Uutinen 07.11.2017

Vakautta aurinkosähkön tuotantoon mm. varastoinnilla

Tekesin Fiksu kaupunki-ohjelman rahoittama Finnish Solar Revolution -tutkimushanke hakee ratkaisuja aurinkosähkön sääriippuvuuteen sekä itsenäisten mikroverkkojen hallintaan, tehotasapainoon ja toimintavarmuuteen.

Tällä hetkellä aurinkoenergian osuus koko Suomen energian tuotannosta on alle prosentti, mutta sen osuus kasvaa koko ajan. Energiaviraston mukaan v. 2015 Suomessa oli 7,9 MW verkkoon kytkettyä aurinkosähköä, kun vastaava luku asiantuntija-arvioiden mukaan oli v. 2016 noin 20 MW:a.

Vaikka muu maailma onkin kymmenen vuotta Suomea edellä ja haasteenamme ovat pitkät talvet, aurinkoenergian rooli vahvistuu maassamme. Yksi globaaleista muutosajureista on akkujen hintojen nopea aleneminen. Sähköautojen yleistyminen vauhdittaa energian varastointiratkaisuja ja teknologiakehitys edistää hintojen laskua noin 20 %:n vuosivauhdilla.

Aurinkoenergian tuotannon varastointi ja vakauttaminen sekä energiamuodon häiriötön käyttö ovat avainsanoja vuoteen 2018 jatkuvassa Finnish Solar Revolution -tutkimushankkeessa, kertoo haastattelussa professori Seppo Valkealahti Tampereen teknilliseltä yliopistolta.

Mikä on tutkimushankkeen tausta ja tavoitteet?

Tutkimushankkeen keskiössä on seuraavan sukupolven aurinkovoimaratkaisut. Projektin tavoitteena on varmistaa, että suomalaisilla yrityksillä on käytettävissään tutkimukseen perustuvaa osaamista aurinkokennovoiman tulevaisuuden teknologioista. Aurinkoenergiaan perustuvan sähköntuotannon kasvaessa tarvitaan ratkaisuja mm. mikroverkkoihin, tehotasapainoon, sähkön laatuun sekä aurinkokennovoimaloiden luotettavuuteen, huoltoon ja ylläpitoon.

Tutkimusprojektin rinnalla toteutetaan yritysten rinnakkaisprojekteja, joissa tutkitaan ja kehitetään uusia menestystuotteita ja liiketoimintakonsepteja globaaleille aurinkovoimamarkkinoille.

Mihin ongelmiin tutkimushankkeella haetaan ratkaisua?

Keskeinen tarkastelunkohde on tuotetun sähkön laatu sekä voimajärjestelmän että kuluttajan kannalta. Ratkaisun häiriötilanteisiin tarjoavat energian varastointi, tuotannon vakautta turvaavat inertiajärjestelmät sekä hybridijärjestelmät, jossa energiaa tuotetaan auringon lisäksi esim. tuulen ja/tai veden avulla.

Aurinkoenergian ongelma on aurinkosähkön nopeasti vaihteleva tuotanto. Pilvet vaikuttavat tuotantoon dramaattisesti, joten niiden aiheuttamien tehoheilahteluiden ymmärtäminen on tärkeää. Tietoa pilvisen sään aiheuttamista vaikutuksista hyödynnetään voimalan tehotasapainon varmistamisessa.

Toinen tutkimushankkeen pääteema on aurinkovoiman toimivuus mikroverkossa. Mikroverkot ovat isosta voimaverkosta irrallisia, itsenäisiä sähköverkkoja, jotka huolehtivat sähköntarjonnasta esim. tietyllä teollisuus- tai asuinalueella. Mikroverkkojen haaste on verkon ylläpito kulutus- ja säävaihteluissa.

Mitä tutkimus- ja yrityskumppaneita hankkeessa on mukana?

Hankkeen tutkimusosapuolet ovat Tampereen teknillinen yliopisto, Lappeenrannan teknillinen yliopisto sekä Aalto-yliopisto.

Tampereen teknillinen yliopisto tarkastelee hankkeessa tehoelektroniikan ohjausta sekä energiavarastojen integrointia voimaloihin. Keskeisiä kysymyksiä ovat mm. miten aurinkovoimalan vaihtosuuntaajia eli inverttereitä tulisi ohjata mikroverkoissa ja miten erilaiset vaihtelut mm. säteilyintensiteetissä ja lämpötiloissa vaikuttavat voimalaan. Miten esim. akkuvarastoilla pystyttäisiin kompensoimaan vaihteluita ja turvaamaan stabiili sähköntoimitusjärjestelmä.

Lappeenrannassa kehitetään voimajärjestelmien ja tasavirran vaihtovirraksi muuttavien
invertteiden luotettavuutta, kun taas Aalto-yliopistossa keskitytään sähköverkolle aiheutuvien vaikutusten tutkimiseen ja hallitsemiseen, esimerkiksi välkynnän merkitykseen.

Yrityksiä tutkimushankkeessa on yhteensä 15: ABB, Solasense, Efore, Ensto, Ainoenergia, Caruna, Convion, Fortum, Eaton, Elenia, MX Electrix, Nocart, Tampereen sähkölaitos, Tampereen sähköverkko sekä Lempäälän energia. Kehitystyön ja ennakoinnin kautta yritykset rakentavat ja vahvistavat rooliaan globaaleilla aurinkoenergiamarkkinoilla.

Yritysten kehitystyö liittyy mm. voimaloihin, niiden monitorointiin ja kunnon valvontaan sekä inverttereiden toiminnallisuuden kehittämiseen ja testaamiseen. Esimerkiksi Lempäälän energia pilotoi omaa mikroverkkoaan ja rakentaa 4 megawatin voimalan teollisuustoimijoille. Näin paikallinen riippumattomuus takaa häiriöttömyyden sähkönjakelussa, mikäli valtakunnan verkossa esiintyykin ongelmia.

Mitkä ovat tutkimushankkeen keskeiset tutkimustulokset tähän mennessä?

Tutkimushanke tarjoaa uutta tietoa pilvien aiheuttamista tehovaihteluista ja niiden kompensoinnista, aurinkovoimaloiden liittämisestä osaksi sähkövoimajärjestelmää ja inverttereiden kehitysmahdollisuuksista sekä välkynnän merkityksestä. Tutkimustulokset luovat pohjaa liiketoimintatrendejä ja -malleja koskevaan tarkasteluun, johon keskitytään vahvemmin ensi vuonna.

Tutkimushankkeessa on tähän mennessä analysoitu ja mallinnettu, millaisia pilviä Suomessa liikkuu, miten nopeasti ne liikkuvat ja miten varjostavat aurinkovoimaloita. Mallinnuksen avulla voidaan nähdä, miten voimalat reagoivat säämuutoksiin ja miten näihin tilanteisiin voidaan varautua.

Hankkeessa on myös kehitetty elektroniikan ja sähköteknisten laitteiden laadun valvonnan mittausmenetelmiä. Nämä uudet aluevaltaukset tulevat parantamaan inverttereiden luotettavuutta ja testaamista. Edistysaskeleet inverttereiden yhteiskäytön mallintamisessa tulevat taasen konkretisoitumaan käytännön suunnitteluohjeilla erityisesti mikroverkkoympäristössä.

Välkynnän osalta keskeisin ja huojentava tutkimustulos on se, että pääsääntöisesti aurinkovoimalat eivät aiheuta merkittävää välkyntää.

Mitkä seikat jäävät tämän tutkimushankkeen ulkopuolelle, joita tulisi tarkastella tulevaisuudessa?

Tulevaisuudessa mielenkiinto kohdistuu mm. valtakunnan verkosta erillisiin järjestelmiin. Aurinkosähkön tuotanto on kotitalouksillekin edullista, sillä tuotanto pienessä voimalassa ei ole merkittävästi kalliimpaa kuin isossa voimalassa. Yksi tulevaisuuden skenaario onkin sähköverkojen alasajo, mikä voi hyvinkin olla tulevaisuuden realismia esim. USA:ssa tai Espanjassa, jossa aurinko paistaa hyvin ympäri vuoden. Aurinkoenergian tuotantomäärien kasvaminen, akkuteknologian kehittyminen ja aurinkovoimaloiden modulaarisuus edistävät sähkönkuluttajien omavaraistuotantoa. Näin keskitetystä järjestelmästä liikutaan kohti yksittäisiä, hajautettuja järjestelmiä.

Aurinkovoimalan toiminnan monitorointi ja optimointi on suhteellisen tutkimatonta aluetta. Lähtökohtaisesti aurinkovoimala on itsenäinen ja automaattinen; se ei edellytä huoltoa eikä ylläpitoa. Ison voimalan edellyttämä alue on kuitenkin suuri ja yksittäisen ongelman esiintyminen, esim. paneelissa, on ratkaiseva koko energiantuotannolle. Täten esim. tarve systemaattisille ja kustannustehokkaille monitorointiratkaisuille, jotka huolehtivat mm. puhdistus- ja huoltotoimien tarpeesta, tulee lisääntymään.

Aurinkovoimat eivät kuitenkaan sijoitu vain auringossa kylpeville aavikoille tai peltoaukeille. Tulevaisuudessa tulee etsiä entistä toimivampia ratkaisuja aurinkovoimaloiden rakentamiselle
kaupunkiympäristöön, missä tulee huomioida ympäristön toiminnot, rakennukset, varjot ja heijastumat.

Mielenkiintoisen tulevaisuuden tarkastelukohteen tarjoaa myös siirtyminen tuotetun energian maksimoinnista kohti tuotetun arvon maksimointia. Tällöin energiaa tuotetaan ja tarjotaan asiakkaille silloin kun tarve tai sen tarjoama lisäarvo on suuri, esim. kotitalouksien aamu- ja iltakulutuspiikkien aikaan. Tämä avaa tarkasteluvaihtoehtoja markkinoiden kehitykselle sekä uusille liiketoimintamahdollisuuksille.

Lisätietoja

Seppo Valkealahti, professori, Tampereen teknillinen yliopisto,
+358 (0)40 849 0915, seppo.valkealahti@tut.fi