Johdanto

Microgrid saarekeverkko -hanke

Tämä esiselvitysraportti liittyy MicroGrid Saarekeverkko -hankkeeseen, joka on Oulun ammattikorkeakoulun (Oamk) koordinoima ja Pohjois-Pohjanmaan liiton rahoittama opetus- ja kulttuuriministeriön toimialan kehittämishanke. Se toteutetaan ajalla 1.5.2021 - 31.12 2022. Rahoitus tulee pääosin Euroopan aluekehitysrahastosta (EAKR) ja Suomen valtiolta.

Hankkeen sisältö on suunniteltu Oamkin lisäksi yli kymmenen yrityksen voimin vastaamaan käynnissä olevan energiamurroksen synnyttämiin haasteisiin sekä energia-alan yrityksissä että koulutuksessa. Sen tavoitteet kohdistuvat uuden liiketoiminnan kehittämiseen ja nykyisen liiketoiminnan tehostamiseen nopeasti muuttuvalla energia-alalla. Kohderyhmiä ovat yritykset ja yhteisöt, joiden energian tuotannon, jakelun, varastoinnin ja käytön optimointi vähentää päästöjä, parantaa energiatehokkuutta ja synnyttää säästöjä.

MicroGrid-hankkeessa kootaan tietoa ja kokemuksia erityyppisten saareke- ja mikroverkkojen tavoitteista, toteutuksista sekä energiaverkon hallintajärjestelmien hyödyntämisestä energiankäytön tehostamisen ja tavoitteiden saavuttamisen tukena. Kehitettävät ratkaisut tarjoavat uusia liiketoimintamahdollisuuksia, rahallisia säästöjä ja toimivia teknisiä ratkaisumalleja erityyppisille toimijoille, joita voivat olla esimerkiksi maatilat, taloyhtiöt, kyläyhteisöt ja energia-alan yritykset.

Tässä ensimmäiseen toimenpidepakettiin sisältyvässä esiselvityksessä tarkastellaan käynnissä olevan energiamurroksen syitä ja sen aiheuttamia haasteita ja mahdollisuuksia erityyppisille energiaalan toimijoille. Samalla luodaan katsaus energianhallintajärjestelmien suunnitteluperusteisiin ja toteutustapoihin sekä tuotetaan tarvittavaa dokumentaatiota hankkeen onnistuneeseen suuntaamiseen.

MicroGrid-hankkeen tavoitteena on tuottaa testattu ja todennettu energianhallinnan kokonaisratkaisu, jonka avulla voidaan optimoida tietyn kohteen sähkö- ja lämpöenergian tuotantoa, varastointia ja kulutusta ekologisesti kestävällä ja energiaa säästävällä tavalla erilaisissa käyttötilanteissa mikroja saarekeverkossa.

Hankkeen puitteissa kehitettävää energianhallintajärjestelmää pilotoidaan Oamkin Linnanmaan kampuksella sijaitsevassa Oamkin hybridilaboratoriossa. Sen sähkö-, automaatio-, energia- ja talotekniikka-alan laitteistot ja järjestelmät muodostavat monipuolisen kokonaisuuden, jota voidaan käyttää mikroverkon energiahallintaratkaisuiden ja erilaisten ohjauskonseptien testausympäristönä ja pilotointialustana.

Ilmastotavoitteet vauhdittamassa energiamurrosta

Suomi on osana Euroopan unionia sitoutunut Pariisin ilmastosopimukseen. Eduskuntapuolueiden yhteisen linjauksen mukaan tavoite edellyttää pitkän aikavälin ilmastotoimien toteuttamista siten, että EU:n hiilineutraalius saavutetaan ennen vuotta 2050.

Osana kestävään kehitykseen tähtääviä tavoitteitaan Suomen hallitus on sitoutunut uudistamaan Euroopan unionin ja Suomen ilmastopolitiikkaa toimenpitein, joilla pyritään rajoittamaan maailman keskilämpötilan nousu 1,5 °C:seen. Tavoitteeksi on asetettu, että sähkön ja lämmön tuotannon tulee olla maassamme lähes päästötöntä 2030-luvun loppuun mennessä huolto- ja toimitusvarmuusnäkökulmat huomioiden. Tämä edellyttää, että sähkön ja lämmön tuotannossa siirrytään käyttämään fossiilisia polttoaineita käyttävien tuotantomuotojen sijasta muita ratkaisuja. (Valtioneuvosto 2019.)

Keinoja tavoitteiden saavuttamiseen

Hallitusohjelmaan on kirjattu keinoja, joilla Suomi pyrkii maailman ensimmäiseksi fossiilivapaaksi hyvinvointiyhteiskunnaksi. Seuraavassa on joitakin poimintoja hallituksen tavoiteohjelmassa esitetyistä keinoista, joilla edistetään ilmastotavoitteita ja pyritään turvaamaan kestävä kehitys sekä luonnon monimuotoisuus:

• veromuutokset, jotka edistävät sähköön perustuvia energiaratkaisuja • energiatukijärjestelmän painopisteen siirtäminen tuotantotuista kohti uuden energiateknologian investointi- ja demonstraatiotukia • kivihiilen energiakäytön lopettaminen viimeistään vuonna 2029 • polttoon perustumattomien uusien kaukolämmön tuotantotapojen ja varastoinnin käyttöönoton ja pilotoinnin edistäminen • luopuminen fossiilisen öljyn käytöstä lämmityksessä asteittain 2030-luvun alkuun mennessä. (Valtioneuvosto 2019.)

Yhteiskunnan sähköistyminen ja energiajärjestelmien (sähkö, lämpö ja liikenne) kytkeytyminen toisiinsa edellyttää puhtaan, uusiutuviin energiamuotoihin perustuvan sähköntuotannon merkittävää lisäämistä. Hallitusohjelmassa tähän pyritään muun muassa seuraavasti:

• kasvattamalla tuulivoiman osuutta Suomen energiatuotannosta • kehittämällä sähköverkon joustavuutta ja vaihtoehtoisia tapoja varmistaa sähkön toimitusvarmuus erityisesti haja-asutusalueilla • tekemällä lisäpanostuksia erityisesti biotalouden, kiertotalouden, puhtaan teknologian ratkaisujen, energiatehokkuuden, päästöttömien energiantuotantomuotojen, energian

varastointiratkaisujen ja hiilen talteenoton ja hyödyntämisen kehittämiseksi ja markkinoille saattamiseksi sekä niiden tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotoimintaan • parantamalla huoltovarmuutta kehittämällä Suomeen alan toimijoiden kanssa älykkäämpää sähkö- ja kaukolämpöverkkoa, parantamalla siirtoyhteyksiä sekä hyödyntämällä uusia energian varastointimahdollisuuksia • hyödyntämällä täysimääräisesti älykkäiden sähköverkkojen ja kysyntäjouston potentiaali • kehittämällä sääntelyä ja verotusta siten, että helpotetaan energian pientuotannon hyödyntämistä kaikille osapuolille, mukaan lukien taloyhtiöt, pientalot ja maatilat. (Valtioneuvosto 2019.)

Asumisen ja rakentamisen hiilijalanjälkeä pyritään pienentämään parantamalla olemassa olevan rakennuskannan energiatehokkuutta ja tukemalla siirtymistä päästöttömään lämmöntuotantoon. Päästöjen vähentämistavoitteet koskevat myös liikennettä. Sähköä ja hiilineutraaleita polttoaineita käyttävien autojen osuus autokannasta kasvaa voimakkaasti. Liikenteen sähköistyminen lisää osaltaan sähköenergian kulutusta.

Kuva 1 Energiamurrokseen sisältyviä kehityssuuntia (Wikipedia 2022.)

Energiamurros ilmenee muun muassa energiantuotannon hajaantumisena ja pientuotannon lisääntymisenä. Sähköenergia on perinteisesti tuotettu suurissa tuotantoyksiköissä. Siirto- ja jakeluverkko on mitoitettu siten, että tarvittava teho saadaan siirretyksi pienin häviöin kuluttajille. Rakennusten tiukentuneet energiatehokkuusvaatimukset edistävät uusiutuviin energialähteisiin perustuvaa omaa pientuotantoa. Kuluttajista (consumer) tulee tuottajakuluttajia (prosumer, (joka on yhdistelmä sanoista producer-consumer)). Energiamurroksen liittyviä trendejä ja ilmiöitä on koottu oheiseen kuvaan 1.

Energiamurroksen synnyttämiä haasteita

Tehotasapainon ylläpito

Hiilidioksidipäästöjä aiheuttavien energiantuotantomuotojen tilalle on tullut enenevässä määrin uusiutuviin energialähteisiin perustuvaa tuotantoa. Kun säästä riippuvan sähköntuotannon suhteellisen osuus kokonaistuotannosta lisääntyy, on sähköverkon tehotasapainon ylläpito tullut aiempaa haasteellisemmaksi. Sähköverkon stabiilisuus perustuu tehotasapainoon, jossa sähkön kokonaistuotanto on joka hetki yhtä suuri kuin kokonaiskulutus. Tehotasapainon vallitessa sähköverkon vaihtosähkötaajuus ja jännitteet pysyvät stabiileina.

Sähköverkon vaihtosähkön taajuus on synkroninen voimalaitosten turbiinien ja generaattorien pyörimisnopeuden kanssa. Niiden pyöriviin massoihin sitoutunut suuri liike-energia. Ne muodostavat suuren hitausmomentin, joka tasaa verkossa satunnaisesti esiintyviä hetkellisiä tuotanto- ja kuormitusvaihteluita pyrkien pitämään taajuutta nimellisarvossaan. Tuuli- ja aurinkovoimalat on liitetty sähköverkkoon suuntaajakytkentöjen kautta. Ne eivät muodosta vastaavaa, verkkotaajuuden kanssa synkronisesti pyörivää massaa ja inertiaa, joten tehotasapainon hetkellissäätöön tarvitaan enenevässä määrin myös muita toteutustapoja. Ratkaisuina sähköenergian tehonvaihteluihin on muiden tuotantomuotojen tehonsäätö, kysyntäjoustot sekä sähköenergian varastointi. Fingrid Oyj yhdessä muiden pohjoismaisten kantaverkkoyhtiöiden kanssa huolehtii yhteispohjoismaisen kantaverkon tehonsäädöstä. Sen puitteissa ylläpidetään järjestelmää, jonka avulla on käytettävissä riittävästi tehoreservejä taajuuden ylläpitoon sekä normaali- että häiriötilanteissa. (Fingrid 2020.)

Tehotasapainosta on huolehdittava myös saarekeverkoissa. Viime aikoina akustoista on niiden teknologisen kehityksen myötä tullut varteenotettava keino varastoida suuriakin määriä sähköenergiaa. Tehoreservinä toimimisen lisäksi ne takaavat katkottoman sähkönjakelun kriittisiissä käyttökohteissa ja tasaavat sähkön kulutushuippuja.

Sähköenergian markkinahinnan vaihtelut

Sähköenergian markkinahintavaihtelut lisääntyvät, kun uusiutuviin energiamuotoihin perustuvan tuotannon osuus kokonaistuotannosta kasvaa. Kysyntäjousto ja sähköenergian varastointi tulevat

kysymykseen myös silloin, kun halutaan saada säästöjä tai hyötyjä sähköenergian hintojen vaihdellessa.

Energiamarkkinoilla vallitsee kysynnän ja tarjonnan laki, joka vaikuttaa osaltaan energian hintaan. Tuuli- ja aurinkovoimaloiden luonteeseen kuuluu tuotantomäärien riippuvuus sääolosuhteista. Niiden tuottaman energian muuttuvat kustannukset ovat vähäisiä verrattuina useimpiin muihin tuotantomuotoihin, joten niiden tuotantokapasiteetti pyritään hyödyntämään täysimääräisesti.

Kuluttajan sähkölaskuun sisältyy myös perusmaksu, jonka suuruuteen vaikuttaa sähköliittymää suojaavan pääsulakkeen koko. Se mitoitetaan kohteen laskennollisen liitäntätehon perusteella. Mikäli pystytään leikkaamaan kohteen kulutushuippuja, voidaan saavuttaa säästöjä perusmaksussa ja huipputehoon perustuvissa tehomaksuissa.

Mikro- ja saarekeverkossa voidaan älykkään ohjausjärjestelmän avulla toteuttaa kysyntäjoustoa ja tasata kohteen kuormitushuippuja esimerkiksi hyödyntämällä akkuenergiavarastoja, vuorottelemalla tiettyjä kuormituksia keskenään tai siirtämällä kuormituksia ajankohtiin, jolloin kohteessa muu tehontarve on alhainen. Nämä toimenpiteet ylläpitävät osaltaan myös sähköverkon tehotasapainoa.