Energiamurros mullistaa sähköverkon – miten taataan joustavuus ja huoltovarmuus?
Sähkön siirron kantaverkkoon liitetään asiakkaita entistä enemmän ja nopeammin. Uusiutuvan energian osuuden kasvaessa joustoa on luotava energian varastoinnilla ja uusilla teknisillä ratkaisuilla. Vaikeasti ennustettavat pitkän aikavälin muutokset edellyttävät varautumista yllättäviin tilanteisiin, jotta yhteiskunnan toimivuus ja huoltovarmuus voidaan taata kaikissa olosuhteissa.
Meneillään oleva energiamurros mullistaa sähkön tuotannon ja jakelun. Uusiutuva tuuli- ja aurinkovoima ovat vahvassa kasvussa ja samaan aikaan myös kotitalouksien omatuotanto ja sähköverkkoon liittäminen on yleistymässä. Sähkön kysyntää puolestaan lisäävät teollisuuden uudet vihreän siirtymän vetytalousinvestoinnit, kasvava sähköistyminen ja sähköautojen latausinfran laajentuminen. Nämä valtavat investoinnit ja muutokset haastavat olemassa olevan sähköverkon toiminnan ja muokkaavat merkittävästi kokonaisjärjestelmää.
Kaikessa tässä kehityksessä on pidettävä maltti mielessä. Suomen kantaverkkoon ei pystytä liittämään kaikkea tavoiteltua uutta päästötöntä tuotantoa, vaikka suunnitelmat kantaverkon investointeihin ovatkin massiiviset, yli 2 miljardia euroa vuoteen 2031 mennessä. Kantaverkon toimivuus ja joustavuus on taattava kaikissa tilanteissa; tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa. Tuotannon siirtyminen keskitetystä energiantuotannosta hajautettuun uusiutuvaan tuotantoon edellyttää myös uusia innovatiivisia digitaalisia ratkaisuja ja kehittynyttä sähköverkon hallintaa.
Uusiutuva sähkö, uudet haasteet
Tuuli- ja aurinkovoiman ajoittaisuus perinteiseen energiantuotantoon verrattuna vaikuttaa sekä sähköverkon suunnitteluun että sähkön tuotannon ja käytön optimointiin. Perinteisesti generaattoreiden tuottama pyörimisenergia (inertia) on pystytty hyödyntämään vikatilanteissa; inertian luoma hetkellinen energia on antanut aikaa verkon palauttamiseen normaalitilanteeseen. Uudet tekniset ratkaisut ovat tarpeen vikatilanteisiin ja tuotantovaihteluihin varautumisessa tuuli- ja aurinkovoiman kasvaessa.
Tuulivoimalat kytketään sähköverkkoon taajuusmuuttajien eli suuntaajien välityksellä. Ne eivät kuitenkaan reagoi verkon taajuuden tai jännitteen muutoksiin samalla tavalla kuin perinteiset voimalaitokset ja siksi sähköjärjestelmä on alttiimpi häiriöille. Häiriöiden hallintaan yksi ratkaisu on synkronikompensaattori, jolla siis parannetaan sähköverkon käyttövarmuutta. Laite on isokokoinen tahtikone, joka vakauttaa sähköverkon jännitettä ja taajuutta, jotka vaihtelevat erityisesti tuulivoimaa tuotettaessa. Suomen ensimmäinen sähköverkon synkronikompensaattori rakennetaan Kalajoen Jylkän sähköasemalle, ja sen on määrä valmistua vuonna 2025.
Ei kaikkea yhden kortin varaan
Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid on visioinut Suomen sähköjärjestelmän tulevaisuutta. Vahva ja luotettavasti toimiva sähkön kantaverkko mahdollistaa investoinnit sähköä käyttävälle teollisuudelle, yhteiskunnalle ja yksityisille kuluttajille. Pitkän tähtäimen kasvua suunnitellessa tulee varautua sekä korkeaan sähkön tuotannon ja kulutuksen toteutumiseen että erilaisiin yllättäviinkin epävarmuuksiin.[i]
Geopoliittinen epävakaus on entisestään nostanut varautumisen merkitystä. Fingridin hallituksen puheenjohtaja Hannu Linna esitti maaliskuussa Energiaviikolla Vaasassa mielenkiintoisen näkökulman; ”Ajatelkaa, jos Ukrainassa kaikki olisi rakennettu yhden kortin varaan”. Tämä pohdinta aiheutti paljon keskustelua ja korosti konkreettisella tavalla varautumisen tärkeyttä. Meidän on kyettävä takaamaan yhteiskunnan toimivuus ja huoltovarmuus kaikissa olosuhteissa, kun siirrymme kohti päästötöntä energiantuotantoa.
Sähköstä kilpailuetu
Suomella on merkittävä kilpailuetu vihreässä siirtymässä: vähähiilinen sähkön tuotanto, suuri puhtaan sähkön tuotantopotentiaali, Eurooppalaisittain edullinen sähkö ja vakaa sähköverkko. Näiden vahvuuksien lisäksi Suomessa on laaja-alaista energia-alan osaamista ja teollisia edelläkävijöitä, jotka ovat jo rohkeasti tarttuneet vähäpäästöisiin teknologioihin ja ratkaisuihin – erinomaiset eväät energiamurroksen haasteiden taklaamiseen!
[i] https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/tiedotteet/sahkomarkkinat/2023/fingrid_sahkojarjestelmavisio_2023.pdf
Lintututkajärjestelmä Tahkoluodon merituulipuistossa
Lokakuussa 2015 olin Porin Tahkoluodon länsikärjessä, Kallioholmassa. Satama-alueen länsikärki oli minulle ennestään tuttu, olen viettänyt siellä tuhansia tunteja lintujen muuttoa seuratessa 1990-luvun alkupuolelta lähtien. Mutta tällä kertaa tarkastin katvealuemallinnuksen määrittelemiä sijainteja lintututkajärjestelmälle.
Suomen Hyötytuuli oli hiljattain saanut tarvittavat luvat Suomen ensimmäisen merituulipuiston rakentamiseen. Linnustollisesti runsaalle alueelle suunnitellut tuulivoimalat herättivät huolta lintujen hyvinvoinnin puolesta. Alue on tunnettu monipuolisesta pesimälinnustostaan ja runsaasta ohimuuttavasta merilinnustosta. Tähän huoleen vastattiin lintututkajärjestelmällä, joka mahdollistaa paitsi lintujen lentomäärien ja -reittien tarkan dokumentoinnin myös yksittäisten tuulivoimaloiden pysäyttämisen törmäysten ehkäisemiseksi.
Uudenlaista lintututkateknologiaa luomassa
Lintututkajärjestelmiä oli tuolloin maailmalla käytössä vain muutamia, eikä niistä ainuttakaan käytetty yksittäisten voimaloiden pysäyttämiseen. Niinpä tutkajärjestelmän toimittajan valinnassa mahdollisuus tuotekehitysyhteistyöhön nousi tärkeäksi tekijäksi. Selvitystyön ja neuvottelujen jälkeen hollantilaisen Robin Radar Systemsin 3D-Flex -järjestelmä asennettiin Tahkoluodon rantakalliolle 25.5.2016.
Pysäytysjärjestelmä kehitettiin yhdessä Tampereen yliopiston ja laitetoimittajan kanssa. Sitä päästiin kokeilemaan vuonna 2010 valmistuneen Tahkoluodon testivoimalan kanssa. Kokeilut onnistuivat ja järjestelmän toimintaa demonstroitiin joulukuussa viranomaiselle, joka hyväksyi sen käyttöön.
Uuden teknologian parissa työskennellessä törmätään toistuvasti puutteisiin tai parannusta kaipaaviin seikkoihin. Lintututkajärjestelmän suurin puute oli se, ettei se pystynyt erottamaan eri lintulajeja toisistaan. Tätä puutetta paikkamaan perustettiin Tampereen yliopiston kanssa projekti, jonka päämääränä oli luoda automaattinen lintujentunnistusjärjestelmä lintututkan pohjalta.
Lajintunnistuksen haasteet
Melko nopeasti kävi selväksi, ettei pelkän tutkan tuottaman tiedon pohjalta voi luotettavasti tunnistaa lintuja. Tutka tuottaa kuitenkin hyödyllistä tietoa tunnistamisen tarpeisiin; erityisesti lintujen lentonopeus yhdistettynä suurpiirteiseen tietoon kohteen koosta auttaa haarukoimaan lajiryhmää. Esimerkiksi merimetson lentonopeus on hämmästyttävän täsmällisesti 17 m/s tietämillä, kun vaikkapa koskelot ja telkkä lentävät usein jopa 30 m/s.
Tutkajärjestelmään piti lisätä sensoreita automaattisen lajintunnistuksen tarpeisiin. Akustiset ja infrapunasensorit hylättiin eri syistä, ja ainoaksi mahdollisuudeksi osoittautui visuaalinen kamera tai videokamera. Paria valvontakameraa testattiin, mutta niiden toimintasäde jätti toivomisen varaa. Testikäyttöön hankittiin järjestelmäkamera 500 mm objektiivilla. Kamera asennettiin säänkestävälle videopäälle, jota tutkajärjestelmä ohjasi projektin tuottaman rajapinnan kautta. Tutkan käskystä kamera ottaa kuvasarjan kohteesta, minkä jälkeen tiedot syötetään koneoppimista hyödyntävään ohjelmistoon, joka kertoo kuvatun lintulajin.
Järjestelmän todettiin toimivan yllättävän hyvin ja erottavan esimerkiksi vanhan meri- ja selkälokin toisistaan useimmissa tapauksissa. Nykyisellä optiikalla suuremmat linnut pystytään dokumentoimaan tunnistettavasti useimmiten noin 1500 metrin toimintasäteellä, pienet linnut muutaman sadan metrin etäisyydeltä.
Positiivisia tuloksia
Tahkoluodon merituulipuisto vihittiin käyttöön elokuussa 2017. Tutkajärjestelmän keräämä aineisto on osoittanut, että linnut löytävät hyvin lentokäytäviä tuulipuiston sisältä, eikä pelättyjä törmäyksiä ole havaittu. Alueen pesimälinnuston huolellinen seuranta on lisäksi vahvistanut käsitystä siitä, ettei merituulipuisto ole vaikuttanut merkittävästi pesimäkantaan – sekä lajien että pesivien parien määrä on pysynyt jopa paremmalla tasolla kuin verrokkialueella. Tuulivoiman vaikutuksille alttiiksi ajateltu merikotka jopa rakensi pesän alle 500 metrin etäisyydelle lähimmästä voimalasta keväällä 2019.
Karttapohjalla on esitelty toukokuun 2019 lintututkan tallentamat lennot, joiden minimipituus on 2 km (muuttolentoja) ja nopeus 20 – 30 m/s (nopeasti lentävät vesilinnut, kahlaajat ja kuikkalinnut).
Valkeat viivat kuvaavat Tahkoluodon merituulipuiston kaava-aluetta leikanneita lentoja ja punaiset sen ulkopuolella tapahtuneita lentoja. Kuva esittää hyvin lintujen tapaa kiertää voimaloita; tutkajärjestelmän vieressä on maatulivoimala ja heti sen itäpuolella aallonmurtajalla kolme voimalaa, jotka osaltaan ohjaavat lintujen lentoja, mikä myös näkyy kuvassa kauniisti.
Kuvassa on esitetty yli 8 m/s nopeudella pohjoiseen merituulipuiston alueen läpi suuntautuneet lennot 2.4.2019 kuuden aamutunnin aikana. Samaan aikaan paikalla muutonseurantaa suorittanut lintujen muutonseuraaja laski 5185 muuttavaa haahkaa pohjoiseen. Voimaloiden (valkeat ympyrät) väistö on ilmeistä tämänkin kuvan perusteella, valtaosa lennoista kiertää voimalat yli 100 metrin etäisyydeltä. Vilkkaimpina vuorokausina tietokantaan on tallentunut jopa 300 000 lentorataa.
Blogin kirjoittaja on Suomen Hyötytuulen ympäristöinsinööri Petteri Mäkelä, jonka erikoisalaa ovat ympäristövaikutusten arvioinnit, kaavoituksen ympäristö- ja luontoasiat sekä melumittaukset ja luvitus. Hänellä on ympäristö- ja energiatekniikan insinööritutkinto (amk) ja lopputyönsä hän teki ilmanlaadun mittauksesta. Petteri on erikoistunut linnustoon, erityisesti linnustonseurantaan, -selvityksiin ja lintututkateknologiaan. Lisäksi hän on kasvattanut asiantuntemustaan linnustosta yli kolmenkymmenen vuoden aktiivisen harrastus- ja järjestötoiminnan kautta.
Blogi on julkaistu aiemmin Hyötytuulen verkkosivuilla.