JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Tulevaisuus asettaa monia haasteita sähköjärjestelmän toiminnalle niin Suomessa kuin muuallakin maailmassa. Yhteiskunnan kasvava sähkönkulutus lisää kuormitusta sähköntuotannolle, ja uusia tuotantolaitoksia tarvitaan koko ajan lisää. Tuotettavan sähkön tulisi kuitenkin olla mahdollisimman ympäristöystävällistä ja puhdasta, mikä lisää sähköjärjestelmän haasteita entisestään, sillä uusiutuvien energianlähteiden avulla tuotettava sähkö on altis säätilan muutoksille. Näin ollen sähkön tuotanto ei ole tasaista, ja tuotettavan sähkön määrää on vaikeampaa arvioida perinteisiin sähkön tuotantomuotoihin verrattuna.

Sähköjärjestelmän toiminnan kannalta on kuitenkin hyvin tärkeää, että sähkön kysyntä ja tarjonta vastaisivat toisiaan mahdollisimman tarkasti. Ideaalitilanteessa sähköä tuotetaan täsmälleen saman verran kuin sitä kulutetaan, mutta todellisuudessa tällainen tilanne ei toteudu. Säätösähkön avulla pyritään reagoimaan sähkön tuotannon ja kulutuksen vaihteluihin ja ylläpitämään näiden välistä tasapainoa. Suomen sähköjärjestelmä käyttää erilaisia säätösähköteknologioita, joita käytetään sen mukaan, kuinka suuri tarve säädölle on.

Työssä tarkastellaan Suomessa käytössä olevia säätösähköteknologioita. Suomen sähköverkko toimii osana yhteispohjoismaista synkronijärjestelmää, joka puolestaan liittyy muihin Euroopan alueella toimiviin vastaaviin järjestelmiin. Työssä tarkastellaan myös pohjoismaiden sähköntuotantoa ja tilannetta Euroopassa suurempana kokonaisuutena. Älykkäät energiajärjestelmät tulevat olemaan yhä suuremmassa roolissa yhteiskunnan eri teknisisissä infrastruktuureissa, joten työssä pohditaan myös tulevaisuuden älykkäiden sähkö- ja energiajärjestelmien vaikutusta säätösähköä silmällä pitäen.

Sähköntuotannossa Suomessa ollaan menossa kohti puhtaampaa ja päästöttömämpää tulevaisuutta. Esimerkiksi tuulivoimaan tullaan investoimaan paljon, ja ydinvoimankin kapasiteetti kasvaa lähitulevaisuudessa. Ympäristön kannalta tämä on erinomainen asia, mutta varsinkin tuulivoiman lisääminen kasvattaa säätösähkön tarvetta. Vesivoima tulee olemaan jatkossakin käytetyin kotimainen säätösähköteknologia sen nopean säätökyvyn ansiosta. Suomessa on kuitenkin käytetty jo suurin osa vesivoimapotentiaalista, ja uusia, varsinkaan suuria voimalaitoksia tuskin tullaan rakentamaan, sillä vesivoimalaitoksen ympäristövaikutukset ovat mittavat. Niinpä vesivoiman lisäämiseksi olemassa olevia voimalaitoksia täytyy päivittää uudenpien ja tehokkaampien teknologioiden pariin. Myös pumppuvoimalaitokset voivat tulevaisuudessa tarjota ympäristöystävällistä ja puhdasta energiaa sähköjärjestelmän säätötarpeisiin.

Vesivoiman lisäksi tarvitaan myös muita toimia, jotta sähköjärjestelmän säätökyky säilyy riittävänä. Älykkäät sähkö-ja energiajärjestelmät yhdessä kysyntäjouston kanssa tulevat mahdollistamaan sähköjärjestelmän tehokkaamman ja joustavamman käytön. Kun sähköjärjestelmän kysyntäpiikkejä voidaan siirtää tai pienentää, vähenee säätösähkön tarve. Myös pohjoismaiden välisten sähköyhteyksien merkitys korostuu, sillä Suomen lisäksi muita pohjoismaita ja Eurooppaa ajaa samat ilmastotavoitteet. Pohjoismaissa sähköntuotannon rakenne on maiden välillä hyvinkin erilainen, joten on tärkeää, että tarpeen vaatiessa säätömahdollisuuksia on saatavilla kotimaisten ratkaisujen lisäksi.

Overview of balancing energy technologies

Abstract

The future poses many challenges to the operation of the power system in Finland, world-wide. Society’s growing power demand increases pressure on electricity production, and new production facilities are needed. However, the electricity produced should be as environmentally friendly and clean as possible, which increases the challenges of the power system even more, because the electricity produced with the aid of renewable energy sources is weather dependent. Consequently, electricity production is not uniform, and it is more difficult to estimate the amount of electricity produced compared to traditional forms of electricity production.

In terms of the operation of the power system, it is very important that the demand and supply of electricity is matched as closely as possible. In an ideal situation, exactly the same amount of electricity should be produced, as it is consumed. In reality, such situation rarely happens due to the fluctuating nature of both consumption and variable energy generation. With the help of balancing power, the aim is to react to these fluctuations in electricity production and consumption and to maintain the balance between them. The Finnish power system uses different balancing power technologies, which are used depending on how great the need for control is and how short the reaction time must be.

The thesis examines the balancing power technologies used in Finland. Finland’s electricity network operates as part of the Nordic synchronous system, which in turn is connected to other similar systems operating in Europe. The work also examines electricity production in the Nordic countries and the situation in Europe as a larger entity. Smart energy systems will play an increasingly important role in society’s various technical infrastructures, therefore the work also considers the impact of smart energy technologies of the future with regard to balancing power.

Electricity production in Finland is heading towards a cleaner and emission-free future. For example, there will be a lot of investment in wind power, and the capacity of nuclear power will also increase in the near future. From an environmental point of view, this is excellent, however, especially higher share of wind power increases the need for balancing power. Hydropower will continue to be the most used domestic balancing power technology thanks to its fast control capability. However, most of the hydropower potential has already been used in Finland, and new, especially large, power plants will hardly be built, because the environmental impacts of a hydropower plant are considerable. Therefore, in order to increase hydropower, existing power plants must be updated with newer and more efficient technologies. In the future, pumped-storage-hydro-power plants can also offer environmentally friendly and clean energy for balancing the power system.

In addition to hydropower, other measures are also needed to maintain sufficient controllability of the power system. Smart energy systems together with demand response will enable more efficient and flexible power use. During peak power, electricity consumption can be shifted or reduced, which will reduce the need for balancing power. The importance of electricity connections between the Nordic countries is also emphasized, because other Europeancountries are also driven by the same climate goals. In the Nordic countries, the composition of electricity production is varies between countries, so it is important that cross-border balancing possibilities are available in addition to domestic solutions.