Tarkastelen tässä blogipostauksessani energiajärjestelmän kehittymistä kohti sähkön hallitsevuutta sekä sähköjärjestelmän kehityksen tulevaisuutta kotitalouksien näkökulmasta. Blogiteksti värittynee osittain tietoliikennealan asiantuntijuuttani vasten.
Menneisyyden hajautettu energiajärjestelmä
Tarve pysyville asumuksille syntyi, kun ihmiset siirtyivät metsästys-keräilykulttuurista maanviljelyyn ja asettuivat aloilleen. Kotitalouksien täytyi pystyä sekä lämmittämään, valaisemaan että valmistamaan ruokaa.
Suomessa kun ollaan, pohditaanpa tätä meidän näkökulmasta. Aikoinaanhan puolet vuodesta oli – ja toivottavasti tulevaisuudessakin on – kylmää ja pimeää. Jotta pitkä talvi selvittiin hengissä, lämmin aika käytettiin viljelyyn ja viljan käsittelyyn. Energiajärjestelmänkin osalta oli varauduttava. Puuta kaadettiin, pilkottiin sekä varastoitiin kuivaan paikkaan kylminä säinä tulipesissä ja pimeinä aikoina päreinä poltettaviksi. Näin Suomessa toimittiin vielä 1800-luvulla ja paikoin 1900-luvun alkupuolelle saakka.
Tämän täysin hajautetun energiajärjestelmän etuna oli sen huoltovarmuus. Yhden energiayksikön – uunin – hajoaminen ei vaikeuttanut eikä estänyt kokonaisuuden toimintaa. Polttoainetta kerättiin niin ikään hajautetusti, joten polttoainejakelukin/toimituskin oli ”huoltovarmaa”. Ongelmana oli kuitenkin se, että niin ruoan kuin energianhankintakin vei runsaasti ihmisten aikaa. Näin siksi, ettei energiajärjestelmää oltu kytketty eikä energiaa voitu siirtää käyttökohteiden välillä.
1800-luvulla alettiin toden teolla pohtimaan, kuinka jo pitkään tunnettu sähkö voisi auttaa arjessa. Huimaa edistystä tapahtui fyysikko H. C. Ørstedin keksittyä sähkömagnetismin vuonna 1820. Vuosisadan lopulla sähkölle löytyi käyttöä teollisuudessa, mutta myös kodeissa koneiden käyttövoimana, valonlähteenä ja lämmityksessä.
Ensin tuli valo. Hehkulamput löysivät ensimmäiseksi tiensä katulamppuihin, koteihin ne tulivat vasta 1900-luvulla – melkoisen epäluulon saattelemana. Sähkön turvallisuutta epäiltiin eikä epäilyjä vähentänyt pienten sähkölaitosten talojen välille sikin sokin vetämät johdotukset. Sähkö valtasi vähitellen suomalaiskodit, mutta vieraana ja vielä melkoisen käsittämättömänä sitä piti markkinoida. Nopeasti se kuitenkin mullisti länsimaisen elämän, keksittiinhän sen myötä puhelin ja mahdollistettiin näin mantereiden välinen viestintä.
Tänään sähkön saatavuudesta huolehtii keskitetty järjestelmä
Helppokäyttöinen ja helposti siirrettävä sähkö on valloittanut suuren joukon energian käyttökohteista. Nykyään kodit toimivat usein täysin sähköllä. Itse asun noin sadan neliön rivitalokodissa, jossa käytännössä kaikki toimii sähköllä sisäilman ja veden lämmitystä myöten. Kokonaisenergian kulutus on yli 20 000 kWh ja vuotuinen hintalappu noin 2 500 euron luokkaa.
Pääosa käytetystä sähköenergiasta tuotetaan keskitetyissä energialaitoksissa, kuten ydin-, turve-, hiili-, vesi-, tuuli- ja aurinkovoimaloissa. Tällaisen nykyajan keskitetyn energiajärjestelmän haasteena on aina mahdollinen yhden ”osan” hajoaminen eli ns. single point of failure SPOF, joka voi rampauttaa koko systeemin pitkäksi aikaa. Tätä haastetta on onneksi parannettu redundanttisilla siirtoyhteyksillä. Sähköverkossa on kuitenkin edelleen kohteita, joiden hajoaminen voi aiheuttaa laajoja sähkökatkoja.
Entä mihin olemme menossa? Globaali energiajärjestelmä on hitaan, mutta massiivisen muutoksen edessä. Marraskuussa väittelevä tohtoriopiskelijani Florian Kühnlenz toteaa väitöskirjansa tiivistelmässä:
Muutostarpeen on käynnistänyt ympäristöämme koskevat huolet, mutta lisääntyvässä määrin myös nykyään vaikuttava uusiutuvan energian marginaalikustannusten nollataso. Muutokseen liittyy selkeä sähköverkkojen roolin korostuminen. Pyrkimyksenä näyttää olevan muutos, jossa sähköverkot siirtävät suurimman osan käyttämästämme energiasta. Tämän seurauksena on käynnistetty sähköverkkoja älysähköverkoiksi nykyaikaistavia tutkimus- ja tuotekehityspanostuksia, joihin myös BCDC-hanke lukeutuu. Älysähköverkoissa yhdistyvät sähköverkkoon integroidut tietoliikenneverkot ja automaatio sekä modernit sähkömarkkinajärjestelmät ja -rakenteet.
Vuosi 2050: Onnistummeko hyödyntämään hajautetun ja keskitetyn järjestelmän edut?
Minkälainen sähköjärjestelmä meillä on vuonna 2050? Mitä se edellyttää? Oletetaan, että 2050-luvullakin käytössämme on edelleen vaihtovirtajärjestelmä eikä esimerkiksi aurinkosähkötuotantoon paremmin sopiva tasavirtajärjestelmä. Ajamme sähköautoilla ja polttomoottoriautot ovat jäämässä historiaan. Ja uskonhyppy: kaikki kotitaloudet tuottavat suurimman osan käyttämästään sähköstä uusiutuvalla energialla! Satojatuhansia tai jopa muutamia miljoonia pienvoimaloita kytkeytyy verkkoon.
Tutkimuskysymykseksi nousee:
- Kuinka järjestetään vaihtosähköverkon kontrolli eli jännitteen, taajuuden ja kuorman ohjaus; paikallinen sähkökauppa sekä tietoliikennejärjestelmä, joka mahdollistaa edellä mainitun sähkökaupan, jatkuvan energian syötön ja kulutuksen tasapainon?
Useimmat pienvoimaloihin soveltuvat energialähteet, kuten tuuli ja aurinko, ovat tuotannoltaan vaihtelevia. Tarvitaankin kulutuksen hallintaa. Tällöin sähköverkkojen perinteisestä tuotannon ja kulutuksen tasapainosta luovutaan ainakin osittain, ja kysyntä- eli kulutusjoustoa käytetään kulutuksen tasaamiseen tuotannon suuruiseksi.
Vuonna 2050 kuluttaja tullee edelleenkin saavuttamaan suurimman taloudellisen hyödyn käyttämällä itse tuottamansa sähkön. Syntyvä yli- ja alijäämä on tasapainotettava sähkökaupassa, joten voi olla, että myymme sähköä naapurillemme. Tämänkaltaiset mekanismit ovat oleellisia ja kriittisiä, kun sähköverkkoon liitetään suuria määriä vaihtelevatuottoista aurinko- ja tuulienergiaa. Mitä tarkemmin tunnemme sähkönkulutusmallit sekä tulevan tuotannon eli siitä kertovat tarkat paikalliset sekuntitason sääennusteet, sitä paremmin voimme etukäteen varautua seuraavien tuntien ja vuorokauden sähkön käyttöön. Positiivisen sähkötaseen aikana ylijäämää varastoidaan esimerkiksi autojemme akkuihin, vedenlämmittimiin ja sisäilman lämmöksi. Negatiivisen sähkön tuotantotaseen aikana esimerkiksi joko lämmityksen ja muiden ei-kriittisten sähköä kuluttavien laitteiden sähkönkäytöstä pidättäydytään tai sähköverkkoon varattuja ja sähköautojemme akkuja puretaan. Kaikki tämä on pystyttävä tekemään paikallisesti, jotta hajautuksen hyödyt voidaan ulosmitata täysimääräisenä.
Yksi asia näyttää kuitenkin melkoiselta haasteelta. Edellä mainittu järjestelmä vaatii sähköverkkoon miljoonia mittauspisteitä, kontrolliratkaisun jokaisen pienvoimalan invertterin vaihtovirtasyöttöön, ohjauksen verkon kuormanhallintakytkimiin, ohjauksen autonakkujen kontrollia varten, sähköverkon aktiivisen suojausjärjestelmän ja kuormanhallinnan ohjauksen asuntojen sähkötauluihin. Eli käytännössä jokainen mainittu yhteys vaatii tiedonsiirtolinkin, joista osa on reaaliaikaisia – vain millisekuntiluokan tiedonsiirtoviiveellä. Tätä ei voida toteuttaa vielä millään käytössä olevalla langattomalla teknologialla. Tästä syystä BCDC ICT -tiimi kehittää sekä 5G- että Flagship-tutkimuksen osana myös 6G-teknologiaa, joka mahdollistaa kuvatun massiivisen kytkentäkokonaisuuden sekä sen vaatiman viivesuorituskyvyn.
Toiveena on, että vuonna 2050 yhdistetään keskitetyn ja hajautetun sähköjärjestelmän edut: ongelmien sietokyky hajautuksen ja kytkentäisyys keskitetyn sähköjärjestelmän kautta.
Kirjoittaja
Ari Pouttu
professori
BCDC ICT -tiimi
Centre for Wireless Communications -tutkimusyksikkö
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta, Oulun yliopisto
Alunperin julkaistu BCDC Energia -hankkeen blogikirjoituksena.
