Saarekekäyttöiset energiajärjestelmät: Järjestelmän mitoittaminen hankkijan näkökulmasta
Huhtala, Kyösti (2023)
Huhtala, Kyösti
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-06-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202306146755
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202306146755
Tiivistelmä
Tässä työssä tarkastellaan energian tuotantoa saarekekäytössä eli irrallaan yleisestä energiainfrastruktuurista, yleisestä sähkönjakeluverkosta. Työn lähtökohtana on kolme Puolustusvoimien toiminta-alueelta nousevaa käyttötapausta: 1) Syrjäinen sensori on maantieteellisesti syrjäisessä, vaikeapääsyisessä kohteessa sijaitseva järjestelmä, jonka sähkötehovaatimus on varsin vähäinen, mutta keskeinen. 2) Tukiasema palvelee kansainvälisen operaation tietoliikennettä vaikeapääsyisellä alueella. Sen tehontarve vaihtelee huomattavasti tietoliikenneverkon kuormituksen ja sääolosuhteiden myötä. 3) Tukikohta tarjoaa palvelut noin 100 työntekijän joukolle rakennetun alueen lähellä, mutta irrallaan yleisestä sähkönjakeluverkosta. Kaikkia näitä käyttötapauksia yhdistää tarve toimittaa sähköenergiaa luotettavasti, mutta kohteet ovat kuitenkin kyseenalaisten huoltoyhteyksien päässä, jolloin dieselvoimalan tarvitsema huolto ja polttoaine ovat merkittävä rasite ja kustannuserä, jota halutaan oleellisesti pienentää.
Työssä tarkastellaan energiantuottoteknologioina tuuli- ja aurinkovoimaa, joiden perusominaisuudet käsitellään. Korkea sähköntuotannon luotettavuusvaatimus edellyttää dieselvoimalan lisäämistä kokonaisuuteen, ja työssä käsitellään myös sen perusominaisuudet. Energiahuippujen tasaamiseksi ja ylimääräisen energian varastoimiseksi järjestelmään liitetään akusto. Työn teknologinen näkökulma yltää noin 10 vuoden päähän, joten lisäksi tarkastellaan vetyteknologian (elektrolyyserit, polttokennot, varastointi) soveltuvuus energian varastoimiseksija tuotamiseksi. Tuotannon ja varastoinnin teknologioista esitellään muutama markkinoilta löytyvä sovelias järjestelmä, joita sitten käytetään käyttötapausten osajärjestelminä.
Työssä paneudutaan energiajärjestelmän komponenttien mitoittamiseen siten, että järjestelmä kykenee vastaamaan sille asetettuihin vaatimuksiin. Kulutuksen osalta työssä käytetään keinotekoisia, mutta kutakin käyttötapausta edustavia aineistoja. Mitoittamiseen käytetään simuloituja kokeita, joissa osajärjestelmien suorituskyvylle muodostetuin osamallein päästään arvioimaan kokonaisjärjestelmän selviytymistä asetetuista vaatimuksista. Simuloidut kokeet antavat myös mahdollisuuden arvioida ja havainnollistaa mallin epävarmuuksia.
Kokonaisjärjestelmän mitoittaminen edellyttää tarkkaa tietoa osajärjestelmien suorituskyvystä. Tällaista tietoa kokonaisjärjestelmän hankkija ei yleensä voi etukäteen saada. Tässä työssä esitetään hankintavaiheen tueksi toimintatapa, jota käyttäen hankkija voi kohtuullisella tietomäärällä arvioida kokonaisjärjestelmän suorituskykyä ja kriittisiä ominaisuuksia riittävän tarkasti.
Teoriaa ja menetelmiä sovellettiin kahteen käyttötapaukseen, joissa havaittiin menetelmän ohjaavan valintaa oikeaan suuntaan. Käytetyissä malleissa todettiin tarkennustarpeita, joilla menetelmää voidaan edelleen kehittää.
Työllä on Puolustusvoimien tutkimuslupa AR18905.
Työssä tarkastellaan energiantuottoteknologioina tuuli- ja aurinkovoimaa, joiden perusominaisuudet käsitellään. Korkea sähköntuotannon luotettavuusvaatimus edellyttää dieselvoimalan lisäämistä kokonaisuuteen, ja työssä käsitellään myös sen perusominaisuudet. Energiahuippujen tasaamiseksi ja ylimääräisen energian varastoimiseksi järjestelmään liitetään akusto. Työn teknologinen näkökulma yltää noin 10 vuoden päähän, joten lisäksi tarkastellaan vetyteknologian (elektrolyyserit, polttokennot, varastointi) soveltuvuus energian varastoimiseksija tuotamiseksi. Tuotannon ja varastoinnin teknologioista esitellään muutama markkinoilta löytyvä sovelias järjestelmä, joita sitten käytetään käyttötapausten osajärjestelminä.
Työssä paneudutaan energiajärjestelmän komponenttien mitoittamiseen siten, että järjestelmä kykenee vastaamaan sille asetettuihin vaatimuksiin. Kulutuksen osalta työssä käytetään keinotekoisia, mutta kutakin käyttötapausta edustavia aineistoja. Mitoittamiseen käytetään simuloituja kokeita, joissa osajärjestelmien suorituskyvylle muodostetuin osamallein päästään arvioimaan kokonaisjärjestelmän selviytymistä asetetuista vaatimuksista. Simuloidut kokeet antavat myös mahdollisuuden arvioida ja havainnollistaa mallin epävarmuuksia.
Kokonaisjärjestelmän mitoittaminen edellyttää tarkkaa tietoa osajärjestelmien suorituskyvystä. Tällaista tietoa kokonaisjärjestelmän hankkija ei yleensä voi etukäteen saada. Tässä työssä esitetään hankintavaiheen tueksi toimintatapa, jota käyttäen hankkija voi kohtuullisella tietomäärällä arvioida kokonaisjärjestelmän suorituskykyä ja kriittisiä ominaisuuksia riittävän tarkasti.
Teoriaa ja menetelmiä sovellettiin kahteen käyttötapaukseen, joissa havaittiin menetelmän ohjaavan valintaa oikeaan suuntaan. Käytetyissä malleissa todettiin tarkennustarpeita, joilla menetelmää voidaan edelleen kehittää.
Työllä on Puolustusvoimien tutkimuslupa AR18905.