Tampereen teknillisen yliopiston tutkija Anna Kulmala on tutkinut sähköverkon aktiivista jännitteensäätöä tuoreessa väitöskirjassaan. Jännitteen säätäminen on vaihtoehto jakeluverkkoinvestoinneille varsinkin silloin, kun verkkoon liitetään pienvoimalaitoksia, kuten tuulivoimalaitoksia.

— Eräässä tapauksessa sähkönverkkoon liitetty tuotantomäärä voitiin kolminkertaistaa ilman johtojen vahvistamista, kun otettiin käyttöön tehokas sähkönverkon jännitteensäätöjärjestelmä, Kumala kertoo.

Uutta tutkimuksessa oli teorian kokeileminen myös käytännössä — oikeassa sähköyhtiön jakeluverkossa. Aikaisemmin valtaosa tutkimuksista on keskittynyt säätöalgoritmien säätöperiaatteiden määrittelyyn. Kaupallisia ratkaisuita varten tarvitaan kuitenkin vielä lisää tietoa. Verkossa tilanteet vaihtelevat jatkuvasti — siksi tarvitaan koordinoitua säätöä, jossa hyödynnetään koko verkon resursseja reaaliaikaisesti. 

Kokeiluja eri puolilla Suomea

Tutkimustyön yhteydessä sähkönverkon aktiivista jännitteensäätämistä kokeiltiin Koillis-Satakunnan Sähkön verkossa Virroilla. Tutkijat laskivat, että uuden vesivoimalan liittäminen sähköverkkoon ilman aktiivista jännitteensäätöä edellyttäisi 40 kilometrin pituisen uuden johtolähdön rakentamista sähköasemalta. Toinen vaihtoehto oli pienentää sähköaseman jännitteensäätöreleen asetusarvoa ja vahvistaa olemassa olevaa verkkoa ainoastaan 18 kilometrin matkalta.

Tutkimuksia tehtiin myös Fortumin (nyk. Caruna) entisessä verkossa. Tutkimuskohteena oli sähköasema, jossa oli viisi johtolähtöä. Neljässä johtolähdössä oli pelkkää kuormitusta, mutta viidennessä johtolähdössä oli 22 kilometrin päässä kolmen megawatin tehoinen tuulivoimalaitos. Kohteessa tutkittiin erilaisia tapoja kytkeä tuulivoimalaitos sähköasemalle sekä erilaisten liittämisen kustannuksia.

Jos sähköaseman jännitettä ja tuulivoimalaitoksen generaattorin reaktiivista tehoa säädettäisiin, aiheutuisi tästä vuodessa vajaat 50 000 euron kustannukset. Tavallisesti käytössä oleva tapa on liittää tuulivoimalaitos passiivisesti sähköasemalle ja leikata tarvittaessa tuulivoimalaitoksen tuotantoa — tästä syntyy vuosittain noin 350 000 euron kustannukset, jotka pääosin koostuvat tuulivoimalaitoksen menetetyn tuotannon markkina-arvosta.

Tuulivoimalaitoksen ja sähköaseman välisen siirtoyhteyden vahvistaminen taas aiheuttaa pääomakustannuksia. Muutaman vuoden takaisten kustannustietojen mukaan sähköaseman ja tuulivoimalaitoksen välisen lisäkaapelin rakentaminen maksaisi 20 000—30 000 euro kilometriltä. Tuulivoimalaitoksen ja sähköaseman välisen 22 kilometrin matkalta siirtoyhteyden vahvistaminen maksaisi siis tässä tapauksessa 440 000—660 000 euroa. Sähköverkon jännitteen aktiivinen säätäminen taas mahdollistaa tuulivoimalaitoksen tehokkaan käyttämisen ilman kalliita verkkoinvestointeja.

Kannattavuus tapauskohtaista

Sähköverkon aktiivisen jännitteensäätämisen taloudellisten vaikutusten arviointi on aina tapauskohtaista.

— Valitettavasti en voi antaa mitään lukuarvoa aktiivisen jännitteensäädön taloudellisuudesta, koska sähköverkot ovat niin erilaisia, Kulmala toteaa.

— Joissakin tapauksissa olemassa olevan sähköverkon vahvistaminen voi olla taloudellisesti kannattavampaa. Sähköverkkojen suunnittelua pitäisikin kehittää nykyisestä, jotta saataisiin helposti selville mitä menetelmää milloinkin kannattaa käyttää.

Viime kesänä julkaistussa eurooppalaisessa tutkimuksessa todetaan, että sähköverkon jännitteensäätämisellä voitaisiin Euroopan tasolla saavuttaa miljardien kustannussäästöt. Lontoon Imperial College, Nera Economic Consulting ja NDV GL –niminen sertifiointilaitos taas ovat arvioineet uusiutuvaa energia käyttävien pienten voimalaitosten sähköverkkoon liittämisen kustannuksia EU-maissa. Nykyisin käytössä olevalla liittämistekniikalla kaikkien suunniteltujen laitosten liittäminen sähköverkkoon vuoteen 2030 mennessä maksaisi noin 225 miljardia euroa. Käyttämällä jännitteensäätöä ja älykkäitä muuntajia voidaan kustannuksista leikata 25 miljardia euroa, eli kymmenisen prosenttia.

Teknisiä ratkaisuja valmiina

Aktiivisessa jännitteensäädössä tarvittavaa tekniikkaa on käytetty suurtuotannossa jo vuosikymmeniä. Esimerkiksi generaattoreiden aktiivista ja reaktiivista tehoa voidaan muuttaa helposti. Myös tahtikoneiden magnetointia voidaan säätää.  Epätahtikoneiden yhteydessä taas voidaan käyttää kompensointikondensaattoreita. Sähköaseman jännitettä voidaan muuttaa käämikytkimillä.

Pienten voimalaitosten tuotantotehon rajoittaminen hetkellisesti voi olla myös kustannuksia säästävä ratkaisu. On halvempaa menettää lyhytkestoinen voimalaitoksen tuotantopiikki kuin asentaa järeä kaapeli harvoin esiintyvän tuotantopiikin talteen ottamista varten.

Sähköverkon aktiivista jännitteensäätöä käytetään jakeluverkoissa vain harvoin. Kaapelit mitoitetaan yleensä pahimpien mahdollisten tilanteiden mukaisesti: maksimituotantoa ja minimikuormaa varten tai minimituotantoa ja maksimikuormaa varten. Tällöin jakeluverkon tarvitsema uusinvestoinnin hinta voi nousta niin korkeaksi, että edullisinta olisi jättää suunniteltu uusi voimalaitos rakentamatta kokonaan.

Uusia työkaluja

Uusien laitteiden lisäksi tarvitaan myös uusia työkaluja: algoritmeja ja suunnittelumenetelmiä. Kulmalan väitöskirjatyön yhteydessä kehitettiin useita aktiiviseen jännitteensäätöön soveltuvia menetelmiä.

— Uusien menetelmien kokeileminen todellisessa ympäristössä osoitti ne toimiviksi, Kulmala kertoo.

— Monet kehittämistämme menetelmistä voitaisiin jo nyt integroida olemassa olevien käytöntukijärjestelmien osaksi. Niiden käyttöönotto olisi verrattain edullista ja helppoa jakeluverkkoyhtiöille.

Yksi Kulmalan kehittämistä menetelmistä on jännitteensäätömenetelmien kokonaiskustannusten vertailu. Vanhoja työkaluja voidaan käyttää sen rinnalla tai osana — työkalupakin laajentaminen riittää.

Sähköverkon aktiivisen jännitteensäätämisen käyttö asettaa uusia vaatimuksia sähköverkon tilaa tarkkaileville järjestelmille. Jännitteensäätöä käytettäessä jakeluverkon tilaa on voitava seurata nykyistä kattavammin. Työssä voidaan hyödyntää mm. automaattisia mittausjärjestelmiä.

Uusia ohjelmistotuotteita tarvitaan

Aktiivista jännitteensäätämistä varten tarvittavia kaupallisia tuotteita ei ole tarjolla kovin paljon. Kulmala ihmettelee tarjonnan vähäisyyttä.

— Jakeluverkon aktiivinen jännitteensäätö ei ole kovin yleistä edes sellaisissa maissa, joissa sähköverkkoon on liitetty pienimuotoista hajautettua sähköntuotantoa enemmän kuin Suomessa, Kulmala kertoo.

— Monessa maassa aktiivinen jännitteensäätö on vielä tutkimus- ja kehitysvaiheessa. Olemassa olevat kaupalliset tuotteet sisältävät vain säätämisessä tarvittavia osittaisratkaisuja.

GE Energyn valmistamissa WindVAR-tuulivoimalaitoksissa tosin on jo käytössä teknologiaa, joka mahdollistaa reaktiivisen tehon hallinnan. Samanlaista tekniikkaa sisältää saksalaisen Enercon tuulivoimalaitokset.

— Uusille tuotteille ja uusille yrityksille olisi tilaa. Niistä voisi syntyä jopa kannattavia vientituotteita.

Sääntelyä kehitettävä

Kulmalan mielestä verkkotoiminnan sääntelyä olisi kehitettävä, jotta kannusteet ohjaisivat jakeluverkkoyhtiöiden mielenkiinnon kohti jännitteensäätöä.

— Tällä hetkellä lainsäädäntö ja valvonta kannustavat panostamaan enemmän johtoihin kuin jakeluverkon älykkyyteen. Metalliin ja laitteisiin saa investoida ja tällä tavalla kasvattaa pääomakustannuksia, mutta verkon käyttökustannusten lisääminen on lähes mahdotonta, vaikka pienillä käyttökustannusten lisäyksillä voitaisiin saavuttaa moninkertaiset säästöt pääomakustannuksissa.

— Jakeluverkon suunnittelussa pitäisi pyrkiä kokonaiskustannusten minimointiin.

Uuden tekniikan lisäksi olisi osattava omaksua uusia ajattelutapoja. Verkkoyhtiöille pientuotanto saattaa olla pelkästään negatiivinen kuorma ja pientuottajat eivät aina ymmärrä, että laitosten liittämisellä verkkoon on aina vaikutuksensa.

teksti: Kalevi Rantanen, pääkuva: Scanstockphoto

Energiauutiset on tavattavissa Tampereen Messu- ja Urheilukeskuksessa 28.—29.1.2015 järjestettävillä Verkosto-mesuilla osastolla 404. Tervetuloa kertomaan juttuvinkkejä.