Sähköajoneuvojen latauspisteiden jakelun mitoitus

5.5.2017

Sähköajoneuvojen yleistyessä latauspisteiden mitoituksessa pitää kiinnittää huomiota energian riittävyyteen. Kalliiksi tulevaa ylimitoitusta kannattaa silti välttää. Kuormitusten valvonnalla ja ohjauksella saadaan paljon aikaan, mutta paikoin sähkönjakelua on pakko vahvistaa.

Sähköajoneuvojen yleistyessä tilannetta voi verrata joulukinkun paistoon: yleensä sähköt riittävät hyvin kaikille, mutta ongelmia syntyy huippuhetkistä. Tällaisia huippuhetkiä voi olettaa syntyvän lisää sähköautoilun myötä esimerkiksi lomakausien alussa ja ihmisten palatessa joukolla pitkiltä lomamatkoilta.

Kuormitusten valvonnalla ja ohjauksella saadaan varmasti paljon aikaan, mutta joissakin kohdin on pakko vahvistaa sähkönjakelua. Mitoituksellisesti asiaa täytyy tarkastella ensisijaisesti sähköenergian kannalta. Saako järjestelmästä keskiarvoisesti tarpeeksi tehoa kaikille oletettuna pysäköintiaikana, jotta tarvittava energia eli toimintasäde saavutetaan?

Vaikka huipputeho olisi rajallinen, voi energiansaanti riittää hyvin auton lataamiseen yön yli tai työpäivän aikana. Liikenneviraston vuonna 2016 tekemän henkilöliikenneselvityksen perusteella suomalaiset liikkuivat keskimäärin 45 kilometriä vuorokaudessa ja 15 kilometriä per siirtymä. Tämän perusteella kaupungeissa voisi riittää, jos latauspisteet mitoitettaisiin keskimäärin sadan päivittäisen ajokilometrin lataukseen.

Kymmenen latauspisteen asukaspysäköinnissä kahdeksan sähköautoilijaa saisi tarvitsemansa 20 kilometriä ja kahdelle täyssähköiselle myyntitykille jäisi 840 kilometriä jaettavaksi. Tämä voisi hyvinkin olla riittävä mitoitusarvio seuraavalle vuosikymmenelle, kun huomioidaan, että osa autoista pysyy polttoainekäyttöisinä, osa on pistokehybridejä ja osa on täyssähköautoja.

   
Täyssähköautot vaativat tehoa

Pistokehybridien toimintasäde akuilla on enintään 80 kilometriä ja täyssähköautoilla karkeasti 400 kilometriä. Entä jos kaikilla on täyssähköautot ja tulee hiihtolomaviikko? Jos viisi kymmenestä asukkaasta lataa akut täyteen 400 kilometrin matkalle ja muut ajelevat samana päivänä normaalit ajot, nousee mitoitusvaatimus hetkellisesti 150–250 kilometriin päivä per latauspiste.

Sähköautoilu vaatii keskimäärin 20 kWh/100 km energiaa per auto eli 20 kWh/päivä/asukas pitäisi saada yön yli ladattaessa, jos mitoitetaan periaatteella 100 km/päivä/asukas. 1-vaiheisella latauksella kymmenen tunnin aikana tehoksi tulisi siis 2 kW, johon hyvin mitoitetut lämmitystolppien jakelut voivat riittää sellaisenaan.

Kymmenen tunnin latausaika keventää yksittäisen latauspisteen tehovaatimusta huomattavasti, joten siksi nykyiset lämmitystolppien sähköjärjestelmät voivat olla varsin käyttökelpoisia. Itse lämmitystolpan pistorasian käyttäminen ei ole kiellettyä, mutta normaalin pistorasian rakennetta ja lämmitystolppien sähkönjakelua ei ole suunniteltu jatkuvalle yhtäaikaiselle käytölle. Suurin riski on kotitalouspistorasian tuhoutuminen ja palovaara.

 
Tehon valvontaa tarvitaan

Tehotarkastelun osalta ST-kortti 13.31 ohjeistaa paikoitusalueen tehomitoitukseksi 10 kW + 0,5 kW/auto. Tällä mitoituksella teho olisi 10 autopaikalla 1,5 kW/auto ja 50 autopaikalla 0,7 kW/auto. Lohkolämmittimen tehon liikkuessa 0,2–0,8 kW:n ja sisätilanlämmittimen 0,8–2 kW:n välillä, on monissa kiinteistöissä jouduttu rajoittamaan sisätilanlämmittimen käyttöä. Sähköauton latausteho vaihtelee normaalista pistorasiasta 1,3–3,7 kW:n välillä.

Samaa periaatetta voi hyödyntää jossain määrin myös sähköautojen latauksessa. Jos esimerkiksi runkojohdon 6 kW teho jaetaan kolmelle latauspisteelle, saavat kaikki 2 kW tehoa per piste ajoneuvojen ollessa samanaikaisesti latautumassa.

Ladattaessa vain yhtä autoa, voisi latausteho olla 6 kW. Tämä kuitenkin edellyttäisi, että yksittäisen pisteen ylikuormitussuoja olisi suurempi, kuin mitä lämmitystolpissa tällä hetkellä käytetään. Toteutus vaatii tällöin älykkään järjestelmän, joka valvoo runkojohtojen kuormituksia ja tarvittaessa katkoo latauksia tai älykkäämmissä lataustavoissa ohjaa lataustehoa alemmaksi, jos lisää latausta tarvitsevia autoja tulee paikalle.

Runkojohdon sulakkeen palaessa kaikkien latausten keskeytyminen olisi huomattavan suuri haitta täyssähköautojen yleistyessä, joten tähän tulee kiinnittää huomiota ensimmäisistä latauspisteistä lähtien. Jos kuormituksen valvontajärjestelmää ei ole, täytyy sähkönjakelu olla mitoitettu niin, että kaikki latauspisteet ovat yhtä aikaa täydellä teholla käytössä.

Yksinkertaista kaavaa sähkönjakelun tarkasteluun ei ole olemassa. Pienkohteissa rajoittavin tekijä voi olla liittymissulake, jolloin koko energiansaanti rajoittuu ja sitä ei riitä jaettavaksi kaikille. Isossa parkkihallissa rajoittavin tekijä voi olla saatavilla oleva huipputeho, jos esimerkiksi kauppakeskusten asiakkaille haluttaisiin tarjota mahdollisuus 50 ajokilometrin lataukseen ostosten teon aikana. Tällainen nopea lataus (lataustapa 3) vaatisi 3-vaiheisen 3 x 16 A latauspisteen eli 11 kW tehon.

Sähköautojen latauspisteiden toteutustapoja käydään tarkemmin läpi ST-kortissa 51.90 Sähköauton lataaminen ja latauspisteiden toteutus.
   

Nykyiset lämmitystolpat käyttöön

Latauspisteille saatavilla olevan energia- ja tehokapasiteetin ratkaisevat pohjimmiltaan johtimet ja muut kuormat: miten paljon sähkötehoa eli virtaa voi järjestelmässä mennä. Vähennetään tästä muut kuormat.

Olemassa olevien kohteiden osalta ylikuormitussuojien eli sulakkeiden ja johdonsuojakatkaisijoiden nimellisvirrat ovat ensiaskel arviointiin. Yleensä kaapelimitoitukset on tehty niin tarkkaan, ettei ylikuormitussuojia pystytä kasvattamaan, mutta poikkeuksiakin löytyy.

Pelkkien ylikuormitussuojien ja kuormitusten perusteella voi laskea alustavaa mitoitusta. Kuormitukset selviävät parhaiten sähköverkkoyhtiön kulutustietojen perusteella, kiinteistön energiamittareista,

sähkösuunnitelmia arvioimalla ja tarvittaessa mittaamalla. Vaikka järjestelmään tehdään kuormitusten valvonta ja ohjaus, poikkeuksellisia kuormia, kuten savunpoiston moottoreita varten täytyy jättää tarvittaessa varatehoja. Erikoiskuormien käynnistyessä älykäs järjestelmä tiputtaa lataustehoja, mutta ei välttämättä tarpeeksi nopeasti ja koko jakelu voi katketa. Kuormitusten valvonnan toiminnan varaan turvallisuusjärjestelmien jakeluvarmuutta ei saa jättää.

Johtimien eriste- ja johdinmateriaalit ja poikkipinta-ala ratkaisevat miten paljon virtaa voidaan järjestelmässä syöttää. Johtimien pituuden kanssa täytyy varmistaa jännitteenalenema. Rajoittavana tekijänä voi tulla vastaan verkkoyhtiön kyvyt, eli vaikka kaapeleissa olisi kapasiteettia, ei infrassa välttämättä olekaan, eikä liittymissulaketta voida kasvattaa.

  
Esimerkki latauspisteiden mitoittamisesta rivitaloyhtiössä

1. Taloyhtiö päättää, että kaikkien pitäisi saada 100 km/päivä eli 20 kWh/asukas/päivä korkeintaan 10 tunnin latausaikana.

2. Liittymissulakkeet 3 x 160 A, voi kasvattaa kokoon 3 x 200 A.

3. Pääkeskuksen nimellisvirta 3 x 200 A. Sähköverkkoyhtiöltä tuntimittausten perusteella pääkeskuksen jatkuva pohjakulutus on noin 3 x 30 A. Keskimääräinen huippu alkuillasta noin 3 x 80 A. Huippukulutus joulun alla noin 3 x 120 A muutaman tunnin ajan.

4. Autopaikkoja palvelevan kiinteistökeskuksen nimellisvirta ja syöttösulakkeet 3 x 63 A. Lämmitystolppien syötöt 25 A sulakkeilla, 2-3 autoa per runkojohto. Lämmitystolpissa 10 A johdonsuojakatkaisijat.

Aloitetaan arviointi autosta lähtien: yksittäinen lämmitystolppien 1-vaiheinen jakelu 25 A jaetaan kolmelle autolle, jolloin jää 8,3 A autolle, joka tarkoittaa 1,9 kW tehoa per auto. Tämä riittää 95 km/päivä suorituksiin. Jos todetaan, että tämä ei riitä, täytyy tarkastella tolppien syöttöjohtimet ja arvioida voiko ylikuormitussuojaa kasvattaa. Mikäli tätä ei voi tehdä, täytyy tarvittaessa tehdä uusia syöttöjä ja muutella ryhmityksiä, jos muu jakelu riittää. Kuormituksen valvonta on pakko tehdä tälle tasolle joka tapauksessa.

Kun lasketaan 1-vaiheisia kuormia yhteen, vastaa kiinteistökeskuksen 3 x 60 A kapasiteetti 41,4 kW tehoa. Tämä jaettuna kahdellekymmenelle autopaikalle tarkoittaa 2,07 kW tehoa. Tehoa riittää rimaa hipoen ja yhtään varoja ei jää. Kiinteistökeskuksen syötölle on pakko tehdä kuormituksen valvonta.

Pääkeskuksen 3 x 160 A liittymissulakkeilla huippukulutuksen (3 x 120 A) aikana autojen lataukselle jää karkeasti 3 x 40 A ilman muita varoja. Tämän huipun takia liittymiskaapeleita pitäisi valvoa myös kuormitustenvalvontajärjestelmällä ja ohjata joulun huipputunteina latauksia alemmas hetkellisesti. Sen sijaan päivittäinen 3 x 80 A huippukulutus ei vielä rajoita latauspisteiden käyttöä.

Yhteenveto: Jos alkuperäisestä vaatimuksesta joustetaan hieman, on tämän kohteen nykyinen lämmitystolppien sähkönjakelu käytettävissä lataukseen ilman muutoksia.

Tärkeintä on huomioida kuormitusten valvonta- ja ohjausjärjestelmä. Toteutus voidaan aloittaa älykkäillä lämmitystolpilla, joissa on sähköajoneuvojen lataukseen soveltuvat normaalien pistorasioiden kaltaiset vahvemmat super-schukot (IEC 60884-1) ja/tai esimerkiksi yleisin Type 2 (IEC 62196) -latauspistorasia. Tulevaisuudessa liittymissulakkeen kasvatus mahdollistaisi esimerkiksi teholataukseen soveltuvan latauspisteen toteuttamisen taloyhtiön yleiselle paikalle yhteiseen käyttöön.


  

Lisää Sähköalan artikkeleita aiheesta:

Sähköautojen latauspisteiden määrä kasvaa nopeasti
Sähköautoilijat haluavat riittävästi virtaa
Sähköautojen latauspisteet yleistyvät taloyhtiöissä
Ladattavien hybridiautojen määrä kolminkertaistui vuodessa