Sähköistämisen ja automaation käyttö tehokkaampien ja kestävämpien sähköverkkojen luontiin – osa 2/2

Sähköverkon perinteisten energianlähteiden korvaamista kestävillä vihreillä vaihtoehdoilla kutsutaan sähköistämiseksi. Tämän artikkelisarjan osassa 1 käsiteltiin sähköistämisen haasteita ja sitä, kuinka automaatiolla voidaan parantaa tehokkuutta ja kestävyyttä. Tässä artikkelisarjan osassa 2/2 aiheita ovat Leadership in Energy and Environmental Design (LEED)- ja Zero-Energy Building (ZEB) ‑sertifioinnit ja se, miten ne auttavat vähentämään hiilipäästöjä ja parantamaan kestävyyttä.

Energia- ja ympäristösuunnittelun johtajuus (LEED, Leadership in Energy and Environmental Design) ja nollaenergiarakennusten (ZEB, Zero Energy Building) sertifioinnit ovat merkittäviä toimia, joilla tuetaan yhteiskunnan halua vähentää hiilidioksidipäästöjä ja parantaa kestävyyttä. LEED- ja ZEB-sertifiointien saanti vaatii kokonaisvaltaista lähestymistapaa, jossa yhdistyvät sähköistäminen, jolla korvataan fossiilisiin polttoaineisiin perustuvat energiajärjestelmät vihreillä vaihtoehdoilla kuten aurinkosähköllä (PV) ja sähköajoneuvoilla (EV), sekä edistyneet automaatio- ja ohjausjärjestelmät.

Yhdysvaltojen Green Building Councilin (USGBC) LEED-ohjelma sisältää olemassa olevien ja uudisrakennusten dekarbonisaation. ZEB-toimia koordinoi Yhdysvaltain energiaministeriön energiatehokkuuden ja uusiutuvan energian virasto (EERE). LEED- ja ZEB-sertifiointien saanti edellyttää arkkitehdeiltä ja urakoitsijoilta uusia lähestymistapoja rakennusten suunnittelussa, rakentamisessa ja käytössä. LEED on pelkästään energiankulutukseen keskittyvään ZEB-järjestelmään verrattuna laajempi käsite, joka ottaa huomioon hiilidioksidin, energian, veden, jätteet, liikenteen, materiaalit, terveyden ja sisäympäristön laadun.

Tässä sähköistämistä ja kestävää kehitystä käsittelevän kahden artikkelin sarjan toisessa osassa tarkastellaan aluksi LEED- ja ZEB-sertifiointitasoja ja sitä, mitä näiden sertifiointien saanti edellyttää kaupallisilta ja teollisuusrakennuksilta, sekä vertaillaan useita ZEB-määritelmiä. Sen jälkeen artikkelissa kerrotaan yksityiskohtaisesti, miten Phoenix Contact käytti automaatiota ja paikallista aurinkosähköntuotantoa LEED Silver- ja ZEB-sertifioinnin saantiin pääkampuksen 70 000 neliöjalan lisärakennukselle, ja miten jotkin tämän yrityksen omat tuotteet myötävaikuttivat projektin onnistumiseen (kuva 1). Lopuksi artikkelissa tarkastellaan sitä, miten LEED-rakennukset voivat edistää Yhdistyneiden Kansakuntien kestävän kehityksen tavoitteiden saavuttamista.

Kuva 1: Aurinkosähkön tuotanto katolla oli avaintekijä, jonka ansiosta tämä Phoenix Contactin rakennus sai LEED Silver- ja ZEB-sertifioinnit. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

LEED on kokonaisvaltainen

LEED on kattava järjestelmä, joka ottaa huomioon kaikki tekijät, jotka tarvitaan erittäin tehokkaiden rakennusten luontiin. LEED-sertifioinnit perustuvat kreditteihin tai pisteisiin, jotka myönnetään projektille yksityiskohtaisten suorituskykykriteerien perusteella. Suorituskykyluokat ja niiden suhteellinen merkitys (kaikkein tärkeimmästä vähiten tärkeään) ovat seuraavat¹:

• maailmanlaajuisen ilmastonmuutoksen vaikutusten vähentäminen
• ihmisten terveyden parantaminen
• vesivarojen suojelu ja palauttaminen
• luonnon monimuotoisuuden ja ekosysteemipalvelujen suojelu ja parantaminen
• kestävien ja uusiutuvien materiaalikiertojen edistäminen
• yhdyskuntien elämänlaadun parantaminen.

Keskeisimmän kriteerin, maailmanlaajuisen ilmastonmuutoksen vaikutusten vähentämisen, osuus on 35 prosenttia kaikista pisteistä. LEED-sertifioinnin tasot ovat Certified (40–49 pistettä), Silver (50–59 pistettä), Gold (60–79 pistettä) ja Platinum (80+ pistettä).

Uusimmassa LEED-versiossa v4.1 suuri osa pisteistä liittyy käyttösidonnaiseen ja rakenteisiin sitoutuneeseen hiileen. Käyttösidonnaiset hiilidioksidipäästöt (CO₂) syntyvät lämmityksestä, ilmanvaihdosta ja ilmastoinnista (HVAC), valaistuksesta ja muista energiaa kuluttavista kiinteistöjärjestelmistä. Rakenteisiin sitoutunut hiilidioksidi viittaa rakennusmateriaalien valmistukseen ja kiinteistön rakentamisprosesseihin liittyviin päästöihin kiinteistön koko elinkaaren ajalta.

LEED-sertifiointi on tärkeä vihreämmän yhteiskunnan luomiseksi. Rakennusten osuus maailman hiilidioksidipäästöistä on 39 prosenttia, josta 28 prosenttia ovat käyttösidonnaisia ja 11 prosenttia rakenteisiin sitoutuneita päästöjä (kuva 2). Koska rakennussektori on kaikkein merkittävin globaalien hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja, on kehitetty myös erityisiä ohjelmia, joilla kannustetaan nollaenergiarakennusten kehittämistä.

Kuva 2: Rakennusten käyttö sekä rakennusmateriaalit ja rakentaminen ovat maailmanlaajuisesti suurimpia hiilidioksidipäästöjen tuottajia. (Kuvan lähde: new buildings institute)

Nollan määritelmä

Nollaenergia vaikuttaa yksinkertaiselta käsitteeltä, mutta sille on useita määritelmiä. Kolme eniten käytettyä ovat LEED Zero Energy -ohjelma, ILFI (International Living Future Institute) Zero Energy ja Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) – Architecture 2030 -organisaation aloite, joka on Kaliforniassa käyttöönotettu rakennusten energiastandardi. ”Nollan” määrittelyssä on merkittäviä eroja,.

LEED-nollaenergiasertifioinnin saanti edellyttää, että rakennuksen energiataseen täytyy olla nolla 12 kuukauden ajan sisältäen paikan päällä tuotettavan ja ulkoisesti tuotettavan (hankitun) energian. Fossiilisten polttoaineiden poltto paikan päällä ei ole kiellettyä. Kokonaisenergiankulutuksen tulee koostua paikan päällä tai ulkoisesti tuotettavasta uusiutuvasta energiasta tai hiilikompensaatioista.

ILFI-nollaenergiasertifiointi on standardeista kaikkein tiukin. Se edellyttää, että 100 prosenttia rakennuksen energiantarpeesta saadaan paikan päällä uusiutuvan energian lähteistä. Poltto ei ole sallittua, ja sertifiointi perustuu todelliseen suorituskykyyn; mallinnus ei ole sallittua.

Zero Code on suunnattu erityisesti uusille kaupallisille ja institutionaalisille rakennuksille sekä keskikorkeille ja korkeille asuinrakennuksille. Se määrittelee hiilidioksidipäästöttömän rakennuksen sellaiseksi, joka ei käytä paikan päällä lainkaan fossiilisia polttoaineita ja tuottaa tai hankkii paikan päällä riittävästi hiilivapaata uusiutuvaa energiaa tai hiilihyvityksiä rakennuksen toiminnallisen energiatarpeen tyydyttämiseksi. Zero Code edellyttää myös, että rakennukset täyttävät ASHRAE-standardin 90.1-2019 rakennustehokkuutta koskevat vaatimukset. Zero Code sallii myös muiden energiatehokkuusstandardien käytön, jos ne johtavat yhtä hyvään tai parempaan energiatehokkuuteen.

LEED esimerkkinä

Phoenix Contact asensi hiljattain yrityksen pääkampuksella Yhdysvalloissa 961 kilowatin (kW) aurinkosähköjärjestelmän logistiikkakeskuksen katolle. Järjestelmä tuottaa riittävästi energiaa tyydyttämään noin 30 prosenttia rakennuksen energiantarpeesta, mikä vastaa noin 160 asunnon vuosittaista energiankulutusta. Rakennus sai LEED Silver- ja Zero Energy -sertifioinnit.

Aurinkosähköjärjestelmään integroitiin paikan päällä maakaasua polttava 1 MW:n mikroturbiinilla toimiva yhteistuotantojärjestelmä. Keskitetty energianohjausjärjestelmä valvoo reaaliaikaisesti aurinkosähkövoimalan tuotantoa ja rakennuksen energiankulutusta. Mikroturbiinigeneraattoria käytetään, kun energian kokonaistarve ylittää aurinkosähköjärjestelmän tuoton. Aurinkosähköjärjestelmää ja mikroturbiinia käytetään toisinaan yhdessä tuottamaan verkkoon sähköä nettomittauksen avulla, mikä tuo yritykselle tuloja.

Järjestelmä on suunniteltu siten, että maakaasun kulutusta vähennetään päiväsaikaan ja mikroturbiinigeneraattori toimii pääasiassa yöllä, mikä maksimoi kokonaisenergiatehokkuuden ja minimoi yleisesti hiilidioksidipäästöjen tuotannon. Joinakin päivinä maakaasun kulutus on mahdollista vähentää lähes nollaan. Aurinkosähköjärjestelmän tilastotietoihin kuuluvat mm.:

• 2 185 aurinkopaneelia
• vuosittainen tuotto 1 214 235 kWh
• hiilidioksidijalanjäljen pienentäminen 1 939 279 paunaa (879 642 kiloa).

Aurinkosähköjärjestelmän yksittäisten osien jatkuva valvonta ja ohjaus on välttämätöntä tämänkaltaisissa suurissa aurinkovoimaloissa, jotta sähköntuotanto olisi mahdollisimman tehokasta ja sen käytettävyys olisi maksimaalinen.

Automaatio vaatii käyttökelpoista informaatiota

Aurinkovoimaloiden kaltaisten sähköistämisjärjestelmien tehokas automatisointi ja ohjaus vaatii kattavaa ja käyttökelpoista informaatiota. Kunkin aurinkopaneeliketjun reaaliaikainen valvonta maksimoi tuotannon ja tukee ennaltaehkäisevää huoltoa. Jos yhteen ketjuun tulee yllättäen vika, voidaan menettää tuhansien kilowattien teho, mikä tarkoittaa vastaavia rahallisia tappioita.

Phoenix Contactin pääkampuksella Yhdysvalloissa sijaitsevaan 961 kW:n aurinkosähköjärjestelmään kuuluu kaksitoista invertteriä, ja kutakin invertteriä syöttää kuusi aurinkopaneeliketjua. Järjestelmässä käytetään useita yrityksen tuotteita, alkaen toisen sukupolven Empro-energiamittareista, kuten paneeliin asennettava 2908286. Näiden mittareiden tehtävänä on mitata ja lähettää tärkeitä energiaparametreja pilvipohjaisille alustoille, jotka tukevat kaikkien järjestelmäelementtien etävalvontaa. EMpro-energiamittareita on saatavana erilaisiin sähköjärjestelmämalleihin, mukaan lukien yksi-, kaksi- ja kolmivaiheisiin aurinkovoimaloihin ja konfiguraatioihin. Järjestelmä valvoo reaaliaikaisesti lukuisia järjestelmäelementtejä ja käyttöolosuhteita, mm. seuraavia:

• Kustakin invertteristä valvotaan DC-syöttötehoa, AC-lähtötehoa, aktiivi- ja loistehoa, mahdollisia vikoja ja toimintatilaa.
• Jokaisen aurinkopaneeliketjun virta- ja jännitelähtöä valvotaan. Nämä tiedot evaluoidaan ketjujen kunnon ja mahdollisten huoltotarpeiden määrittämiseksi.
• Paneelilämpötiloja valvotaan eri puolille aurinkovoimalaa sijoitetuilla lukuisilla antureilla.
• Sääolosuhdetiedot, kuten tuulen nopeus ja suunta, lämpötila, suhteellinen kosteus ja ilmanpaine, mitataan.
• Auringon säteilyä mitataan kahdella pyranometrillä, joista toinen on 10 asteen kulmassa, mikä vastaa paneelien asennuskulmaa, ja toinen on asennettu vaakasuoraan.
• Likaantumisanturit mittaavat pölyn ja lian aiheuttamaa valohäviötä aurinkopaneelien pinnalla.
• Kamerat mahdollistavat järjestelmän turvavalvonnan.

Järjestelmään tarvitaan myös dataloggerit ja rajapinnat. Esimerkiksi yrityksen langattomat Radioline-moduulit, kuten malli 2901541, kommunikoivat langattomasti aurinkosähkömoduulien lämpötila- ja likaantumisantureiden kanssa RS-485-protokollan välityksellä ilman kaapeleita. Muissa tapauksissa virran ja datan samanaikaiseen siirtoon käytetään Power over Ethernet (PoE) -tekniikkaa. Tunkeutumisesto voidaan toteuttaa FL mGuard 1000 -sarjan suojatuilla reitittimillä, kuten mallilla 1153079, joka tarjoaa palomuurisuojauksen ja käyttäjähallinnan.

Kaikkien näiden yhdistämiseen tarvitaan ohjain, kuten Phoenix Contactin DIN-kiskolle asennettava malli 1069208, joka perustuu yrityksen PLCnext-teknologiaan (kuva 3). Kun ohjain yhdistetään mallin 2702783 kaltaiseen I/O-moduuliin, se kokoaa anturiverkon tiedot ja lähettää ne pilvipalveluntarjoajalle. Lisäksi teollisuus-PC suorittaa Phoenix Contactin Solarworx-ohjelmistoa. Mukana tulevat ohjelmistotyökalut ja kirjastot tukevat aurinkoenergiateollisuudessa käytettäviä kommunikaatioprotokollia ja -standardeja. Järjestelmä mahdollistaa aurinkosähköjärjestelmän toiminnan asiakaskohtaisen automatisoinnin ja visualisoinnin. Se on yhteensopiva kolmansien osapuolten ohjelmistopakettien kanssa, joilla voidaan analysoida historiallisia ja reaaliaikaisia tietoja suorituskyvyn optimointia varten. Kirjastot sisältävät toimintolohkoja, jotka täyttävät ohjelmoitavia ohjaimia koskevan standardin IEC 61131 vaatimukset.

Kuva 3: DIN-kiskolle asennettava ohjain on sopiva suuriin aurinkosähkön tuotantojärjestelmiin. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Syöttöohjaus on sähköistämisen palapelissä viimeisin pala hajautettujen energiaresurssien (DER), kuten aurinkosähkövoimaloiden, integroinnissa sähköverkkoon. Phoenix Contactin PGS-ohjaimet voivat valvoa sähköverkon liityntäpisteiden jännite- ja loistehotasoja ja määrittää tarvittavat ohjausarvot inverttereille. Näin voidaan hallita sähkönsyöttöä keski- ja korkeajänniteverkkoihin.

LEED ja kestävä kehitys

Yhdistyneet kansakunnat (YK) on määritellyt 17 kestävän kehityksen tavoitetta² (SDG) maailmanlaajuisen köyhyyden poistamiseksi vuoteen 2030 mennessä. USGBC:n mukaan LEED-rakennuksiin sisältyvä sähköistäminen ja automatisointi voivat auttaa saavuttamaan näistä 17 kestävän kehityksen tavoitteesta 11: Niihin kuuluvat:

Tavoite 3: Hyvä terveys ja hyvinvointi

Tavoite 6: Puhdas vesi ja sanitaatio

Tavoite 7: Edullinen ja puhdas energia

Tavoite 8: Edistää kaikkia koskevaa kestävää talouskasvua, täyttä ja tuottavaa työllisyyttä sekä kohtuudellisia työpaikkoja.

Tavoite 9: Rakentaa kestävää infrastruktuuria sekä edistää inklusiivista ja kestävää teollisuutta ja innovaatioita

Tavoite 10: Vähentää eriarvoisuutta maiden sisällä ja niiden välillä

Tavoite 11: Kestävät kaupungit sekä asuinyhdyskunnat

Tavoite 12: Vastuullinen kulutus ja tuotanto

Tavoite 13: Ilmastotoimet

Tavoite 15: Suojella maaekosysteemejä, palauttaa niitä ennalleen ja edistää niiden kestävää käyttöä; edistää metsien kestävää käyttöä; taistella aavikoitumista vastaan; pysäyttää maaperän köyhtyminen ja luonnon monimuotoisuuden häviäminen

Tavoite 17: Tukea vahvemmin kestävän kehityksen toimeenpanoa ja globaalia kumppanuutta.

Myös yritysstrategiat voivat edistää kestävämpää yhteiskuntaa. Esimerkiksi Phoenix Contactin amerikkalaisen logistiikkakeskuksen LEED Silver- ja Zero Energy -sertifioinnit olivat osa yrityksen alkuperäistä tavoitetta saavuttaa hiilineutraalius kaikissa sen maailmanlaajuisissa toimipaikoissa. Yrityksen seuraava tavoite on luoda täysin ilmastoneutraali arvoketju ennen vuotta 2030.

Yhteenveto

Rakennussektori on kaikkein merkittävin globaalin hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja. LEED- ja ZEB-sertifioinnit ovat tärkeitä työkaluja, joilla mitataan sähköistämisen ja automaation käytön onnistumista tehokkaampien ja kestävämpien rakennusten luonnissa. Kuten edellä on esitetty, suuren mittakaavan aurinkovoimalat, jotka on integroitu paikan päällä yhteistuotantokapasiteettiin, voivat edistää vihreämpää yhteiskuntaa. LEED-sertifioidut rakennukset tukevat myös YK:n seitsemäntoista kestävän kehityksen tavoitteen saavuttamista sekä tavoitetta poistaa maailmanlaajuinen köyhyys vuoteen 2030 mennessä.

Lähteet:

1. LEED-luokitusjärjestelmä, Green Building Council
2. Kestävän kehityksen tavoitteet, Yhdistyneet kansakunnat