Sähköenergiajärjestelmän tehotasapaino energiamurroksessa

Abstract

Energiamurros, eli globaali siirtymä fossiilisista polttoaineista uusiutuviin energianlähteisiin etenee vauhdilla. Samalla sähkönkulutus kaikilla kulutussektoreilla, erityisesti teollisuudessa kasvaa sähköistymisen myötä. Tavoitteena on ilmastonmuutoksen pysäyttäminen, joka vaatii edeltäviä toimia, jotta päästöjä saadaan vähennettyä ja hiilineutraalisuuden tavoite saavutetaan. Sähköenergia ja sähköverkot ovat avainasemassa energiamurroksen sähköistyvässä yhteiskunnassa. Tässä työssä tutkitaan sähköenergian tuotantomenetelmien muutosta uusiutumattomista energianlähteistä uusiutuviin ja sen sähköenergiajärjestelmän tehotasapainolle aiheuttamia ongelmia. Tavoitteena oli analysoida kyseisiä ongelmia ja esittää niihin Suomen näkökulmasta mahdollisia ratkaisuja. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Sähköenergiajärjestelmän tehotasapaino on keskeinen tekijä, joka varmistaa energian tuotannon ja kulutuksen välisen tasapainon ja sähköverkon vakauden. Energiajärjestelmä kattaa sähköenergian tuotannon, siirron ja kulutuksen. Tehotasapainon hallinta on monimutkainen ja elävä prosessi, joka edellyttää reaaliaikaista seurantaa ja nopeita korjaavia toimia. Uusiutuvat energianlähteet ovat luonteeltaan epävakaita, mikä asettaa entistä kovempia vaatimuksia tehotasapainon hallinnalle. Perinteisten energiantuotantomuotojen, kuten hiilen, maakaasun ja öljyn polttamisen vakaan ja ennakoitavan tuotannon poistuminen tuo tullessaan monenlaisia haasteita järjestelmän taajuudenhallinnalle. Työssä ilmenneitä haasteita olivat mahdollinen pula sähköenergiasta ja sähköverkon inertian väheneminen. Sähköenergiapula voi syntyä häiriöstä tai epäotollisista sääolosuhteista, todennäköisimmin erityisen kylmän pakkasjakson aikana. Erityisesti skenaarioiden samanaikainen toteutuminen on uhkaava. Sähköverkon inertia vähenee uusiutuvan energiantuotannon osuuden kasvaessa, sillä tuuli- ja aurinkovoima eivät luo sähköverkkoon luonnostaan inertiaa, toisin kuin perinteisten voimaloiden generaattorit. Kun inertia vähenee, sähköverkon taajuus reagoi voimakkaammin häiriöihin, mikä lisää suurempien vikojen riskejä. Sähköenergiajärjestelmä vaatii lisää panostamista reserveihin, jotta sähköä on joka hetkellä riittävästi ja sähköverkon taajuus pysyy aina hallinnassa. Reservimarkkinoillle tarvitaan nykyistä enemmän kulutusjoustoa ja sähköenergiavarastoja, jotta sähkön toimitusvarmuus säilyy. Kulutusjoustolla sähköenergian kulutusta saadaan siirrettyä ajanhetkeltä toiselle. Kulutusjouston merkitys lisääntyy tuotannon vaihtelevuuden kasvaessa. Kulutusjousto osallistuu jo reservimarkkinoille lähinnä teollisuuden toimesta. Uutta kulutusjoustoa voi olla esimerkiksi yksityisasuntojen lämmityksen tai sähköautojen latauksen ohjaus. Sähköenergiavarastoja on jo Suomessa vähän pumppuvoimalan ja akkusähkövarastojen muodossa, mutta varastoja tarvitaan lähitulevaisuudessa lisää.