Vihreän siirtymän ja energiamurroksen myötä energian tuotanto siirtyy fossiilisten polttoaineiden käytöstä uusiutuviin säästä riippuviin tuotantomuotoihin. Tuuli- ja aurinkovoimalat sekä akkuvarastot kytketään sähköverkkoon suuntaajakytkettyjen tehonmuokkaimien kautta. Tällöin ne eivät tuota sähköverkkoon inertiaa, kuten perinteiset tahtigeneraattorit tuottavat. Sähköverkko tarvitsee inertiaa luotettavaan toimintaan. Mitä on sähköverkon inertia?
Massan hitaus on meille kaikille tuttu asia elämän eri osa-alueilta. Esimerkkinä voi käyttää kaupan ostoskärryjä. Aloittaessasi kierroksen, tyhjä kärry on helppo laittaa liikkeelle ja kääntää sekä tarvittaessa pysäyttää. Kun kärry on kierroksen lopussa täynnä, kärryn liikkeen pysäyttäminen ja suunnan muutokset vaativat selkeästi enemmän voimaa käyttäjältään. Tässä on kyse massan hitaudesta. Ostoskärryn massa kasvoi kierroksen aikana ja tämän seurauksena suunnanmuutokset vaativat enemmän voimaa. Tai voi myös ajatella, että kierroksen alussa käytetyllä voimalla suunnanmuutos vaatii enemmän aikaa kierroksen lopussa, koska kiihtyvyys jää tällöin hitaammaksi.
Hitaus, jota kutsutaan myös inertiaksi, on kappaleen taipumus jatkaa tasaisessa liiketilassaan, ellei siihen kohdistu kiihtyvyyttä aiheuttavaa nettovoimaa. Newtonin toisen lain mukaan kappaleen kiihdyttämiseen tarvittava voima on suoraan verrannollinen kappaleen massaan. Tätä kuvaa insinööriopiskelijoille hyvin tuttu yhtälö F=ma, jossa F on kappaleeseen kohdistunut kokonaisvoima, m kappaleen massa ja a kappaleen kiihtyvyys.
Pyörimisliikkeessä olevalle kappaleelle voidaan kirjoittaa saman kaltainen yhtälö T=J(dw/dt), jossa T on kappaleeseen kohdistuva momentti, J on kappaleen hitausmomentti ja w kulmanopeus. Pyörimisnopeus siis säilyy, mikäli kappaleeseen ei vaikuta ulkoisia momentteja. Kappaleen pyörimiseen varastoitunut energia puolestaan voidaan selvittää yhtälöllä (½)Jw^2. Nämä molemmat yhtälöt ovatkin tärkeitä, kun analysoidaan sähkökoneiden käyttäytymistä erilaisissa tilanteissa.
Massan hitaudella, eli inertialla, on merkitystä myös sähköverkon vakaalle toiminnalle. Perinteisesti sähköenergia on tuotettu voimalaitoksissa tahtigeneraattoreilla. Tahtigeneraattorit ovat kytkettyjä toisiinsa sähköverkon välityksellä ja samalla synkronialueella, kuten yhteispohjoismainen sähköverkkokin on, kaikki näkevät saman taajuuden. Seuraavalla kuvalla havainnollistetaan tahtikoneiden kytkeytymistä toisiinsa verkon välityksellä (Kuva 1).
Näiden tahtigeneraattoreiden ja niitä pyörittävien voimakoneiden pyörimisliikkeeseen on sitoutunut energiaa, joka hidastaa sähköverkon taajuuden muutoksia muutostilanteissa. Sähköverkon peruslainalaisuus on, että sähköä täytyy tuottaa joka hetki yhtä paljon kuin sitä kulutetaan. Muita peruslainalaisuuksia ovat mm. se, että taajuus on riippuvainen voimakoneesta ja nopeussäätäjästä, kun taas jännitteen amplitudi on riippuvainen generaattorista, sen magnetointilaitteistosta ja jännitesäätäjästä. Siksi taajuusmuutoksien vaikutusten analysoinnissa keskitytään voimakoneen käyttäytymiseen ja ominaisuuksiin.
Kuvitellaan tilanne, jossa voimalaitos vioittuu ja irtoaa verkosta. Tällöin meillä on hetkellisesti vajetta tuotetusta sähköenergiasta. Sähköverkon taajuus laskee ja puuttuva tuotanto korvataan lisäämällä muiden verkossa olevien laitosten tuotantoa. Häiriöreservit aktivoituvat. Korvaavan tuotannon tehon lisääminen ottaa kuitenkin aikaa ja korvaavan tuotannon tehoa kasvatettaessa verkon generaattorit tuottavat kuitenkin koko ajan saman määrän sähköenergiaa kuin sitä kulutetaan. Toisin sanoen, niin kauan kun taajuus laskee tehovajeen seurauksena, generaattoreita pyörittävät voimakoneet eivät tuota yhtä paljon mekaanista energiaa generaattoreille kuin sähköenergiaa tuotetaan. Mistä tämä sähköenergia sitten tulee?
Tuotantovajeen aikana puuttuva sähköenergia otetaan generaattoreiden ja niitä pyörittävien voimakoneiden pyörimisliikkeen energiasta. Pyörimisliikkeen nopeus hidastuu ja sitä kautta sähköverkon taajuus laskee. Kun korvaava tuotanto on saatu käyttöön, taajuuden lasku pysähtyy ja taajuus nostetaan takaisin halutuksi. Taajuuden noston aikana voimakoneiden tulee tuottaa enemmän mekaanista energiaa kuin sähköenergian tuotanto suoraan vaatisi, jotta generaattoreiden pyörimisliikkeen inertiasta otettu energia saadaan korvattua ja nopeus nostettua takaisin nimelliseen nopeuteen.
Mitä enemmän sähköverkossa on generaattoreiden pyörimisliikkeeseen sitoutunutta energiaa, sitä vähemmän taajuus laskee mahdollisissa verkon häiriötilanteissa. Inertia hidastaa taajuuden muutoksia samoin kuin ostoskärryesimerkissä kasvanut ostosten määrä hidasti kärryn kääntämistä. Inertialla on muitakin sähköverkkoa stabiloivia ominaisuuksia kuin edellä kerrottu esimerkki antaa ymmärtää. Sähköverkossa inertia on siis haluttu asia. Seuraava kuva esittää sähköverkon taajuuden käyttäytymistä ison ja pienen inertian tilanteessa kuvitteellisen laitoksen irrotessa verkosta (Kuva 2).
Mikäli inertia ja häiriöreservit eivät pysty pitämään taajuutta 48,8Hz yläpuolella, automaattinen kuormien irtikytkentäjärjestelmä aktivoituu 0,15s viiveellä 0,2Hz portaissa. Kukin porras erottaa verkon kuormituksesta 5%, pois lukien alin porras 48,0Hz erottaa 10% kuormasta. Tällä automaattisella alitaajuussuojausjärjestelmällä pyritään välttämään suurhäiriö, jossa sähköt saattaisivat olla poikki isosta osasta tai koko maasta. Sähkön palauttaminen suurhäiriöstä ottaa paljon aikaa ja suurhäiriöllä olisi isoja vaikutuksia yhteiskunnan toimintaan. Edellinen kuva havainnollistaa inertian merkitystä myös alitaajuussuojauksen kannalta. Muutostilanteen taajuuskuoppa on sitä matalampi, mitä enemmän on inertiaa.
Sähköverkon inertia on niin tärkeä asia verkon turvallisen toiminnan kannalta, että pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt laskevat reaaliaikaisen arvion pohjoismaisen sähköjärjestelmän inertiasta. Arvio on luettavissa Fingridin avoimesta datasta ja päivittyy yhden minuutin välein. Arvio perustuu yksittäisten generaattoreiden mallinnustietoihin ja reaaliaikaisiin tilatietoihin. Pienen inertian tilanteita on tyypillisesti silloin kun kulutus on pientä, esimerkiksi kesällä.
Sähköverkon keskeinen suunnitteluperuste on se, että verkon tulee kestää suurimman voimalaitosyksikön tai siirtoyhteyden mahdollisen vikaantumisen aiheuttama tehovaje. Tähän varaudutaan Pohjoismaissa siten että kantaverkkoyhtiöt hankkivat nopeaa taajuusreserviä, jota kutsutaan myös reservitehoksi, jotta mahdollisen vian aiheuttama hetkellinen taajuusmuutos ei kasva niin suureksi, että alitaajuussuojaus aktivoituisi. Lisäksi pienen inertian tilanteessa taajuuden muutoksia hallitaan rajoittamalla mahdollisen tehomuutoksen suuruutta. Esimerkiksi Ruotsin Oskarshamn 3 -ydinvoimalan tuotantotehoa on pienennetty, kun inertia on laskenut liian alas. Olkiluoto 3 valmistuessaan tuli suurin yksikkö yhteispohjoismaisessa sähköverkossa. Olkiluoto 3:lle on rakennettu järjestelmäsuoja, joka erottaa verkosta 425MW (kaudella 2023-2024) teollisuuden kulutusta mahdollisessa Olkiluoto 3 irtikytkentä tilanteessa. Tämän tarkoituksena on rajoittaa tehovaje 1600MW sijasta alemmaksi.
Vihreän siirtymän ja sen rinnalla tapahtuvan energiamurroksen myötä energian tuotanto siirtyy fossiilisten polttoaineiden käytöstä uusiutuviin säästä riippuviin tuotantomuotoihin. Sähköenergia tuotetaan jatkossa enenevin määrin tuuli- ja aurinkovoimalla. Sääriippuvien tuotantomuotojen saatavuuden vaihtelua ja lieveilmiöitä paikataan energian varastoinnilla. Tahtikoneilla toimivat pumppuvoimalaitokset ovat markkinajohtajia sähköenergian varastoinnissa. Mutta akkuteknologioihin perustuvat sähköenergiavarastot ovat nopeinten markkinaosuuttaan kasvattava energian varastoinnin muoto.
Tuulivoima, aurinkovoima ja akkuenergiavarastot ovat kaikki suuntaajakytkettyjä. Suuntaajakytketyt tuotantomuodot eivät luonnostaan tuota sähköverkkoon inertiaa, vaan ovat ikään kuin irti verkosta inertian näkökulmasta. Ennusteiden mukaan sähköverkon inertia pienenee energiamurroksen myötä, ellei asialle tehdä jotain. Inertian lisäämiseksi verkkoon tai inertian pienenemisen aiheuttamien uhkien vähentämiseksi on olemassa useita ratkaisuvaihtoehtoja. Vaihtoehdot saattavat vaatia teknologian kehittymistä, teknologioiden tuotteistamista, ajatusmallien muutosta tai laki- ja sopimusteknisiä muutoksia. Vaasan Ammattikorkeakoulu ja Yrkeshögskolan Novia ovat käynnistäneet yhteistyössä hankeen: FESIO – Flexible Energy Systems Integration and Optimization (FESIO – Joustavien energiajärjestelmien integrointi ja optimointi), jossa yhtenä osa-alueena on hakea ratkaisuja sähköverkon pienenevään inertiaan. Jatkokirjoituksessa esittelen mahdollisia ratkaisuvaihtoehtoja.
