Tehokkaampien ja kestävämpien sähköverkkojen luominen sähköistämisellä ja automaatiolla – osa 1/2

Sähköverkon perinteisten energianlähteiden korvaamista kestävillä vihreillä vaihtoehdoilla kutsutaan sähköistämiseksi. Tämä artikkeli on artikkelisarjan kahdesta osasta ensimmäinen, jossa käsitellään sähköistämisen haasteita ja sitä, kuinka automaatiolla voidaan parantaa tehokkuutta ja kestävyyttä. Sarjan toisen osan aiheita ovat Leadership in Energy and Environmental Design (LEED)- ja Zero-Energy Building (ZEB) ‑sertifioinnit ja se, miten ne auttavat vähentämään hiilipäästöjä ja parantamaan kestävää kehitystä.

Sähköistämisellä tarkoitetaan fossiilisen energiantuotannon, kuten öljy-, hiili- ja maakaasuvoiman, korvaamista aurinkosähköllä ja muilla vihreillä teknologioilla sekä polttomoottoriajoneuvojen vaihtamista sähköajoneuvoihin (Electric Vehicle, EV). Järjestelmien sähköistäminen sekä automaation käyttö niiden yhdistämiseen sekä äly- ja mikroverkkojen tukemiseen ovat tärkeitä tekijöitä yhteiskunnan kehittämisessä kestävämmäksi ja vihreämmäksi.

Nykypäivän sähköverkkoja ei suunniteltu suuren sähköajoneuvokannan lataamiseen, joten äly- ja mikroverkkojen odotetaan olevan kriittisessä asemassa polttomoottoriajoneuvojen korvaamisessa sähköajoneuvoilla suuressa mittakaavassa. Kalifornian kuvernööri antoi hiljattain asetuksen, jonka mukaan vuoteen 2035 mennessä kaikkien uusien myytyjen henkilö- ja pakettiautojen on oltava päästöttömiä (sähköajoneuvoja). Äly- ja mikroverkkojen kehittäjien pitää täyttää huima määrä kansainvälisiä standardeja tällaisiin mandaatteihin vastaamiseksi. Esimerkiksi IEEE:llä on yli 100 hyväksyttyä tai kehitteillä olevaa älyverkkoihin liittyvää standardia, mukaan lukien yli 20 IEEE-standardia, jotka on nimetty National Institute of Science and Technologyn (NIST) Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability ‑julkaisussa. IEEE-standardien lisäksi mikroverkkoja koskevat muun muassa mikroverkkojen IEC 62898 ‑standardisarja.

Tämä artikkeli on kaksiosaisen artikkelisarjan ensimmäinen osa. Artikkelin aiheita ovat sähköistämisen toteutus, hajautettujen energiaresurssien (Distributed Energy Resource, DER) integroinnin haasteet, äly- ja mikroverkkojen samankaltaisuudet ja erot sekä tavat, joilla automaatio voi tehostaa niiden tehokkuutta ja kestävää kehitystä muun muassa tukemalla sähköajoneuvojen yleistä käyttöönottoa. Ensin artikkelissa tutustutaan tarkemmin hajaresursseihin ja niiden käyttökohteisiin ja lopuksi siihen, kuinka sähkönvälityksessä käytettävät mikroverkot hämärtävät mikro- ja älyverkkojen rajoja. DigiKey tarjoaa laajan valikoiman teollisia automaatiotuotteita, jotka tukevat sähköistämistä ja hajaresurssien integrointia mitä erilaisimmissa toteutuksissa. Toisessa artikkelissa tarkastellaan sitä, kuinka sähköistämistä ja automaatiota voidaan käyttää ympäristöystävällisissä rakennuksissa LEED- ja ZEB-sertifiointien saamiseksi.

Mitä hajautetut energiaresurssit ovat?

North American Electric Reliability Corporationin (NERC) määritelmä toteaa: ”Hajautettu energiaresurssi on mikä tahansa jakelujärjestelmän resurssi, joka tuottaa sähköä eikä muilta osin kuulu NERC:n Bulk Electric System (BES) ‑määritelmään.”

Jakelujärjestelmällä tarkoitetaan Pohjois-Amerikan kontekstissa 34,5 kilovoltin tai pienemmän jännitteen sähkölinjoja, jotka tyypillisesti kulkevat jakelukeskusten ja loppukäyttäjien välillä. Bulk Power System (BPS) ‑käsite kattaa jakelukeskukseen tulevat linjat, jotka usein siirtävät sähköä yli 100 kilovoltin jännitteellä pitkiä matkoja ja yhdistävät suuren mittakaavan sähköntuotantolaitoksia kytkentäresursseihin ja jakelukeskuksiin (kuva 1).

Kuva 1: Hajaresurssit sisältyvät jakelujärjestelmään (sininen); muut uusiutuvat energiaresurssit taas BPS-järjestelmään (vihreä). (Kuvan lähde: NERC)

Hajaresurssit ovat BPS:n ja BES:n ulkopuolisia resursseja, kuten tuuli- ja aurinkovoimaloita, energianvarastointiyksiköitä, akkupohjaisia energian varastointijärjestelmiä (Battery Energy Storage System, BESS), EV-latureita (tunnetaan myös lyhenteellä EVSE eli Electric Vehicle Service Equipment) ja mikroverkkoja. Hajaresursseja on sekä sähkömittarin takana että suoraan jakelujärjestelmässä. Mittarin takaisiin hajaresursseihin kuuluu muun muassa aurinkovoimaloita, BESS-järjestelmiä, verkkoon kytkettyjä sähköajoneuvoja ja varavirtalähteitä, kuten datakeskusten ja muiden laitosten suuria dieselgeneraattoreita. Mikroverkko on eräänlainen hajaresurssi.

Älyverkot, mikroverkot ja sähköistäminen

Mikroverkko on hajaresurssi, mutta kaikki hajaresurssit eivät ole mikroverkkoja. BPS:n näkökulmasta termit mikroverkko ja hajaresurssi viittaavat sähköntuotanto- ja ‑varastointiresursseihin. Älyverkko taas viittaa BPS:n käyttämiin tiedonsiirto- ja ohjaustekniikoihin, joilla varmistetaan toiminnan tehokkuus ja sietokyky häiriöitä vastaan. Toinen erottava tekijä on, että mikroverkkoihin kuuluu sähköntuotanto- ja ‑varastointiresurssien ohella kuormia. Älyverkkoon kuuluu pääasiassa sähköntuotantoresursseja ja mahdollisesti jossain määrin varastointiresursseja, mutta ei kuormia. Älyverkko voi kommunikoida kuormien kanssa, mutta ne eivät kuulu sähköverkkoon.

Sähköistäminen vaikuttaa mikroverkkoihin, BPS-järjestelmiin ja älyverkkoihin eri tavoin. BPS-järjestelmän kannalta sähköistystä lisätään olemassa olevaan verkkoon, ja jos tätä ei hallita oikein, seurauksena voi olla tahattomia haittoja. Tässä toimii apuna älyverkkoteknologia.

Kaksisuuntainen tiedonsiirto ja ohjaus ovat älyverkkojen pääasiallisia erottavia ominaisuuksia. Ohjausjärjestelmiin kuuluu antureita verkon vakauden valvontaan sekä kehittyneitä mittareita sähkön kysynnän seurantaan. Niissä käytetään myös erilaisia kytkentälaitteita ja sähkön laadun valvontalaitteita sähkövirtojen hallintaan. Anturit ovat tärkeässä asemassa uusiutuvien energialähteiden käyttöönoton ja sähköistämisen mahdollistamiseksi BPS-järjestelmissä sekä verkon vakauden varmistamiseksi. Lisäksi anturit ja ohjauselementit mahdollistavat nopeamman ja tehokkaamman häiriöihin vastaamisen sekä verkon tasapainottamisen ja suojaamisen erityisesti kysyntähuippujen aikana sekä uusiutuvien energialähteiden saatavuuden vaihdellessa. Älyverkkoteknologiat myös tukevat mikroverkkojen koordinointia ja integrointia jakelujärjestelmään ja BPS-järjestelmiin.

Sen sijaan mikroverkot on suunniteltu tukemaan sellaisia sähköistämistekniikoita kuten uusiutuvia energianlähteitä, BESS-akkujärjestelmiä ja sähköajoneuvoja. Mikro- ja älyverkot vaativat automaattisen ohjauksen, mukaan lukien hajaresurssien hallintajärjestelmän (Distributed Energy Resource Management, DERM).

DERM on avainasemassa

DERM-järjestelmien ja automaation määritelmät ja toteutustavat eroavat äly- ja mikroverkkojen välillä. Älyverkoissa on laajalla alueella erilaisia sähkön lähteitä ja käyttäjiä, joita hallitaan keskitetyn ohjauksen kautta (kuva 2). Sähköverkon hallinta on avainkonsepti älyverkon ohjaamiseksi BPS-järjestelmässä. Olemassa olevat BPS-järjestelmät suunniteltiin ja rakennettiin ennen kuin sähköistämiselle oli tarvetta, joten ne eivät aina välttämättä toimi luotettavasti, kun helposti ohjattavia fossiilisia energialähteitä korvataan vaikeammin ohjattavilla ja arvaamattomammilla uusiutuvilla energialähteillä. Lisäksi suuren sähköajoneuvokannan lataus ei ole suoraan sähköverkon ohjattavissa. Älyverkkoteknologian mahdollistamaa keskitettyä ja automatisoitua ohjausta tarvitaan kompensoimaan sähköistämiseen käytettyjen uusiutuvien energialähteiden ja sähköajoneuvojen latauksen arvaamattomuutta verrattuna perinteisiin sähköverkon elementteihin.

Kuva 2: Älyverkon reaaliaikainen hallinta vaatii automaattisia ohjaimia ja DERM-järjestelmiä. (Kuvan lähde: ETAP)

Äly- ja mikroverkkojen ohjaimet tarvitsevat verkkoon kytkettyjen resurssien reaaliaikaiseen valvontaan tietoja useilta eri antureilta. Sähköajoneuvojen ja EVSE-laitteistojen yleistymisen myötä ohjaimia käytetään myös latauksen virrankysynnän sekä ajoneuvojen ja verkon välisen tiedonsiirron hallintaan, mikä mahdollistaa sähköajoneuvojen käyttämisen verkon tai mikroverkon energian varastointiin.

Kytkettyjen resurssien tilan valvomisen lisäksi yleiseen sähköverkkoon kytkettyjen mikroverkkojen ohjaimien pitää valvoa myös paikallisen sähkönjakeluverkon tilaa. Kytkinlaitteisto on olennainen osa äly- ja mikroverkkoja, ja sen täytyy toimia millisekuntien vasteella luotettavan toiminnan mahdollistamiseksi. Kytkinlaitteistoja on erikokoisia, aina pienten mikroverkkojen muutaman kilowatin laitteistoista suurten mikroverkkojen ja sähkönjakeluverkon useiden megawatin versioihin. Kytkinlaitteisto ja ohjain voivat olla pienissä mikroverkoissa samassa laitekaapissa, mikä laskee kustannuksia ja nopeuttaa asennusta. Äly- ja mikroverkkojen DERM-järjestelmiin kuuluu energian tuotannon ja kulutuksen älykäs mittaus, jota käytetään pilvipohjaisessa analytiikassa hajaresurssien tarjoamien taloushyötyjen maksimoimiseksi ja korkean häiriönsietokyvyn tarjoamiseksi. DERM-arkkitehtuurit vaihtelevat erilaisten mikroverkkojen välillä.

Erilaiset mikroverkot

Mikroverkkoja voidaan luokitella niiden käyttökohteiden ja arkkitehtuurien mukaan. Pääasialliset mikroverkkoarkkitehtuurit ovat kaukoverkko, verkkoon kytketty ja sähkönjakeluverkkoon kytketty. Kaukoverkkotyyppisiä mikroverkkoja käytetään esimerkiksi saarilla sekä syrjäisessä kaivos- ja maataloustoiminnassa. Niitä sanotaan myös sähkönjakeluverkkoon kytkemättömiksi mikroverkoiksi, ja ne ovat fyysisesti erillään sähkönjakeluverkon BPS-järjestelmistä. Niiden on oltava täysin omavaraisia.

Verkkoon kytketyt eli sisäkkäiset mikroverkot koostuvat useista erillisistä hajaresursseista tai mikroverkoista, jotka on kytketty yleiseen sähkönjakelujärjestelmään. Niitä ohjataan yleensä keskitetyllä valvontajärjestelmällä, joka tasapainottaa mikroverkon toiminnan tarpeet ja laajemman sähkönjakeluverkon tuen. Useissa tapauksissa ohjain asettaa mikroverkot ja hajaresurssit tärkeyshierarkiaan, jotta kriittisimmät elementit pysyvät suojattuina. Verkkoon kytkettyjen mikroverkkojen käyttökohteita ovat esimerkiksi yhteisötyyppiset mikroverkot, älykkäät kaupungit ja markkinoille tuloaan tekevät sähkönjakelun mikroverkot.

Verkkoon kytketyt mikroverkot muodostavat alaluokan sähkönjakeluverkkoon kytketyistä mikroverkoista. Kaikki sähkönjakeluverkkoon kytketyt mikroverkot on fyysisesti kytketty jakeluverkkoon, ja niihin kuuluu verkkojen välisen kytkentäpisteen (Point of Common Coupling, PCC) kytkinlaite. Sähkönjakeluverkkoon kytketty mikroverkko on normaalissa toiminnassa yhteydessä jakeluverkkoon. Se voi tarjota sähkönjakeluverkolle palveluita, kuten taajuuden ja jännitteen säätö, tukea pätö- ja loisteholle sekä kysyntään vastaavat toiminnot kapasiteettirajoituksiin vastaamiseksi.

Saareketilassa oleva mikroverkko ei ole yhteydessä pääsähköverkkoon. Saareketila voi aktivoitua jakeluverkon häiriöiden vuoksi, ja sitä voidaan käyttää myös muun muassa huollon aikana. Kun nämä mikroverkot siirtyvät saareketilasta pääverkkokytkentään, niiden pitää ennen uudelleenyhdistämistä tunnistaa pääverkon taajuus ja synkronoida verkkojen toiminta.

Mikroverkoille on lukuisia käyttökohteita, kuten kampukset, sairaalat ja terveyskeskukset, kaupalliset toimipaikat, yhteisöt ja teollisuuslaitokset. Uusimman käyttökohteen muodostavat sähkönjakelun mikroverkot (kuva 3).

Kuva 3: Mikroverkot luokitellaan usein niiden käyttökohteen mukaan. (Kuvan lähde: Siemens)

Rajojen hämärtyminen

Sähkönjakelun mikroverkot hämärtävät äly- ja mikroverkkojen rajoja. Tässä yhteydessä hajaresurssin käsite muuttuu hajautetusta energiaresurssista tarkoitukseen varatuksi energiaresurssiksi. Sähkönjakelun mikroverkot on tarkoitettu vähentämään äärimmäisten sääilmiöiden, maastopalojen ja muiden yllättävien haasteiden synnyttämiä sähkökatkoja. Nykyisissä verkkoarkkitehtuureissa suurista osista verkkoa katkaistaan ääri-ilmiöiden aikana virta turvallisuuden vuoksi.

Näillä ei-suunnitelluilla ja laajamittaisilla sähkökatkoilla on merkittävä ja epätoivottava vaikutus siinä, että ne eivät kannusta sähköajoneuvojen käyttöön. Sähkönsyötön mikroverkkoja pidetään tärkeänä tekijänä sähköajoneuvojen laajamittaisessa käyttöönotossa. Sähkönsyötön mikroverkkoja suunnitellaan ja otetaan käyttöön ympäri Yhdysvaltoja. Esimerkiksi Southern California Edison (SCE) on ehdottanut Public Safety Power Shutoff ‑mikroverkkojen kehittämistä, jotta sähköä voidaan tarjota mahdollisimman laajalti myös maastopalojen aikana, kun muu sähköverkko on kytketty pois käytöstä yleisen turvallisuuden vuoksi. Muut sähköyhtiöt kutsuvat uutta verkkoarkkitehtuuria yhteisötyyppiseksi mikroverkoksi (kuva 4).

Kuva 4: Sähkönsyötön mikroverkkoihin voi kuulua suuri määrä erilaisia resursseja suhteellisen laajalla alueella, ja ne hämärtävät perinteisten mikroverkkojen ja älyverkkojen rajoja. (Kuvan lähde: Edison International)

Sähkönsyötön mikroverkkojen saareketila on tärkeä tekijä sähkön saatavuuden parantamisessa hienojakoisemmalla tasolla kuin nyt on mahdollista. Teknologiaa odotetaan käytettävän laajalti eri kokoisissa mikroverkoissa aina asuinyhteisöjen verkoista julkisiin paikkoihin, mukaan lukien koulut ja muut strategiset sijainnit, kuten paloasemat, terveyskeskukset ja väestönsuojat. EVSE-asennukset ovat tärkeässä asemassa useimmissa yhteisötyyppisissä mikroverkoissa. Niiden suunnitellaan tarjoavan sähköajoneuvojen lataamisen ohella varavirtaa verkkoon.

Yhteenveto

Sähköistystä tarvitaan sähköverkkojen kestävän kehityksen parantamiseksi ja CO₂-päästöjen laskemiseksi. Useat sähköistämisteknologiat, kuten aurinkosähkö ja sähköajoneuvot, eivät ole yhtä ennakoitavia kuin niiden korvaamat perinteiset resurssit. Näin ollen sähköistämistä täytyy tukea edistyneillä anturiverkoilla sekä äly- ja mikroverkkojen automaattisilla ohjausjärjestelmillä.