Kuva: Bekir Dönmez on Unsplash
Tämä kirjoitus on ensimmäinen tuomasvanhanen.fi:ssä julkaistava vierasblogi. Toivotan asiantuntijat tervetulleiksi ehdottamaan kirjoituksia omaan osaamisalueeseensa liittyen.
Tulevaisuuden sähköverkot tarvitsevat akkuenergiavarastoja
Kirjoittaja: Markus Ovaskainen.
Uusiutuvien energialähteiden suhteellinen osuus kaikesta energiantuotannosta on kasvanut vuosi vuodelta, jotta ilmastonmuutosta kiihdyttäviä päästöjä syntyisi vähemmän. Uusiutuvat energiantuotantomuodot ovat kuitenkin haasteellisia sähköverkon vakauden kannalta.
Viime vuosina energiavarastot ovat nostaneet päätään energiaa ja sähköverkkoja koskevassa tutkimuksessa ja uutisoinnissa, koska niiden rooli sähköverkossa on merkittävämpi juuri uusiutuvien energialähteiden lisääntymisen takia. Miten energiavarastot liittyvät verkon vakauteen? Miksi akkuihin pohjautuvat energiavarastot ovat saaneet niin paljon palstatilaa?
Sähköverkko ja taajuus
Pohditaanpa hetki sähköverkon toimintaa. Suuria alueita, eli käytännössä valtioita kattavat sähköverkot toimivat kaikkialla samalla tavalla, eli siten, että tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa joka hetki. Periaatteessa laittaessasi kiukaan kotona päälle kuluttamaan sähkötehoa saunaa lämmittäväksi lämpöenergiaksi, jossain kohden samaa sähköverkkoa on aktivoiduttava vastaava määrä sähkön tuotantoa. Vastaavasti ottaessasi kiukaan pois päältä, jonkin generaattorin on laskettava tuotantoaan, jotta tasapaino säilyy.
Mieti hetki sitä, kuinka suuri määrä erilaisia kuormia ja tuotantolaitoksia on Suomen sähköverkossa. On käytännössä mahdotonta mitata jokaisen suomalaisen kodin valojen päälle- ja poisnapsautuksia, tehtaiden kompressoreiden käynnistymisiä tai edes tuotantolaitosten tuotantoa reaaliajassa tarkasti ja tehdä täysin samanaikaisesti päätöksiä tämän perusteella. Tämä vaatisi tähtitieteellisen nopeaa ja tarkkaa viestintäjärjestelmää, ja mahdollisuutta säätää tuotantoa todella nopeasti. Miten näiden kaikkien sähkönkulutuksen ja -tuotannon voi siis tasapainottaa jatkuvasti?
Tämän ymmärtämiseen on syytä tarkastella sitä, mistä sähköverkon taajuus muodostuu. Suomen sähköverkon taajuus on 50 hertsiä. Taajuus määräytyy sähköä tuottavien generaattoreiden roottorien pyörintänopeuden perusteella. Pyörintänopeus taas määräytyy generaattoria pyörittävän turpiinin pyörintänopeuden ja järjestelmään mahdollisesti asennetun vaihteiston perusteella. Se on kuitenkin yhteisesti sovittu sellaiseksi, että tuotettu vaihtosähkö on 50:n hertsin taajuista.
Pyörivän sähkökoneen tehotasapainolla ja sen pyörimisnopeudella on suhde: jos generaattoria pyörittävän mekaanisen tehon ja sen sähköverkkoon syöttämän sähkötehon välillä on eroa, generaattorin pyörimisnopeus alkaa muuttua. Jos sähkötehoa otetaan generaattorista enemmän kuin siihen mekaanisesti tuotetaan ja tuodaan, generaattorin pyörimisnopeus alkaa laskea hitaasti. Toisaalta pyörimisnopeus kasvaa, jos sähkötehoa kulutetaan vähemmän kuin mekaanisesti tuotetaan. Pyörimisnopeus muutos riippuu pyörivän massan hitausmomentista - esimerkiksi Suomalaisten vesivoimaloiden massiivisten generaattoreiden hitausmomentit ovat suuria, ja siksi niiden pyörimisnopeus muuttuu varsin hitaasti, vaikka tuotettu ja kulutettu teho eivät olisikaan tasapainossa. Periaatteessa siis sähköverkkoon kytketyt pyörivät koneet itse asiassa toimivat pieninä energiavarastoina, joissa energia varastoituu pyörivän massan pyörimisenergiaksi. Jos tehtävänäsi olisi tasapainottaa kulutus ja tuotanto Suomen sähköverkossa joka hetki, tämä tieto helpottaisi työtäsi melkoisesti.

Viime kädessä Suomen sähköverkon tasapainosta vastaava siirtoverkon monopoliyhtiö Fingrid käyttää nk. taajuuden vakautusreservejä tehotasapainon hienosäätöön. Nämä reservit pystyvät nopeasti säätämään tuotantoaan tai kulutustaan verkon taajuuden muutosten perusteella ja siten palauttamaan tasapainotilanteen sähköverkossa. Vakautusreservien ansiosta tehon tuotanto ja kulutus ja taajuus pysyvät hallinnassa tietyllä tehomäärällä.
Suuressa mittakaavassa pelkästään tämä ei riitä. Sähköntuotannon kapasiteetti eli voimalaitosten tehollinen määrä ja muualta ostettava sähköteho pitää mitoittaa suurimman mahdollisen kulutuksen mukaan. Kulutusta ja tuotantoa on pystyttävä ennustamaan suhteellisen tarkasti, jotta tehoepätasapaino ei kasvaisi ikinä niin suureksi, että reservit eivät riittäisi sen tasapainottamiseen. Tällöin verkkoon voisi syntyä suuri taajuuspoikkeama 50:n hertsin nimellisestä taajuudesta, joka voisi johtaa suurten voimaloiden tai teollisuuskuormien äkkinäiseen irtautumiseen sähköverkosta.
Uusiutuvien energianlähteiden merkitys sähköverkolle
Tehotasapainon hallinta on sitä jämäkämpää, mitä enemmän verkkoon on yhdistetty yllä kuvatun kaltaisia suuria generaattoreita, joita on esimerkiksi vesi- ja ydinvoimaloissa. Niiden suuret hitausmomentit "jäykistävät" sähköverkkoa, ja taajuuden muutokset ovat rauhallisempia tilanteissa, joissa kulutus ja tuotanto eivät ole tasapainossa. Suomessa tällaista voimaa on paljon, sillä energianlähteitä, joissa on mahdollista käyttää valitsemallamme nopeudella pyörivää turpiinia (hiili-, ydin- ja vesivoima), on paljon kiinni verkossa.
Elämme murrosaikaa energialähteiden osalta - olemme siirtymässä vähäpäästöisempiin uusiutuviin energianlähteisiin, kuten tuuli- ja aurinkovoimaan. Tämä muutos aiheuttaa kuitenkin sähköverkon vakaudelle haasteita siinä vaiheessa, kun näiden energianlähteiden suhteellinen osuus tuotannosta alkaa kasvaa.
Eri energianlähteiden suhteellinen osuus asennetusta tuotantokapasiteetista Euroopassa vuosina 2005 ja 2017. Uusiutuvien energianlähteiden osuus on kasvanut merkittävästi. Suomi on osa yhteispohjoismaista sähköverkkoa, joten sähköverkkomme vakaus riippuu myös muiden Pohjoismaiden sähköverkkojen tilanteesta. Globaalit trendit vaikuttavat toki energiamarkkinoihin ja eri tuotantomuotojen kannattavuuteen ja siten niiden käyttöosuuksiin muutenkin kuin suoraan teknisesti. [2]
Ainakaan tämän tekstin kirjoitushetkellä emme kykene hallitsemaan tuulta, auringonpaisteen voimakkuutta tai sään pilvisyyttä. Tästä syystä emme kykene nostamaan sähköntuotantoa halutessamme (tuulivoimaloissa sitä on mahdollista rajoittaa jarruttamalla turpiinia).
Aurinkovoimaloissa ei ole lainkaan hitausmomenttia, joka vakauttaisi verkkoa. Tuulivoimaloissa on turpiini, mutta koska pyörimisnopeus voi vaihdella tuulen mukana, turpiinin pyörittämä generaattori on kytketty kiinni sähköverkkoon tehoelektroniikkaan perustuvan taajuusmuuttajan kautta (ainakin modernimmissa tuulivoimaloissa), joka varmistaa, että syötetyn vaihtosähkön taajuus on oikea. Tällainen voi tuulivoimala voi jäykistää sähköverkkoa “virtuaalisella hitausmomentilla”, mutta mahdollisuudet tälle ovat riippuvaisia tuulen nopeudesta.
Uusiutuvien energialähteiden suhteellista määrää on kiistatta lisättävä päästöjen vähentämiseksi. Yhtä tärkeää on kuitenkin säilyttää sähköverkon vakaus ja luotettavuus koko yhteiskunnan toiminnan kannalta.
Energiavarastot muuttavat asetelmaa
Sähköverkon osana toimivat energiavarastot muuttavat peliä oleellisesti. Jos kykenemme varastoimaan sähköenergiaa, tuotannon ja kulutuksen ei tarvitsekaan vastata toisiaan hetkellisesti - energiavarasto toimii puskurina, ja tarjoaa tarvittavan lisäkulutuksen tai -tuotannon, kun sitä tarvitaan. Tämä tarkoittaa sitä, että tuotannon ja kulutuksen tarvitsee vastata toisiaan vain keskiarvoisesti.
Aurinko- ja tuulivoiman tuotantoa on paljon helpompaa ennustaa esimerkiksi päivän aikavälillä kuin hetkittäisesti. Lisäksi energiavarastot voisivat kompensoida tuotanto- ja kulutushuippuja paikallisesti. Tämä tarkoittaisi sitä, että sähköverkkoja ja tuotantokapasiteettia ei tarvitsisi mitoittaa huipputehon mukaan, vaan keskiarvoisen tehon mukaan. Tämä olisi tietenkin taloudellisempaa.
Erilaisilla energiavarastoilla on erilaisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä soveltuvampia tiettyihin käyttötarkoituksiin ja myös rajaavat niiden sovelluksia. Pumppuvoimalaitokset - joiden osuus on suurin kaikesta globaalisti asennetusta tehollisesta energiavarastokapasiteetista - voivat varastoida suuria määriä energiaa ja pitkäksi aikaa. Laitos vaatii kuitenkin luonnollisen korkeuseron ja on siten riippuvainen maantieteellisestä sijainnista. Lisäksi sen toiminta on hidasta (nimellisteho ei ole käytössä välittömästi). Moderni tehoelektronisesti kytketty tyhjiössä pyörivä vauhtipyörä kykenee tuottamaan suuria määriä tehoa todella nopeasti, mutta siihen voi varastoida vain pienen määrän energiaa.
Akkuenergiavarastot ovat ominaisuuksiltaan tasapainoisia – ne kykenevät suuriin tehon muutosnopeuksiin ja ovat energia- ja tehotiheitä, ja kompakteina helposti sijoitettavia.
Litiumioniakkuihin perustuva akkuenergiavarasto
Akkuenergiavarasto voi pohjautua moneen eri akkuteknologiaan. Eri akkutyypit ovat ominaisuuksiltaan erilaisia monessa suhteessa. Lisäksi eri akkutyypit ovat eri vaiheessa teknologian kehityskaarta – jotkin teknologiat ovat lupaavia tulevaisuudessa, mutta eivät vielä kypsiä teolliseen käyttöön nykyhetkellä.
Litiumioniakku on tämän hetken suosituin akkuteknologia, koska sillä on erinomainen suorituskyky ja tasapainoiset ominaisuudet. Litiumioniakut ovat kypsää teknologiaa ja niitä on käytetty kaupallisesti 90-luvun alusta lähtien elektroniikassa kuten matkapuhelimissa. Oikeastaan käsite litiumioniakku kattaa vielä monta erilaista akkutyyppiä. Akkutyypeissä vaihtelee enimmäkseen akun positiivisen elektrodin kemiallinen koostumus, ja tämä vaikuttaa merkittävästi koko akun ominaisuuksiin. Sähköautoteollisuuden vaatima litiumioniakkujen massatuotanto on laskenut akkujen hintaa, ja tämä on tehnyt siitä mielenkiintoisen investointikohteen.
Tähän teknologiaan perustuvaan akkuenergiavarastoon voidaan ahtaa suuri määrä energiaa suhteellisen pieneen tilaan ja massaan. Lisäksi sitä voidaan käyttää suurella sähköteholla, ja se voi muuttaa tehoaan nopeasti. Ratkaisun kompaktius tarkoittaa sitä, että sen voi sijoittaa vapaasti sinne missä sitä tarvitaan, esimerkiksi konttiin rakennettuna.
Akkuenergiavaraston verkkoon liittämisestä huolehtii verkkovaihtosuuntaaja, jonka älykäs ohjaus tekee ratkaisusta monikäyttöisen: järjestelmää voi käyttää paitsi energian varastointiin ja siirtämiseen, myös esimerkiksi verkon jännitteen vakauttamiseen tai harmonisten yliaaltojen suodattamiseen. Lisäksi akkuenergiavarasto kykenee itsenäiseen verkonmuodostukseen, jos yhteys syöttävään sähköverkkoon on katki esimerkiksi vian vuoksi. Akkuenergiavaraston vasteaika on todella lyhyt; koko purkaus- tai latausteho on käytössä millisekunneissa.
Tarkalleen ottaen energiavaraston tyyppiä olennaisempaa on järjestelmän verkkovaihtosuuntaajan älykäs ohjaus, sillä kaikki sähköverkkoa tukevat toiminnallisuudet toteutetaan vaihtosuuntajaan ohjauksen avulla. Energiavarastotyyppi lähinnä asettaa raamit sille, mitä vaihtosuuntaajalla voidaan tehdä – kuten kuinka paljon energiaa on käytettävissä ja kuinka nopeasti järjestelmän sähkötehoa voi muuttaa. Energiavaraston tyyppi saattaa vaihtua litiumioniakusta johonkin parempaan teknologiaan tulevaisuudessa, mutta verkkovaihtosuuntaajien näkökulmasta energiavaraston tyypillä ei ole suurta merkitystä.
Akkuenergiavaraston kannattavuus ja markkinatrendit
Yllä käsitelty uusiutuvien energianlähteiden lisääntyminen ja sen aiheuttamat haasteet verkon vakaudelle lisäävät kysyntää energiavarastoille. Akkuenergiavarasto sopii suorituskykynsä puolesta erityisesti nopeaan taajuuden (eli käytännössä tehotasapainon) hallintaan, ja Suomessa nykyisin toiminnassa olevat ja suunnitellut suuren mittakaavan akkuenergiavarastot toimivatkin pääasiassa tässä tarkoituksessa Fingridin hallinnoimissa vakautusreserveissä.
Jos tuotantolaitoksella tai teollisuuden kuormalla on hyvin piikkimäinen huippukulutus tai -tuotanto, akkuenergiavarastoa voi käyttää tuon piikin rajoittamiseen, ja siten välttyä sähköliittymän ylimitoituksesta tai tehonsiirtomaksuista aiheutuvilta kuluilta. Rajoitus tapahtuu siten, että huippukulutuksen tai -tuotannon aikana verkkoon päin vaihtuvaa tehoa rajoitetaan lataamalla tai purkamalla akkua. Koska sähkön hinnan vaihtelut ovat verrattain pieniä Suomessa, varsinaisessa sähköarbitraasissa (sähkön ostamisessa silloin kun se on halpaa ja myymisessä silloin kun se on kallista) ei ole toistaiseksi taloudellista mielekkyyttä.
Akkuteknologian hinnan voidaan olettaa laskevan entisestään sähköautomarkkinoiden (ja miksei verkkoon liitettyjen akkuenergiavarastojen markkinoidenkin) kasvaessa. Litiumioniakkuteknologiassa on kuitenkin merkittävä investoinnillinen haaste – sen ikääntymistä on hankala ennustaa, sillä sen elinikä riippuu täysin siitä, miten sitä käytetään.
Hiljattain julkaistu TEM:n älyverkkotyöryhmän loppuraportti kannustaa tulevaisuudessa painottamaan enemmän tehopohjaista hinnoittelua, joka tarkoittaa sitä, että sähkön tuottajan tai kuluttajan on entistä kannattavampaa pitää teho mahdollisimman vakiona – tällöin energian varastoinnille syntyy kannuste. Sama raportti kannustaa myös verotuksen poistamiseen sähkön varastoinnilta.
Koska energiavarasto ja sen hyödyntämismahdollisuudet osana verkkoa on vielä ideana suhteellisen tuore, verotuskäytännöt ja regulaatio eivät ole vielä täysin kyenneet seuraamaan teknologian kehitystä. Tällä hetkellä esim. akkuenergiavarasto ei hyödy täysimääräisesti kaikista verkon vakautta tukevista ominaisuuksistaan ja suorituskyvystään. Sääntelyn kehittyessä akkuenergiavaraston hyödyntämisestä markkinoilla tulee kannattavampaa. Suomen markkinoilla tilanne kuitenkin on parantunut merkittävästi, kun hyväksytyn hallituksen esityksen (HE 191/2018) mukaisesti tiettyjen energiavarastojen hyödyntäminen muuttuu verovapaaksi.
Rooli uusiutuvien energialähteiden lisääntyessä
Kun uusiutuvien energialähteiden osuus lisääntyy, energiavarastot ovat yhä tärkeämpiä elementtejä sähköverkossa. Energiavaraston ei mitenkään deterministisesti tarvitse perustua litiumioniakkuihin tai akkuihin ylipäätään, mutta tällä hetkellä yhtä uskottavia vaihtoehtoja - jotka tarjoaisivat yhtä tasapainoiset ominaisuudet - ei kaupallista käyttöä varten ole. Konseptina energian muuttaminen kemialliseen muotoon (eli akku) on vailla haastajaa ainakin lähitulevaisuudessa.
Uusiutuvien energialähteiden määrä sähköverkossa lisääntyy nopeasti, joten sähköverkon vahvistaminen energiavarastoilla on jo nyt ajankohtainen asia. Akkuenergiavarastot kykenevät vastaamaan haasteeseen tänään.
Markus Ovaskainen
Kirjoittaja on diplomi-insinööri ja työskentelee sähkön laatua parantavaa tehoelektroniikkaa kehittävässä ja valmistavassa yrityksessä.
Muokattu
22.3.2019 klo 18:00. Lisätty maininta hallituksen esityksen (HE 191/2018) mukaisesta muutoksesta akkuenergiavarastojen verotukseen.
24.3.2019 klo 17:35. Korjattu "tehoreservi" --> reservi. Tehoreservillä tarkoitetaan tarkkaan ottaen sähkön toimitusvarmuuteen liittyviä reservejä, johon vuoteen 2020 saakka kuuluvat voimalaitokset näet täältä.
Lähteet
[1] Klimstra, Jacob. ”Power Supply Challenges”. Power-Gen Europe in Cologne 2014. Saatavissa (viitattu 31.1.2019): https://www.smartpowergeneration.com/the-book-power-supply-challenges/chapter-2-balancing-the-electricity-supply-in-case-of-calamities
[2] Wind Europe. ”Wind in power 2017”. 2017. Saatavissa (viitattu 31.1.2019): https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-wind/statistics/WindEurope-Annual-Statistics-2017.pdf