Kotitalouksien sähköjärjestelmän kehittymisen pieni historia – ja hieman tulevaa

Tarkastelen tässä blogipostauksessani energiajärjestelmän kehittymistä kohti sähkön hallitsevuutta sekä sähköjärjestelmän kehityksen tulevaisuutta kotitalouksien näkökulmasta. Blogiteksti värittynee osittain tietoliikennealan asiantuntijuuttani vasten.

Menneisyyden hajautettu energiajärjestelmä

Tarve pysyville asumuksille syntyi, kun ihmiset siirtyivät metsästys-keräilykulttuurista maanviljelyyn ja asettuivat aloilleen. Kotitalouksien täytyi pystyä sekä lämmittämään, valaisemaan että valmistamaan ruokaa.

Suomessa kun ollaan, pohditaanpa tätä meidän näkökulmasta. Aikoinaanhan puolet vuodesta oli – ja toivottavasti tulevaisuudessakin on – kylmää ja pimeää. Jotta pitkä talvi selvittiin hengissä, lämmin aika käytettiin viljelyyn ja viljan käsittelyyn. Energiajärjestelmänkin osalta oli varauduttava. Puuta kaadettiin, pilkottiin sekä varastoitiin kuivaan paikkaan kylminä säinä tulipesissä ja pimeinä aikoina päreinä poltettaviksi. Näin Suomessa toimittiin vielä 1800-luvulla ja paikoin 1900-luvun alkupuolelle saakka.

Tämän täysin hajautetun energiajärjestelmän etuna oli sen huoltovarmuus. Yhden energiayksikön – uunin – hajoaminen ei vaikeuttanut eikä estänyt kokonaisuuden toimintaa. Polttoainetta kerättiin niin ikään hajautetusti, joten polttoainejakelukin/toimituskin oli ”huoltovarmaa”. Ongelmana oli kuitenkin se, että niin ruoan kuin energianhankintakin vei runsaasti ihmisten aikaa. Näin siksi, ettei energiajärjestelmää oltu kytketty eikä energiaa voitu siirtää käyttökohteiden välillä.

1800-luvulla alettiin toden teolla pohtimaan, kuinka jo pitkään tunnettu sähkö voisi auttaa arjessa. Huimaa edistystä tapahtui fyysikko H. C. Ørstedin keksittyä sähkömagnetismin vuonna 1820. Vuosisadan lopulla sähkölle löytyi käyttöä teollisuudessa, mutta myös kodeissa koneiden käyttövoimana, valonlähteenä ja lämmityksessä.

Ensin tuli valo. Hehkulamput löysivät ensimmäiseksi tiensä katulamppuihin, koteihin ne tulivat vasta 1900-luvulla – melkoisen epäluulon saattelemana. Sähkön turvallisuutta epäiltiin eikä epäilyjä vähentänyt pienten sähkölaitosten talojen välille sikin sokin vetämät johdotukset. Sähkö valtasi vähitellen suomalaiskodit, mutta vieraana ja vielä melkoisen käsittämättömänä sitä piti markkinoida.  Nopeasti se kuitenkin mullisti länsimaisen elämän, keksittiinhän sen myötä puhelin ja mahdollistettiin näin mantereiden välinen viestintä.

Tänään sähkön saatavuudesta huolehtii keskitetty järjestelmä

Helppokäyttöinen ja helposti siirrettävä sähkö on valloittanut suuren joukon energian käyttökohteista. Nykyään kodit toimivat usein täysin sähköllä. Itse asun noin sadan neliön rivitalokodissa, jossa käytännössä kaikki toimii sähköllä sisäilman ja veden lämmitystä myöten. Kokonaisenergian kulutus on yli 20 000 kWh ja vuotuinen hintalappu noin 2 500 euron luokkaa.

Pääosa käytetystä sähköenergiasta tuotetaan keskitetyissä energialaitoksissa, kuten ydin-, turve-, hiili-, vesi-, tuuli- ja aurinkovoimaloissa. Tällaisen nykyajan keskitetyn energiajärjestelmän haasteena on aina mahdollinen yhden ”osan” hajoaminen eli ns. single point of failure SPOF, joka voi rampauttaa koko systeemin pitkäksi aikaa. Tätä haastetta on onneksi parannettu redundanttisilla siirtoyhteyksillä. Sähköverkossa on kuitenkin edelleen kohteita, joiden hajoaminen voi aiheuttaa laajoja sähkökatkoja.

Entä mihin olemme menossa? Globaali energiajärjestelmä on hitaan, mutta massiivisen muutoksen edessä. Marraskuussa väittelevä tohtoriopiskelijani Florian Kühnlenz toteaa väitöskirjansa tiivistelmässä:

Muutostarpeen on käynnistänyt ympäristöämme koskevat huolet, mutta lisääntyvässä määrin myös nykyään vaikuttava uusiutuvan energian marginaalikustannusten nollataso. Muutokseen liittyy selkeä sähköverkkojen roolin korostuminen. Pyrkimyksenä näyttää olevan muutos, jossa sähköverkot siirtävät suurimman osan käyttämästämme energiasta. Tämän seurauksena on käynnistetty sähköverkkoja älysähköverkoiksi nykyaikaistavia tutkimus- ja tuotekehityspanostuksia, joihin myös BCDC-hanke lukeutuu. Älysähköverkoissa yhdistyvät sähköverkkoon integroidut tietoliikenneverkot ja automaatio sekä modernit sähkömarkkinajärjestelmät ja -rakenteet.

Vuosi 2050: Onnistummeko hyödyntämään hajautetun ja keskitetyn järjestelmän edut?

Minkälainen sähköjärjestelmä meillä on vuonna 2050? Mitä se edellyttää? Oletetaan, että 2050-luvullakin käytössämme on edelleen vaihtovirtajärjestelmä eikä esimerkiksi aurinkosähkötuotantoon paremmin sopiva tasavirtajärjestelmä. Ajamme sähköautoilla ja polttomoottoriautot ovat jäämässä historiaan. Ja uskonhyppy: kaikki kotitaloudet tuottavat suurimman osan käyttämästään sähköstä uusiutuvalla energialla! Satojatuhansia tai jopa muutamia miljoonia pienvoimaloita kytkeytyy verkkoon.

Tutkimuskysymykseksi nousee:

  • Kuinka järjestetään vaihtosähköverkon kontrolli eli jännitteen, taajuuden ja kuorman ohjaus; paikallinen sähkökauppa sekä tietoliikennejärjestelmä, joka mahdollistaa edellä mainitun sähkökaupan, jatkuvan energian syötön ja kulutuksen tasapainon?

Useimmat pienvoimaloihin soveltuvat energialähteet, kuten tuuli ja aurinko, ovat tuotannoltaan vaihtelevia. Tarvitaankin kulutuksen hallintaa. Tällöin sähköverkkojen perinteisestä tuotannon ja kulutuksen tasapainosta luovutaan ainakin osittain, ja kysyntä- eli kulutusjoustoa käytetään kulutuksen tasaamiseen tuotannon suuruiseksi.

Vuonna 2050 kuluttaja tullee edelleenkin saavuttamaan suurimman taloudellisen hyödyn käyttämällä itse tuottamansa sähkön. Syntyvä yli- ja alijäämä on tasapainotettava sähkökaupassa, joten voi olla, että myymme sähköä naapurillemme. Tämänkaltaiset mekanismit ovat oleellisia ja kriittisiä, kun sähköverkkoon liitetään suuria määriä vaihtelevatuottoista aurinko- ja tuulienergiaa. Mitä tarkemmin tunnemme sähkönkulutusmallit sekä tulevan tuotannon eli siitä kertovat tarkat paikalliset sekuntitason sääennusteet, sitä paremmin voimme etukäteen varautua seuraavien tuntien ja vuorokauden sähkön käyttöön. Positiivisen sähkötaseen aikana ylijäämää varastoidaan esimerkiksi autojemme akkuihin, vedenlämmittimiin ja sisäilman lämmöksi. Negatiivisen sähkön tuotantotaseen aikana esimerkiksi joko lämmityksen ja muiden ei-kriittisten sähköä kuluttavien laitteiden sähkönkäytöstä pidättäydytään tai sähköverkkoon varattuja ja sähköautojemme akkuja puretaan. Kaikki tämä on pystyttävä tekemään paikallisesti, jotta hajautuksen hyödyt voidaan ulosmitata täysimääräisenä.

Yksi asia näyttää kuitenkin melkoiselta haasteelta. Edellä mainittu järjestelmä vaatii sähköverkkoon miljoonia mittauspisteitä, kontrolliratkaisun jokaisen pienvoimalan invertterin vaihtovirtasyöttöön, ohjauksen verkon kuormanhallintakytkimiin, ohjauksen autonakkujen kontrollia varten, sähköverkon aktiivisen suojausjärjestelmän ja kuormanhallinnan ohjauksen asuntojen sähkötauluihin. Eli käytännössä jokainen mainittu yhteys vaatii tiedonsiirtolinkin, joista osa on reaaliaikaisia – vain millisekuntiluokan tiedonsiirtoviiveellä. Tätä ei voida toteuttaa vielä millään käytössä olevalla langattomalla teknologialla. Tästä syystä BCDC ICT -tiimi kehittää sekä 5G- että Flagship-tutkimuksen osana myös 6G-teknologiaa, joka mahdollistaa kuvatun massiivisen kytkentäkokonaisuuden sekä sen vaatiman viivesuorituskyvyn.

Toiveena on, että vuonna 2050 yhdistetään keskitetyn ja hajautetun sähköjärjestelmän edut: ongelmien sietokyky hajautuksen ja kytkentäisyys keskitetyn sähköjärjestelmän kautta.

Kuva: 1800-luvun hajautetun energiajärjestelmän pientuotantoyksikkö. Yli-Uotilan pakarin leivinuuni ja liesi, Vesilahti. Kuvaaja: A. O. Heikel, 1908. Museovirasto – Musketti, Kansatieteen kuvakokoelma.

Kirjoittaja:

Ari Pouttu
ari.pouttu(a)oulu.fi

Professori Ari Pouttu johtaa BCDC ICT -tiimiä Centre for Wireless Communications -tutkimusyksikössä, Oulun yliopiston Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa.
 

 

 

Blogiartikkeli on julkaistu 7.10.2019 BCDC Energia -tutkimushankkeen verkkosivuilla.

 

 

 

Last updated: 14.10.2019

Comments

I won Lottery of $550,288 two weeks ago in Jackpot from 38 lottery play now i have my car and a house.I was introduced to a spell caster called Dr ataphan a months ago by a colleague who he helped with lottery and relationship issues.it exists but only in the right hands and with it everything is possible.I don't know how to pay him for this but i really hope i can do something important and special for him by telling the world on how i became rich now with his magic lottery spell, he is good in love spell, Pregnancy Spell, LOVE SPELL, and other spell if you are in need of any help contact him here, dr.ataphan@gmail.com Whatsapp number +2349068374743

i really want to thank DR TAKUTA a great spell caster from south africa. DR TAKUTA has helped me to reunite my marriage. My husband left me 3months ago and he packed out his property and went to stay with the other woman. now my lover is back after 48hrs when DR TAKUTA has cast a spell on him.you can also get him through this contact if you are facing any love or marital probelm. dr takuta Email is via____ takutaspellalter@gmail.com or contact mobile contact +27788634102

I want to give a big thanks to a great spell caster commonly known as DR TAKUTA for the great spiritual prayers he did in my life by bringing my ex-lover back to me after many months of breakup and loneliness. With this, I am convinced that you are sent to this word to rescue people from heartbreaks and also to help us get the solution to every relationship problem. for those of you out there who have one relationship problem or the other why not contact DR TAKUTA. that is the best place you can solve all your problems, including a lack of jobs and promotions, binding and marriage spells, divorce and attraction spells, good luck and lotto spells, fertility, and pregnancy spells, and also the business success and customer increase, winning court cases and many more. contact him at takutaspellalter@gmail.com or contact mobile contact +27788634102

Add new comment