Teollinen mikroverkko kysyntäjoustoa hyödyntävän energianhallintajärjestelmän osana

1.2.2019

Sähköenergian kysyntä kasvaa. Hiilidioksidipäästöjä olisi pienennettävä. Samalla ankarat sääilmiöt aiheuttavat sähkökatkoja ikääntyvissä sähköverkoissa. Nämä kolme asiaa yhdessä hajautetun energian ja IoT:n tuomien mahdollisuuksien kanssa johtavat mikroverkkoratkaisujen määrän kasvuun. Esimerkiksi Järvenpäässä kymmenen jalkapallokentän kokoinen jakelukeskus saavutti mikroverkon avulla energiaomavaraisuuden.

Maailman sähköistyessä myös energian tuotantotarve kasvaa. Kansainvälinen energiajärjestö IEA arvioi sähköenergian käytön kasvavan 40 prosenttia vuoteen 2030 mennessä vuoden 2012 lukemiin verrattuna. Sähköntuotannon osuus energiankulutukseen liittyvistä hiilidioksidipäästöistä on 45 prosenttia. Tämän osuuden pienentämiseksi on siirryttävä uusiutuviin – ja tyypillisesti hajautettuihin – energianlähteisiin.

Sähköntuotannossa on käynnissä muutos keskitetystä tuotantomallista hajautettuun, jonka myötä uudet energiaratkaisut, kuten esimerkiksi aurinkoenergia ja sähkövarastot, yleistyvät. Esineiden internet puolestaan tarjoaa uudenlaisia yhteistyö- ja optimointimahdollisuuksia.

Kehittyneissä maissa ikääntyvät sähköverkot ovat alttiita ankarien sääilmiöiden vaikutuksille. Esimerkiksi Yhdysvaltojen energiaministeriön mukaan sähkökatkot aiheuttavat yhdysvaltalaisille yrityksille vuosittain yli 100 miljardin dollarin kustannukset. Sääilmiöistä johtuvien sähkökatkojen pääsyynä on useimmiten vanhentuva infrastruktuuri. Suomessa johdoille kaatuvat puut, salamat, lumi- ja jääkuormat, tulvat ja kova pakkanen aiheuttavat häiriöitä sähköverkon toiminnassa.

Mikroverkko on varma ja ympäristöystävällinen

Energian toimituksen jatkuvuus, energiatehokkuus ja ympäristöystävällisyys kannustavat kaikki osaltaan mikroverkon toteutukseen. Mikroverkko on paikallinen, selvärajainen energiajärjestelmä, joka koostuu hajautetuista energialähteistä, energian varastointiratkaisusta ja joustavista kuormista.

Omalla ohjausjärjestelmällä varustettuna se voi toimia sähköverkkoon kytkettynä tai siitä erillisenä. Mikroverkon tehoalue voi vaihdella kilowateista megawatteihin, jännitetason ulottuessa aina keskijännitteeseen asti. Jos itsenäisen mikroverkon sähköntuotanto ylittää kysynnän, voidaan sähköä tuottaa myös ulkopuolisiin tarpeisiin.

Mikroverkot auttavat energianhallinnan automatisoinnissa varmistamalla sähkö- ja muissa muodoissa olevan energian toimituksen jatkuvuuden. Samalla mikroverkko optimoi energiankäyttöä.

Sähköenergian kulutus loppukohteissa vaikuttaa myös tuotannon päästöihin, joten kiinteistön energiasäästötoimenpiteet vaikuttavat sekä paikallisesti että laajemmin päästötasoihin. Pelkät säästötoimet eivät kuitenkaan riitä, vaan tarvitaan myös älykkäitä ohjausratkaisuja.

Lidl asetti jo suunnitteluvaiheessa tavoitteeksi rakentaa Järvenpäähän Pohjoismaiden ympäristöystävällisimmän päivittäistavarakaupan jakelukeskuksen. Rakennukselle on määritelty tiukat energiatekniset tavoitteet koko elinkaarelle. Rakennuksen hiilidioksidipäästöjen vähennystavoite on 40 prosenttia verrattuna Lidlin kahteen muuhun jakelukeskukseen Janakkalassa ja Laukaassa. Lidlin tavoitteena on saavuttaa arvostetun BREEAM-ympäristöluokituksen Excellent-tasoa vastaavat vaatimukset.

Lidlin uuteen jakelukeskukseen on toteutettu Suomen ensimmäinen kysyntäjoustoa hyödyntävä teollisen energianhallinnan järjestelmä, joka integroi kiinteistönhallintajärjestelmän sekä Suomen ensimmäisen tässä laajuudessa jakelukeskukseen toteutettavan teollisen mikroverkon ohjausjärjestelmineen. Integroidulla järjestelmällä tavoitellaan yli 70 prosentin energiansäästöä sähkön- ja kiinteistönhallinnan automatisoinnilla. Jakelukeskus hyödyntää arkikäytössä sataprosenttisesti uusiutuvaa energiaa.

Järvenpään jakelukeskuksen mikroverkon tekninen toteutus

Järvenpäässä sijaitsevan Suomen suurimman Lidl-jakelukeskuksen pinta-ala on 60 000 m2 eli kooltaan se vastaa kymmentä jalkapallokenttää. Yritykselle toteutettu energianhallinnan kokonaisratkaisu perustuu Schneider Electricin pilvipohjaiseen EcoStruxure-arkkitehtuuriin.

Jakelukeskuksen energianhallintajärjestelmään kuuluu älykäs mikroverkko-ohjaus, energiakäytön optimointi, sähkön ja lämmön kysyntäjousto, sähkövarasto ja aurinkosähköjärjestelmä sekä lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmä.

Älykäs mikroverkko koostuu Microgrid Advisor -ohjausjärjestelmästä, jakelukeskuksen katolla olevasta aurinkovoimalasta, energiavarastosta ja kaksisuuntaisesta kaukolämpölaitteistosta. Ohjausjärjestelmän ydin on pilvipohjainen ohjelmisto, joka laskee sille annettujen tietojen ja historiadatan perusteella optimoidun käyttötavan koko laitteistolle. Annettavat parametrit voivat olla muiden muassa lämpötilaennuste, sähköenergian ja kaukolämmön hintatiedot tai kolmannen osapuolen ohjaustiedot, mikä mahdollistaa esimerkiksi sähkön kysyntäjoustomarkkinoille osallistumisen.

Käyttöä optimoivat ohjauskomennot siirretään paikan päällä sijaitsevalle palvelimelle internetin ylitse. Kiinteistössä sijaitseva laite välittää komennot eteenpäin järjestelmän laitteille. Paikallinen ohjauskeskuksen ja pilvipalvelun yhdistelmä mahdollistaa nopean reagoinnin kiinteistössä tapahtuviin muutoksiin samalla kun raskaampi analyysi voidaan suorittaa sille suunnitellussa keskitetyssä järjestelmässä.

Myös parannukset ja muutokset algoritmeihin nopeutuvat pilvipalvelun helpomman päivitettävyyden ansiosta. Järjestelmää hallitaan EcoStruxure Microgrid Advisor ja EcoStruxure Building Advisor -ohjelmistoilla. Näistä ensimmäinen on tarkoitettu mikroverkon ohjaukseen ja toinen kiinteistönhallintaan. Päivittäiset mikroverkon ylläpitotoimet on integroitu kiinteistönhallintajärjestelmään. Tämä yksinkertaistaa hallintaa, kun käytön valvoja voi tehdä tarpeelliset muutokset yhden käyttöliittymän kautta.

Jakelukeskuksen integroitu kiinteistöautomaatiojärjestelmä on toteutettu älykkäällä EcoStruxure Building -ratkaisulla, mikä mahdollistaa täyden etäkäytön sekä energiatehokkuutta edelleen parantavat analytiikkapalvelut. Kiinteistöautomaation etäkäyttöpalveluilla on kansainvälinen ISO 27001 -tietoturvasertifiointi.

Aurinkosähköjärjestelmä perustuu 1 600 aurinkopaneeliin ja sen tuotto on 500 kWp. Hyödyntämällä sääennusteita auringon säteilyvoimakkuudesta voidaan paneelien tuotantoa arvioida etukäteen ja siten määrittää tarvittavan ostosähköenergian määrä. Paneelien tuottama energia voidaan kuluttaa suoraan, käyttää akuston lataamiseen tai haluttaessa myydä sähköverkkoon.

2 600 kW:n huipputehon ja 1 600 kWh:n kapasiteetin tarjoava akusto mahdollistaa nopean reagoinnin sähkön kysynnän muutoksiin. Sähkön tuotannon siirtyessä hajautetumpiin järjestelmiin on myös kulutuksen joustettava jatkossa. Akuston avulla voidaankin vähentää kalliimman ostosähkön hankintaa esimerkiksi kylminä pakkaspäivinä tai tasata kulutushuippuja ja siten välttää sakkomaksut.

Myös osallistuminen Fingridin taajuusohjattuun käyttö- ja häiriöreserviin on mahdollista, koska aktivoitumisaikakriteerit täyttyvät.

Lämmitys muodostaa huomattavan osan energiankulutuksesta

Microgrid Advisorin joustavan rakenteen ansiosta myös lämpöenergian käyttöä voidaan optimoida ohjelmiston avulla. Kiinteistön yhteydessä olevia lämpövarastoja käytetään talvella lämpöakustona varaamalla nesteeseen lämpöä. Varattu lämpö voidaan hyödyntää myöhemmin kiinteistössä tai myydä paikalliseen Fortumin kaukolämpöverkkoon. Järjestelmä auttaa myös kiinteistön jäähdytyksessä kesällä lämpövaraston toimiessa kylmäpuskurina.

Järvenpään jakelukeskukseen toteutetun ratkaisun ansiosta Lidl voi optimoida sähkön- sekä lämmön- ja kylmäntuotannon sekä seurata ja ohjata kiinteistön energiankäyttöä tarkasti. Älykkäiden energiaratkaisujen, kuten lämmön talteenoton, avulla Lidl säästää merkittävästi energiakustannuksissa ja pienentää jakelukeskuksen hiilidioksidipäästöjä.

Mikroverkkoratkaisun kustannussäästöt sekä tekniset ja käytännön hyödyt

Kiinteistön oma energiatuotanto ja -varastointi takaa energiaomavaraisuuden silloin, kun sähkönjakeluverkko ei ole käytettävissä tai ostettavan sähköenergian hinta on korkea suhteessa omatuotantoon. Esimerkiksi aurinkopaneeleilla tuotettu sähkö voidaan varastoida akustoon ja käyttää kulutuspiikkien tasaamiseen. Isossa kiinteistössä energiaa kuluu kuitenkin eniten lämmitykseen ja jäähdytykseen.

Hukkalämmön hyödyntämisellä ja kylmäakkujen viilentämisellä yöaikaan saadaan ostetun lämpö- ja jäähdytysenergian tarvetta vähennettyä huomattavasti. Kustannussäästöjä syntyy mikroverkkoratkaisussa ostetun sähkö- ja lämpöenergian hinnan optimointimahdollisuuksista, säästetyistä sähkön siirto-, loisteho- ja tehomaksuista, kustannusallokoinnista sekä kysyntäjoustomarkkinoille osallistumisesta. Sähkö- ja lämpöenergian myynti tarjoaa uuden tulonlähteen.

Mikroverkon teknisiä hyötyjä ovat sen tarjoama energiaomavaraisuus, joustavuus, jatkuva optimointi, parempi näkyvyys sähkö- ja lämpöverkon nykytilaan sekä kiinteistön sisäisten energiajärjestelmien vapaampi toteutusmuoto.

Päivittäisiä käytännön hyötyjä ovat helpposelkoinen yleisnäkymä, resurssien vapautuminen muuhun työhön automatisoidun järjestelmän ansiosta, mahdollisuus manuaaliohjaukseen erikoistilanteissa sekä ulkopuolisen energialaskun vertaaminen omiin mittauksiin.


Kirjoittaja on Schneider Electric Finland oy:n energianhallintaratkaisujen asiantuntija.


Schneider Electricin artikkeli ”How microgrids contribute to the energy transition”

Swecon artikkeli jakelukeskuksen energiavarastosta