Jäänmurtaja ja sähköverkko
Jäänmurtaja on alustyyppi, joka on rakennettu jäätyvien alueiden väylien auki pitoon ja laivojen avustamiseen. Suomen kaikki satamat voivat jäätyä normaalin talven aikana. Vuoden 2023 tilastojen mukaan 96 % Suomen ulkomaankaupasta kulkee meriteitse, joten toimiva talvimerenkulku on Suomelle erittäin merkittävää (Suomen Varustamot, 2023).
Uusien jäänmurtajien hybridivoimalaitoksiin on suunniteltu uusiutuvien polttoaineiden käyttöä sekä lisänä akuston hyötykäyttöä jäänmurtotehtäviin. Jäänmurto vaatii voimalaitokselta nopeaa reagointia muuttuville tehotasoille, johtuen jäänmurrosta ja avustustoiminnasta jäissä.
Uusiutuvien sähköenergian tuotantotapojen lisääntyessä mukaan tarvitaan myös uusia toimijoita sähkömarkkinoille tasapainottamaan tuotannon ja kulutuksen tasapainoa, eli tehotasapainon hallintaan sähköverkossa. Sähköverkon epätasapainoa korjataan mm. reserveillä, joilla toimii markkinaehtoisesti tuotanto, kulutus ja varastointi tai hybridikohteet.
Jäänmurtaja viettää jäänmurtokauden ulkopuolen pääosin noin 200 päivää satamassa odottelemassa uuden kauden alkua. Voitaisiinko hybridivoimalaitosta hyödyntää, kun jäänmurtaja on liitettynä maaliityntään? Jos uudisrakennukseen on päätetty investoida akusto, voitaisiinko sen avulla saavuttaa mahdollisesti lisätuloja jäänmurtokauden ulkopuolelta ja mitä se vaatisi?
Hybridivoimalaitos
Jäänmurtajien voimalaitosratkaisut ovat yli 50 vuoden ajan perustuneet dieselsähköiseen voimalaitokseen ja sähköiseen kuljetuskoneistoon. Fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi tulevaisuudessa on jäänmurtajien suunnittelussa varauduttu esimerkiksi metanolin käyttöönottoon. Voimalaitoksessa tarvittava sähköenergia tuotetaan polttomoottoripohjaisten pääkoneiden pyörittämien vaihtovirtageneraattorien avulla (Wärtsilä, 2025). Sähköenergia liikuttaa alusta sähköisten ja säätyvien potkurimoottorien avulla. Jäänmurtaja tarvitsee myös sähköä aputehoksi, joka perinteisillä laivoilla tuotetaan apukoneiden avulla.
Pääjännitetaso määräytyy päätauluun jaeltavan tehon pohjalta. Yleisesti, jos asennettu voimalaitosteho on yli 10 MVA, siirrytään käyttämään keskijännitettä 6,6 kV ja 11 kV portaissa IEC 60038 standardin mukaisesti. Polttoainetalouden parantamiseen on myös kehitetty DC tasavirtapohjaisia jakelujärjestelmiä, joissa vaihtovirtageneraattorin tuottama sähkö tasasuunnataan tasavirtajakelukiskoon, johon sitten voidaan liittää vaihtosuuntaajia potkurimoottori- ja apulaitetehon tarpeisiin sekä energian varastointiin.
Akustopohjaiset energiavarastot ovat tulleet akkukennojen hintojen laskettua kilpailukykyiseksi energianvarastointimuodoksi myös laivoilla. Akustot pohjautuvat pääosin litiumioni-pohjaisiin akkukennoihin. Akusto osana voimalaitosta sallii nopean vasteen kuljetuskoneistolle, pääkoneiden kuormitusta voidaan optimoida ja tarvittaessa akusto myös sallii päästöttömän käytön esimerkiksi satamissa. Käytettäviä akustokemioita on tällä hetkellä useita merikäyttöön mm. NMC, LTO ja LFP. Valinta kemioiden väliltä määräytyy soveltuvuudesta käyttötarkoitukseen.
Osana sähköverkkoa
Maaliitynnän päätehtävä on kytkeä laiva sen ollessa satamassa kiinnitettynä maapuolen jakeluverkkoon. Tällöin laivan oman koneisto voidaan sammuttaa ja ylläpitää tarvittavat järjestelmät laivassa satamassa olon ajan. Mitoitusperuste laivan sähkötarpeelle lasketaan laivan sähkötaseessa, kun laivaa suunnitellaan. Sähkötehontarve riippuu laivatyypistä; esimerkiksi jos laivan lastin purkamiseen käytetään laivan omia laitteita, kuten pumppuja tai nostureita.
Jakeluverkko maaliitynnän osalta rakentuu paikallisen jakeluyhtiön tai sataman verkosta, joka päättyy toimituspisteeseen. Toimituspiste voi olla jakelumuuntajan syöttöpisteessä tai toisiopuolella. Jännitetasot keskijänniteverkossa ovat pääasiassa 20 kV, mutta esim. Katajanokalla, jossa pääosa jäänmurtajista viettää kesät, on vielä käytössä 10 kV jakelujärjestelmä.
Käyttötapauksia voisi olla akuston hyödyntäminen sähköverkon tukena, paikallisena akustona tasaamaan kulutuspiikkejä tai vaikka korkeita sähköhintoja. Lisäksi laivan polttomoottoripohjaista voimalaitosta voitaisiin myös hyödyntää, joskin käyttö nykyisissä paikoissa ei onnistu ympäristölupien ja miehityksen osalta. Lisäksi sähkön hinta tuotettuna polttomoottoreilla ei olisi kovin kilpailutykyistä. Poikkeustilanteessa tehontuotto sähköverkkoon tai sen osaan on myös mahdollinen vaihtoehto. Sähkövarastojen sähkötekniset vaatimukset löytyvät Fingridin julkaisemista SJV2024 ohjeista (Fingrid,2024).
Maaliityntä
Maaliitynnät on määritelty IEC 80005 standardissa koskien sekä matala- että keskijännitettä. Maaliitynnän osalta jäänmurtajan ollessa satamassa aputehon tarve on noin 300–500 kWe luokkaa. Tämä tehotaso voidaan vielä siirtää helposti matalajännitteellä.
Tällä hetkellä kaksisuuntaiseen käyttötarkoitukseen ei ole suoria luokituslaitosten sääntöjä. Luokituslaitokset ja viranomaiset eivät näe kuitenkaan toteutukselle suoranaisia esteitä. Uusien teknisten ratkaisujen kohdalla usein sovelletaan aluksi olemassa olevia sääntöjä ja myöhemmin kehitetään erityisvaatimukset ratkaisun yleistyessä.
Maaliitynnässä laivan päässä on yleensä aina erotusmuuntaja millä esimerkiksi maapuolen TN-S verkko ja jännitetasot saadaan sovitettua laivoilla yleisesti käytössä olevaan IT verkkoon. Muuntaja toimii myös suodattimena yliaalloille ja poistaa galvaanisen kytkennän laivan ja sataman rakenteiden väliltä. Maaliitynnässä voidaan käyttää joko pistotulppa tyyppistä liityntää tai sitten kaapelit kytketään suoraan maaliityntä keskuksen kiskostoihin. Kuvassa 2 on JM Polariksen maaliityntäkaapelit laivan päässä pistotulpparatkaisulla.
Keskijännitemaaliitynnät tulevat luultavasti yleistymään satamissa. Euroopan komission”Fit for 55” lainsäädäntöpaketissa on vaatimuksen vauhdittamina, jossa yli 5000 bruttorekisteritonnin matkustaja- ja konttialusten ollessa satamassa kytkeytyä maaliitynnän kautta 1.1.2030 alkaen tai toteuttaa muuten päästöttömyys satamassa (EU, 2025).
Valittu ratkaisu
Tarkasteluun valittiin FCR-D (Frequency containment reserve – Disturbance) häiriöreservimarkkinalle osallistumisen soveltuvuus. FCR-D:ssa säädöt ovat akustonkannalta nopeita ja niiden kumulatiivinen syklimäärä jäänmurtokauden aikana ei merkittävästi vähennä akuston käyttöikää ja laskennallisia syklejä.
FCR-D vaatii kuitenkin minimissään 1 MW säätötehon, jolloin mm. keskijänniteliityntä tulee ajankohtaiseksi maaliitynnän osalta. Reservi aktivoituu verkontaajuuden poiketessa +-0,1Hz, 50 Hz:n perustaajuudesta.
Tuottoja arvioitiin FCR-D:n hintakehitykseen Fingridin avoimen datan hintatietojen perusteella (Fingrid, 2025). Tiedot haettiin vuosilta 2023–2025 (1.5–30.11) 7 kuukauden ajalta. Aikasarjat sisälsivät 14 636 kpl ylös- ja alassäädön hintatietoa.
Hinta-ennusteeseen käytetiin Arima-mallia (Autoregressive Integrated Moving Average) tunti ja kuukausikeskihinnoille ja Monte Carlo simulaatiota sekä vuositrendiä vuosien 2023–2025 pohjalta.
Toteutettavaksi ratkaisuksi valittiin kaksi tapausta, joissa toisessa joudutaan hankkimaan 1,5 MVA ja toisessa 4 MVA kokoinen keskijännitemaaliitäntä laivaan. Akuston nimelliskapasiteetti määräytyi 1 MW ja 3 MW osallistumistehon FCR-D markkinan määrittämän toimitusjakson ehtojen mukaisesti, jossa tehoa pitää pystyä säätämään ylös sekä alaspäin. Akustojen kapasiteetiksi valikoitui 2750 kWh ja 8250 kWh.
Budjettiarvioon valittiin tarvittavat lisälaitteistot sisältäen keskijännitemaaliitynnän, erotusmuuntajan ja maaliityntäkeskuksen 6 ja 11kV jännitetasoille. Lisäksi huomiotiin laivan päätaulun yksi lisäkenttä suojalaitteineen ja DC-pääjakeluun verkko-invertteri. Kumpaankin ratkaisuun tarvitaan siis maaverkon ja jäänmurtajan akuston väliin kaksisuuntainen invertteri kuvan 3 mukaisesti.
Kannattavuusnäkökulma
Analyysin perusteella ei havaittu merkittäviä teknisiä esteitä sähköverkon tukemiselle jäänmurtokauden ulkopuolella. Hybridivoimalaitoksen ja jäänmurtajan akustoenergiavaraston integrointi edellyttää pääosin jo olemassa olevia komponentteja, joten uudisrakennuslaivan liittäminen verkkoon ei aiheuta merkittäviä lisäkustannuksia perustason mukaan. Kustannus lisälaitteistosta ja ostosähköstä on noin 47 000 € vuodessa 1MW ja 87 000 € 3 MW säädölle. Kustannuksissa ei ole huomioitu sataman puolen investointeja. Satamapaikat ovat usein vuokraperusteisia käyttäjilleen.
Toteutus vastaa periaatetasolla teknisesti vastaavaa maapuolen akuston liittämistä sähköverkkoon osallistuttaessa FCR-D häiriöreserviin.
FCR-D-markkinaan osallistuminen ei analyysin perusteella aiheuttanut merkittävää akuston kulumista, toisin kuin aiemmin epäiltiin. Riippuen akustokemiasta laskennalliset syklit akuston eliniälle liikkuvat 3000–15000 sykliin. FCR-D reserviin 210 päivän osallistuminen vastaisi keskimäärin vain 29 sykliä.
Lisäinvestoinnit olisivat vielä katettavissa, jos FCR-D markkinalta maksettavien korvausten hintataso ei enää merkittävästi laske. Alle 10 €/MW, h korvaustasolla ei tämä investointi enää ole kannattava. Ennusteiden vuosituotot 1MW säädölle liikkuivat 3 000 € ja 46 000 € välillä ja 3MW säädölle 62 000 € ja 191 000 €.
