Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa

Tässä työssä on tutkittu tasasähkönsiirron tuomia mahdollisuuksia sähkönjakelussa, kun pienjännitedirektiivin pienjännitemäärittelyn soveltamista laajennetaan koskemaan vaihtojännitteen lisäksi myös tasajännitettä. Aiemmin tasasähköjärjestelmiä on käytetty ainoastaan sähköistymisen alkuaikoina 1900-luvun alussa. Viime vuosikymmeninä on sähkönjakelussa käytetty pelkästään vaihtosähköverkkoja, koska tehoelektronisten laitteiden korkea hintataso ja tekniset ominaisuudet ovat mahdollistaneet tasasähkön käytön vain suurjännitteellä. Suomalaisten sähkönkäyttö on lisääntynyt muutamalla prosenttiyksiköllä vuosittain ja kasvun taantumista ei ole odotettavissa lähiaikoina. Samaan aikaan yhteiskunta muuttuu jatkuvasti yhä riippuvaisemmaksi sähköstä ja odotukset toteutuvasta sähkönlaadusta ovat jatkuvasti korkeammat. Sähkönlaadun näkökulmasta ilmasto on tuonut aiempia suurempia haasteita sähkön toimitusvarmuudelle, kun myrskyjen aiheuttamat tuhot ovat olleet yhä entisiä suurempia. Toimitusvarmuuden parantamiseksi ovat muutamat vuosikymmenen alun rajut myrskyt johtaneet pohdintaan tulevien haasteiden hoitamiseksi ja edelleen uuden 3-portaiseen 20/1/0,4 kV vaihtosähköjärjestelmän kehittämiseen. Tasasähkönsiirron avulla halutaan tuoda käyttöön niitä hyötyjä, joita järjestelmän vaihdolla on saavutettavissa. Täysimääräisellä tasajännitteen hyödyntämisellä voidaan saavuttaa mm. aiempaa edullisempia investointivaihtoehtoja,parempi sähkönlaatu, parempi hajautetun tuotannon liitettävyys verkkoon ja erilaisten asiakaskohtaisten laitteiden helppo integroitavuus osaksi jakelujärjestelmää. Tämän työn puitteissa on pohdittu sekä teknisiä ratkaisuja että järjestelmän teknistaloudellista käyttöaluetta. Lisäksi on pyritty hahmottamaan eri tekijöiden vaikutuksia sähkönjakeluun.

Tasasähkönjakelun käyttöpotentiaalin määrittäminen

Sähkönjakeluverkkojen kehittäminen nykyistä käyttövarmemmiksi ja taloudellisemmiksi vaatii jatkuvasti uusia ratkaisumalleja. Lupaavaksi tekniikaksi sähkönjakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa tasasähkönjakelu tehoelektronisten komponenttien kehittyessä ja hintojen laskiessa samanaikaisesti. Pienjännitedirektiivi mahdollistaa tasajännitteen myötä aiempaa suurempien jännitteiden käytön pienjänniteverkoissa. Tasajännitteen käytöllä voidaan saavuttaa etuja mm. tehonsiirtokyvyssä, sähkönlaadussa, käyttövarmuudessa sekä kustannuksissa. Työssä tehdään yksityiskohtaisia teknistaloudellisia tarkasteluja perinteistä 20/0,4 kV tekniikkaa, 1000 V sähkönjakelua sekä tasasähköjärjestelmiä hyödyntäen ja verrataan näiden järjestelmien kustannuksia ja ominaisuuksia toisiinsa. Tutkimusalueet on valittu Fortum Sähkönsiirto Oy:n maaseutu- ja taajamaverkoista. Työssä pyritään hahmotta-maan teknistaloudellista käyttöaluetta eri tasasähkönjakelujärjestelmille sekä määrittä-mään tasasähkönjakelun käyttöpotentiaali tutkimuskohteena olleissa verkoissa. Lisäksi tutkitaan eri tekijöiden vaikutuksia tasasähköjakelun kannattavuuteen ja käyttövarmuu-teen sekä pyritään tuomaan esiin muitakin tasasähkönjakelujärjestelmien ominaisuuksia.

Tasasähköjakelu ja kiinteistöjen tasasähköverkot

Perinteisesti sähkönjakelu on toteutettu vaihtosähköjärjestelmänä, mutta varsinkin tehoelektroniikan kehittymisen ja halpenemisen myötä on paljon keskusteltu tasasähköisistä jakelujärjestelmistä. Tässä työssä on tutkittu ja koetettu tuoda esille tasasähkön hyödyntämismahdollisuuksia sähkönjakelussa, sekä erityisesti kiinteistöjen kuten kotien ja toimistojen sähköverkoissa. DC-verkko parantaa mm. järjestelmän luotettavuutta ja jännitteenlaatua. Myös hajautetun energiantuotannon ja energiavarastojen lisääminen sähkövoimajärjestelmään olisi yksinkertaisempaa tasasähköiseen verkkoon. Monet nykyajan kotien ja toimistojen sähkölaitteista olisi nykyiselläänkin ilman modifikaatioita liitettävissä DC-verkkoon. Monien laitteiden sisäinen käyttöjännite on nykyään tasajännitettä kuten esimerkiksi tietokoneiden ja viihde-elektroniikan. Näiden laitteiden tarvitsemissa lukuisissa tasasuuntaajissa hukataan paljon energiaa. Yhdistämällä laitteet DC-verkkoon voitaisiin suuntauksista luopua, jolloin järjestelmän kokonaishyötysuhde paranisi. Lisäksi kiinteistöissä tasajännitteellä voitaisiin hyödyntää entistä paremmin muun muassa aurinkoenergiaa, polttokennoja ja energiavarastoja eli uusiutuvia ja ympäristöystävällisiä energialähteitä.

Pienjännitteisen tasasähkönjakelun hyödyntäminen ja siihen liittyvä tutkimus maailmalla

Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuustutkimuksena, minkälaista tutkimusta maailmalla on tehty liittyen pienjännitteiseen tasasähkönjakeluun, sekä missä sovelluskohteissa sitä hyödynnetään. Työssä esitetään yleisimmät järjestelmärakenteet ja sovelluskohteet sekä organisaatiot, joiden on havaittu tutkivan tasasähkönjakelua kiinteistöissä, microgrideissä tai julkisessa sähkönjakelussa. Katsauksen perusteella havaittiin, että maailmalla on tehty erityisesti laskennallisia tutkimuksia ja simulointeja liittyen pienjännitteiseen tasasähkönjakeluun. Näkökulma on pääasiassa ollut kiinteistöissä ja microgrideissä, vähäisemmässä määrin myös julkisissa sähkönjakeluverkoissa. Pienjännitteistä tasasähkönjakelua hyödynnetään, tai ainakin voitaisiin hyödyntää näissä kohteissa. Pääasiassa konseptilla on pyritty hakemaan kustannussäästöjä ja toisaalta parantamaan hyötysuhdetta. Ympäri maailmaa on käynnissä pilottihankkeita sekä kiinteistöihin, että julkiseen sähkönjakeluun liittyen. Bipolaarinen ratkaisu näytti olevan yleisempi. Käytetyt ja tutkitut jännitetasot vaihtelivat riippuen sovelluskohteesta – kiinteistön sisällä oli käytössä tasot pienoisjännitteestä aina 350–400 VDC jännitetasoon asti, ja sama 350–400 VDC oli selvästi suosittu jännitealue myös jakeluverkossa, mutta myös korkeampia jännitteitä, kuten 700–750 VDC, oli käytössä.

Tietokantaratkaisuehdotus pientasajännitesähköverkoston mittausdatavarastoksi

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii pientasajännitesähkön käyttöä. Yliopisto on rakennuttanut Järvi-Suomen Energia Oy:n ja Suur-Savon Sähkö Oy:n kanssa yhteistyössä kokeellisen pientasajännitesähköverkon, jolla pystytään tarjoamaan kenttäolosuhteet pienjännitetutkimukselle todellisilla asiakkailla ja todentaa LVDC-teknologiaa ja muita älykkään sähköverkon toimintoja kenttäolosuhteissa. Verkon tasajänniteyhteys on rakennettu 20 kV sähkönjakeluverkon ja neljän kuluttajan välille. 20 kV keskijännite suunnataan tasamuuntamolla ±750 V pientasajännitteeksi ja uudestaan 400/230 V vaihtojännitteeksi kuluttajien läheisyydessä. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on luoda yliopistolle tietokanta pientasajännitesähköverkosta kertyvälle tiedolle ja mittaustuloksille. Tietokanta nähtiin tarpeelliseksi luoda, jotta pienjänniteverkon mittaustuloksia pystytään myöhemmin tarkastelemaan yhdessä ja yhtenäisessä muodossa. Yhdeksi tutkimuskysymykseksi muodostui, kuinka järjestää ja visualisoida kaikki verkosta palvelimille kertyvä mittausdata. Työssä on huomioitu myös kolme tietokantaa mahdollisesti hyödyntävää käyttäjäryhmää: kotitalousasiakkaat, sähköverkkoyhtiöt ja tutkimuslaboratorio, sekä pohdittu tietokannan hyötyä ja merkitystä näille käyttäjille. Toiseksi tutkimuskysymykseksi muodostuikin, mikä kaikesta tietokantaan talletetusta datasta olisi oleellisen tärkeää ottaa talteen näiden asiakkaiden kannalta, ja kuinka nämä voisivat hakea tietoa tietokannasta. Työn tutkimusmenetelmät perustuvat jo valmiiksi olemassa olevaan mittausdataan. Työtä varten on käytetty sekä painettua että sähköisessä muodossa olevaa kirjallisuutta. Työn tuloksena on saatu luotua tietokanta MySQL Workbench -ohjelmistolla, sekä mittausdatan keräys- ja käsittelyohjelmat Python-ohjelmointikielellä. Lisäksi on luotu erillinen MATLAB-rajapinta tiedon visualisoimista varten, jolla havainnollistetaan kolmen asiakasryhmän mittausdataa. Tietokanta ja sen tiedon visualisointi antavat kuluttajalle mahdollisuuden ymmärtää paremmin omaa sähkönkäyttöään, sekä sähköverkkoyhtiöille ja tutkimuslaboratorioille muun muassa tietoa sähkön laadusta ja verkon kuormituksesta.