Sähköverkon inertia
Sähköverkon yhteydessä inertia viittaa kykyyn vastustaa äkillisiä muutoksia sähköverkon taajuudessa. Muutosta vastustava energia on sähköverkkoon sähkömagneettisesti kytkettyihin pyöriviin sähkökoneisiin varastoitunutta liike-energiaa. Inertia on erityisen tärkeää, kun kuormitus (sähkönkulutus) ja tuotanto eivät ole tasapainossa. Suurempi inertiavaraus tarkoittaa, että sähköjärjestelmä kykenee paremmin vastustamaan äkillisiä muutoksia, kuten voimalaitoksen äkillistä vikaantumista tai suurta kuormituksen muutosta.
Perinteiset sähkömagneettisesti verkkoon kytketyt generaattorit (kuten vesivoimalaitokset, hiili- tai ydinvoimalat) tuovat sähköjärjestelmään luonnollista inertiaa. Uusiutuvat energianlähteet, kuten aurinko- ja tuulivoima, eivät tuota inertiaa samalla tavalla, koska ne ovat suuntaajakytkettyjä, mikä on yksi haasteista siirryttäessä kohti uusiutuvia energialähteitä.
Suomen sähköverkko on osa Pohjoismaista sähköjärjestelmää, joka kattaa Suomen, Ruotsin, Norjan ja Itä-Tanskan sähköverkot. Inertia siirtyy vaihtosähköyhteyksien yli, näin ollen Pohjoismaisen sähköverkon inertia on summa kaikkien siihen kullakin hetkellä kytketyn voimalaitoksen inertiasta. Esimerkiksi Viron sähköverkon inertia ei vaikuta Pohjoismaiseen sähköjärjestelmään koska yhteys on suuntaajakytketty (HVDC). (Fingrid Oyj, 2023)
Pohjoismaisen sähköjärjestelmän inertia vaihtelee tyypillisesti välillä 120–280 GWs, tätä pienemmillä inertia määrillä voitaneen puhua pienen inertian tilanteesta. Kuvasta 1 voidaan havaita, miten inertia on vaihdellut kesäkuussa 2022. (Fingrid Oyj, 2023)
Kuvaajasta voidaan havaita inertian vaihtelevan päivätasolla n. 25 GWs. Kuvassa 2 kuvaajaan on lisätty Suomen vesivoimatuotanto samaan aikaan.
Kuvaajasta voidaan havaita miten inertian vaihtuvuus seuraa vesivoiman tuotannon vaihtuvuutta. Kuvaajassa on tiedot vain Suomen vesivoiman tuotannosta, inertian vaihteluun vaikuttaa myös Ruotsin ja Norjan vesivoimalaitosten käyttö.
Vesivoiman tuotannon ja inertian välisen yhteyden voi havaita myös Entso-e työryhmän tekemistä skenaario malleista vuodelle 2025. Matalan kulutuksen ja inertian tilanteessa verkkoon liitetyn vesivoiman määrä on huomattavasti pienempi.
Voidaan siis päätellä, että matalan inertian tilanteiden välttämiseksi olisi hyödyllistä pitää vesivoimalaitokset verkossa jatkuvasti, vaikka kulutus olisi matalaa. Tilanteessa, jossa vesivoimalaitosta ei pystytä käyttämään taloudellisesti optimaalisella käyttöalueella se tavallisesti pysäytetään eli kytketään irti sähköverkosta ja sen inertia ei ole enää sähköverkon hyödynnettävissä. Vesivoimalaitosta on mahdollista käyttää myös synkronikompensaattorina eli tahdistettuna verkkoon, mutta ilman pätötehon tuotantoa. Tällöin vesivoimalaitos tuottaisi sähköverkkoon inertiaa ja sitä voitaisiin käyttää sähköverkon jännitteen säätämiseen. Tällainen ajotapa onkin jo olemassa joillain vesivoimalaitoksilla. Voitaisiinko tulevaisuuden inertia haasteita siis helpottaa mahdollistamalla tämä ajotapa useammilla vesivoimalaitoksilla?
Inertian määrä
Verkkoon kytketyn voimalaitoksen verkkoon tuomaa inertiaa voidaan kuvata hitausvakiolla (Kundur, 1994).
Hitausvakion suuruuteen vaikuttaa generaattori-turbiini yhdistelmän massa, massansijoittuminen suhteessa pyörimisakseliin sekä pyörimisnopeus. Nopeasti pyörivän, esimerkiksi höyry- tai kaasuturbiini voimalaitos, generaattori-turbiinin hitausvakio vaihtelee 2-napaisen generaattorin tapauksessa tyypillisesti välillä 2,5..6 MWs/MVA ja 4-napaisen generaattorin tapauksessa välillä 4..10 MWs/MVA. Vesivoimalaitosten turbiini-generaattorit pyörivät merkittävästi hitaammin, mutta generaattorin roottorin massa on vastaavasti huomattavasti kauempana pyörimisakselista, niiden hitausvakiot vaihtelevat tyypillisesti välillä 2..4 MWs/MVA. (Kundur, 1994)
Taulukossa 1. on esitetty Entso-e työryhmän skenaarioissa käytetyt hitausvakiot. Käytetään näitä arvoja seuraavissa laskelmissa.
| Tuotantotapa | Hitausvakio, H, MWs/MVA |
|---|---|
| Ydinvoima | 6,3 |
| Vesivoima | 3 |
| Pienvesivoima | 1 |
| Tuuli | 0 |
Lasketaan vertailun vuoksi, miten paljon Olkiluoto 3 tuo inertiaa sähköverkkoon. Generaattorin nimellisteho on 1992 MVA. (Teollisuuden Voima Oyj, 2010)
Laskettu arvo ei liene täysin tarkka, mutta antaa kuvan siitä, että Olkiluoto 3 vastaa matalan inertian tilanteessa yli 10 % koko Pohjoismaisen sähköverkon inertiasta.
Kuvassa 2 esitetyistä arvoista havaitaan inertian määrän vaihtelevan päivätasolla n. 25 GWs, jos puolet näistä voimalaitoksista kehitettäisiin toimimaan synkronikompensaattoreina toisi se Olkiluoto 3:n tavoin n. 10 % lisää inertiaa sähköverkkoon tyypilliseen inertia vaihteluun verrattuna. Lasketaan mitä tämä tarkoittaisi tehona.
Jotta saadaan selville pätöteho, arvioidaan tehokertoimen olevan 0,9.
Suomessa on yli 10 MW vesivoimalaitoksia n. 2,9 GW ja Pohjoismaissa yhteensä n. 45 GW (Fingrid Oyj, 2023), (Entso-e, 2018). Jos tavoiteltaisiin siis 12,5 GWs lisäystä inertiaan, tulisi n. 8 % Pohjoismaisista vesivoimalaitoksista kehittää synkronikompensaattori ajotapa. Norconsultin tekemän tutkielman mukaan Norjassa on pelkästään helposti hyödynnettävissä olevia Pelton-turbiini vesivoimalaitoksia 18 GWs edestä. Tästä näkökulmasta ratkaisu ei ole mahdoton, mutta vaatii toteutuakseen kymmenien, ellei yli sadan laitosyksikön kehittämistä.
Mikä on synkronikompensaattori?
Synkronikompensaattori on tahtigeneraattori, joka toimii ilman mekaanista tehon lähdettä, eli se ei tuota pätötehoa. Sen sijaan se tuottaa tai kuluttaa loistehoa eli sitä voidaan käyttää säätämään verkon jännitettä ja parantamaan sen vakautta.
Koska synkronikompensaattori on sähkömagneettisesti verkkoon kytketty kone, tuottaa se verkkoon inertiaa. Varsinaisesti synkronikompensaattoriksi valmistetuissa laitteissa voi olla itse tahtikoneen lisäksi myös vauhtipyörä, jolla voidaan kasvattaa koneen hitausvakiota.
Vesivoimakone synkronikompensaattorina
Mitä etua sitten voidaan saavuttaa käyttämällä vesivoimakonetta synkronikompensaattorina? Verrattuna varsinaiseen synkronikompensaattoriin tai siihen investoimiseen, etuna on olemassa olevan laitteiston hyödyntäminen, investointikustannukset muutokseen ovat varsin maltilliset. Verrattuna uuden laitteiston rakentamiseen, muutokset voidaan myös toteuttaa merkittävästi lyhyemmässä ajassa ilman ympäristövaikutuksia.
Teoriassa vesivoimakonetta voisi ajaa myös minimiteholla ja näin välttää tarvittavat muutokset. Kuten kuvasta 5 voi havaita, tämä ei kuitenkaan ole turbiinin hyötysuhteen kannalta optimaalinen tehoalue, joten se ei olisi kannattavaa. Esimerkki kuvaaja koskee nimenomaan Kaplan-turbiinia, jonka käyttöalue on juoksupyörän säädettävyyden ansiosta Francis-turbiinia laajempi. On siis taloudellisempaa sulkea johtopyörä kokonaan ja käyttää vesivoimakonetta verkossa pyörivänä synkronikompensaattorina ja säästää käytettävissä oleva vesi aikaan, jolloin halutaan tuottaa sähköä optimaalisella hyötysuhde alueella.
Tarkastellaan, seuraavassa mitä vesivoimakoneen käyttäminen synkronikompensaattorina vaatii.
Generaattorin muutostarpeet
Vesivoimalaitoksen generaattori itsessään soveltuu hyvin synkronikompensaattoriksi, eikä sen roottoriin tai staattoriin vaadita muutoksia.
Generaattorin ohjaus tapahtuu magnetointilaitteistolla, joka pitää generaattorin jännitteen ja loistehon asetelluissa arvoissa. Käytettäessä generaattoria synkronikompensaattorina, tulee magnetoinnin mittaukset tarkistaa ja tarvittaessa uudelleen kalibroida, halutun käyttöalueen saavuttamiseksi. Samasta syystä myös magnetoinnin rajoitin- ja säätöparametrit tulee tarkistaa ja tarvittaessa uudelleen virittää.
Ohjausjärjestelmän lisäksi generaattorilla on aina myös sähköinen suojausjärjestelmä eli suojarele, joka mitattujen arvojen ylittäessä asetellut arvot, laukaisee generaattorikatkaisijan auki. Kuten magnetoinninkin tapauksessa, mittausalueet tulee tarkistaa ja varmistua siitä, että ne soveltuvat aiotulle käyttötavalle. Lisäksi suojareleen asettelut tulee ainakin osittain määritellä uudelleen, asetella ja testata. Sähköisistä suojauksista ainakin takatehosuoja tulee poistaa käytöstä synkronikompensaattori käytössä. Tavallisesti generaattori tuottaa pätötehoa verkkoon ja sen kuluttaessa pätötehoa eli takateholla, halutaan se kytkeä irti verkosta. Synkronikompensaattori ajotavalla generaattori kuitenkin kuluttaa pätötehoa, joka kuluu mekaanisiin häviöihin sekä tilanteessa, jossa generaattori vastustaa verkon nopeaa taajuuden nousua, tämä energia kiihdyttää generaattorin pyörimisnopeutta. Eli synkronikompensaattori ajotavalla takatehosuojan ei haluta olevan aktiivinen.
Turbiinin muutostarpeet
Synkronikompensaattori ajotavan mahdollistamiseksi itse turbiiniin eikä sen ohjaushydrauliikkaan varsinaisesti tarvitse tehdä muutoksia. Vesivoimalaitoksen optimaalisen toiminnan mahdollistamiseksi Kaplan- ja Francis-turbiinin juoksupyörät ovat alaveden pinnan alapuolella eli vaikka turbiinin johtopyörä olisi suljettuna, turbiinikammiossa on vettä. Synkronikompensaattori ajotavalla tämä ei ole optimaalista, vaan aiheuttaisi turhia häviöitä.
Ongelma voidaan ratkaista syöttämällä paineilmaa turbiini kammioon ja näin painaa alaveden pinta imuputkessa väliaikaisesti juoksupyörän alapuolelle. Tätä varten laitokselle tarvitaan riittävän tehokas paineilmajärjestelmä, putkitus turbiini kammioon sekä sopiva venttiili säätelemään ilmanpainetta turbiinikammiossa. Oikean paineen varmistamiseksi tarvitaan painemittaus, mikäli kyseisessä turbiinissa ei sellaista jo ole.
Pelton-turbiini pyörii ilmassa, joten paineilman syöttämiselle ei ole tarvetta.
Järjestelmien jäähdytys
Vesivoimalaitoksilla vesijäähdytystä tarvitaan tyypillisesti voitelu- ja hydrauliikkaöljyn jäähdyttämiseen sekä generaattorin jäähdyttämiseen.
Kaplan- ja Francis-turbiinia hyödyntävillä laitoksilla jäähdytysveden saanti ei yleensä ole riippuvainen vedenvirtaamisesta turbiinin läpi ja näin ollen se ei lähtökohtaisesti aiheuta muutostarpeita.
Pelton-turbiinien tapauksessa tämä saattaa olla haasteellisempaa, mikäli jäähdytysveden syöttö pitää järjestää tuloputkesta, aiheuttaa se kustannuksia ja toisaalta Pelton-turbiinia hyödyntävillä laitoksilla putouskorkeus on suurempi ja ylävedestä otettu jäähdytysvesi on näin ollen arvokkaampaa. (Entso-e, 2018)
Ohjausjärjestelmän muutostarpeet
Generaattorin magnetointi- ja suojausjärjestelmien muutos tarpeiden lisäksi, myös kokonaisuutta ohjaavaan automaatiojärjestelmään sekä turbiinia ohjaavaan turbiinisäätäjään tulee tehdä muutoksia ja testaamalla varmistua niiden oikeasta toiminnasta.
Turbiinisäätäjään tulee ohjelmoida synkronikompensaattori ajotavan vaatimat ohjaukset. Käytännössä uusi ajotapa, joka mahdollistaa johtopyörän sulkemisen verkkoon tahdistuksen jälkeen ja lopettaa johtopyörän ohjaamisen, kunnes turbiini joko pysäytetään tai vaihdetaan ajotapa takaisin tehon tuotantoon. Turbiinisäätäjässä olevat turbiininsuojausfunktiot tulee tarkistaa ja tarvittaessa estää joidenkin toiminta synkronikompensaattori ajotavalla.
Automaatiojärjestelmä ohjaa laitosyksikköä tyypillisesti sekvenssiohjauksina. Synkronikompensaattori ajotavalle siirtymiselle, siitä palaamiselle ja mahdolliselle suoralle pysäytykselle tulee ohjelmoida omat sekvenssinsä.
Synkronikompensaattori ajotapa
Vesivoimakoneen käynnistäminen synkronikompensaattori ajotavalle tapahtuu samalla tavalla kuin muillakin ajotavoilla verkkoon tahdistamiseen asti. Tahdistamisen jälkeen generaattorisuojareleen takatehosuojaus funktio estetään, johtopyörä ohjataan kiinni ja turbiinikammio täytetään ilmalla, lisäksi Kaplan-turbiinin tapauksessa juoksupyörän siivet ohjataan kiinni ilmanvastuksen vähentämiseksi. Näin saavutetusta synkronikompensaattori ajotavasta voidaan siirtyä joko pysäytykseen tai tehotuotannolle. Pysäytys tapahtuu kuten normaali pysäytyssekvenssi, osa normaalista pysäytyksestä on jo suoritettu, kun pätöteho on n. 0 MW ja johtopyörä kiinni. Tehon tuotannolle voidaan siirtyä vapauttamalla ilma turbiinikammiosta ja avaamalla johtopyörä, Kaplan-turbiinin tapauksessa aktivoidaan myös kombinointi.
Pienen inertian hallinta nyt ja tulevaisuudessa
Tällä hetkellä Pohjoismaisessa sähköverkossa pienen inertian tilanteita hallitaan nopean taajuusreservin (FFR) avulla. Nopea taajuusreservi ei itsessään tuo verkkoon lisää inertiaa, mutta esimerkiksi häiriötilanteen sattuessa sen avulla estetään taajuuden putoaminen liian alhaiseksi. Nopealla taajuusreservillä onkin hyvin tiukat tekniset vaatimukset aktivointiajan suhteen, jotta verkon riittävä tasapaino säilyy. Suomessa Fingrid hankkii nopeaa taajuusreserviä kansalliselta tuntimarkkinalta. Tulevaisuudessa ongelma voitaisiin myös ratkaista lisäämällä verkon inertiaa sen sijaan, että luotetaan nopeaan taajuusreserviin.
Toinen vaihtoehto miten pienen inertian tilanteita voidaan hallita, on suurimpien sähköntuotantoyksiköiden tehon rajoittaminen. Sähköverkossa käytetään mitoitusperiaatetta, jonka mukaan yksittäisen sähkön tuotantoyksikön tai HVDC-siirtoyhteyden menetys ei saa johtaa alle taajuuden putoamiseen alle 49,0 Hz:n tasoon. (Fingrid Oyj, 2023) Käytännössä tämä tarkoittaa ydinvoimaloiden ja HVDC-siirtoyhteyksien tehon rajoittamista.
Vesivoimalla olisi Pohjoismaissa suuri potentiaali tuottaa inertiaa. Suurimpana haasteena onkin saada vesivoimayhtiöt tekemään tarvittavat muutokset ja investoinnit. Yhtiöt eivät taida olla kovin halukkaita tekemään investointeja, jollei niillä saavuteta taloudellista hyötyä tulevaisuudessa. Vesivoimayhtiöitä saattaa myös hiertää se, että pienen inertian tilanteet johtuvat pääosin sähköverkon suuresta osuudesta aurinko- ja tuulivoimaa, jotka eivät itsessään tuota inertiaa. Yksi keino ratkaista ongelma voisi olla erillisen inertia markkinan luominen. Jos inertiasta maksetaan ja investoinneilla olisi järkevä takaisinmaksuaika, saattaisivat vesivoimayhtiöt olla halukkaita investoimaan vesivoimakoneiden käyttämiseen synkronikompensaattoireina.
Toinen ratkaisu pienen inertian hallintaan voisi olla sähkömarkkinalain muuttaminen siten, että kaikkien teollisen kokoluokan sähköntuottajien pitää pystyä itse tuottamaan verkkoon inertiaa. Esimerkiksi aurinko- ja tuulivoimaloilla tämä voitaisiin toteuttaa erillisten synkronikompensaattoreiden avulla. Viime kädessä kysymys onkin siitä, että pitäisikö sähköntuottajalla olla velvoitteita riittävän inertian tuottamiseen vai jätetäänkö tämä vastuu kantaverkkoyhtiöille.
Tämä artikkeli on opiskelijatyönä tehty Fysikaalinen energiavarastointi -kurssin puitteissa ja se liittyy Energiavarastoinnin ylimpään AMK-tutkintoon. Tämän artikkelin ja kyseisen kurssin ohjaajana oli Energiatekniikan Lehtori Shekhar Satpute. Kolmen artikkelin sarjaan kuuluvat myös Pumppuvoimalaitokset – Tehokas ja kestävä energiavarasto uusiutuvalle energialle, http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023062257933, sekä Ylikriittinen hiilidioksidi energiantuotannossa, http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023062257938.
