Sähkönkulutuksen lisääntyessä, myös tuotannon tarpeet tulevat lisääntymään. Sähköntuotannon tulevaisuutta on mahdotonta täysin ennustaa, mutta markkinoille ilmestyy jatkuvasti erilaisia pienvoimaloita, joiden kapasiteetti ja fyysinen koko riittävät palvelemaan tulevaisuudessa yksittäisestä asunnosta aina asuinaluekokonaisuuksiin asti.
Tuotannon hajautuminen ja kulutuksen muutokset tulevat aiheuttamaan haasteita myös tulevaisuuden sähköverkolle. Opinnäytetyössä tarkasteltiin kotitalouksien mahdollisuuksia osallistua älykkään sähköverkon toimintaan kotiautomaatiojärjestelmien avulla, tasaamaan sähköverkon epätasapainoa.
Tutkimuksessa arvioitiin erityisesti Matter-protokollan soveltuvuutta eri valmistajien laitteiden integrointiin sekä ABB-Free@Home -järjestelmän yhteensopivuutta muiden ekosysteemien kanssa erityisesti hyödyntäen Matter-väylää.
Tutkimusta päästiin toteuttamaan kahdessa tutkimusympäristössä, jolloin pystyttiin arvioimaan asennusten ja integraatioiden toimivuutta myös todellisen elämän käyttöympäristössä. Tulokset osoittavat, että kotitalouksilla on potentiaalia toimia osana sähköverkon kulutusjoustoa ja reservimarkkinoita, mikäli automaatio ja tiedonsiirto ovat riittävällä tasolla.
Nykyinen sähköntuotannon rakenne
Suomen sähköntuotanto perustuu pääasiassa keskitettyihin laitoksiin, ydinvoimaan, vesivoimaan, tuulivoimaan ja uusiutuviin polttoaineisiin. Sähköntuotannon ja -kulutuksen on oltava reaaliaikaisesti tasapainossa, sillä sähköä ei voida varastoida merkittävässä mittakaavassa. Taajuudenhallinta (49.9–50.1 Hz) on keskeinen osa sähköverkon toimintavarmuutta.
Hajautettu tuotanto ja sen vaikutukset
Hajautettu tuotanto, kuten aurinkopaneelit, pientuulivoima ja tulevaisuuden energiatuotantolaitokset, lisäävät paikallista energiantuotantoa, mutta kasvattavat verkon säätötarvetta vähintäänkin paikallisella tasolla. Tuotannon ja kulutuksen vaihtelu edellyttää nopeita ohjausjärjestelmiä, jotka voivat hyödyntää myös kuluttajien kuormia tasatakseen vähintäänkin paikallisen sähköverkon tilannetta tuotannon ja kulutuksen vaihteluiden mukana.
Kotiautomaatiojärjestelmät ja integraatio
Kotiautomaatiojärjestelmien kenttä on hyvin pirstaleinen: eri valmistajien ekosysteemit eivät ole perinteisesti olleet yhteensopivia keskenään ilman välikäsiä tai monimutkaisia asetteluja.
Matter-protokolla pyrkii ratkaisemaan tämän tarjoamalla valmistajariippumattoman standardin, joka toimii IP-pohjaisissa verkoissa. Matter-protokolla on avoin rojaltivapaa väyläratkaisu, jonka avulla käyttäjä pystyy itse integroimaan eri valmistajien Matter-laitteet yhdeksi suureksi kokonaisuudeksi ja yhteen käyttöliittymään.
Tutkimusympäristöt
Tutkimus toteutettiin kahdessa erillisessä ympäristössä:
- Vamian Kiinteistöautomaatio-opetusympäristö, jossa käytössä on ABB Free@Home opetusympäristöt
- Omakotitalo, jossa käytössä ABB Free@home sekä Samsung Smartthings.
Kahden tutkimusympäristön avulla pystyttiin tutustumaan järjestelmäintegraatioihin ja erilaisiin ongelmiin huolettomasti kehittäen opetusympäristöä, sekä koestamalla muutoksia oikeassa käyttöympäristössä ja saamaan näin arvokasta tietoa todellisesta käyttötilanteesta todellisessa ympäristössä.
Integrointikokeet
Tutkimuksessa testattiin Matter-yhteensopivien laitteiden liittämistä ABB Free@Home-järjestelmään Matter-väylää hyväksi käyttäen muun muassa, FutureHome, Aqara, Google Home, Shelly, Smart-things ja Yale-järjestelmiin.
Integrointien aikana tutkimuksessa huomattiin, että alkuperäiseen MatterAlliansiin kuluvien Google Homen ja Samsung Smart-things järjestelmien Matter-liityntä on selkeästi valmiimpi, kuin muiden toimijoiden vastaavat liitynnät. Integroinnit tuottivat erilaisia haasteita, muun muassa Matter-Sovittimien yhteensopivuus haasteiden myötä. Nämä ongelmat varmasti poistuvat kehitystyön kautta, kun Matter-Protokolla kehittyy sekä toimijat kehittävät omia Matter-Liityntöjään.
Tästä esimerkkinä se, että Matter-Protokolla oli tutkimusta aloitettaessa kehitysversiossa 1.3 ja tätä kirjoitettaessa kehitysversio on jo versiossa 1.5, välissä ollen 4 päivitystä protokollaan vain reilun vuoden aikana.
Energiankulutuksen mittaus
Kulutuksen analysointiin käytettiin ABB SCU200 -monimittausjärjestelmää, joka mahdollisti:
- kokonaiskulutuksen seurannan
- ryhmäkohtaisten kuormien mittauksen
- kulutuskategorioiden muodostamisen (valaistus, lämmitys, jäähdytys, yleissähkö).
Jotta sähkön käyttöä on mahdollisuus ohjata, pitää sen kulutuskohteita pystyä mittaamaan ja seuraamaan luotettavasti. Tutkimuksen aikana tutustuttiin ABB.n SCU200 Monimittausjärjestelmään, jonka saa liitettyä ABB-Free@Home -järjestelmään IP-Rajapinnan avulla ja näin tuomaan jopa yksittäisten sulakelähtöjen tietoja käytettäväksi.
Matter-integraation toimivuus
Työn aikana Matter-protokollan laitteet toimivat kokolailla kahdella tapaa. Joko Matter-protokolla mahdollisti eri valmistajien laitteiden yhdistäminen suhteellisen helposti ja yksinkertaisesti. Uusi laite näkyi ohjaavassa ekosysteemissä nopeasti ja helposti. Ohjaaminen oli luonnollista ja väylä välittää tietoa tehokkaasti ja käytännössä viiveettömästi. Vaihtoehtoisesti yhdistäminen ei onnistunut oikein ollenkaan, ohjaava ekosysteemi ei tunnistanut laitetta Matte-laitteeksi, vaikkakin laiteessa Matter-standardin merkit ja pitäisi toimia. Joissakin tapauksissa yhdistys itsessään onnistui jollaintapaa, mutta tiedonsiirto oli erittäin ongelmallinen.
Kokonaisuutena toimiessaan Matter-järjestelmä on erittäin helppo ja hieman automaatiosta kiinnostunut kuluttaja pystyy helposti käyttöönottamaan Matter-laitteita omassa Matter-yhteensopivassa Matter-ekosysteemissään.
Kulutuskohteiden tunnistaminen
SCU200-järjestelmä osoittautui tehokkaaksi kulutuksen analysoinnissa, antamalla erittäin tarkkaa tietoa jokaisesta mittauskohteesta. Mittaukset eivät tuota pelkästään energian kulutustietoa, vaan mittauskohteista saadaan esimerkiksi myös loistehot.
Järjestelmä kustannus saatuihin hyötyihin jäi kuitenkin melko maltilliseksi.
-Modernit kodinkoneet tuottavat valmiiksi omia energialukujaan, ja niitä voidaan ohjata erilaisilla järjestelmillä.
-Shelly pistorasialiitännällä saatiin yksittäisen pistorasian kulutustietoon.
-Vesivaraajan tehonkulutus voidaan tulkita laitteen arvokilvestä tai yksittäisellä mittauksella.
Erilaisten kulutuskohteiden tehotiedot voidaan periaatteessa ohjelmoida tietokantaan, jolloin laskennallisesti voidaan arvioida mitä laitetta, milloinkin olisi hyvä ohjata päälle tai poispäältä verkosta tulevan tehosäätö tarpeen mukaisesti. Tällöin SCU200-järjestelmän tuottama informaatio saadaan kuluttajan näkökulmasta muita edullisempia reittejä pitkin ja arvokkaan mittaus järjestelmän tuottama hyöty kuluttajan kannalta jää varsin vähäiseksi.
Kotitalouksien potentiaali sähköverkon tasapainottajina
Tutkimus osoitti, että kotitaloudet voivat osallistua suhteellisen tehokkaasti ainakin paikallisen verkon ja tuotannon kulutusjoustoon ohjaamalla lämmityksiä tai sähköauton latausta.
Kotitaloudet voisivat osallistua reservimarkkinoihin erillisen agitaattorin avulla, jolloin kotitalous voi toimia osana sähköverkon tasausta kytkemällä tai irrottamalla kuormia käytöstä sähköverkosta tulevien pyyntöjen perusteella.
Tämä edellyttää kuitenkin:
- standardoitua tiedonsiirtoa verkon kanssa tiedonsiirtorajapintaa pitkin
- automaation riittävää kattavuutta.
Teknologiset haasteet
Kotiautomaatiojärjestelmien ekosysteemit kehittyvät jatkuvasti kiihtyvällä vauhdilla ja niiden yhteen sovittaminen saattaa muodostua ongelmaksi – Matter-Väyläratkaisu tarjoaa yhteisen väyläprotokollan, jonka avulla eri ekosysteemit tai niiden laitteet on mahdollista sulauttaa yhdeksi kokonaisuudeksi, jonka avulla myös kulutusjouston toteuttaminen on mahdollista moninaisin keinoin.
Kuluttajien teknologinen osaaminen ja kiinnostus automaatio asennuksiin tuottaa helposti kynnys kysymyksen, onko saavutettava taloudellinen hyöty riittävän iso porkkana kuluttajalle?
Kuluttajan näkökulma
Työn aikana nousi selkeästi esiin, että kuluttajalle tärkeimpiä tekijöitä ovat:
- helppokäyttöisyys
- luotettavuus
- kustannustehokkuus
- lisäominaisuutena mahdollisuus yhdistää eri valmistajien laitteita.
Helppokäyttöisyys ja luotettavuus nousevat selkeästi siinä mielessä esiin, että tekniikasta kiinnostumattomalle kuluttajalle teknisten haasteiden ylittäminen muodostuu helposti ylitsepääsemättömäksi haasteeksi. Luotettavuustekijät nostavat helposti päätään esiin, jos jokin laite tai toiminto ei näkyvästi toimi (valot eivät syty tai sammu kuten haluaisi) ja näin tekninen automaatio ratkaisu häviää äkkiä perinteiselle ohjaukselle.
Kuluttajat eivät välttämättä ole valmiita panostamaan suuria summia järjestelmään, joka ei tuota asuinmukavuutta tai kustannussäästöjä, joten laitteiston ja järjestelmän hinnoittelun täytyy olla kuluttajaystävällinen.
Kuluttajalle tulee selkeää lisäarvoa, jos eri järjestelmät saadaan yhdistettyä yhdeksi kokonaisuudeksi, eikä jokaisessa laitteessa tai järjestelmässä ole omaa kätevää äppiä. Tämä ominaisuus on kuitenkin selkeästi vähempiarvoinen, jos järjestelmät muuten toimivat luotettavasti ja luontevasti.
Sähköverkon näkökulma
Kotiautomaatio voi tulevaisuudessa toimia merkittävänä osana sähköverkon tasapainotusta, erityisesti
- sähköautojen latauksen ohjauksessa
- lämmityslaitteiden kuormanhallinnassa
- akustojen hyödyntämisessä.
Kotitaloudet voivat toimia paikallisina energianieluina tasapainottamaan paikallisia sähköverkon tuotannon ja kulutuksen epätasapainotilanteita, jolloin vastaavasti jakeluverkon tasaamisen tarve pienenee ainakin näiltä osin.
Johtopäätökset
Tutkimus osoittaa, että kotitalouksilla on merkittävä potentiaali toimia osana älykästä sähköverkkoa, kunhan automaatiojärjestelmät ja tiedonsiirtostandardit kehittyvät edelleen. Matter-protokolla tarjoaa lupaavan ratkaisun eri valmistajien laitteiden yhteen toimivuuteen, mutta sen käyttöönotto vaatii vielä kypsymistä. Energiankulutuksen mittaus ja analysointi ovat keskeisiä edellytyksiä kulutusjouston toteuttamiselle. Tulevaisuudessa kotitaloudet voivat muodostaa hajautetun, joustavan ja älykkään osan sähköjärjestelmää.
