Keskustelu on pitkään käynyt kuumana siitä, miten tuuli- ja aurinkoenergian määrä vaihtelee ja miten energian tuotanto ja kulutus saadaan tasapainotettua vaihtelevissa olosuhteissa.
Tämä ei ole kuitenkaan ainoa uusiutuvien energianlähteiden nopeasta yleistymisestä aiheutuva haaste: on myös ratkaistava, miten sähköjärjestelmä saadaan teknisesti toimimaan tilanteessa, jossa yhä suurempi osa energiasta tulee aurinko- ja tuulivoimasta.
”Tuuli- ja aurinkovoima liittyvät verkkoon teknisesti eri tavalla kuin perinteiset voimalaitokset, ja niiden tekniset ominaisuudet ovat erilaiset”, suunnittelupäällikkö Antti Harjula Fingridistä kertoo.
”Haasteet aiheutuvat tästä.”
Perinteisissä vesi- ja lämpövoimalaitoksissa turbiini pyörittää roottoria samassa tahdissa verkon taajuuden kanssa.
Jos verkon taajuus tai jännite muuttuu, tällainen tahtikone luontaisesti vastustaa näitä muutoksia – pyörivä massa pyrkii jatkamaan pyörimistä tasaisella nopeudella ja taajuuden laskiessa energiaa vapautuu pyörimisnopeuden laskiessa. Tätä taipumusta kutsutaan inertiaksi.
Tuuli- ja aurinkovoima sen sijaan kytkeytyvät verkkoon taajuusmuuttajien eli suuntaajien välityksellä.
”Tässä on oleellinen ero. Perinteisissä voimalaitoksissa on kyse fyysisestä kytkennästä, jossa vaste perustuu fysiikan yhtälöihin.”
”Suuntaajat eivät reagoi muutoksiin luontaisesti, vaan niin, kuin ne on ohjelmoitu reagoimaan.”
Suuntaajat sen sijaan ovat tehoelektroniikkaa.
”Ne eivät reagoi muutoksiin luontaisesti, vaan ne reagoivat, kuten ne on ohjelmoitu reagoimaan. Luontaisten stabiiliutta ylläpitävien ominaisuuksien puuttuessa järjestelmästä tulee paljon alttiimpi häiriöille ja mutkikkaampi hallita.”
Suomessa suuntaajakytketyiltä voimalaitoksilta vaaditaan kyllä verkon toimintaa tukevia toiminnallisuuksia, kuten jännitteen säätöominaisuuksia ja vikavirran syöttöä jännitehäiriötilanteessa.
Vaste ei kuitenkaan ole välitön fyysisen kytkennän kautta, kuten tahtikoneilla, vaan mittaukseen ja ohjauslogiikkaan perustuva, eikä suuntaajien kyky tukea verkkoa ole yhtä hyvä kuin tahtikoneiden.
”Tulee myös uusia ilmiöitä, esimerkiksi suuntaajien välisiä vuorovaikutusilmiöitä, ja mallinnuksesta ja analysoinnista tulee aiempaa haastavampaa.”
Harjula kertoo, että esimerkiksi tuulivoimalaitosten epästabiilia toimintaa on havaittu rajatulla alueella poikkeuksellisissa kytkentätilanteissa.
”Havaintojen ja simulointien perusteella laitosten säätöjen suunnittelun perusteita parhaillaan kehitetään.”
Aurinko- ja tuulisähkön osuus kasvaa nopeasti
Suomi kuuluu pohjoismaiseen synkronialueeseen Ruotsin, Norjan ja Tanskan Själlannin kanssa. Jos tällä alueella verkosta irtoaa voimalaitos, se vaikuttaa koko alueella.
Viime vuoden alussa tuuli- ja aurinkovoimakapasiteetti oli alueella noin 20 gigawattia, ja viimeisten ennusteiden mukaan määrä yli kolminkertaistuu vuoteen 2030 mennessä nousten 70 gigawattiin.
Pohjoismaisen synkronialueen tuuli- ja aurinkovoimakapasiteetin ennustetaan yli kolminkertaistuvan vuoteen 2030 mennessä.
Aurinko- ja tuulivoimalla tuotetun energian osuuden ennustetaan kasvavan viime vuoden 13 prosentista 40 prosenttiin.
”Kaikkein haastavinta on, jos suurin osa sähköntuotannosta on hetkellisestikin tuuli- ja aurinkovoimaa. Viime vuonna tuuli- ja aurinkovoiman osuus nousi välillä 40 prosenttiin, ja alle kymmenen vuoden päästä jopa 75 prosenttia energiasta voi hetkittäin tulla suuntaajakytketyistä lähteistä.”
Suuntaajat lukittuvat verkon taajuuteen, ja syöttävät tehoa sen mukaan, eli ne seuraavat verkkoa eivätkä luo sitä. Tilanne on altis epästabiiliudelle, jos suurin osa on verkkoa seuraavaa, eikä sitä luovaa tuotantoa.
Tällainen tilanne voi aiheuttaa haasteita myös verkon suojauksen toiminnalle ja sähkönlaadulle.
Ratkaisuvaihtoehtoja ja mitoituskriteereitä pohditaan
Jos iso yksikkö, vaikkapa Olkiluoto 3, tipahtaa verkosta, taajuus laskee nopeasti. Jos inertiaa on paljon, se jarruttaa muutosta, mutta jos inertiaa on vähän, lasku on jyrkempi ja syvempi.
Pohjoismaisella synkronialueella inertian osuus laskenut viime vuosina, ja tähän on jo reagoitu.
”Uusi taajuusreservi, eli FFR-reservi, aktivoituu tarvittaessa noin sekunnissa.”
”Suurinta yksikkökokoa on tietyissä tilanteissa rajoitettu, ja käyttöön on otettu pienen inertian tilanteissa uusi nopea taajuusreservi, eli FFR-reservi, joka aktivoituu tarvittaessa noin sekunnissa”, Harjula sanoo.
Jotta suuntaajavaltainen järjestelmä saadaan pidettyä stabiilina, on suuntaajilta joissakin sovelluksissa maailmalla alettu vaatia myös verkkoa luovia ominaisuuksia.
”Tällöin suuntaaja tarkkailee omaa ulostuloaan ja muokkaa toimintaansa sen mukaan, eikä lukitu verkon taajuuteen. Tällä tavalla suuntaaja matkii tahtikoneen toimintaa ja luo taajuuden ja jännitteen ilman ulkopuolista referenssiä.”
Verkkoa luovaa toiminnallisuutta saatetaan jatkossa vaatia uusilta suuntaajakytketyiltä voimalaitoksilta tai toiminnallisuutta voitaisiin mahdollisesti ostaa markkinoilta, jotta verkon stabiili toiminta voidaan varmistaa.
”Verkkoa luovat suuntaajat ovat kuitenkin vielä kehitysasteella, eivätkä ratkaisut ole standardeja, joten vaatimusten asettamisessa pitää huomioida teknologinen kypsyys.”
Kolmas vaihtoehto Harjulan mukaan on, että rakennetaan verkkoon isoja tahtikoneita ilman energianlähdettä tasapainottamaan verkkoa. Tällainen synkronikompensaattori on suunnitteilla Pohjanmaalle, Jylkän sähköasemalle alueelle, jonne on keskittynyt erittäin paljon tuulivoimaloita.
”Näkisin, että kaikille ratkaisuvaihtoehdoille tulee tarvetta, ja niille on käyttöä etenkin verkkoa luovan suuntaajateknologian kehitysvaiheessa.”
Tulevat haasteet on siis Fingridissä tunnistettu. Nyt pohditaan mitoituskriteereitä uusille stabiiliusilmiöille ja ratkaisuja teknisen toimivuuden varmistamiseksi sekä paikallisella, pohjoismaisella että koko Euroopan tasolla.
”Järjestelmätason haasteisiin on löydettävä yhteispohjoismaiset ratkaisut, mutta paikallisia ongelmia voimme ratkoa itsekin”, Harjula toteaa.
