varsin vaatimaton polttomoottoriauton toimintasäteeseen verrattuna.

Akusto onkin sähköautojen ongelmakohta sen hinnan, kapasiteetin ja massan takia.

Sähköauton etuja taas ovat regeneratiivinen jarrutus, tyhjäkäynnin puuttuminen ja suuri

vääntömomentti. Sillä ajaminen ei aiheuta paikallisia päästöjä, ja jos ladattu sähkö on

tuotettu vesi-, tuuli- tai ydinvoimalla, kokonaispäästötkin jäävät lähes nollaan. Lisäksi

sähköauto on mekaanisesti hyvin yksinkertainen, koska liikkuvia osia on vähän. Siten

2. SÄHKÖAJONEUVOT JA NIIDEN LATAUSTAVAT 4

myös huollon tarve on vähäinen. Muita nimityksiä sähköautolle ovat akkusähköauto

(battery electric vehicle, BEV) ja täyssähköauto (full electric vehicle, FEV). [2; 3]

Muita sähköajoneuvoja ovat johdinbussi ja polttokennoauto. Johdinbussi tarvitsee

tien päällä kulkevia johtimia, joista se ottaa sähköä [2]. Varsinkin Keski-Euroopassa

johdinbussin uskotaan palaavan liikenteeseen tulevaisuudessa yhtenä hybridivaihtoeh-

tona, mutta sitä ei käsitellä tässä työssä. Polttokennoautossa sähköä voidaan tuottaa suo-

raan jostain nestemäisestä tai kaasumaisesta polttoaineesta, esimerkiksi vedystä [2].

Polttokennoteknologian odotetaan yleistyvän autoissa ensin yhtenä hybridivariaationa,

mutta selvästi myöhemmin kuin ladattavat autot.

Koska tässä työssä tutkitaan sähköautojen vaikutuksia sähköverkkoon, merkittäväs-

sä asemassa ovat sähköverkosta ladattava hybridi ja sähköauto. Näistä käytetään yhteis-

nimitystä sähköverkosta ladattava auto, ladattava auto tai plug-in-auto (plug-in vehi-

cle).

Taulukkoon 2.1 on listattu muutaman markkinoilla jo olevan ja lähivuosina markki-

noille luvatun sähköajoneuvon saatavilla olevia tietoja. Taulukon autoista Toyota, Opel

ja Nissan edustavat keskikokoisia perheautoja. Mitsubishi on pienen kokoluokan kau-

punkiauto. Fisker ja Tesla ovat puolestaan urheiluautoja.

Taulukko 2.1. Sähköajoneuvojen teknisiä tietoja. [4; 5; 6; 7; 8; 9; 10]

Toyota Prius (3.sukupolvi)

Opel Ampera

Fisker Karma

Mitsubishi i MiEV

Nissan Leaf

Tesla Roadster

sähköajoneuvotyyppi HEV PHEV PHEV EV EV EV

akkutyyppi NiMH li-ion li-ion li-ion li-ion li-ion akuston kapasiteetti (kWh) 1,3 16 22,6 16 24 56 AER (km) 2* 60 80 160 160 340 toimintasäde (km) 1200 >500 480 160 160 340 sähkömoottori (kW) 60 111 300 47 80 215 polttomoottori (kW) 73 61 194 - - - kiihtyvyys 0-100 km/h (s) 10,4 9 5,8 - - 3,7 huippunopeus (km/h) 180 160 200 130 145 212 auton massa (kg) 1400 - 2100 1080 - 1235 kapasiteetti (henkilöä) 5 4 4 4 5 2

markkinoilla 2009 2011 2010 2010 2010 2008

*maksiminopeudella 45 km/h

Taulukon 2.1 suurimmat erot löytyvät akkukapasiteeteista ja sähkömoottoreiden te-

hoista. Näistä johtuen auton toimintasäteisiin ja täysin sähköisiin ajomatkoihin (AER)

tulee myös eroja. Toisaalta listatut sähköiset ajomatkat ja toimintasäteet eivät ole täysin

vertailukelpoisia, koska niiden mittaustavalle ei ole olemassa vielä standardia. Taulu-

kosta käy ilmi lisäksi, että akkusähköautojen huippunopeutta on rajoitettu enemmän

energiatehokkuuden säilyttämiseksi.

Toyota Prius on maailman ensimmäinen laajassa mitassa sarjavalmistettu hybridiau-

to ja se on ollut markkinoilla jo vuodesta 1997. Uusin kolmannen sukupolven Prius tuo-


tiin markkinoille vuonna 2009 ja saman mallin litiumioniakuilla varustettu plug-in-

hybridi on tulossa markkinoille vuonna 2012 [11].

Yksi harvinaisista markkinoilla jo olevista akkusähköautoista on Tesla Roadster.

Tosin noin satatuhatta euroa maksava urheiluauto ei ole kovin monelle pohjoismaalai-

selle käytännöllinen vaihtoehto. Mitsubishi i MiEV soveltuisi parhaiten pienenä ja ket-

teränä autona kaupunkiautoksi lyhyitä matkoja varten.

Nissan Leaf -autosta odotetaan tulevan ensimmäinen akkusähköauto, joka pääsee

massatuotantoon. Sen odotetaan tulevan myyntiin tänä vuonna Pohjois-Amerikassa,

mutta Euroopan markkinoille se tulee todennäköisesti vuonna 2012 [9]. Kuten Vuoden

Auto 2011 -tittelin voittanut Nissan Leaf myös plug-in-hybridi Opel Ampera vaikuttaa

olevan varsin valmis sarjatuotantoon. Tällä nimellä auto on tulossa Euroopan markki-

noille. Saman auton Britannian malli on nimeltään Vauxhall Ampera, Amerikan malli

Chevrolet Volt ja Australian malli Holden Volt.

2.1. Sähköautokannan kasvuennusteet

Sähköautokannan kehitykseen liittyy paljon epävarmuustekijöitä. Niitä ovat muun mu-

assa öljyn riittävyys, sähköautoteknologian kehitys ja sähköautojen pääseminen massa-

tuotantoon. Seuraavaksi esiteltävät sähköautokannan kehitysennusteet ovat perusske-

naario sekä nopea ja hidas skenaario, joihin perustuen tarkastellaan luvussa 3 sähköau-

toista johtuvaa sähkönsiirron lisäyksen tarvetta. Verkkoyhtiön näkökulmasta tarkastelta-

essa skenaarioiden erilaisia arvoja on syytä arvioida mieluummin etupainotteisesti, kos-

ka näin saadaan selville kokonaisvaikutus sähköverkon kehitystarpeisiin.

Yleisesti voidaan ennustaa ladattavien hybridiautojen yleistyvän akkusähköautoja

nopeammin. Tätä teoriaa tukee erityisesti se, että kuluttajilla on pienempi kynnys siirtyä

polttomoottoriautosta ladattavaan hybridiin, koska hybridillä voidaan jatkaa matkaa

polttomoottorin turvin akkukapasiteetin loppumisen jälkeen. Lisäksi näiden autojen

hinnan lähtötaso on hyvin samaa luokkaa, vaikka ladattavassa hybridissä on kaksi ener-

giajärjestelmää. Akkusähköautojen kallis hinta aluksi johtuu pääasiassa kapasiteetiltaan

huomattavasti suuremmista akuista, joten niiden hintakehitys tullee olemaan enemmän

alaspäin suhteessa ladattaviin hybrideihin. Alkuvaiheessa akkusähköautot voivat yleis-

tyä erityisesti kohteissa, joissa ajoetäisyydet ja latauspaikat ovat etukäteen hyvin tiedos-

sa, kuten esimerkiksi jakeluautoissa. Lisäksi voidaan olettaa, että akkusähköautoista en-

sin yleistyvät pienet mallit perheiden niin sanottuna kakkosautona tai kaupunkiautona.

Pidemmällä aikavälillä akkuteknologian kehittyessä oletetaan kuitenkin, että perhekoon

akkusähköautojen määrä kasvaa pienempien mallien määrää suuremmaksi, ja että ak-

kusähköautojen markkinaosuus kasvaa ladattavia hybridejä suuremmaksi. Näitä oletuk-

sia tukee myös eri autonvalmistajien ilmoitukset markkinoille tulevista sähköautoista.

[2]

Sähköautokannan kehitysskenaarioiden eroja aiheuttavat merkittävimmät tekijät on

tiivistetty taulukkoon 2.2. Taulukkoa tarkastellessa on hyvä huomioida, että kaikkien

tekijöiden summa ratkaisee skenaario-tyypin eli yhden tekijän muutos ei ole ratkaiseva.


Esimerkiksi sähköautokannan nopea skenaario voisi tapahtua, vaikka öljyä riittäisikin,

jos akkuteknologia pystyisi kilpailemaan polttomoottoriteknologialle jo muutaman vuo-

den kuluttua.

Taulukko 2.2. Sähköautokannan kehitysskenaarioiden vertailu.

Perusskenaario Nopea skenaario Hidas skenaario

Öljyn riittävyys välttävä huono kohtalainen Akkuteknologian kehitys

kohtalainen nopea hidas

Akkujen tuotanto kohtalainen hyvä välttävä Sähköautojen tar-jonta

hyvä erittäin hyvä kohtalainen

Kannustimet muutama useita ei ollenkaan Sähköautojen kus-tannuskehitys

hitaasti tavoitehintaan nopeasti tavoitehintaan tavoitehintaa kalliimpi

Öljyn riittävyys on kuitenkin erittäin oleellinen asia. Mitä nopeammin maailman öl-

jyvarat vähenevät, sitä nopeammin polttomoottoriautolla ajaminen tulee kalliimmaksi.

Tosin verotuksellakin on merkittävä rooli hintakehityksessä. Perusskenaariossa öljyä

arvioidaan riittävän yleisimpien arvioiden mukaan 40 vuodeksi. Nopeassa skenaariossa

öljyvarat hupenevat jo aikaisemmin aiheuttaen öljypohjaisten polttoaineiden hintojen

radikaalin nousun lähivuosina. Hitaassa skenaariossa oletetaan löytyvän muutamia uu-

sia, pieniä öljylähteitä, joiden vaikutus öljypohjaisten polttoaineiden hintoihin on vähäi-

nen.

Toinen merkittävä tekijä ladattavien autojen yleistymisessä on akkuteknologian ke-

hitys. Juuri akusto on suurin este ladattavien sähköautojen määrän nopealle kasvulle täl-

lä hetkellä. Sen kapasiteetin mahdollistama rajoitettu toimintasäde sekä sen hidas lataa-

minen eivät pysty kilpailemaan polttomoottoriteknologian kanssa. Lisäksi akusto on

vielä erittäin kallis ja massiivinen. Perusskenaariossa oletetaan akuston kapasiteetin

kasvavan hitaasti samalla, kun sen massa pienenee. Nopean skenaarion edellytyksenä on

läpimurto akkuteknologian kehityksessä. Hitaassa skenaariossa akkuteknologian kehitys

on vähäistä.

Sarjatuotantoon päästessään akuston hinnan oletetaan luonnollisesti laskevan huo-

mattavasti. Jokaisessa skenaariossa oletetaan, että akkujen valmistukseen käytettävää

raaka-ainetta on saatavilla riittävästi. Lisäksi perusskenaariossa ja varsinkin nopeassa

skenaariossa akkujen tuotantokapasiteetin kasvu edellyttää uusia akkutehtaita.

Kysyntä vaikuttaa paljon ladattavien sähköautojen tarjontaan. Nopeassa skenaarios-

sa sähköautojen tarjontaa on erittäin paljon ja kilpailu on kova eri autonvalmistajien

kesken. Perusskenaariossakin tarjontaa on hyvin ja kilpailua kohtalaisesti. Hitaassa ske-

naariossa heikot autonvalmistajat kaatuvat ja tarjontaa on rajallisesti eikä kilpailua juu-

rikaan ole.

Kannustimet ovat merkittävässä roolissa sähköautokannan kehityksen alkuvaihees-

sa. Niitä voisi olla muun muassa kertaluontoinen hankintatuki, verohelpotukset tai ve-

rottomuus sekä bussi-kaistojen käytön salliminen ja ilmainen pysäköinti kaupunkien


keskustoissa. Nopean skenaarion kehitykseen vaikuttaisi usea kannustin, perusskenaa-

rioon yksi tai kaksi kannustinta, mutta hitaaseen skenaarioon ei liity kannustimia.

Sähköajoneuvot Suomessa -selvityksen kustannuslaskelmien mukaan ladattava hyb-

ridiauto olisi taloudellisesti kilpailukykyinen vaihtoehto useimmille suomalaisille, vaik-

ka sen tavoitehinta on useita tuhansia euroja (noin 6000 euroa) kalliimpi kuin vastaava

bensiini- tai dieselauto [2]. Kalliimpi hankintahinta korvautuisi pienemmillä käyttökus-

tannuksilla ajomäärästä riippuen. Tavoitehinnan saavuttaminen riippuu hyvin pitkälle

juuri edellä mainituista tekijöistä sekä latausinfrastruktuurin laajuudesta. Perusskenaa-

riossa oletetaan, että auton tavoitehintaan ei päästä nopealla aikataululla. Nopean ske-

naarion muiden tekijöiden avulla tavoitehintaan päästään nopeasti. Hitaassa skenaarios-

sa auton hinta lähestyy tavoitehintaa hitaasti, mutta pysyy kalliimpana koko tarkastelu-

ajanjakson ajan.

Kuvassa 2.1 on esitetty sähköautokannan kehitysennusteita Tampereen sähköverkon

(TSV) jakelualueella kolmessa eri skenaariossa. Näissä skenaarioissa henkilöautojen

kokonaismäärän lähtökohdaksi Tampereen Sähköverkon jakelualueella on otettu 90000

autoa, joista ladattavien autojen osuus on 0 % vuonna 2010. Seuraavien viisivuotisjak-

sojen aikana tarkasteluautokanta kasvaa 5000 autolla per jakso. Tämä oletus pohjautuu

Liikenteen turvallisuusvirasto Trafin ylläpitämiin tilastoihin, joiden mukaan Tampereen

alueella autokanta kasvaa noin 1000 auton vuosivauhtia [12]. Tämä taas perustuu väes-

tön ikääntymiseen ja Tampereen sekä sen ympäryskuntien positiiviseen muuttoliikkee-

seen.


0

20000

40000

60000

80000

100000

2010 2015 2020 2025 2030

Vuosi

Autoja

EV

PHEV

muut

EV+PHEV

a)

0

20000

40000

60000

80000

100000

2010 2015 2020 2025 2030

Vuosi

Autoja

EV

PHEV

muut

EV+PHEV

b)

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

2010 2015 2020 2025 2030

Vuosi

Autoja

EV

PHEV

muut

EV+PHEV

c)

Kuva 2.1. Sähköautokannan kehitysennusteet Tampereen sähköverkon jakelualueella

a) perusskenaariossa, b) nopeassa skenaariossa ja c) hitaassa skenaariossa.

Osa henkilöautoista (hälytysajoneuvot, hybridit, erikoisautot) tulee pysymään ei-

ladattavina ainakin koko tarkasteluajanjakson ajan, joten lähtökohdaksi valittu 90000

autoa on arvioitu maksimimäärä autoja, jotka voitaisiin periaatteessa korvata ladattavilla

autoilla TSV:n jakelualueella vuonna 2010. Tämän arvion perustana on Trafin tilasto,


jonka mukaan 31.12.2009 Tampereen liikenteessä olevien henkilöautojen määrä oli

84200 [12]. TSV:n alueella olevien henkilöautojen määrää kasvattaa hieman se, että

TSV:n verkko ulottuu pienin osin myös naapuripaikkakuntien (Kangasala, Lempäälä,

Pirkkala) puolelle. Lisäksi arviossa on huomioitu työ-, harrastus- ja ostosmatkat, joita

tehdään enemmän TSV:n ulkopuolelta TSV:n jakelualueelle kuin TSV:n alueelta sen

ulkopuolelle.

Ladattavien autojen määrän kehityksen lähtökohtana on käytetty yleisimpiä arvioita,

joiden mukaan Suomessa myytävistä uusista autoista 25 % on sähköverkosta ladattavia

autoja ja näistä 40 % olisi akkusähköautoja vuonna 2020. Tätä arviota on käytetty siis

perusskenaarion tapauksessa suoraan Tampereen ensirekisteröinteihin. Trafin tilastoista

käy ilmi, että Pirkanmaalla tehdään normaalina vuotena noin 10000 ensirekisteröintiä

[12]. Näistä puolet arvioidaan jäävän Tampereelle. Nopeassa skenaariossa sähköauto-

kannan kehitys on nopeampaa ja hitaassa skenaariossa hitaampaa kuin perusskenaarios-

sa.

Vuoden 2010 tarkasteluautokanta sisältää vain henkilöautoja, koska lyhyen aikavä-

lin markkinoille luvatuista ladattavista autoista lähes kaikki ovat henkilöautoja. Poltto-

moottoriautoista tehtävien sähköautokonversioiden joukossa on varmasti muitakin auto-

ja kuin henkilöautoja, mutta niiden määrä tulee olemaan pieni tarkasteluajanjakson al-

kupuolella. Tarkastelujakson loppupuolella tarkasteluautokantaan sisältyy myös ladatta-

via pakettiautoja ja ehkä myös paikallisliikenteen busseja.

Eri skenaarioiden ladattavien autojen määrän kasvuennusteet on luotu edellä mainit-

tujen tekijöiden pohjalta. Ladattavien autojen määrä ylittää tarkasteluautokannan muut

autot ainoastaan nopeassa skenaariossa tarkasteluajanjakson aikana vuonna 2029. Ak-

kusähköautokannan odotetaan seuraavan plug-in hybridejä muutaman vuoden viiveellä,

mutta tekniikan kehittyessä perus- ja nopeassa skenaariossa akkusähköautojen markki-

naosuuden arvioidaan kasvavan ladattavien hybridien osuutta suuremmaksi. Täten ak-

kusähköautojen kokonaismäärä lähenee ladattavien hybridien määrää tarkasteluajanjak-

son loppua kohti. Missään skenaariossa koko tarkasteluautokanta ei korvaudu ladattavil-

la autoilla tarkasteluajanjakson aikana.

2.2. Lataustavat

Yksi merkittävä tekijä sähköverkosta ladattavien autojen yleistymiselle on latausinfra-

struktuurin olemassaolo ja varsinkin sen laajuus. Yleisesti suomalainen infrastruktuuri

on varsin valmis vastaanottamaan sähköajoneuvoja, koska polttomoottorien esilämmi-

tyspistorasioita on melko kattavasti. Niistä suurin osa soveltuu tai on muutettavissa säh-

köajoneuvojen latauspisteiksi. Lisäksi suomalainen pienjänniteverkko on varustettu suh-

teellisen suuria kuormituksia (esimerkiksi sähkölämmitys, sähkökiuas, lämminvesiva-

raaja) varten. [2]

Latauspisteiden puutteesta aiheutuvat suurimmat ongelma-alueet ovat suurimpien

kaupunkien tiheimmin asutuilla alueilla. Tampereella niitä ovat kaupungin keskusta-

alue sekä osa Tammelan, Hervannan ja Kalevan kaupunginosia. Näille alueille tarvitaan


pysäköintitalojen, parkkipaikkojen ja ehkä jopa kadunvarsipysäköinnin yhteyteen huo-

mattava määrä latauspisteitä, kuten myös suurimpien kauppakeskusten pysäköintipai-

koille.

Tämän työn tarkasteluajanjakson yleisimmäksi, ehkä ainoaksi, lataustavaksi olete-

taan muodostuvan galvaanisen kytkennän sähköverkkoon tarvitseva tapa, joka voidaan

jakaa lataustehon mukaan kolmeen luokkaan: hidas lataus, puolinopea lataus ja pikala-

taus. Yksi vaihtoehto akkujen lataukselle on akustonvaihtopalvelu, joka tarkoittaa tyh-

jän akuston vaihtamista täyteen ladattuun akustoon huoltoasemalla. Sen oletetaan kui-

tenkin ainakin lähitulevaisuudessa olevan mahdotonta, koska akusto on fyysisesti iso ja

raskas, mikä vielä integroidaan automallikohtaisesti ajoneuvon rakenteisiin käytännölli-

syyden ja turvallisuuden takia. Siksi vaihtoakkuja ei käsitellä tämän enempää tässä työs-

sä.

Galvaaniselle kytkennälle vaihtoehtoinen ratkaisu on induktiivinen lataus, jossa

maahan ja auton pohjaan asennettujen metallilevyjen välille muodostetun magneettiken-

tän avulla luodaan virta lataamaan akkuja johdottomasti. Autovalmistajista ainakin Nis-

san kehittelee induktioon perustuvaa lataustapaa. Saksalainen järjestelmätoimittaja

WBT Datensysteme on jo testannut oman induktiolatausjärjestelmänsä prototyyppiä.

Saksalaisyrityksen visioissa on johdoton lataus pysäköintipaikkojen lisäksi valo-

ohjatuissa risteyksissä ja muissa samankaltaisissa paikoissa, joissa liikenne pysähtyy.

Mitään arvoja lataustehosta tai latausajasta ei ole käytettävissä. [13]

2.2.1. Hidas lataus

Hitaalla latauksella tarkoitetaan latauspistettä, joka on varustettu 10 – 16 ampeerin (A)

yksivaiheisella syötöllä. Kyseisillä syöttövirroilla ja 230 voltin (V) jännitteellä maksi-

milatausteho on 2,3 kilowattia (kW) tai 3,7 kW, jolloin latausajat ovat usean tunnin

luokkaa. Latausaikoja tarkastellaan tarkemmin luvussa 2.2.4.

Alkuvaiheessa lähes kaiken latauksen odotetaan tapahtuvan hitaalla latauksella. Pi-

demmälläkin aikajänteellä tämän lataustavan oletetaan jäävän yleisimmäksi, koska suu-

rin osa autoista on suurimman osan ajasta paikallaan, esimerkiksi öisin ja työaikoina.

Tällöin tarvitsee vain yksinkertaisesti liittää latausjohto autosta pistorasiaan. Lisäksi hi-

taalla latauksella saadaan akun varaustilaksi 100 %, akun käyttökertaiän vanheneminen

on hitaampaa ja se on turvallisin tapa, koska pienillä tehoilla akku ei pääse lämpene-

mään rajusti.

Hitaan latauksen latauspisteitä löytyy jo nyt paljon kotitalouksista, joissa on mah-

dollisuus polttomoottorin esilämmitykseen. Lisää tällaisia latauspisteitä tarvitaan erityi-

sesti työpaikoille ja pysäköintitaloihin, joissa autoja pysäköidään pitemmäksi ajaksi.


2.2.2. Puolinopea lataus

Puolinopealla latauksella tarkoitetaan latauspistettä, joka on varustettu 16 – 32 A kolmi-

vaiheisella syötöllä. Se mahdollistaa periaatteessa noin 11 – 22 kW maksimilataustehon,

jolloin latausajat ovat muutaman tunnin luokkaa.

Puolinopeaan lataukseen tarvittavia kolmivaihepistorasioita löytyy lähinnä vain

omakotitaloista. Siksi puolinopea lataustapa jää ainakin alkuvaiheessa hyvin pieneen

rooliin. Sopivasti sijoitetut latauspisteet esimerkiksi pysäköintitaloissa ja kauppakes-

kuksien pysäköintipaikoilla tulevat todennäköisesti nostamaan tämän lataustavan käyt-

tömäärää tulevaisuudessa.

2.2.3. Pikalataus

Pikalataus tarkoittaa satojen kilowattien tehoista lataustapaa, jolla akusto saadaan ladat-

tua 5-15 minuutissa. Jännitteeksi arvioidaan 10 minuutin latauksen vaativan 480 volttia

ja virraksi 500 – 1000 ampeeria [14]. Lisäksi se vaatii huoltoasematyyppisen latauspai-

kan, jonka liittymä on kytketty vähintään keskijänniteverkkoon.

Tällä hetkellä pikalatausasemia ei Suomesta löydy. Vaikka hitaasta latauksesta tulee

selvästi yleisin lataustapa, pikalatausasemien olemassaolo on edellytys akkusähköauto-

jen yleistymiselle, koska pikalatauksen avulla sähköauton toimintasädettä voidaan kas-

vattaa. Jakeluverkon kannalta edullisin vaihtoehto pikalataukselle olisi todennäköisesti

MWh-luokan suuruinen energiavarasto, jota ladattaisiin esimerkiksi yö-aikana ja josta

energiaa voisi purkaa nopeasti sähköautoihin. Näin jakeluverkko välttyisi valtavilta te-

hopiikeiltä ja täten suurilta vahvistusinvestoinneilta.

Pikalatauksen osalta on kuitenkin vielä paljon ongelmia ratkaistavana. Suurin on-

gelma liittyy puutteelliseen standardointiin. Kansainvälinen standardointikomitea IEC

TC 69 Electric road vehicles and electric industrial trucks on parhaillaan päivittämässä

olemassa olevaa IEC-61851-standardia muun muassa latausjärjestelmien, latausasemien

ja kytkentäpistokkeen osalta [15]. Pikalatausjärjestelmältä vaaditaan yksityiskohtaista

latausparametrien asettelua erilaisille akuille ja kennotyypeille [16]. Kytkentäpistokkeen

tulee olla turvallinen ja toimiva kaikissa kansainvälisissä sähköjärjestelmissä ilman

adapteria [17]. Pikalatauksen aiheuttamia turvallisuusongelmia ovat akkujen ylikuume-

neminen ja ylilataus, jotka saattavat johtaa akun käyttökertaiän vanhenemiseen ja pa-

himmillaan akun räjähdykseen.

2.2.4. Lataustapojen vertailu

Lataustavat eroavat toisistaan lähinnä lataustehon ja -ajan suhteen. Lataustehon nimelli-

nen maksimi saadaan jännitteen ja virran tulona. Hitaan latauksen todellinen latausteho

(P), jolla akku vastaanottaa energiaa, saadaan kaavasta (2.1).

( ) ηα ⋅−⋅⋅= 1IUP (2.1)


Kaavassa (2.1) vaihejännitteen (U) ja vaihevirran (I) tulo kerrotaan laturin ja akun

yhteisellä hyötysuhteella (η) sekä tekijällä (1-α), missä α on laturin turvamarginaali.

Puolinopean latauksen todellinen teho saadaan, kun kerrotaan kaava (2.1), jossa U on

pääjännite, luvulla 3 , koska kyseessä on kolmivaiheinen lataus. Pikalataus suoritetaan

tasavirralla (DC) ja sen todellinen latausteho saadaan myös kaavasta (2.1). Tässä tapa-

uksessa U on akun napajännite ja I on akkupaketin navan sisään menevä virta.

Lataustapojen vertailu on tiivistetty taulukkoon 2.3. Todellisen lataustehon lasken-

nassa on käytetty laturin turvamarginaalina (α) 20 %. Sillä varmistetaan, että ylivir-

tasuojaus ei laukea normaalitoiminnassa. Laturin ja akun kokonaishyötysuhteeksi (η)

saadaan 81 %, kun oletetaan laturin hyötysuhteeksi 90 % ja akun hyötysuhteeksi 90 %.

Taulukko 2.3. Lataustapojen vertailu.

Latausaika, (SOC 0-100%) Lataustapa

Jännite (V)

Virta (A)

Nimellis-teho (kW)

Todellinen latausteho (kW)

Ampera (16kWh)

Leaf (24kWh)

Roadster (53 kWh)

230 10 2,3 1,5 11 h 16 h 35 h Hidas lataus (AC, 1-vaih.) 230 16 3,7 2,4 7 h 10 h 22 h

400 16 11,1 7,2 2 h 13 min 3 h 20 min 7 h 22 min

400 20 13,8 9,0 1 h 47 min 2 h 40 min 5 h 53 min

400 25 17,3 11,2 1 h 26 min 2 h 8 min 4 h 44 min

Puolinopea lataus

(AC, 3-vaih.) 400 32 22,2 14,3 1 h 7 min 1 h 40 min 3 h 43 min

480 500 240 155,5 6 min 9 min 20 min Pikalataus (DC) 480 600 288 186,6 5 min 8 min 17 min

Latausajat riippuvat lataustavan lisäksi enimmäkseen akuston kapasiteetista. Esi-

merkiksi plug-in-hybridi Opel Amperan 16 kilowattitunnin (kWh) akkukapasiteetin la-

taus tyhjästä täyteen (SOC, state of charge 0-100 %) kestäisi 7 tuntia 16 A syötöllä. Ak-

kusähköauto Nissan Leafin 24 kWh:n akusto täyttyisi 10 tunnissa ja Tesla Roadsterin

53 kWh:n akusto 22 tunnissa.

Todellisuudessa latausajat ovat lyhyempiä, koska akku on hyvin harvoin, jos kos-

kaan, latauksen alkaessa täysin tyhjä. Latausajoista voi kuitenkin päätellä, että hidas la-

taus soveltuu parhaiten kotitalouksiin yöaikana suoritettavaksi ja työpaikoille työajaksi.

Puolinopean latauksen 1-4 tunnin latausajan voi kuluttaa muun muassa ostoksilla. Siksi

kauppakeskuksien pysäköintialueet ovat otollisia paikkoja puolinopean latauksen la-

tauspisteille. Koska pikalatauksen tärkein tehtävä on kasvattaa akkusähköautojen toi-

mintasädettä, pikalatausasemien pääasiallisena sijaintipaikkana Tampereella toimisi hy-

vin vilkasliikenteisten teiden varret kaupungin ympärillä. Pikalatausasemien sijoituk-

seen vaikuttaa myös liityntämahdollisuus keskijänniteverkkoon.

Periaatteessa autoon voidaan asentaa mahdollisuus kaikille edellä mainituille kol-

melle lataustavalle. Käytännössä latausjärjestelmän yksinkertaisuuden ja parhaan mah-

dollisen hyötysuhteen saavuttamiseksi jännitetasoltaan noin 400 voltin akku soveltuisi

parhaiten yksivaiheiseen lataukseen ja 650 – 750 V:n akku kolmivaihelataukseen [2].

13 13

3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KY-

SYNTÄMALLEILLA

Sähköautokannan kasvu ja siten sähköautojen lisääntyvä lataus luo haasteita sähköver-

kon sähkönsiirtokyvylle. Ladattavista sähköautoista aiheutuva vuotuinen sähkön siirron

lisäys on yksi kiinnostavimmista asioista verkkoyhtiölle. Nykyisen henkilöautokannan

sähköistäminen aiheuttaisi yli 200 GWh sähkön siirron lisäyksen TSV:n jakelualueella.

Koska sähköautokannan kehitystä on hyvin vaikea arvioida, seuraavaksi esitellään säh-

kön siirron lisäys kolmessa eri skenaariossa, jotka esiteltiin luvussa 2.1. Sähköautokan-

nan kasvuennusteet.

Sähköautoista aiheutuvaan sähkön siirron lisäykseen vaikuttava suurin tekijä on la-

dattavien sähköautojen määrä. Laskennan yksinkertaistamiseksi keskimääräinen sähkö-

autotyyppikohtainen ajosuorite ja energian kulutus sekä latauksen hyötysuhde ja plug-in

hybridin ajosuoritteen sähköinen osuus pidetään vakiona kaikissa skenaarioissa koko

tarkasteluajanjakson ajan. Perusskenaariossa ja varsinkin nopeassa skenaariossa voisi

olettaa, että ladattavien sähköautojen ajosuoritteet tulevat kasvamaan. Toisaalta odotet-

tavissa on, että energian kulutus tulee pienenemään ja latauksen hyötysuhde tulee kas-

vamaan, mikä kompensoi tilannetta hieman. Energian kulutuksen pienenemistä tosin

tulee hidastamaan sähköautojen todennäköinen kasvu nykyisestä teho- ja kokoluokas-

taan.

Ajosuoritteita arvioitaessa on käytetty lähtökohtana vuonna 2006 valmistunutta hen-

kilöliikennetutkimusta, jonka mukaan tamperelaisten keskimääräinen matkasuorite on

38,8 km/henkilö päivittäin [18]. Tästä puolet suoritetaan henkilöautolla TASE 2025 Lii-

kenteen nykytila Tampereen seudulla -raportin mukaan [19]. Lisäksi, kun huomioidaan

Tampereen asukasluku, päivien lukumäärä vuodessa ja Tampereelle rekisteröidyt henki-

löautot, saadaan keskimääräiseksi ajosuoritteeksi noin 15000 km/henkilöauto vuodessa.

Koska plug-in hybridin ja polttomoottoriauton käyttömahdollisuudet ovat hyvin lähellä

toisiaan, sillä saavutetaan helposti keskimääräinen 15000 km vuosittainen ajosuorite,

jota käytetään tämän luvun laskuissa. Akkusähköauton hitaan latauksen ja pienemmän

toimintasäteen takia ykkösautona käytettävälle sähköautolle (EV1) käytetään 10000 km

ajosuoritetta. Lisäksi kakkos-/kaupunkiautona käytettävän sähköauton (EV2) ajosuorit-

teena käytetään 5000 km.

Sähköautojen nimelliseksi energian kulutukseksi ilmoitetaan yleisesti 0,10 – 0,15

kWh/km. Suomen olosuhteissa energian kulutus on todellisuudessa 0,15 – 0,20 kWh/km

muun muassa kylmästä aiheutuvan itsepurkautumisen takia. Täten laskuissa käytetään

keskimääräisenä energian kulutuksen arvona pienikokoiselle EV2:lle 0,15 kWh/km sekä

isompikokoiselle EV1:lle ja PHEV:lle 0,20 kWh/km. Kulutuksen oletetaan sisältävän

3. SÄHKÖN SIIRRON LISÄYS ERILAISILLA KYSYNTÄMALLEILLA 14

kaikki häviöt, mukaan lukien latauksesta aiheutuvat häviöt. Lämmitys- ja jäähdytysjär-

jestelmien tarvitsema energia on osaltaan huomioitu näissä luvuissa. Käytännössä läm-

mitys hoidettaneen bensiini- tai dieselkäyttöisellä lämmittimellä. Jäähdytysenergian

tuottamiseen on kokeiltu muun muassa auton katolle asennettuja aurinkokennoja.

Plug-in hybridien sähköisenä ajo-osuutena käytetään 70%, koska tämän hetkinen 60

km keskimääräinen sähköinen ajomatka riittää useimmille suomalaisille päivittäiseen

ajoon.

3.1. Latausenergian laskentakaava

Ladattavista autoista aiheutuva vuotuinen sähkön siirron tarve eli toisaalta lataukseen

tarvittava kokonaisenergia saadaan kaavasta (3.1).

( ) ( ) ( )β⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅=∆ PHEVPHEVPHEVEVEVEVEVEVEV esnesnesnE 222111 (3.1)

Kaavassa (3.1) latausenergian suuruuteen vaikuttavat ladattavien autojen määrä (n),

niillä ajettu keskimääräinen ajosuorite (s) ja auton keskimääräinen energiankulutus (e).

Lisäksi täytyy ottaa huomioon ladattavan hybridin osalta myös keskimääräinen sähköllä

ajettu osuus (β).

Alaindeksit kaavan (3.1) muuttujissa viittaavat akkusähköautoon (EV) ja ladatta-

vaan hybridiautoon (PHEV). Akkusähköautojen jako kahteen ryhmään, ykkös- (EV1)

ja kakkos-/kaupunkiautoiksi (EV2), on oleellinen siksi, että niiden merkitys eroaa toisis-

taan huomattavasti ja lisäksi niiden kehitys suhteessa toisiinsa on eri skenaarioissa eri-

lainen.

3.2. Perusskenaario

Perusskenaariolla jäljitellään yleisimpien ennusteiden mukaista sähköautokannan kehi-

tystä. Tässä skenaariossa kymmenen vuoden kuluttua ladattavien sähköautojen osuus

olisi noin 6 % autoista. Akkusähköautojen osuus on noin 2 %. Vuonna 2030 osuudet

ovat vastaavasti noin 37 % ja 17 %. Perusskenaarion sähköautoista aiheutuvan sähkön

siirron tarpeen laskennassa käytetyt ladattavien autojen määrät on listattu taulukkoon

3.1.

Taulukko 3.1. Ladattavat autot perusskenaariossa.

2010 2015 2020 2025 2030

nEV2 0 200 1200 3200 7000

nEV1 0 0 600 3800 12000

nPHEV 0 1200 4300 11000 22000

Yhteensä 0 1400 6100 18000 41000


Kuvassa 3.1 on esitetty sähköautoista aiheutuva sähkönsiirron lisäys 20 seuraavan

vuoden ajalta perusskenaariossa.

0

20

40

60

80

100

120

2010 2015 2020 2025 2030

Vuosi

Sähkön siirron lisäys / GWh

Kuva 3.1. Sähkön siirron lisäys perusskenaariossa.

Kuvasta 3.1 havaitaan, että vuonna 2020 ladattavien sähköautojen takia Tampereen

Sähköverkon jakeluverkossa täytyy siirtää reilu 11 GWh sähköä muun kulutuksen lisäk-

si. Tämä vastaa alle 1 % sähkön siirron kasvua, koska Tampereen Sähköverkon vuotui-

nen sähkön siirtotarve on tällä hetkellä 1800 – 1900 GWh. Vastaavasti vuonna 2030 lu-

ku on noin 75,5 GWh, mikä vastaa noin 4 % kasvua nykyisestä.

Katkoviiva kuvassa 3.1 kuvaa ladattavien autojen energiankulutuksen herkkyyt-

tä. Siinä kaikkien autojen energiankulutukseksi on asetettu 0,15 kWh/km.

3.3. Nopea skenaario

Nopeassa skenaariossa sähköautokanta kasvaa perusskenaariota nopeammin. Taulukos-

sa 3.2 on esitetty ladattavien autojen määrät, joita käytetään nopean skenaarion tarkaste-

lussa. Tässä skenaariossa ladattavien autojen osuus on vuonna 2020 11 % ja akkusähkö-

autojen osuus 3 %. Vuonna 2030 osuudet ovat vastaavasti noin 56 % ja 25 %.

Taulukko 3.2. Ladattavat autot nopeassa skenaariossa.

2010 2015 2020 2025 2030

nEV2 0 250 1600 5800 10000

nEV1 0 50 1400 7700 18000

nPHEV 0 1400 8000 20000 34000

Yhteensä 0 1700 11000 33500 62000


Kuvassa 3.2 on esitetty sähköautoista aiheutuva sähkön siirron lisäys nopeassa ske-

naariossa.

0

20

40

60

80

100

120

2010 2015 2020 2025 2030

Vuosi


Kuva 3.2. Sähkön siirron lisäys nopeassa skenaariossa.

Kuvasta 3.2 havaitaan, että nopeassa skenaariossa vuonna 2020 sähköautoihin siir-

rettävä energiamäärä on lähes 21 GWh, mikä vastaa hieman yli 1 % kasvua nykyisestä

siirtomäärästä. Vastaavasti vuonna 2030 luku on lähes 115 GWh, mikä vastaa hieman

yli 6 % kasvua. Näin ollen sähkönsiirtokapasiteetin näkökulmasta latauksen vaatiman

energian osalta ei tule ongelmia tarkasteluajanjakson aikana.

3.4. Hidas skenaario

Hitaassa skenaariossa sähköautokanta kasvaa perusskenaariota hitaammin. Taulukossa

3.3 on esitetty ladattavien autojen määrät, joita käytetään hitaan skenaarion laskuissa.

Tässä skenaariossa ladattavien autojen osuus on vuonna 2020 2 % ja akkusähköautojen

osuus 0,5 %. Vuonna 2030 osuudet ovat vastaavasti lähes 14 % ja lähes 5 %.

Taulukko 3.3. Ladattavat autot hitaassa skenaariossa.

2010 2015 2020 2025 2030

nEV2 0 50 500 1200 3000

nEV1 0 0 0 500 2000

nPHEV 0 350 1500 5000 10000

Yhteensä 0 400 2000 6700 15000


Kuvassa 3.3 on esitetty sähköautoista aiheutuva sähkön siirron lisäys hitaassa ske-

naariossa.

0

20

40

60

80

100

120

2010 2015 2020 2025 2030

Vuosi


Kuva 3.3. Sähkön siirron lisäys hitaassa skenaariossa.

Kuvan 3.3 mukaan hitaassa skenaariossa vuonna 2020 sähköautoihin siirrettävä

energiamäärä on noin 3,5 GWh, mikä vastaa noin 0,2 % kasvua nykyisestä siirtomääräs-

tä. Vastaavasti vuonna 2030 luku on reilu 27 GWh, mikä vastaa noin 1,5 % kasvua.

18

4. KUORMITUSKÄYRÄT

Kuormituskäyrillä kuvataan kuormitusten ajallista vaihtelua. Suomen Sähkölaitosyhdis-

tys (nykyään Energiateollisuus ry, ET) on määritellyt kattavan kokoelman tyyppikuor-

mituskäyriä Suomen eri asiakastyypeille laajojen mittausten perusteella 90-luvun alku-

puolella [20]. Nämä käyrät ovat edelleen muokattuina laajassa käytössä jakeluverkkojen

tehonjakolaskennassa. Etäluettavien sähkönkulutusmittareiden käyttöönoton myötä ti-

lanne muuttunee lähivuosina, kun saadaan tarpeeksi mittausdataa tuntisarjoina. Tällöin

voidaan muodostaa tarkempia asikasryhmäkohtaisia ja jopa asiakaskohtaisia kuormi-

tusmalleja.

Kuormituskäyrät esitetään keskiarvon ja hajonnan avulla normaalijakautuneena suu-

reena eli ne ovat luonteeltaan tilastollisia. Hajonta kuvaa kuormitusmallinnuksen epä-

varmuutta. Lisäksi kuormituskäyrämallit sisältävät kymmenen erikoispäivää (esimer-

kiksi joulu ja uudenvuodenaatto) ja lämpötilariippuvuuden mallintamisen. Kuormitus-

käyrät esitetään indeksisarjoina. Siinä kuormituskäyrä koostuu 26 niin kutsutusta ulkoi-

sesta kaksiviikkoindeksistä, jotka kuvaavat kulutuksen kausittaista vaihtelua vuoden

aikana. Vuorokauden tuntivaihtelut kuvataan 24 niin kutsutulla sisäisellä tunti-indeksillä

erikseen kolmelle päivätyypille. Päivätyypit ovat arki-, aatto-, ja pyhäpäivä. Tunti-

indeksit kuvaavat siis kuormituksen vaihtelua kaksiviikkojaksojen sisällä. Indeksisarjat

ovat suhteellinen esitystapa ja niiden soveltaminen vaatii aina tutkittavan kohteen vuo-

sienergian tietämisen. Tietyn asiakkaan tuntikeskiteho lasketaan kuormitusindekseillä

kaavan (4.1) mukaisesti. [20]

TSUW

P ititiit ∆⋅⋅⋅⋅= δ

1001008760, (4.1)

missä Pit on kuluttajan i keskituntiteho ajanhetkellä t

Wi on kuluttajan i vuosienergia

Uit on ulkoinen kaksiviikkoindeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t

Sit on sisäinen tunti-indeksi kuluttajalle i ajanhetkellä t

δ on lämpötilariippuvuusindeksi

∆T on poikkeama ajanhetken t keskilämpötilasta

Kuormituskäyrät voidaan muodostaa myös tuntikeskitehosarjana. Tällöin tuntikeskite-

hojen summa vuoden ajalta on sama kuin vuosienergia. Tuntikeskitehosarjan muuttami-

nen indeksisarjaksi käsitellään tarkemmin luvussa 4.2. Tuntitehosarjan muutos indek-

sisarjaksi.

4. KUORMITUSKÄYRÄT 19 19

Tätä diplomityötä tehdessä ladattavien autojen latauskuormamalleja ei ole julkais-

tussa muodossa olemassa. Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan lai-

toksen tutkija Antti Rautiainen on kuitenkin määritellyt osana väitöskirjatyötään kysei-

siä kuormituskäyriä, joita saatiin tämän diplomityön käyttöön. Käyrät ovat autokohtaisia

ja ne on määritelty ladattavalle hybridille, koska niiden oletetaan yleistyvän aikaisem-

min kuin akkusähköautojen [21]. Näiden latausmallien käyrämuotoja käytetään tämän

työn laskentaosuudessa, mutta vuosienergiat hieman vaihtelevat, koska tarkasteltavana

on kaupunkiverkko ja ladattavien autojen autokantaan sisältyy myös akkusähköautoja.

Käyrissä ei ole huomioitu V2G- ja V2H-toiminnallisuuksia eli energian takaisinsyöttöä

verkkoon ja ladattavan auton käyttöä kodin varavoimana [21]. Näitä toiminnallisuuksia

ei tarkastella myöskään tässä työssä.

Kuormamallien tutkimusraportista käy ilmi, että auton latauksen kuormitusmallit

ovat hyvin monivaikutteisia, koska niihin sisältyy useita oletuksia [21]. Niinpä luotetta-

vampia malleja pystytään tekemään vasta käytännön kokemuksen ja mittaustietojen pe-

rusteella. Tässä työssä käytettävät latausmallit ovat kuitenkin luotettavimmat mallit, joi-

ta työn kirjoitushetkellä oli saatavilla. Kun mallit kokemuksen ja tiedon mukana päivit-

tyvät, on verkkoyhtiön kannattavaa tehdä sama tarkastelu uudelleen.

4.1. Tuntitehosarjan muutos indeksisarjaksi

Verkostolaskentaa varten saadut kuormamallit on esitetty tuntikeskitehosarjoina. Las-

kenta suoritetaan Teklan Xpower-verkkotietojärjestelmällä ja tämä ohjelma vaatii

kuormituskäyrät indeksisarjoina. Siksi tässä luvussa perehdytään tarkemmin tuntiteho-

sarjan muuttamiseen indeksisarjaksi.

Saadut kuormamallit on jaettu kahdelle eri kaudelle. Talvikausi käsittää ajanjakson

syyskuusta huhtikuun loppuun ja kesäkausi ajanjakson toukokuusta elokuun loppuun

[21]. Täten talvikauden viikkojen lukumäärä on 34 ja vastaavasti kesäviikkojen luku-

määrä on 18. Nämä luvut puolittamalla saadaan kaksiviikkojaksojen lukumäärät.

Ulkoinen kaksiviikkoindeksi määritetään tuntitehosarjan perusteella talvikaudelle

kaavalla (4.2) ja kesäkaudelle kaavalla (4.3). Kaavojen kerroin 2600 on vuoden kaksi-

viikkoindeksien summa.

summaentuntitehojvuodenkoko

summaentuntitehojntalviviiko

lkmojenviikkojaksntalvikaude

lkmviikkojenntalvikaudeU iT

___

__

_2_

__2600 ⋅

−⋅=

(4.2)

summaentuntitehojvuodenkoko

summaentuntitehojkesäviikon

lkmojenviikkojakskesäkauden

lkmviikkojenkesäkaudenU iK

___

__

_2_

__2600 ⋅

−⋅=

(4.3)

4. KUORMITUSKÄYRÄT 20

Sisäinen tunti-indeksi saadaan tuntitehosarjan perusteella kaavojen (4.4) ja (4.5) avulla.

Kaavan (4.4) kerroin 16800 on viikon tunti-indeksien summa eli arkipäiväindeksien

summa kerrottuna viidellä lisättynä aatto- ja pyhäpäivien indeksien summalla.

viikossalkmnpäivätyypisummaentuntitehojnvrk

tuntitehohtunninBS i

__

1

__:

__16800 ⋅⋅⋅= , (4.4)

jossa

summaentuntitehojviikonkoko

viikkossasummaentuntitehojnpäivätyypitietynB

___

____= (4.5)

Indeksien vastaavuus tuntitehoihin voidaan tarkistaa kaavalla (4.1). Lämpötilariippu-

vuutta ei ole huomioitu tämän luvun kaavoissa.

4.2. Sähköautojen latauksen indeksisarjat

Tässä luvussa tarkastellaan laskennassa käytettäviä sähköautojen latauksen kuormitus-

käyriä. Käyrät on muodostettu viimeisimmän valtakunnallisen henkilöliikennetutkimuk-

sen (2004-05) mukaisten ajotottumusten pohjalta. Koska ajotottumukset vaihtelevat

vuodenajan ja viikonpäivän mukaan, latausmallit on määritelty eri asumistyyppien mu-

kaan kahdelle eri kaudelle ja kolmelle eri päivätyypille [21]. Kaudet ovat talvi ja kesä,

päivätyypit ovat arki, aatto ja pyhä.

Kuormamallien jakaminen vain kahdelle kaudelle keskiarvoistaa latauksen vaikutus-

ta kyseisen ajanjakson sisällä. Tällöin malli ei ota huomioon kovin hyvin ääritilanteita,

esimerkiksi tammi-helmikuun pakkasia. Ulkolämpötilalla on merkittävä vaikutus lataus-

tarpeeseen ja tällöin suurin kulutus tulee ajoille, jolloin muutenkin on huippukuorma.

Tarkemmaksi mallin saisi määrittämällä erilliset latauskäyrät useammalle ja lyhyem-

mälle ajanjaksojalle vuoden sisällä. Periaatteessa jokaisella kaksiviikkojaksolla voisi

olla oma indeksi.

Latauskuormamallien käyttöä hankaloittaa se, että latauskuorma ei ole normaalija-

kautunut kuorma [21]. Verkkotietojärjestelmään kuormituskäyrä luodaan erillisten kes-

kiarvo- ja keskihajontakäyrän avulla. Ongelmaksi muodostuu se, että järjestelmä laskee

haluttua alittumistodennäköisyyttä vastaavat kuormien arvot olettaen kuormituksen ole-

van normaalijakautunut. Tämän vuoksi malleista on määritelty keskiarvokäyrän lisäksi

eri luottamustason omaavia keskiarvon ja keskihajonnan yhdistelmäkäyriä [21]. Verk-

kotietojärjestelmässä saadaan siis hajonta laskentaan mukaan käyttämällä näitä yhdis-

telmäkäyriä suoraan keskiarvokäyränä jättäen hajontakäyrä nolla-käyräksi.

Tämän työn keski- ja pienjänniteverkkojen laskennassa käytetään keskiarvokäyriä,

koska näissä tapauksissa latausmassaa on sen verran paljon, että yksittäisten latauskäyt-

töpaikkojen hajontojen voidaan olettaa kumoutuvan. Keskiarvokäyrät eivät siis sisällä

hajontaa. Kotitalousliittymien tarkastelussa täytyy käyttää hajontaa sisältäviä lataus-


käyriä, koska niissä latausmassa liittymää kohden jää pieneksi ja lataus painottuu toden-

näköisemmin tiettyyn ajankohtaan päivästä.

Kuvassa 4.1 on esitetty omakotitaloliittymällä tapahtuvan latauksen talviarkipäivän

keskimääräinen kuormitus tuntitehoina eri luottamustasoilla. Luottamustaso ilmaisee,

millä todennäköisyydellä todellinen kuorma jossakin verkon pisteessä on pienempi kuin

laskennassa käytetty kuorman arvo eli kyseessä on alittumistodennäköisyys. Kuvasta

nähdään hyvin eri luottamustasojen ero kuormitukseen. Hajonnan osuus on merkittävä.

Käyrien leikkautuminen 3 kW:n kohdalla johtuu siitä, että käyrät kuvaavat yhden auton

latausta laturilla, jonka teho on 3 kW. Kuvassa 4.1, kuten muissakin tämän luvun kuvaa-

jissa, päivätyyppi alkaa kahdeksannella tuntiarvolla (klo 7-8), koska se on verkkotieto-

järjestelmän oletus.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7

Arkipäivän tunti

Energia (kWh)

KA, arki

90 %, arki

95 %, arki

99 %, arki

Kuva 4.1. Talviarkipäivän kuormitus tuntitehoina eri luottamustasoilla omakotitalola-

taukselle.

Kun tarkastellaan latauksen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon, esimerkiksi jakelu-

muuntajille summautuu niin monta latauspistettä, että keskiarvokäyrän käyttö on perus-

teltua. Kun taas tarkastellaan esimerkiksi omakotitaloliittymää, jossa ladataan ehkä yhtä

tai kahta sähköautoa, täytyy käyttää toisenlaista käyrää. Kuvan 4.1 käyristä 95 % luot-

tamustasokäyrää käytetään tämän työn liittymätarkastelussa, koska siinä lataus painot-

tuu iltapäivään. Tältä osin myös eri päivätyyppien ja kausien sekä rivi- / kerrostalo-

käyrien erot luottamustasoissa noudattavat hyvin samaa linjaa kuin kuvassa 4.1.


4.2.1. Omakotitalo

Laskennassa käytetyt keskiarvokäyrän ulkoiset kaksiviikkoindeksit omakotitalolatauk-

selle on esitetty taulukossa 4.1 ja sisäiset tunti-indeksit kuvassa 4.2.

Taulukko 4.1. Ulkoiset kaksiviikkoindeksit omakotitalolataukselle, keskiarvo.

2-viikkojakso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ulk. indeksi 98 98 98 98 98 98 98 98 98 104 104 104 104

2-viikkojakso 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Ulk. indeksi 104 104 104 104 104 98 98 98 98 98 98 98 98

0

50

100

150

200

250

300

350

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

talvi

kesä

Kuva 4.2. Sisäiset tunti-indeksit omakotitalolataukselle, keskiarvo.

Kuvasta 4.2 havaitaan, että omakotitalolataus painottuu iltoihin. Liittymätarkastelus-

sa käytettävän 95 % luottamustasokäyrän kaksiviikkoindeksit on esitetty taulukossa 4.2.

ja tunti-indeksit kuvassa 4.3. Tässä on siis mukana myös hajonta.

Taulukko 4.2. Ulkoiset kaksiviikkoindeksit omakotitalolataukselle, 95 % luottamustaso.

2-viikkojakso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ulk. indeksi 96 96 96 96 96 96 96 96 96 107 107 107 107

2-viikkojakso 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Ulk. indeksi 107 107 107 107 107 96 96 96 96 96 96 96 96

arki aatto pyhä


0

50

100

150

200

250

300

350

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

talvi

kesä

Kuva 4.3. Sisäiset tunti-indeksit omakotitalolataukselle, 95 % luottamustaso.

Indeksiarvoja tarkasteltaessa täytyy olla tarkkana, sillä huomioon on aina otettava

sekä ulkoinen että sisäinen indeksi. Lisäksi vaikka kuvassa 4.3 suurin indeksiarvo on

pienempi kuin kuvassa 4.2, täytyy huomioida, että 95 % luottamustasolla mallin vuo-

sienergia on huomattavasti suurempi, koska se sisältää myös hajonnan osuuden. Näin

ollen 95 % luottamustasomallin huipputeho on suurempi kuin keskiarvomallissa, mikä

näkyy seuraavasta kuvasta.

Kuvaan 4.4 on piirretty havainnollisuuden vuoksi edellä esitettyjen indeksisarjojen

mukaiset tuntitehosarjat, joiden mukaan tämän työn laskennat tehdään. Kuvan tuntitehot

on laskettu kaavan 4.1 mukaan käyttäen vuosienergioita (keskiarvokäyrälle 1600 kWh

ja 95 % luottamustasokäyrälle 13373 kWh), jotka määritellään myöhemmissä luvuissa.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

Energia (kWh)

KA, talvi KA, kesä 95 %, talvi 95 %, kesä

Kuva 4.4. Omakotitalolatauksen kuormitusmallin keskiarvo- ja 95 % luottamus-

tasokäyrä tuntitehosarjoina.

arki

arki aatto

aatto

pyhä

pyhä


4.2.2. Rivi- / kerrostalo ja tavaratalo

Rivi- ja kerrostalolataukselle on määritelty yhteinen kuormituskäyrä. Tämän kuormi-

tusmallin keskiarvokäyrän ulkoiset indeksit on esitetty taulukossa 4.3 ja sisäiset tunti-

indeksit kuvassa 4.5.

Taulukko 4.3. Ulkoiset kaksiviikkoindeksit rivi-, kerros- ja tavaratalolataukselle, kes-

kiarvo. 2-viikkojakso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ulk. indeksi 99 99 99 99 99 99 99 99 99 101 101 101 101

2-viikkojakso 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Ulk. indeksi 101 101 101 101 101 99 99 99 99 99 99 99 99

0

50

100

150

200

250

300

350

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

talvi

kesä

Kuva 4.5. Sisäiset tunti-indeksit rivi-, kerros- ja tavaratalolataukselle, keskiarvo.

Kuvasta 4.5 havaitaan, että myös tässä tapauksessa kuormitus painottuu iltapäivään

ja iltaan. Koska kaupassa käynti on yleisintä iltapäivisin ja viikonloppuisin, samaa käy-

rää käytetään myös elintarvike- ja vähittäiskauppojen sekä tavaratalojen pysäköintialu-

eilla tapahtuvan latauksen mallintamiseen.

Taulukossa 4.4 on esitetty rivi-, kerros ja tavaratalolatauksen ulkoiset indeksit ja ku-

vassa 4.6 sisäiset indeksit 95 % luottamustasolla.

Taulukko 4.4. Ulkoiset kaksiviikkoindeksit rivi-, kerros- ja tavaratalolataukselle, 95 %

luottamustaso. 2-viikkojakso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ulk. indeksi 99 99 99 99 99 99 99 99 99 102 102 102 102

2-viikkojakso 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Ulk. indeksi 102 102 102 102 102 99 99 99 99 99 99 99 99

arki aatto pyhä


0

50

100

150

200

250

300

350

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

talvi

kesä

Kuva 4.6. Sisäiset tunti-indeksit rivi-, kerros- ja tavaratalolataukselle, 95 % luottamus-

taso.

Kuvassa 4.7 on esitetty edellä esitettyjen indeksisarjojen mukaiset tuntitehosarjat ri-

vitalolataukselle. Rivitalolatauksen vuosienergia on keskiarvokäyrällä 1600 kWh ja 95

% luottamustasokäyrällä 11249 kWh.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

Energia (kWh)


Kuva 4.7. Rivitalolatauksen kuormitusmallin keskiarvo- ja 95 % luottamustasokäyrä

tuntitehosarjoina.

Kerrostalolataukselle käytetään samaa käyrämuotoa kuin rivitalolataukselle, mutta

koska kerrostalolatauksen vuosienergiana käytetään 1100 kWh keskiarvokäyrälle, sen

tuntitehot eroavat rivitalolatauksen tuntitehoista. Kerrostalolatauksen tuntitehosarjat on

esitetty kuvassa 4.8.

arki

arki

aatto

aatto

pyhä

pyhä


0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

Energia (kWh)


Kuva 4.8. Kerrostalolatauksen kuormitusmallin keskiarvo- ja 95 % luottamustasokäyrä

tuntitehosarjoina.

Laskennassa käytetyn tavarataloja pysäköintitalolatauksen kuormitus tuntitehosar-

joina näyttää kuvan 4.9 kaltaiselta. Vuosienergiana käytetään perusskenaariossa (ps)

304000 kWh ja nopeassa skenaariossa (ns) 480000 kWh.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

Energia (kWh)

KA, talvi, ps KA, kesä, ps KA, talvi, ns KA, kesä, ns

Kuva 4.9. Tavaratalo- ja pysäköintitalolatauksen kuormitusmallin keskiarvokäyrät tun-

titehosarjoina perusskenaariosssa (ps) ja nopeassa skenaariossa (ns).

arki

arki

aatto

aatto

pyhä

pyhä


4.2.3. Työpaikka

Työpaikkalatauksen kuormitusmalli on määritelty rivi- ja kerrostaloasujien tutkimusda-

tasta [22]. Kyseinen käyrä sisältää siis rivi- tai kerrostalossa asuvan henkilön auton lata-

uksen työpaikalla. Tätä mallia käytetään siksi, että tarkasteltavalla verkkoalueella suurin

osa ihmisistä asuu rivi- tai kerrostaloissa.

Taulukko 4.5 sisältää laskennassa käytetyt työpaikkalatauksen ulkoiset indeksit ja

kuva 4.10 sisäiset indeksit.

Taulukko 4.5. Ulkoiset kaksiviikkoindeksit työpaikkalataukselle. 2-viikkojakso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ulk. indeksi 104 104 104 104 104 104 104 104 104 92 92 92 92

2-viikkojakso 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Ulk. indeksi 92 92 92 92 92 104 104 104 104 104 104 104 104

0

100

200

300

400

500

600

700

800

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

talvi

kesä

Kuva 4.10. Sisäiset tunti-indeksit työpaikkalataukselle.

Koska yleisin työaikamuoto on päivätyö, painottuu työpaikkalataus arkiaamuihin,

kuten kuvasta 4.10 selkeästi havaitaan. Työpaikkalatauskäyrissä oletetaan, että lataus

aloitetaan heti auton saavuttua työpaikalle ja että lämmitysverkostot on muokattu lata-

ukseen sopiviksi muun muassa poistamalla lämmitystolpista kellokytkimet. Todennä-

köisesti kahden tunnin kellokytkimiä on kuitenkin käytössä vielä pitkään.

arki aatto pyhä


Tuntitehosarjoina työpaikkalatauksen kuormitus näyttää kuvan 4.11 kaltaiselta, kun

teollisuuslatauksen vuosienergiana käytetään 11650 kWh ja muiden työpaikkojen la-

tausvuosienergiana 932 kWh.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24 4

Energia (kWh)

KA,teollisuus, talvi KA, teollisuus, kesä KA, muut tp:t, talvi KA, muut tp:t, kesä

Kuva 4.11. Työpaikkalatauksen kuormitusmallin keskiarvokäyrät tuntitehosarjoina.

arki aatto pyhä

29 29

5. MALLINNUS VERKOSTOLASKENTAA VARTEN

Työn keskeisin tavoite on mallintaa ladattavien autojen vaikutus niin sanotussa sähkö-

autojen yleistymisen siirtymävaiheessa Tampereen Sähköverkko Oy:n kaupunkiverkko-

alueella. Latauksen mallinnus ja laskenta suoritetaan koko verkolle, mutta verkkoalueen

pohjoinen maaseutuverkko-osuus jätetään tarkastelematta tämän työn puitteissa. Kuvas-

sa 5.1 on esitetty Tampereen Sähköverkko Oy:n verkkoalue, josta on ympyröity tarkas-

teltava kaupunkiverkkoalue.

Kuva 5.1. Tampereen Sähköverkko Oy:n verkkoalue, josta ympyröity tarkasteltava alue.

5. MALLINNUS VERKOSTOLASKENTAA VARTEN 30

Laskentaa varten mallinnetaan eri skenaarioiden mukaiset tilanteet työn tarkastelu-

ajanjakson lopulla eli vuonna 2030. Luvusta 3. Sähkön siirron lisäys erilaisilla kysyn-

tämalleilla saadaan eri skenaarioiden kyseisen ajankohdan kokonaislatausenergiat, jotka

jaetaan olemassa olevalle verkolle mahdollisimman realistisesti. Tämä tapahtuu luvussa

5.2. Latauksen mallinnus esiteltävän algoritmin avulla suoraan tietokantaan. Verkkotie-

tojärjestelmä suorittaa laskennan kytkentätietojen ja tietokantaan määriteltyjen tietojen

perusteella.

Laskenta suoritetaan erikseen pienjännite- ja keskijänniteverkolle. Tätä varten lata-

uksen mallinnus tehdään pienjänniteverkkotasolle. Näin ollen yksi mallinnus riittää mo-

lempien jännitetasojen tarkastelua varten, koska pienjännitemuuntopiirien kuormitukset

summautuvat jakelumuuntajille keskijänniteverkon kuormitukseksi. Liittymien tarkaste-

lua varten tehdään erillinen mallinnus eri luottamustasolla.

5.1. Oletukset

Laskentamallia luodessa täytyy tehdä useita oletuksia toisaalta helpottamaan ja yksin-

kertaistamaan laskentaa ja toisaalta arvioidakseen tulevaisuuden tapahtumia, koska laa-

jamittaista käytännön kokemusta ja mittaustietoja autojen latauksesta ei ole olemassa.

Laskennan helpottamiseksi oletetaan, että kaikki lataus on hidasta latausta, koska

pikalatauksen osuuden odotetaan olevan hyvin minimaalinen tarkasteluajanjakson aika-

na. Toiseksi, latauksien oletetaan jakautuvan tasaisesti kolmelle vaiheelle, joten latauk-

sista mahdollisesti aiheutuvaa epäsymmetrisyyttä ei tarkastella.

Tulevaisuuden tapahtumia ennustavia oletuksia ovat autojen latauksen suorittaminen

pääsääntöisesti kotitalouksissa, yö-ajaksi siirretyn latauksen huomiotta jättäminen ja

muun kulutuksen säilyminen suurin piirtein nykyisellään. Latauksen mallinnuksessa

oletetaan kotitalouslatausosuudeksi 75 %, työpaikkalatausosuudeksi 15 % ja tavaratalo-

jen pysäköintialueella tapahtuvan latauksen osuudeksi 10 %. Liittymällä, jossa on kak-

siaikamittaus, voidaan yö-aikana ladata halvemmalla energian hinnalla, mutta koska

TSV:n verkolla 2-aikaliittymien osuus on hyvin pieni, yö-ajaksi siirrettyä latausta ei tar-

kastella. Lisäksi oletetaan, että muu kulutus pysyy nykyisessä suuruusluokassaan. Vaik-

ka sähkön käyttö yleisesti lisääntyy koko ajan, trendi on kuitenkin siirtyä energiatehok-

kaampiin ratkaisuihin sähkön käytössä, mikä hidastaa sähkön kokonaiskulutuksen kas-

vua. Esimerkiksi lämpöpumppujen kasvava suosio saattaa tulevaisuudessa lisätä merkit-

tävästi sähkön kulutusta, mutta asia rajataan tarkastelusta.

5.2. Latauksen mallinnus

Autojen lataus mallinnetaan suoraan tietokantaan algoritmin avulla. Liitteessä I esite-

tään perusskenaariota mallintava ja liitteessä II nopeaa skenaariota mallintava algoritmi

vuokaaviomuodossa. Algoritmi käy läpi jokaisen olemassa olevan käyttöpaikkatunnuk-

sen ja sen toimintaperiaate on seuraava:


1. Tarkastaa kuuluuko käyttöpaikka johonkin määriteltyyn luokkaan.

2. Laskuri laskee jokaiseen luokkaan kuuluvat käyttöpaikat erikseen.

3. Luokasta riippuen aiheuttaa toimenpiteen jokaista, joka toista tai joka kolmatta

käyttöpaikkaa kohti. (Nopean skenaarion mallinnuksessa toimenpide myös kään-

teisesti eli jättää toimenpiteen tekemättä joka neljättä käyttöpaikkaa kohti.)

4. Toistaa vaiheet 1-3 niin kauan kuin käyttöpaikkatunnuksia on jäljellä.

Erityyppiset latauspaikat on luokiteltu kulutusryhmien mukaan:

• luokka A sisältää omakoti- ja paritalolatausta

• luokka B sisältää rivitalolatausta

• luokka C sisältää kerrostalolatausta

• luokka D sisältää työpaikkalatausta

– D1: teollisuus

– D2: muut työpaikat

• luokka E sisältää tavarataloja parkkihallilatausta

Osa kulutusryhmistä ei kuulu mihinkään edellä mainituista luokista ja näihin kulutus-

ryhmiin kuuluvat käyttöpaikat ohitetaan suoraan ilman mitään toimenpiteitä. Kyseisiä

kulutusryhmiä ovat muun muassa ulkovalaistus, liikennevalot ja kiinteistöjen mittauk-

set. Myös vapaa-ajan asunnot kuuluvat tähän kategoriaan.

Toimenpide, jonka algoritmi ehdot täyttäessään suorittaa, koostuu uuden käyttöpai-

kan luomisesta samalle liittymälle, johon tarkasteltava käyttöpaikkatunnus kuuluu. Li-

säksi uudelle käyttöpaikalle asetetaan tietty vuosienergia ja luokkaan kuuluva kuormi-

tuskäyrä.

Kotitalousliittymille asetettavat latausvuosienergiat ovat keskimääräisiä arvioita la-

dattavalle hybridille (1600 kWh) ja akkusähköautolle (1100 kWh). Akkusähköautolle

määritelty keskimääräinen latausvuosienergia on laskettu lisäksi arvioitujen automääri-

en (nEV1 ja nEV2) suhteessa (perusskenaario vuonna 2030). Omakoti- ja rivitaloalueilla

käytetään isompaa lukua, koska näillä alueilla arvioidaan olevan enemmän latauskulu-

tusta autoa kohden. Tämä arvio johtuu siitä, että nämä alueet sijaitsevat yleisesti kau-

empana kaupungin keskustasta kuin kerrostaloalueet, joissa lisäksi autopaikkojen määrä

on yleisesti pienempi kuin käyttöpaikkojen määrä.

Perusskenaariossa algoritmi siis asettaa 76 GWh:n energiamäärästä 75 % kotitalous-

liittymille: 1600 kWh joka toista omakotitalo- ja rivitalokäyttöpaikkaa kohti sekä 1100

kWh joka kolmatta kerrostalokäyttöpaikkaa kohti. Nopeassa skenaariossa algoritmi

asettaa 115 GWh:n energiamäärästä 75 % kotitalousliittymille: 1600 kWh joka kolmatta

omakotitalo- ja rivitalokäyttöpaikkaa kohti neljästä sekä 1100 kWh joka toista kerrosta-

lokäyttöpaikkaa kohti.

Työpaikkalatausosuudeksi valittiin 15 % kokonaisenergiamäärästä. Tämä osuus jae-

taan niin, että jokaista teollisuuskäyttöpaikkaa kohti asetetaan perusskenaariossa 11650

kWh vuosikulutus ja joka kolmatta muuta työpaikkakäyttöpaikkaa kohti 932 kWh. No-

peassa skenaariossa 15 % työpaikkalatausosuus jaetaan siten, että jokaista teollisuus-


käyttöpaikkaa kohti asetetaan 16776 kWh vuosikulutus ja joka toista muuta työpaikka-

käyttöpaikkaa kohti 932 kWh. Jako teollisuus- ja muiden työpaikkojen kesken johtuu

siitä, että teollisuustyöpaikoilla on yleisesti enemmän työntekijöitä ja nämä työpaikat

sijaitsevat yleisemmin kauempana kaupungin keskustasta. Jaolla pyritään siis pienentä-

mään virhettä, joka aiheutuisi, jos käytettäisiin vain yhtä keskiarvoa vuosikulutukselle.

Todennäköisesti yhden miehen yritykselle kyseinen luku olisi liian iso, kun taas suurelle

teollisuusyritykselle luku on liian pieni. Tämän työn puitteissa resurssit eivät kuitenkaan

riitä analysoimaan tarkemmin erilaisia työpaikkoja, joten tyydytään käyttämään kahta

eri keskiarvoa.

Tavarataloja, kauppakeskuksia ja pysäköintihalleja TSV:n verkkoalueella on sen

verran vähän, että näiden käyttöpaikkojen lähempi tarkastelu onnistuu helpommin. Ta-

varatalolatausosuus on siis loput 10 % kokonaislatausenergiamäärästä. Tämä osuus jae-

taan 25 tietylle liittymälle (20 tavarataloa ja viisi pysäköintihallia). Tällöin kyseisille

käyttöpaikoille saadaan perusskenaariossa 304000 kWh:n vuosienergia. Kyseinen luku

tarkoittaa keskimäärin 185 auton latausta 1,5 tuntia joka päivä kolmen kilowatin lataus-

teholla. Nopeassa skenaariossa latausvuosienergia on 480000 kWh käyttöpaikkaa kohti.

5.3. Koko verkon laskenta

Laskentatoimenpiteen selkeyttämiseksi kuvassa 5.2 on esitetty laskentamalli kaavio-

muodossa. Siitä käy ilmi kolme tekijää (asiakastyypit, vuosienergia ja kuormituskäyrät),

jotka vaikuttavat latauksen mallintamiseen, joka tehdään tietokantaan. Tietokannasta

löytyy valmiina olemassa olevat kulutuspaikat vuosienergioineen ja kuormituskäyri-

neen. Muut laskennassa käytetyt parametrit ovat verkkotietojärjestelmän oletuksia. Näi-

tä ovat muun muassa yleinen laskentajännite, keskijännitepuolella 20500 V ja pienjänni-

tepuolella 235 V, sekä tilastollinen varmuus 85 %.


Kuva 5.2. Laskentamalli kaaviomuodossa.

Kuvasta 5.2 nähdään myös, että verkon kytkentätiedot saadaan verkkotietojärjestelmäs-

tä. Näiden tietojen perusteella laskenta antaa tulokseksi verkon tilan. Verkon tilaa voi-

daan tarkastella laskentaohjelman tulostamasta tekstimuotoisesta raportista. Käytännös-

sä suurempien tulosmassojen käsittelyyn on parempi tehdä tulospoiminta tietokantaan,

kuten tässä työssä tehdään, ja käsitellä tulokset taulukkomuodossa. Tämän lisäksi las-

kentatuloksia voidaan tarkastella graafisesti karttanäkymästä värittämällä verkon johto-

osat halutun kriteerin (kuormitusaste, jännitteenalenema) perusteella.

Verkkotietojärjestelmä Tietokanta

Asiakastyypit Vuosienergiat Kuormituskäyrät

Latauksen

mallintaminen

Verkon

kytkentätiedot

Verkostolaskenta

Verkon tila

Muu

kulutus

34 34

6. SÄHKÖAUTOJEN AIHEUTTAMAT VERKOSTO-

VAIKUTUKSET

Tässä luvussa tarkastellaan laskentatuloksia tilastollisina ja pyritään löytämään Tampe-

reen Sähköverkko Oy:n kaupunkiverkkoalueen ongelmakohdat, joita sähköautojen lata-

us aiheuttaa. Laskentatulokset on rajattu koordinaattitietojen perusteella käsittämään

vain kaupunkialuetta.

Laskentaa varten verkolle mallinnettiin perusskenaarion ja nopean skenaarion mu-

kaiset latauskuormitukset. Hidas skenaario jätetään laskennan osalta käsittelemättä,

koska ensimmäisenä tarkastellun perusskenaarion aiheuttamat muutokset ovat maltilli-

sia. Tulokset esitetään muutoksena lähtötilanteeseen, koska työssä halutaan keskittyä

ainoastaan sähköautojen latauksen aiheuttamiin vaikutuksiin. Lähtötilanne käsittää ny-

kyisen (1.1.2011) verkon nykykulutusarvioineen ilman sähköautojen latauskulutuksia.

6.1. Keskijänniteverkko

Tässä luvussa tarkastellaan kaupunkialueen sähköverkkoa 110/20 kV päämuuntajilta

20/0,4 kV jakelumuuntajille asti. Tarkasteltavalla kaupunkiverkkoalueella on kymme-

nen sähköasemaa, joilla on yhteensä 16 päämuuntajaa, mukaan lukien uusi kesällä 2010

valmistunut Multisillan sähköasema. Kytkettyjä keskijännitelähtöjä on yhteensä 109

kappaletta ja keskijännitejohtoja noin 750 kilometriä. Keskijänniteverkko on rakennettu

korkean käyttövarmuustason rengasverkoksi, mutta sitä käytetään säteittäisenä.

Kuvassa 6.1 on esitetty kaupunkialueen keskijänniteverkko kuormitusasteen mukaan

väritettynä.

6. SÄHKÖAUTOJEN AIHEUTTAMAT VERKOSTOVAIKUTUKSET 35

Kuva 6.1. Keskijänniteverkko väritettynä kuormitusasteen mukaan (suurimmassa kuor-

massa olevat verkon osat punaisella).

Kuvassa 6.1 punaiset verkonosat ovat laskennan mukaan suurimmassa kuormassa.

Ne ovat siis kuormituksen kannalta kriittisimmät lähdöt. Graafisesti esitettynä tulos

näyttää kuvan 6.1 kaltaiselta sekä ennen että jälkeen latausmallinnuksen.

Kuva 6.2 osoittaa, että päämuuntajatasolla muutokset kuormitusasteissa ovat hyvin

pieniä. Tulos on odotettu, koska latauskuorma on pieni verrattuna päämuuntajien muu-

hun kuormaan, vaikka latauskuorma ajoittuu huippukuormituksen ajankohtaan.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0-1 % 1-2 % 2-3 % 3-4 % 4-5 % 5-6 % 6-7 % 7-8 %

Kuormitusasteen suhteellinen muutos

Päämuuntajat

Perusskenaario

Nopea skenaario

Kuva 6.2. Latauksen vaikutus päämuuntajien kuormitusasteeseen perus- ja nopeassa

skenaariossa.


Päämuuntajien kuormitusasteen suhteellinen muutos on keskimäärin 2,4 % perus-

skenaariossa ja 3,8 % nopeassa skenaariossa. Taulukossa 6.1 on esitetty tarkemmin

kaupunkiverkkoalueen sähköasemien päämuuntajat ja niiden kuormitusasteen suhteelli-

nen muutos lähtötilanteen laskentatuloksiin verrattuna sekä perus- että nopeassa skenaa-

riossa. Siitä havaitaan, että suhteellisen laajamittainen hidas lataus verkolla ei aiheuta

päämuuntajille mitään radikaalia muutosta.

Taulukko 6.1. Sähköautojen latauksen vaikutus sähköasemien päämuuntajille perus-

skenaariossa (ps) ja nopeassa skenaariossa (ns).

Päämuuntaja Asema Valm. vuosi

Uusimis-tarve

K-asteen suht. muutos, ps

K-asteen suht. muutos, ns

KLV-M1 40MVA

KLV 2008 2053 4,3 % 6,0 %

RTH-M4 48,5MVA

RTH 1995 2040 4,0 % 6,1 %

LMP-M1 40MVA

LMP 1973 2018 3,4 % 5,2 %

HRV-M1 40MVA

HRV 1975 2020 3,3 % 7,9 %

ALJ-M2 48,5MVA

ALJ 1993 2038 2,9 % 4,4 %

MLS-M1 31,5MVA

MLS 2010 2055 2,8 % 4,5 %

KLV-M2 40MVA

KLV 1982 2027 2,6 % 3,9 %

LMP-M2 40MVA

LMP 1976 2021 2,2 % 3,4 %

VSL-M1 40MVA

VSL 1989 2034 2,1 % 3,2 %

RAT-M1 40MVA

RTN 1990 2035 2,1 % 3,2 %

NSL-M3 30MVA

NSL 1971 2016 2,0 % 2,9 %

ALJ-M1 40MVA

ALJ 1984 2029 2,0 % 3,2 %

HRV-M2 40MVA

HRV 1983 2028 1,9 % 2,9 %

MLP-M1 30MVA

MLP 1973 2018 1,0 % 1,5 %

RTH-M3 40MVA

RTH 1988 2033 1,0 % 1,4 %

RAT-PM3 40MVA

RAT 2005 2050 0,4 % 0,6 %

Taulukosta 6.1 havaitaan myös, että 45 vuoden pitoajalla 8 päämuuntajaa saavuttaa

uusimisiän vuoteen 2030 mennessä. Näistä kolme on tulossa vaihtoikään tämän vuosi-

kymmenen kuluessa. Päämuuntajien uusimistarpeen tulee määrittämään ikääntyminen,

ei sähköautojen latauksesta aiheutuva lisäkuormitus.


Kuvassa 6.3 on esitetty sähköautojen latauksen vaikutus keskijännitelähtöjen johti-

mien kuormitusasteeseen sekä perusskenaariossa että nopeassa skenaariossa.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0-2 % 2-4 % 4-6 % 6-8 % ≥ 8 %


Kj-lähdöt

Perusskenaario

Nopea skenaario

Kuva 6.3. Latauksen vaikutus keskijännitelähtöjen kuormitusasteeseen perus- ja nope-

assa skenaariossa.

Kuvasta 6.3 nähdään, että yleisesti ottaen keskijännitelähtöjen johtimilla ei ole mi-

tään olennaista muutosta havaittavissa. Perusskenaariossa kaikkien kytkettyjen keski-

jännitelähtöjen kuormitusasteen suhteellinen muutos on keskimäärin 2,3 %. Alle 4 %:n

suhteellinen muutos kuormitusasteessa on 86 %:lla keskijännitelähdöistä. Yli 8 %:n

suhteellinen muutos kuormitusasteessa on vain kahdella lähdöllä. Näistä suurin, 13,5 %,

on Hervannan sähköasemalta Ruskon suuntaan olevalla lähdöllä (B15 RUSKO ETE-

LÄ). Tämä johtuu siitä, että lähdöllä on erityisen paljon teollisuuskäyttöpaikkoja (yh-

teensä 125 kpl) ja näin ollen latauksen mallinnusalgoritmi on sijoittanut sille noin 1,4

GWh latausenergiaa. Kyseisen lähdön kuormitusaste jää laskennan mukaan kuitenkin

noin 90 %:n kuormitustasolle.

Nopean skenaarion mallinnus tuottaa luonnollisesti hieman suurempia muutoksia

keskijännitelähdöille. Tässä tapauksessa kuormitusasteen suhteellinen muutos on kes-

kimäärin 3,6 %. Alle 4 %:n suhteellinen muutos kuormitusasteessa on 58 %:lla keski-

jännitelähdöistä ja alle 6 %:n suhteellinen muutos kuormitusasteessa on 87 %:lla keski-

jännitelähdöistä.


Kuvassa 6.4 on esitetty sähköautojen latauksen vaikutus keskijännitelähtöjen jännit-

teenalenemaan sekä perusskenaariossa että nopeassa skenaariossa.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0-2 % 2-4 % 4-6 % 6-8 % ≥ 8 %

Jännitteenaleneman suhteellinen muutos

Kj-lähdöt

Perusskenaario

Nopea skenaario

Kuva 6.4. Latauksen vaikutus keskijännitelähtöjen jännitteenalenemaan perus- ja no-

peassa skenaariossa.

Perusskenaariossa keskijännitelähtöjen jännitteenaleneman suhteellinen muutos on

keskimäärin 3,0 % eli muutokset jäävät hyvin marginaalisiksi. Keskijännitelähtöjen

kumulatiivinen osuus jännitteenaleneman alle 4 %:n muutokselle on 79 %.

Nopeassa skenaariossa keskijännitelähtöjen jännitteenaleneman suhteellinen muutos

on keskimäärin 4,6 %. Tässä tapauksessa keskijännitelähtöjen kumulatiivinen osuus

jännitteenaleneman alle 4 %:n muutokselle on 49 % ja alle 6 %:n muutokselle 79 %.

Molempien skenaarioiden tapauksessa kaikkien lähtöjen jännitteenalenema pysyy

laskennan mukaan edelleen alle 5 % ja kolmea lähtöä lukuun ottamatta jännit-

teenalenema on alle 3 %.

Keskijänniteverkon laskentatuloksia voidaan pitää luotettavina käytettyjen oletusten

puitteissa, koska mallinnus tuotti jokaiselle keskijännitelähdölle latauskulutusta. Toisek-

si, vaikka laskennan jälkeen paljastui, että latauskuorman olisi voinut olettaa normaali-

jakautuneeksi, keskiarvokäyrän käyttö ei tuota juurikaan virhettä. Tämä johtuu siitä, että

latausmäärät ovat keskijännitetasolla suuria ja näin ollen hajonnan vaikutus lähes

kumoutuu.

Mahdolliset paikalliset ongelmat keskijänniteverkolla ovat osaltaan ratkaistavissa

rengasyhteyksien jakorajojen muutoksella. Voidaan kuitenkin todeta, että hidas lataus ei

aiheuta ongelmia keskijännitetasolla. Todennäköisten pikalatausasemien liittäminen

suoraan keskijänniteverkkoon tuo mukanaan omat ongelmansa, mutta nämä täytyy tut-

kia tapauskohtaisesti.


6.2. Pienjänniteverkko

Tässä luvussa tarkastellaan sähköautojen latauksen vaikutuksia kaupunkialueen pien-

jänniteverkolle, joka käsittää 20/0,4 kV jakelumuuntajat ja verkon liittymäpisteille asti.

Tarkasteltavalla verkkoalueella on 1150 jakelumuuntajaa, 8212 pienjännitelähtöä ja

noin 2000 kilometriä pienjännitejohtoja. Pienjänniteverkko on rakennettu säteittäisver-

koksi ja osin rengasverkoksi.

Kuvassa 6.5 on esitetty kaupunkialueen pienjänniteverkko kuormitusasteen mukaan

väritettynä.

Kuva 6.5. Pienjänniteverkko väritettynä kuormitusasteen mukaan sähköautojen lataus-

mallinnuksen jälkeen (suurimmassa kuormassa olevat verkon osat punaisella).

Kuvasta 6.5 havaitaan, että suurimmassa kuormassa olevia pienjänniteverkon osia

löytyy eripuolilta tarkasteltavaa verkkoaluetta.


Kuvassa 6.6 on esitetty sähköautojen latauksen vaikutus jakelumuuntajien kuormi-

tusasteeseen sekä perusskenaariossa että nopeassa skenaariossa.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0-3 % 3-6 % 6-9 % 9-12 % ≥ 12 %


Muuntajat

Perusskenaario

Nopea skenaario

Kuva 6.6. Latauksen vaikutus jakelumuuntajien kuormitusasteeseen perus- ja nopeassa

skenaariossa.

Suhteellinen muutos jakelumuuntajien kuormitusasteessa on pääosin hyvin maltilli-

nen. Perusskenaariossa 99 %:n otannalla jakelumuuntajien kuormitusasteen suhteellinen

muutos on keskimäärin 3,1 %. Keskiarvoa laskettaessa virheen pienentämiseksi jätettiin

viisi suurinta ja viisi pienintä arvoa huomioimatta. Alle 6 %:n suhteellinen muutos

kuormitusasteessa on 91 %:lla muuntajista perusskenaariossa.

Nopeassa skenaariossa 99 %:n otannalla jakelumuuntajien kuormitusasteen suhteel-

linen muutos on keskimäärin 4,8 %. Alle 6 %:n suhteellinen muutos kuormitusasteessa

on 80 %:lla muuntajista.

Molempien skenaarioiden tapauksessa vähintään 12 %:n suhteellinen muutos kuor-

mitusasteessa on useilla kymmenillä muuntajilla. Näillä muuntajilla kuormitusasteen

kasvu on hyvin merkittävä. Lähempi tarkastelu paljastaa, että kyseisistä muuntajista

suurimmalla osalla on teollisuuskuormaa, joten latauksen mallinnusalgoritmi on sijoit-

tanut näille muuntopiireille reilun latauskuormituksen pääasiassa kohtuullisen lyhyelle

ajalle arkiaamuihin. Yleisesti yhteistä kyseisille muuntopiireille on myös se, että muun-

tajien kuormitusaste on lähtötilanteessa kohtuullisen pieni, joten suhteellinen muutos

muodostuu senkin takia merkittäväksi, mutta ei ongelmalliseksi muuntajan kuormituk-

sen kannalta.

Koska työpaikkalatauksen kuormituskäyrä painottuu vahvasti arkiaamujen tuntei-

hin, latauskuorma kuormittaa kyseisiä muuntajia reilusti. Suurilla teollisuusyrityksillä

olisi siis järkevää porrastaa latauskuormaa useammalle tunnille, etteivät kaikki autot

olisi latauksessa samanaikaisesti. Tämän ansiosta sähköliittymän koko ei kasvaisi koh-

tuuttomasti ja lisäksi se vähentäisi muuntajien kuormituksen kasvua.


Muuntamoita saneerattaessa kannattaa jo nyt varautua myös sähköautojen lataukses-

ta aiheutuvaan kuormituksen kasvuun varaamalla esimerkiksi paikka toiselle muuntajal-

le kiinteistömuuntamosta. Koska jakelumuuntajien pitoaika on 40 vuotta, noin puolet

tarkastelualueen jakelumuuntajista on tulossa vaihtoikään vuoteen 2030 mennessä. Käy-

tössä olevien jakelumuuntajien mitoituksessa ei kuitenkaan kannata varautua ennakolta

kuormitusten kasvuun, koska vuosittaisten kuormitusmittausten yhteydessä on helppo

kontrolloida todelliset ylikuormitustilanteet ja tehdä tarvittavat muuntajien vaihdot.

Kuvassa 6.7 on esitetty sähköautojen latauksen vaikutus pienjännitelähtöjen johti-

mien kuormitusasteeseen sekä perusskenaariossa että nopeassa skenaariossa. Kuvaajaan

liittyvissä tarkasteluissa on jätetty huomioimatta noin 1300 pienjännitelähtöä, joista ei

saatu kuormitustietoja. Kyseiset lähdöt ovat pääsääntöisesti kuormittamattomia va-

rasyöttöjä, joten sähköautojen latauksella ei ole vaikutusta näiden lähtöjen kuormituk-

seen.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0-2 %

2-4 %

4-6 %

6-8 %

8-10 %

10-12 %


Pj-lähdöt

Perusskenaario

Nopea skenaario

Kuva 6.7. Latauksen vaikutus pienjännitelähtöjen kuormitusasteeseen perus- ja nopeas-

sa skenaariossa.

Kuvasta 6.7 nähdään, että yleisesti ottaen pienjännitelähtöjen johtimilla kuormi-

tusasteen suhteellinen muutos jää pieneksi. Perusskenaariossa pienjännitelähtöjen

kuormitusasteen suhteellinen muutos 95 %:n otannalla on keskimäärin 3,0 %. Alle 6

%:n suhteellinen muutos kuormitusasteessa on 89 %:lla pienjännitelähdöistä.

Nopean skenaarion mallinnus tuottaa 95 %:n otannalla pienjännitelähtöjen kuormi-

tusasteen suhteelliseksi muutokseksi keskimäärin 5,3 %. Alle 6 %:n suhteellinen muu-

tos kuormitusasteessa on 80 %:lla pienjännitelähdöistä ja alle 8 %:n suhteellinen muutos

kuormitusasteessa on 86 %:lla pienjännitelähdöistä.

Pienjännitelähtöjen kumulatiivinen osuus kuormitusasteen vähintään 12 %:n suh-

teelliselle muutokselle on 5,5 % perusskenaariossa. Nopean skenaarion tapauksessa ky-

seinen osuus on 9,8 %.


Kuvassa 6.8 on esitetty sähköautojen latauksen vaikutus pienjännitelähtöjen jännit-

teenalenemaan sekä perusskenaariossa että nopeassa skenaariossa.

0

500

1000

1500

2000

2500

0-2 %

2-4 %

4-6 %

6-8 %

8-10 %

10-12 %

Jännitteenaleneman suhteellinen muutos

Pj-lähdöt

Perusskenaario

Nopea skenaario

Kuva 6.8. Latauksen vaikutus pienjännitelähtöjen jännitteenalenemaan perus- ja nope-

assa skenaariossa.

Perusskenaariossa 95 %:n otannalla pienjännitelähtöjen jännitteenaleneman suhteel-

linen muutos on keskimäärin 4,2 %. Pienjännitelähtöjen kumulatiivinen osuus jännit-

teenaleneman alle 8 %:n muutokselle on 90 %.

Nopeassa skenaariossa 95 %:n otannalla pienjännitelähtöjen jännitteenaleneman

suhteellinen muutos on keskimäärin 6,7 %. Tässä tapauksessa pienjännitelähtöjen ku-

mulatiivinen osuus jännitteenaleneman alle 8 %:n muutokselle on 74 % ja alle 10 %:n

muutokselle 85 %.

Pienjännitelähtöjen kumulatiivinen osuus jännitteenaleneman vähintään 12 %:n suh-

teelliselle muutokselle on 5,8 % perusskenaariossa. Nopean skenaarion tapauksessa ky-

seinen osuus on 11 %.

Työn ollessa lähes valmis paljastui, että jo suhteellisen pienillä asiakasmäärillä

summajakaumat muistuttavat normaalijakaumaa eli muuntopiiritasolla sähköautojen

latauskuorman olisi voinut olettaa normaalijakautuneeksi. Täten hajonnan huomiotta

jättämisen takia pienjänniteverkon laskentatulokset jäivät hieman optimistisiksi.

Tarkasteluajanjakson lopulla on siis todennäköistä, että sähköautojen lataus aiheut-

taa pienjännitetasolla pienessä määrin paikallisia ongelmia. Ongelmia aiheutuu pääasi-

assa jakelumuuntajien ja pienjännitelähtöjen ylikuormituksesta. Odotettavissa on siis

joitakin muuntajan vaihtoja ja verkon vahvistusta. Myös jännitteenaleneman kasvu voi

aiheuttaa verkon vahvistustarvetta joillakin pienjännitelähdöillä, mutta yleisesti kyseisil-

lä lähdöillä on tällöin myös ylikuormitusta. Erityisenä ongelmakohtana vaikuttaa olevan

tiheästi asutut kerrostalomuuntopiirit, joilla ei ole varauduttu sähkölämmitykseen ja tä-

ten muu kuormitus on suhteellisesti pientä.

Sähköautojen latauksen mallinnus aiheutti lisäksi teollisuusalueilla huomattavaa

huippukuormituksen kasvua. Tämä johtuu pääasiassa kuormitusmallin olettamuksesta,


että lataus alkaa heti auton saavuttua työpaikalle. Porrastamalla autojen latauksen alka-

mista latauskuormahuippu tasoittuisi oleellisesti.

Huomion arvoista on myös jakeluverkon komponenttien pitkä käyttöikä. Tämän ta-

kia uutta verkkoa rakentaessa ja vanhaa verkkoa saneeratessa kannattaa varautua jo nyt

sähköautojen latauksen aiheuttamaan lievään kuormituksen kasvuun. Tarkasteluajanjak-

son jälkeen, jos sähköautoilun markkinaosuus on noussut yli 50 %:iin, latauksen ja ver-

kon älykkyys huolehtivat todennäköisesti verkon tasaisemmasta kuormituksesta leikaten

huippukuormitusta.

44 44

7. LATAUKSEN VAIKUTUS SÄHKÖLIITTYMIEN

KOKOON

Tässä luvussa tarkastellaan sähköautojen latauksen vaikutusta omakoti-, rivi- ja kerros-

talojen sähköliittymien kokoon. Muiden todennäköisien latauspaikkojen, kuten työpaik-

kojen, pysäköintihallien ja suurien markettien liittymiä ei tarkastella, koska ne vaatisivat

tapauskohtaista tarkastelua.

Tarkastelua varten TSV:n verkkoalueen kotitalousliittymille mallinnetaan sähköau-

tojen latausta perusskenaarion vuoden 2030 automäärien mukaan siten, että iltapäivien

huippukulutusajankohtiin muodostuu latauskulutusta 3 kW:n latausteholla. Kyseinen

mallinnusalgoritmi on esitetty vuokaaviomuodossa liitteessä III. Tarkastelussa käytettä-

vät kuormitusmallit ovat tutkija Antti Rautiaisen määrittelemät 95 %:n luottamustaso-

mallit, jotka on esitetty luvussa 4, kotitalouslatauksien hitaalle lataukselle. Koska kuor-

mitusten ajallista vaihtelua mallinnetaan edelleen indeksisarjoilla, tässä tarkastelussa

omakotitaloliittymän latauskäyttöpaikkaa kohti asetetaan 13373 kWh:n vuosienergia

sekä rivi- ja kerrostaloliittymän latauskäyttöpaikkaa kohti 11249 kWh:n vuosienergia.

Kyseiset latausvuosienergiat sisältävät hajonnan osuuden ja sen takia muodostuvat mo-

ninkertaisiksi verrattuna sähköauton keskimääräiseen energian vuosikulutukseen.

Tässä luvussa tarkastellaan kotitalousliittymien pääsulakkeiden kuormitusasteen

suhteellista muutosta. Tavoitteena on siis saada arvio, kuinka monen kotitalousliittymän

kokoluokka täytyy suurentaa hitaan latauksen aiheuttaman huipputehon kasvun takia.

7.1. Omakotitaloliittymä

Sähköautojen latausta mallinnetaan noin joka toiselle omakotitaloliittymälle siten, että

yhden auton lataus 3 kW:n teholla ajoittuu huippukulutusajankohtaan. Kahden auton

samanaikaista latausta samalla omakotitaloliittymällä ei tutkita, koska todennäköisem-

min kahden auton taloudessa vähintään toinen autoista on polttomoottoriauto tarkastelu-

ajanjakson aikana. Toiseksi, omakotitalojen ulkopistorasiat on yleisesti kytketty samaan

16 ampeerin ryhmään, jolloin kahden auton samanaikainen lataus on mahdotonta. Tosin

tarkasteltavaan omakotitaloliittymäryhmään kuuluu myös paritaloliittymiä, joilla on

kaksi autoa samanaikaisesti latauksessa, mutta näiden liittymien koko on suurempi.

Laskennan mukaan omakotitalojen sähköliittymistä noin 2 % ylikuormittuu eli pää-

sulakkeiden läpi kulkeva virta on sulakkeita suurempi. Kyseinen osuus käsittää hieman

yli 300 omakotitaloliittymää.

Kuormituksen kasvaessa, jos pääsulakkeet eivät kestä normaalia kuormitusta, täytyy

liittymän kokoa kasvattaa suurempaan kokoluokkaan. Liittymisluokan suurentamista ei

7. LATAUKSEN VAIKUTUS SÄHKÖLIITTYMIEN KOKOON 45

välttämättä tarvita, jos auton latauksen pystyy siirtämään ajankohtaan, jolloin muu kulu-

tus on vähäisempää, esimerkiksi yö-aikaan. Etäluettavat sähkömittarit tarjoavat kulutta-

jille hyvän apuvälineen tutkia omaa sähkönkäyttöä tuntitasolla ja löytää näin muun mu-

assa sopiva ajankohta ladata autoa.

Kuvassa 7.1 on esitetty omakotitaloliittymien pääsulakkeen kuormitusasteen suh-

teellinen muutos liittymillä, joille on mallinnettu sähköauton latausta. Omakotitaloliit-

tymien kuormitusasteen suhteellinen muutos on keskimäärin 24 %.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0-10 %

10-20 %

20-30 %

30-40 %

40-50 %

50-60 %

60-70 %

70-80 %

80-90 %

90-100 %

Liittymien kuormitusasteen suhteellinen muutos

Liittymät Liittymät

Kuva 7.1. Latauksen vaikutus omakotitaloliittymille.

Kuvasta 7.1 havaitaan, että alle 50 % suhteellinen muutos omakotitaloliittymien

kuormitusasteessa on 62 %:lla omakotitaloliittymistä, joille on mallinnettu latausta. Ky-

seisistä liittymistä 16 %:lla kuormitusasteen suhteellinen muutos on vähintään 100 %.

Yleisesti liittymille, joiden kuormitusasteen suhteellinen muutos on vähintään 100 %,

yhteisiä asioita ovat 25 ampeerin pääsulakekoko ja se, että liittymän huipputeho on hy-

vin pieni ennen latausmallinnusta. Todennäköisesti kyseisten omakotitalojen lämmi-

tysmuotona on öljylämmitys tai kaukolämpö.

7.2. Rivi- ja kerrostaloliittymä

Rivi- ja kerrostaloyhtiöiden pysäköintialueet ovat hyvin erilaisia autopaikkamääriltään

ja sähköverkoiltaan. Näin ollen polttomoottorien esilämmitykseen tarkoitettujen ole-

massa olevien sähköverkkojen soveltuvuus sähköautojen lataukseen on tarkasteltava

tapauskohtaisesti.

Tässä työssä kiinteistöyhtiöiden sisäisiin sähköverkkoihin ei kuitenkaan kiinnitetä

huomiota, vaan lataus mallinnetaan perusskenaarion automäärien mukaan satunnaisesti

eri liittymille. Eli toisilla liittymillä ei ole latausta ollenkaan ja toisilla liittymillä on use-


an kymmenen auton lataus samanaikaisesti. Sähköautojen latausta mallinnetaan noin 85

%:lle rivitaloliittymistä ja noin 80 %:lle kerrostaloliittymistä.

Laskenta osoittaa, että rivi- ja kerrostaloliittymät on mitoitettu hyvin, sillä laskennan

mukaan ylikuormitusta aiheutuu alle 0,5 %:lle rivitaloliittymistä ja alle 1 %:lle kerrosta-

loliittymistä. Kyse on siis vain muutamista liittymistä. Oletettavasti kriittisimpiä kohtei-

ta ovat vanhat kerrostaloliittymät. Uudemmissa kerrostaloissa pystytään jakamaan

kuormitusta muun muassa kiuasristeilyllä, jos kuormitus nousee liittymän kestoisuusra-

jalle.

Kuvassa 7.2 on esitetty rivitaloliittymien pääsulakkeen kuormitusasteen suhteellinen

muutos liittymillä, joille on mallinnettu sähköauton latausta. Rivitaloliittymien kuormi-

tusasteen suhteellinen muutos on keskimäärin 35 %.

0

50

100

150

200

250

0-10 %

10-20 %

20-30 %

30-40 %

40-50 %

50-60 %

60-70 %

70-80 %

80-90 %

90-100 %



Kuva 7.2. Latauksen vaikutus rivitaloliittymille.

Kuvasta 7.2 havaitaan, että alle 50 %:n suhteellinen muutos rivitaloliittymien kuor-

mitusasteessa on 65 %:lla rivitaloliittymistä, joille on mallinnettu latausta. Kyseisistä

liittymistä 9 %:lla kuormitusasteen suhteellinen muutos on vähintään 100 %.


Kuvassa 7.3 on esitetty kerrostaloliittymien pääsulakkeen kuormitusasteen suhteel-

linen muutos liittymillä, joille on mallinnettu sähköauton latausta. Kerrostaloliittymien

kuormitusasteen suhteellinen muutos on keskimäärin 26 %.

0

100

200

300

400

500

600

0-10 %

10-20 %

20-30 %

30-40 %

40-50 %

50-60 %

60-70 %

70-80 %

80-90 %

90-100 %



Kuva 7.3. Latauksen vaikutus kerrostaloliittymille.

Kuvasta 7.3 havaitaan, että alle 50 %:n suhteellinen muutos kerrostaloliittymien

kuormitusasteessa on 83 %:lla kerrosliittymistä, joille on mallinnettu latausta. Kyseisis-

tä liittymistä 3 %:lla kuormitusasteen suhteellinen muutos on vähintään 100 %.

Kun katsotaan kaikkien kotitalousliittymien kuormitusasteita, ylikuormitusta tapah-

tuu laskennan mukaan noin 2 %:lla kaikista kotitalousliittymistä. Tämä osuus on pieni,

vaikka keskimääräinen kotitalousliittymien kuormitusasteen suhteellinen muutos on

merkittävä. Näin ollen kotitalousliittymien osuus kuormitusasteen välillä 70–100 % kas-

vaa huomattavasti.

48 48

8. YHTEENVETO

Sähköautoilla pyritään vähentämään öljyriippuvuutta ja kasvihuonekaasupäästöjä tielii-

kenteen osalta. Sähköautojen soveltuvuus jokapäiväiseen käyttöön on vielä täynnä haas-

teita, mutta yleisesti on vahva uskomus, että sähköautoilun tuleminen on tosiasia. Säh-

köajoneuvoilla on polttomoottoriajoneuvoon verrattuna useita etuja, mutta myös haas-

teita. Suurimmat haasteet liittyvät akkuteknologian kehitykseen ja riittävän latausinfra-

struktuurin rakentamiseen.

Suomessa latausinfrastruktuuri on olemassa melko laajasti valmiina polttomoottori-

en esilämmitysverkon muodossa hitaalle eli yksivaiheiselle lataukselle. Kotitalouksien

uskotaan olevan suosituin sähköautojen latauspaikka sekä alkuvaiheessa että tulevai-

suudessa. Omakotitaloalueilla latausmahdollisuus on erittäin laajasti valmiina, mutta

kiinteistöyhtiöiden pysäköintialueiden lämmitysverkostot tarvitsevat yleisesti muokka-

usta soveltuakseen latauskäyttöön. Puolinopea eli kolmivaiheinen lataus lyhentää la-

tausaikaa yleisesti muutamaan tuntiin, mutta sen käyttömahdollisuudet jäävät rajallisik-

si. Muutamia minuutteja kestävä pikalataus huoltoasematyyppisellä ratkaisulla on tule-

vaisuudessa välttämätön sähköautojen toimintasäteen kasvattamiseksi. Tämän työn tar-

kasteluissa keskityttiin ainoastaan hitaaseen lataukseen.

Tämän diplomityön tarkoitus oli tarkastella ladattavien sähköautojen, eli ladattavien

hybridien ja akkusähköautojen, vaikutuksia Tampereen Sähköverkko Oy:n kaupunki-

alueella sijaitsevalle sähkönjakeluverkolle vuosina 2010–2030. Koska latauksesta ei ole

olemassa laajamittaista käytännönkokemusta eikä mittaustietoja, tarkastelua varten teh-

tiin useita oletuksia ja arvioita, mikä aiheuttaa epävarmuutta tuloksiin. Työn lähtökoh-

daksi laadittiin kolme erilaista sähköautokannan kehitysennustetta Tampereen Sähkö-

verkko Oy:n verkkoalueella. Näistä perusskenaariolla kuvattiin odotettavissa olevaa ti-

lannetta. Hitaalla ja nopealla skenaariolla kuvattiin herkkyyttä perusskenaariolle.

Latauksesta aiheutuva sähkön siirron kasvun analysointi toteutettiin puhtaasti las-

kennallisesti jokaiselle skenaariolle. Tarkastelun mukaan sähkönsiirtokapasiteetin puo-

lesta ei ole luvassa ongelmia tarkasteluajanjakson aikana. Kun nopean skenaarion mu-

kainen latauskulutus lisätään vuotuiseen nykykulutukseen, kokonaissiirtomäärä (1900-

2000 GWh) voi jäädä jopa pienemmäksi kuin siirtomäärän huippu vuodelta 2006 ennen

taloudellista taantumaa. Työn ohella laadittiin myös Excel-sovellus, jolla verkkoyhtiö

voi arvioida ladattavista sähköautoista johtuvaa sähkön siirron kehitystä. Sovelluksen

laskenta perustuu kaavaan (3.1). Tätä työkalua verkkoyhtiö voi hyödyntää tulevaisuu-

dessa päivittämällä muuttujien arvot.

Latauskuormituksen ajallista vaihtelua kuvaavien kuormitusmallien määritystyö oli

käynnissä tämän työn kanssa samanaikaisesti ja näitä malleja saatiin tämän työn käyt-

8. YHTEENVETO 49

töön. Mallit täytyi kuitenkin muuttaa indeksisarjoiksi verkkotietojärjestelmää varten.

Verkostovaikutuksien laskennassa käytettiin keskiarvokäyrien käyrämuotoja. Niiden

energia-arvot vaihtelevat hieman, koska mallit on määritelty valtakunnallisella tasolla ja

tämän työn tutkimuskohteena oli kaupunkiverkko. Liittymätarkastelussa käytettiin mää-

riteltyjä 95 %:n luottamustasokäyriä sellaisenaan.

Tässä työssä oletettiin, että sähköautojen latauskuorma ei ole normaalijakautunut.

Tämä pitää paikkansa yksittäisten autojen latauksen osalta. Työn ollessa lähes valmis

paljastui, että jo suhteellisen pienillä asiakasmäärillä summajakaumat muistuttavat nor-

maalijakaumaa eli muuntopiiritasolla sähköautojen latauskuorman olisi voinut olettaa

normaalijakautuneeksi. Hajonnan huomiotta jättämisen ei katsota aiheuttavan virhettä

keskijänniteverkon laskentatuloksiin, mutta pienjänniteverkon tulokset ovat hieman op-

timistisia. Toisaalta yleiset näkemykset sähköautokannan kasvulle ovat muuttuneet työn

kirjoitusaikana maltillisemmiksi.

Sähköautojen latauksen mallinnus toteutettiin koko Tampereen Sähköverkko Oy:n

verkkoalueelle verkkotietojärjestelmän tietokantaan. Verkolle tehtiin yhteensä kolme

erilaista mallinnusta, joista verkostovaikutuksia varten tehtiin perus- ja nopean skenaa-

rion vuoden 2030 mukaiset mallinnukset. Hidas skenaario jätettiin tutkimatta, koska

perusskenaarion tulokset olivat maltillisia. Samasta syystä muiden skenaarioiden aikai-

semmat ajankohdat jätettiin tarkastelematta. Kolmas mallinnus tehtiin liittymätarkaste-

lua varten eri luottamustasolla.

Verkostolaskenta suoritettiin verkkotietojärjestelmän laskentasovelluksella ja tulok-

set poimittiin tietokannasta. Tulosten analysointi toteutettiin taulukkolaskentaohjelmal-

la. Tulokset esiteltiin pääasiassa suhteellisena muutoksena lähtötilanteeseen eli tilantee-

seen ennen sähköautojen latausmallinnusta. Työ sisälsi myös yksikohtaisempia tarkaste-

luja ja tuloksia, jotka jäivät verkkoyhtiön käyttöön.

Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että Tampereen Sähköverkko Oy on jo va-

rautunut hyvin tulevaan kuormituksen kasvuun kaupunkiverkkoalueellaan. Sähköauto-

jen hitaasta latauksesta ei ole luvassa mitään merkittäviä vaikutuksia keskijännitetasolla.

Mahdollisesti aiheutuvat käytännön ongelmat keskijänniteverkolla ovat ratkaistavissa

rengasyhteyksien jakorajojen muutoksella tai johtolähtöjen jakamisella. Pienjännitever-

kolla taas on todennäköistä, että tarkasteluajanjakson lopulla sähköautojen lataus aiheut-

taa pienessä määrin lähinnä paikallisia ylikuormitusongelmia jakelumuuntajilla ja pien-

jännitelähdöillä. Suurin riski on tiheään asutuilla kerrostaloalueilla sekä täydennysra-

kennuskohteissa.

Autojen lataus kasvattaa hieman verkon huipputehoa, koska lataushuippu ajoittuu

ajanhetkeen, jolloin muu kulutus on suurimmillaan. Kasvu jää pieneksi, koska autojen

latauksesta aiheutuva huipputehon osuus on marginaalinen muusta kuormituksesta ai-

heutuvaan huipputehoon verrattuna.

Pienjänniteverkolla on siis odotettavissa joitakin muuntajan vaihtoja ja verkon vah-

vistusta. Jakeluverkon komponenttien pitkän pitoajan takia uutta verkkoa rakentaessa ja

vanhaa verkkoa saneeratessa kannattaa varautua jo nyt sähköautojen latauksen aiheut-

tamaan lievään kuormituksen kasvuun. Erityistä huomiota täytyy kiinnittää verkon

8. YHTEENVETO 50

komponentteihin, joiden kuormitusaste on jo nyt suuri, kun tehdään verkon saneeraus-

suunnitelmia. Tarkasteluajanjakson jälkeen, jos sähköautoilu on lisääntynyt voimak-

kaasti, latauksen ja verkon älykkyys huolehtivat todennäköisesti verkon tasaisemmasta

kuormituksesta leikaten huippukuormitusta.

Latauksesta aiheutuva kotitalouksien sähköliittymien ylikuormitus jää marginaali-

seksi tarkasteluajanjakson aikana. Tarkastelun mukaan liittymän huippuvirta kasvaa

pääsulakkeen kestoisuutta suuremmaksi vain noin 2 %:lla kotitalouksien sähköliittymis-

tä, joista suurin osuus on sähkölämmitetyissä omakotitaloliittymissä. Keskimääräinen

suhteellinen muutos liittymien, joilla ladataan sähköautoa, kuormitusasteessa on kuiten-

kin merkittävä. Tämä osoittaa, että kotitalousliittymät on mitoitettu riittävästi.

Yleisesti voidaan todeta, että Tampereen Sähköverkko Oy voi toivottaa sähköautot

tervetulleeksi kaupunkikuvaan sähkönjakeluverkkonsa puolesta. Työn pohjalta verkko-

yhtiön kannattaisi tehdä samankaltainen tutkimus uudelleen tulevaisuudessa, mikäli

työssä käytettyihin oletuksiin ja arvioihin muodostuu oleellisia eroja käytännössä. Ai-

nakin kuormitusmallit tulevat hyvin todennäköisesti päivittymään tulevaisuudessa käy-

tännön kokemuksen ja mittaustiedon mukana.

51

LÄHTEET

[1] Aleklett, K., Höök, M., Jakobsson, K., Lardelli, M., Snowden, S., Söderbergh, B.

The Peak of the Oil Age. 2010, Energy Policy. 28 s.

[2] Kronström, K., Jansson, K., Järventausta, P., Rautiainen, A., Partanen, J., Pyr-

hönen, J., Honkapuro, S., Lassila, J., Kosonen, I., Kari, T. Sähköajoneuvot Suo-

messa – selvitys. 2009, Biomeri Oy. 92 s. + liitt. 38 s.

[3] Mikkola, J-P., Rautiainen, A., Mutanen, A. Sähköverkosta ladattavat autot – pe-

rusteet, nykytila ja kehitysnäkymät. Tampere 2009, Tampereen teknillinen yli-

opisto. 65 s. + liitt. 3 s.

[4] Toyota [WWW]. [viitattu: 18.1.2010] Saatavissa:

http://www.toyota.fi/cars/new_cars/prius/index.aspx

[5] Opel Ampera: Re-Think Mobility! [WWW]. [viitattu: 18.1.2010] Saatavissa:

http://www.opel-ampera.com/english/

[6] Karma by Fisker Automotive [WWW]. [viitattu: 18.1.2010] Saatavissa:

http://karma.fiskerautomotive.com/

[7] Fisker Karma [WWW]. Wikipedia. [viitattu: 18.1.2010] Saatavissa:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fisker_Karma

[8] Mitsubishi Motors Japan [WWW]. [viitattu: 18.1.2010] Saatavissa:

http://www.mitsubishi-motors.com/special/ev/index.html

[9] Nissan LEAF Electric Car [WWW]. [viitattu: 18.1.2010] Saatavissa:

http://www.nissanusa.com/leaf-electric-car/index.jsp#/car/index

[10] The Electric Tesla Roadster [WWW]. [viitattu: 5.4.2011] Saatavissa:

http://www.teslamotors.com/roadster

[11] Piironen, P. Töpselisankari. Tuulilasi 47(2010)10, s. 62-69.

[12] Ajoneuvokantatilasto [WWW]. Liikenteen turvallisuusvirasto Trafi. [viitattu:

28.1.2010] Saatavissa: http://www.ake.fi/AKE/Tilastot/Ajoneuvokanta/

[13] Karlberg, P. Nissan laddar med induktion. Tekniikka & Talous (2009)41, s.10.

52

[14] Abuelsamid, S. What does it take to charge a battery in 10 minutes? [verkkoar-

tikkeli]. AutoblogGreen. August 2007. [viitattu 7.1.2010]. Saatavissa:

http://green.autoblog.com/2007/08/17/abg-reader-question-what-does-it-take-to-

charge-a-battery-in-10/

[15] Vesa, J. Sähköautojen standardisoinnin tilannekatsaus [WWW]. SESKO. Kesä-

kuu 2009. [viitattu 9.1.2010]. Saatavissa:

http://www.sesko.fi/attachments/sk69/sahkoauto_standardointi.pdf

[16] Chargers and charging [WWW]. The Electropaedia. [viitattu 9.1.2010]. Saata-

vissa: http://www.mpoweruk.com/chargers.htm

[17] Karlberg, P. Universalkabel passar alla elbilar. Tekniikka & Talous (2009)41,

s.10.

[18] Alueelliset tunnusluvut [WWW]. Henkilöliikennetutkimus 04–05. [viitattu

22.2.2010]. Saatavissa: http://www.hlt.fi/tulokset/alueelliset_tunnusluvut.htm

[19] Kalenoja, H. TASE 2025 Liikenteen nykytila Tampereen seudulla. Tampere

2005, Tampereen teknillinen yliopisto. 35 s.

[20] Repo, S., Laaksonen, H., Mäki, K., Mäkinen, A., Järventausta, P. Hajautetun

sähköntuotannon vaikutukset keskijänniteverkossa. Tampere 2005, Tampereen

teknillinen yliopisto, Sähkövoimatekniikan laitos, Tutkimusraportti 2005:3. 144

s. + liitt. 34 s.

[21] Rautiainen, A., Repo, S., Järventausta, P., Mutanen, A. Statistical charging load

modelling of PHEVs in electricity distribution networks using National Travel

Survey data. Tampere 2010, Tampereen teknillinen yliopisto. 24 s. + liitt. 16 s.

[22] Rautiainen, A. Sähköpostikeskustelu 7.1.2011.

53

LIITTEET

Liite I: Latauksen mallinnusalgoritmin vuokaavio, perusskenaario

Liite II: Latauksen mallinnusalgoritmin vuokaavio, nopea skenaario

Liite III: Latauksen mallinnusalgoritmin vuokaavio liittymätarkastelussa

54

Liite I: Latauksen mallinnusalgoritmin vuokaavio, perusskenaario

Kuva L1.1. Sähköautojen latauksen mallinnusalgoritmi perusskenaariossa.

Käyttöpaikka-tunnus i = 1

i kuuluu luokkaan E?

Kulutus-ryhmä luokka A?

Kulutus-ryhmä luokka C?

Kulutus-ryhmä

luokka D1?

Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 1600 kWh + OKT-käyrä

Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 1600 kWh + RT/KT-käyrä

Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 11650 kWh + työpaikka-käyrä

Käyttöpaikka-tunnus i=i+1

i < suurin käyttöpaik-katunnus?

Stop

Ei

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Ei

Ei

Ei

Ei

Laskuri B parillinen?

Laskuri A parillinen?

Kyllä

Ei

Kulutus-ryhmä luokka B?


Kyllä

Ei

Laskuri C jaollinen 3:lla?

Kyllä

Kyllä

Ei

Ei

Laskuri A = Laskuri A +1

Laskuri B = Laskuri B +1

Laskuri C = Laskuri C +1

Laskuri A = 0 Laskuri B = 0 Laskuri C = 0 Laskuri D = 0


Start

Kulutus-ryhmä

luokka D2?


Kyllä

Ei

Laskuri D jaollinen 3:lla?

Kyllä

Ei

Laskuri D = Laskuri D +1

55

Liite II: Latauksen mallinnusalgoritmin vuokaavio, nopea skenaario

Kuva L2.1. Sähköautojen latauksen mallinnusalgoritmi nopeassa skenaariossa.

Käyttöpaikka-tunnus i = 1

i kuuluu luokkaan E?



Kulutus-ryhmä

luokka D1?

Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 1600 kWh + OKT-käyrä





Stop

Ei

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Ei

Ei

Ei

Ei

Laskuri B jaollinen 4:llä?

Laskuri A jaollinen 4:llä ?

Kyllä

Ei



Kyllä

Ei


Kyllä

Kyllä

Ei

Ei




Laskuri A = 0 Laskuri B = 0 Laskuri C = 0 Laskuri D = 0


Start

Kulutus-ryhmä

luokka D2?


Kyllä

Ei

Laskuri D jaollinen 2:lla?

Kyllä

Ei

Laskuri D = Laskuri D +1

56

Liite III: Latauksen mallinnusalgoritmin vuokaavio liittymätarkaste-

lussa

Kuva L3.1. Sähköautojen latauksen mallinnusalgoritmi liittymätarkastelussa perusske-

naarion mukaan.

Käyttöpaikka-

tunnus i = 1



Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 13373 kWh + 95 %-OKT-käyrä

Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 11249 kWh + 95 %-RT/KT-käyrä



Stop

Ei

Kyllä

Kyllä

Kyllä

Ei

Ei

Laskuri B parillinen?

Laskuri A parillinen?

Kyllä

Ei


Lisää liittymälle käyttöpaikka ja sille 11249 kWh + 95 %-RT/KT-käyrä

Kyllä

Ei


Kyllä

Kyllä

Ei

Ei




Laskuri A = 0 Laskuri B = 0 Laskuri C = 0

Start

ari unkuri sÄhkÖautojen vaikutukset kaupungin … julkiset dtyot/unkuri_ari_julk.pdf ·...

Documents