Sähköverkossa tuotannon tulee vastata kulutusta jokaisena ajanhetkenä. Perinteisesti tuotanto on säädetty vastaamaan kulutusta, mutta jatkossa kulutuksen tulee enenevässä määrin säätyä vastaamaan tuotantoa. Puhutaan kulutusjoustosta tai kysyntäjoustosta. Tähän on useita menettelyitä olemassa. Tässä artikkelissa kerron yhdestä tavasta sähköautojen osallistamisesta kulutusjoustoon.
V2G lyhenne tulee sanoista ”vehicle to grid”. Tällä tarkoitetaan sähköajoneuvojen kaksisuuntaista latausta. Ajatuksena on, että sähköauto toimii energiavarastona ja energia voi liikkua myös autosta sähköverkkoon. V2G:n toivotaan olevan osaratkaisu sääriippuvan sähköntuotannon aiheuttamiin haasteisiin. V1G terminä puolestaan on useille tuntemattomampi kuin V2G. V1G idea on vastaava kuin V2G:ssä, mutta energia ei koskaan virtaa ajoneuvosta takaisin verkkoon, vaan V1G:ssä ajoneuvo muuttaa lataustehoaan sähköverkon tarpeiden mukaisesti. Voidaan puhua myös älykkäästä latauksesta. Kuva 1 havainnollistaa V1G ja V2G välistä eroa. [2]
Sähköautojen lataaminen älykkäästi voi monella tavalla auttaa sähköverkkojen tehotasapainon ylläpidossa. Useille meistä tuttu menettely on ladata ajoneuvo pörssisähkön hintaan perustuen halpojen tuntien aikana. Osa vuorokauden tunneista on sähkömarkkinoilla edullisempia kuin toiset, koska näillä tunneilla on enemmän vapaita resursseja. Osa tunneista puolestaan on kalliimpia kuin toiset, koska tuolloin resurssit ovat laajemmin käytössä ja on niukkuutta vapaista resursseista. Ajoittamalla ajoneuvon lataaminen ajanhetkeen, jolloin sähkö on halpaa, sähkön käyttäjän on mahdollista saada säästöjä energiakustannuksissa. Samalla sähkön käyttäjä osallistuu verkon tasapainottamiseen huomaamattaan luonnollisella tavalla. [2]
Pörssisähköön perustuva ajoneuvon lataaminen ei kuitenkaan auta tilanteissa, jossa sähköverkossa on häiriö. Esimerkki tällaisesta häiriöstä on tilanne, jossa voimalaitos tai iso kuluttaja irtoaa verkosta suunnittelematta. Tällöin verkon taajuus muuttuu tehon muutosta vastaavasti. Alkutilanteessa verkon inertia hidastaa taajuudenmuutosta ja viiveellä reservimarkkinatoimijat korjaavat taajuuden takaisin haluttuun ikkunaan muuttamalla tuotantotehoaan.
Sähkömarkkinoilla on perinteisesti toimineet voimalaitokset ja isot teollisuuden kuluttajat. Jatkossa sähkömarkkinoille odotetaan osallistuvan enenevin määrin myös pienempiä kuluttajia ja tuottajia virtuaalivoimalaitosmenettelyjen kautta. Virtuaalivoimalaitokseksi kutsutaan menettelyä, jossa monia pieniä kuluttajia sekä tuottajia kootaan yhteen siten, että ne näkyvät yhtenä voimalaitoksena sähkö- tai reservimarkkinoilla. Fingrid hallinnoi sähköverkon tehotasapainoa ylläpitävää viittä reservimarkkinatuotetta, joiden tuotekohtainen minimikoko on 0,1 MW – 1 MW tuotteesta riippuen. [3]
Reservimarkkinoille osallistuminen ei vaadi kahdensuuntaista tehonsyöttöä, koska sähköverkon näkökulmasta on sama, lisätäänkö tuotantoa vai vähennetäänkö kulutusta. Molemmilla on taajuutta nostava vaikutus. Tämä mahdollistaa monen pienen sähkön käyttäjän kuorman yhdistämisen yhdeksi isoksi virtuaalivoimalaitosmenettelyn avulla. [3]
Suomessa oli vuoden 2023 lopussa liikennekäytössä noin 2,7 miljoonaa henkilöautoa. Lisäksi liikennekäytössä oli noin 344 000 pakettiautoa ja yhteensä runsas 100 000 kuorma-autoa ja linja-autoa. Henkilöautoliikenne sähköistyy nopeasti ja täyssähköisiä henkilöautoja oli näistä vuoden 2023 lopussa jo lähes 84 000. EU:n sekä Suomen valtion tavoitteena on, että autoilun sähköistyminen jatkuu edelleen. Traficomin ennuste arvioi vuoteen 2030 mennessä sähköautoja olevan 600 000. [5, 6, 7, 8]
Tyypillinen sähköauton latausteho on 11 kW. Jos mainituista 600 000 autosta olisi esimerkiksi 2 % osana virtuaalivoimalaitosta, jonka toiminta perustuu virtuaalivoimalaitokseen liitetyn auton lataustehon alentamiseen tarvittaessa, olisi tässä 132 MW tehoa käytettävissä. Ennusteen mukaan Suomessa on yli 1,5 miljoonaa sähköautoa vuonna 2040. 2 % tästä on 330 MW. Lisäksi myös pakettiautot, kuorma-autot ja linja-autot sähköistyvät viiveellä henkilöautoihin nähden ja niiden lataustehot ovat suurempia kuin henkilöautojen keskimäärin.
Kun verrataan edellä kuvattua sähköautojen teoreettista kysyntäjousto kapasiteettia reservimarkkinoihin, puhutaan merkittävästä kapasiteetista sähköverkon näkökulmasta. Esimerkiksi sertifioitua FCR-D ylös kapasiteettia on Suomessa (14.12.2023) kaikkiaan 1088 MW, josta energiavarastoja on 64 MW, kulutusta 440 MW ja tuotantoa 584 MW. Mainitusta kapasiteetista käytössä on 295 MW. Tulevaisuudessa sähköautot voisivat täten yksin tuottaa nykyisin käytössä olevan FCR-D kapasiteetin. [3]
Mitä vaaditaan ajoneuvolta, että se voi osallistua V1G toiminnallisuuteen? Lähtökohtaisesti jokainen Euroopassa käytössä oleva Type 2 latausliittimellä varustettu auto voi osallistua V1G:hen. Sähköauton lataus perustuu ajatukseen, että kulloinkin rajoittavin tekijä rajoittaa latausvirran, toisin sanoen lataustehon. Lataustehoa voi rajoittaa latausasemaa syöttävä sähköverkko, latausasema, aseman ja ajoneuvon välinen kaapeli, ajoneuvon sisäinen latauslaite tai ajoneuvon akun vastaanottokyky. Ajoneuvon sisäinen laturi lataa tällä pienimmällä sallitulla virralla, ja jos lataus silti ylittää aseman ilmoittaman latausvirran, asemalla on oikeus katkaista lataustapahtuma. Vastaavasti ajoneuvon akuston hallintajärjestelmä (Battery Management System, BMS) keskeyttää latauksen, mikäli latausvirta ylittää kyseisessä tilanteessa akulle sallitut rajat. [4]
Yksinkertaisuudessaan EN IEC 61851 lataustavan 3 mukainen peruslataus itsessään mahdollistaa V1G:n, sillä latausasema lähettää tiedon suurimmasta sallitusta latausvirrasta ajoneuvolle CP (control pilot) nastan kautta PWM (Pulse Width Modulation) signaalina. Tällä signaalilla kerrotaan ajoneuvolle suurin sallittu latausvirta, jotta ei ylitetä latausasemaa syöttävän sähköverkon tai latausaseman kapasiteettia. Erilaiset kuormanhallintaratkaisut hyödyntävät myös samaa CP signaalia latausvirran rajoittamisessa. [4]
Kuva 2 on lainattu EN IEC 61851-1:2019 standardista ja esittää tyypillistä CP-signaalin toteutusta. Latausasema lähettää 1 kHz pulssinleveysmoduloidun signaalin sähköajoneuvolle CP ja PE (Protective Earth) kontaktien välillä. Ajoneuvon päässä linjalle on kytketty diodi ja piiriin kytketään tarpeen mukaisesti sopivan kokoisia vastuksia. Vastuskuormalla ajoneuvo tuottaa piiriin jännitteenaleneman, jota tulkitsemalla asema tietää ajoneuvon tilan. Hieman tavallisuudesta poikkeavaa toteutuksessa on se, että PE:tä käytetään signaalitienä. [4]
Latausaseman tuottama CP:n pulssisuhde Dn on esitetty taulukossa 1. Mikäli pulssisuhde on 0 % tai 100 %, lataaminen ei ole mahdollista. 5 % pulssisuhteella kerrotaan ajoneuvolle, että halutaan muodostaa digitaalinen kommunikaatio latausaseman ja ajoneuvon välille. Mikäli kommunikaatiota ei onnistuta muodostamaan, lataamista ei aloiteta lainkaan. Tai vaihtoehtoisesti asema voi siirtyä 100 % pulssisuhteen kautta sallittuun latausvirtaan. Tyypillisiä latausvirtoja kotitalouksissa ovat mm. 8 A ja 16 A. Esimerkiksi standardin mukainen pulssisuhde 16 A latausvirralla on (16 A / 0,6 A) % = 26,7%. Harvinaisemmalla 63 A latausvirralla pulssisuhde puolestaan on (63 A / 2,5 A + 64) % = 89,2 %. Latausasema voi siis indikoida latausvirrat 6 A – 80 A välillä ajoneuvolle. [4]
Edellä kuvatun Control Pilot signaalin avulla on mahdollista toteuttaa V1G toiminnallisuuksia millä tahansa Type 2 latausvastakkeen omaavassa autossa. Latausasema puolestaan tarvitsee enemmän toiminnallisuutta kuin edullisimmissa asemissa on sisäänrakennettuna. Aseman tulee joko kommunikoida V1G järjestelmää ohjaavan älyn kanssa tai asemassa tulee olla sisäänrakennettuna taajuuden mittaus ja sitä hyödyntävä äly. Kommunikaatio voi tapahtua keskitetyn järjestelmän kanssa tai olla paikallinen mittaus. Tyypillisesti laadukkaissa latausasemissa on sisäänrakennettuna OCPP (Open Charge Point Protocol) kommunikaatio, jota on mahdollista hyödyntää V1G toiminnallisuuden toteutuksessa ja siten ei vaadita investointia edes uuteen latausasemaan.
Kuvatun signaalin käyttäminen V1G toiminnallisuuteen ei ole mahdollista nopean taajuusreservin (Fast Frequency Reserve, FFR) yhteydessä, sillä IEC 61851 standardin sallimat tehonmuutosnopeudet eivät täytä FFR vaatimuksia. Fingridin asettamat maksimi aktivointiajat ovat 0,7 s, 1,0 s ja 1,3 s riippuen sähköverkon taajuuskuopasta. IEC 61851 puolestaan sallii ajoneuvolle 5 s tehonmuutoksen CP signaalin pulssisuhteen muutoksesta. Ajoneuvojen toteutuksissa on eroja, mutta nykyisellään tämä sulkee kerrotun PWM ohjauksen pois FFR markkinasta. FCR-D markkinan aktivoitumisnopeuteen kuvatunlaisella menettelyllä pääsee helposti. FFR markkinalle osallistuminen puolestaan vaatisi sen, että kommunikoitaisiin digitaalisignaalilla ja että silloin ajoneuvon latauslaite muuttaisi tehoaan nopeammin tai latausasema kylmästi erottaisi auton sähköverkosta signaalin saatuaan. [3, 4]
Voisin kuvitella, että moni sähköautoilija on valmis osallistumaan sellaisiin reservituotteisiin, joiden aktiivinen aika on suhteellisen pieni suhteessa normaalin latauksen käyttämään aikaan, mikäli siitä saa kohtuullisen korvauksen. Erityisesti kun ottaa huomioon, että ajoneuvot seisovat valtaosan ajasta paikallaan ja eivät seisoessaan tuota omistajalleen kuin kuluja. Useimpien sähköautojen käyttäjien kohdalla virtuaalivoimalaitokseen osallistumista ei huomaa muusta, kuin että tilille tulee rahaa tai sähkölasku on pienempi kuin aikana ennen virtuaalivoimalaitokseen osallistumista. Tunnettuja palveluntuottajia on markkinoilla vielä heikosti. Mutta asian ympärillä tapahtuu paljon ja iso määrä yrityksiä kehittää tuotteitaan alalle. Uskoakseni lähitulevaisuudessa, muutaman vuoden aikana aiheen ympärillä tapahtuu paljon ja iso yleisö tulee tutummaksi asian kanssa. Odotan mm. latausasematoimittajien sekä autovalmistajien omia helposti käyttöönotettavia ratkaisuja.
