Kun koneet ja niiden omistajat tasaavat sähköverkon kuormitusta keskenään, kulutushuiput mahdaltuvat. Näin säästyy kallista säätövoimaa, jonka tarvetta aurinko- ja tuulienergian käyttö lisää.

Teksti: Kalevi Rantanen

Kun koneet ja niiden omistajat tasaavat sähköverkon kuormitusta keskenään, kulutushuiput mahdaltuvat. Näin säästyy kallista säätövoimaa, jonka tarvetta aurinko- ja tuulienergian käyttö lisää.

Julkaistu Tiede -lehdessä 4/2010Mitä jos jääkaappisi neuvottelisi naapurien jääkaappien kanssa sähkön käytöstä. Sitten jääkaappiyhteisö sopisi sähkön hinnasta energiayhtiön kanssa. Saisit alennusta sähkölaskuusi tekemättä mitään.Australialaisen tutkimuslaitoksen Csiron tutkijaryhmä on kehittänyt uutta tapaa tasata kuormitusta sähköverkossa. Jääkaapit verkotetaan keskenään, jolloin suuresta kaappijoukosta muodostuu merkittävän kokoinen kylmävarasto. Kun tuuli- ja aurinkovoimalat puskevat sähköä verkkoon, jääkaappien lämpötilaa lasketaan muutamalla asteella. Kun tuuli laantuu tai aurinko menee pilveen, jääkaapit sammuttavat itsensä vähäksi aikaa ja hyödyntävät kylmävarastoaan. Koska huipputehoa ei tarvitse käyttää, sähkölasku pienenee.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Katkoa ei huomaakaanFloridassa energiayhtiö FPL on jo vuosia tasannut sähköverkon kuormitusta On Call -nimisellä palvelullaan. Siinä asiakas antaa yhtiölle luvan kytkeä pois päältä sähkölämmittimiä, kuumavesivaraajia, uima-altaiden pumppuja ja joskus myös ilmastointilaitteita tietyksi ajaksi. Vastineeksi hän saa alennuksia sähkölaskuun.Palvelussa on mukana jo melkein miljoona asiakasta. Katkojen pituus vaihtelee laitteen mukaan 15 minuutista muutamaan tuntiin. Kuumavesivaraaja tai allaspumppu sietää tuntienkin taukoja ilman, että asukas huomaa mitään. Käytännössä palvelua on tarvittu keskimäärin neljä kertaa vuodessa. Energiayhtiö on pystynyt leikkaamaan huipputehoa neljä prosenttia, mikä on paljon.Säätövoima, jota käytetään lyhytaikaisten kulutushuippujen kattamiseen, on kallista. Ongelma pahenee sitä mukaa kuin tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähkön tuotannosta kasvaa. Säätövoimaa on tarvittu aina, koska kulutus vaihtelee, mutta nyt vaihtelee myös tuotanto.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Verkko palvelee kuluttajaaUusiutuvien energianlähteiden hyödyntäminen on yksi syy kehittää älykäs sähköverkko, jossa yksityiskuluttajakin toimii aktiivisesti. – Verkkoon tulee jännittäviä uudistuksia, kertoo Suomen kantaverkkoyhtiön Fingridin toimitusjohtaja, tekniikan tohtori Jukka Ruusunen. – Ne toteutetaan yhdistämällä viisaasti ja kustannustehokkaasti olemassa olevaa ja uutta tekniikkaa.Ymmärrämme kustannustehokkuuden, mutta mitä mahtaa viisaus sähköverkossa merkitä? Ennen kaikkea se näkyy näppäränä palveluna. Kuluttaja pienentää sähkölaskuaan ja ehkä mielellään pelastaa maailmaakin, jos muutokset ovat helppoja tehdä. Vähänkin hankalat ratkaisut jäävät paperille.– On kehittävä uutta palveluliiketoimintaa, Ruusunen painottaa ja kertoo, että tekniikka on jo olemassa. Tuntikulutusmittarit tulevat muutamassa vuodessa, tällä vuosikymmenellä. Kuluttajalla on silloin periaatteessa hyvät mahdollisuudet optimoida sähkön menekkiä ja välttää kalliin huipputehon ostamista. Mutta kenellä on aikaa ja halua seurata hintojen muutoksia tunnin välein! Tarvitsemme keinoja, jotka minimoivat sähkölaskun ja hiilijalanjäljen puolestamme.

Lämpö ja vesi ohjaukseenTuntikulutusmittarit, tulevaisuudessa ehkä vielä tarkemmat mittarit, pitää liittää talon automatiikkaan. Tekniikka toimii parhaiten silloin, kun kuluttaja ei edes huomaa jonkin laitteen kytkeytymistä pois ja päälle. Ruusunen mainitsee sähkölämmityksen ja lämminvesivaraajat, jotka ovat Suomessa erinomaisia ohjauskohteita.Liittämisessä on vielä tekemistä. Termostaatteja ja muuta elektroniikkaa riittää kyllä, mutta toistaiseksi puuttuu yhteys laitteiden väliltä. Kun se toteutuu, asukas voi halutessaan antaa automatiikalle luvan vähentää hieman lämmitystä tai jäähdytystä hintapiikin aikana ja lisätä kulutusta, kun hinta laskee. Kun kodin tietoverkko liittää kaikki laitteet toisiinsa, kulutusta voidaan hienosäätää huone- ja laitekohtaisesti. Jos jotain ei Suomessa sovi liiaksi ohjata niin saunomisaikaa – sen valinnassa kun painavat muut perusteet kuin sähköverkon kuormitus, sähkön hinta tai maapallon tila. – Jos tulen hikiseltä hiihtolenkiltä, haluan lämmittää saunan heti, vaikka vähän säästäisinkin saunomalla muulloin, sanoo professori Liisa Haarla, joka johtaa sähkönsiirtotekniikan tutkimusryhmää Aalto-yliopiston teknillisessä korkeakoulussa.

Autoilija kauppaa sähköäSähköverkon uusi äly näkyy myös mahdollisuutena varastoida sähköä hybridi- ja sähköautojen akkuihin. Autoilija voisi ostaa sähköä halvalla ja myydä sitä akusta takaisin verkkoon sellaisena ajankohtana, kun auto seisoo käyttämättömänä mutta sähkön hinta on korkea. Ratkaisua testataan esimerkiksi Delawaren yliopistossa Yhdysvalloissa. Koeauto lataa yöllä sähköä, ja seisoessaan päivällä pysäköintialueella se voi palauttaa verkkoon sähköä määrän, joka riittää 7–8 perheen kulutukseen noin puoleksi tunniksi.Jälleen palvelu ratkaisee. Teknisesti idea on toteutettavissa, mutta on saatava vielä kuluttaja innostumaan asiasta.– Suomessa hintaero on niin pieni, että autoilijat tuskin kiinnostuvat, epäilee professori Haarla. – Akuista on apua, jos näin voidaan välttää voimalan rakentaminen huipputehoa varten, mutta on löydettävä ratkaisu, jossa autoilijat saavat tarpeeksi tuntuvan korvauksen sähkön varastoinnista.

Tasavirta leikkaa häviöitä Uutta sähköverkkoa on verrattu internetiin. Yhtäläisyyksiä on esimerkiksi viestinnän kaksisuuntaisuus, mutta on myös eroja. Toisin kuin tietoverkon sähköverkon on siirrettävä valtavia energiamääriä. Hyvien hermojen lisäksi tarvitaan lihaksia. Yksi ratkaisu, josta on energia-alan keskusteluissa ja viestimissä tullut miltei muotivillitys, on suurjännitteinen tasavirtakaapeli. Pistorasiasta tulee tavallisesti vaihtovirtaa. Kuluttajapään jakeluverkot ja suurjännitteiset siirtoverkotkin ovat enimmäkseen vaihtovirtaverkkoja. Vaihtovirran suurin etu on, että jännitettä on muuntajalla helppo nostaa ja laskea.Vaihtovirtaverkossa sekä jännite että virta kuitenkin muuttuvat koko ajan ja vielä eri tahdissa. Tästä syntyy niin sanottua loistehoa, joka menee hukkaan. Pitkässä johdossa häviöt tulevat suuriksi. Tasavirtaverkossa loistehoa sen sijaan ei synny. Siksi vaihtovirta on yleensä edullista jakeluverkoissa monine muuntajineen, tasavirta pitkissä siirtolinjoissa.

Pitkä linja kannattaaNykyisestä innostuksesta päätellen voisi luulla, että tasavirtakaapeli on uusi keksintö. Todellisuudessa tasavirta on vaihtovirtaa vanhempaa: ensimmäiset sähköverkot toimivat tasavirralla. Sitten vaihtovirta vei jännitteen muunneltavuuden takia voiton. Tasavirta muistettiin taas, kun tuli tarpeen siirtää paljon tehoa pitkiä matkoja. Maailman  ensimmäinen suurjännitteinen tasavirtayhteys kytkettiin Gotlannin ja Manner-Ruotsin välille jo 1954. Suomen sähköverkko on nykyään yhdistetty tasavirtalinkeillä Ruotsin, Viron ja Venäjän verkkoihin.Sähkökonevalmistaja ABB on laskenut, että tasavirta tulee kannattavaksi, kun ilmajohdon pituus on vähintään 600 kilometriä, merikaapelissa jo paljon lyhyemmällä matkalla. ABB on itse rakentamassa Kiinan Xiangjiaban vesivoimalasta Shanghaihin 2 000 kilometrin suurjänniteyhteyttä, joka siirtää 6,4 gigawatin tehon. Sähkön pitäisi alkaa virrata ensi vuonna.Pitkiä kaapeleita tarvitaan myös siirret¬täessä sähköä esimerkiksi Pohjanmeren tuulipuistosta kuluttajille.

Ei yhden kortin varaanInnokkaimmissa visioissa tasavirtaverkko ratkaisee kaikki energiaongelmat.  Aurinko-, tuuli- ja vesivoimalat, jotka yhdistetään yli mannerten suuritehoisilla kaapeleilla, tuottavat sähkön ekologisesti ja edullisesti.Viime aikoina on taas puhuttu Desertec-hankkeesta, jonka idea on tuottaa Saharassa aurinkosähköä Euroopan tarpeisiin. Teknisesti Desertec voidaan toteuttaa. Ongelmana on – kustannusten lisäksi – huoltovarmuus. Se on ehdoton vaatimus, jota kuluttaja harvoin ajattelee. Kaiken laittaminen yhden kortin varaan sisältää riskejä.– Sähkövirta on helppo katkaista hetkessä, tai joku voi räjäyttää kaapelin poikki ja pimentää Euroopan, muistuttaa Jukka Ruusunen Fingridistä.Ruususen mukaan Desertec toimii paikallisena ratkaisuna Välimeren alueella, jos Saharan sähkö pystyy hinnallaan kilpailemaan esimerkiksi Espanjassa tuotetun aurinko- ja tuulienergian kanssa.

Siirtokulut ratkaisevatVirtalajista riippumatta suurjännitejohdot maksavat paljon. Sähkön pitkä  siirtomatka saattaakin syödä kustannussäästön, joka syntyy edullisesta tuotantopaikasta. – Paikka, jossa tuulee parhaiten, voi olla huonompi tuulivoimalalle kuin keskinkertaisen tuulinen paikka, kun sähkön siirtokustannukset lasketaan mukaan, professori Haarla toteaa. Verkkoa ja voimaloita on siksi aina punnittava yhdessä – silloinkin, kun puhutaan kokonaisten maiden energiataloudesta.Tanskalaiset pystyvät tuottamaan tuulivoimalla 20 prosenttia sähköstään. Irlannissa paljon pienemmän osuuden liittäminen verkkoon on monimutkaisempaa. Tanskan sähköverkko on kytketty hyvillä siirtoyhteyksillä naapurimaiden verkkoihin; tanskalaiset voivat esimerkiksi ostaa Norjasta vesivoimaa silloin, kun tuulee heikosti. Irlannin pienessä ja toistaiseksi melko eristetyssä verkossa säätövoimaa ei juuri voida hankkia naapurimaista.

Suurmarkkinoista säästöäVahva sähköverkko mahdollistaa monenlaisten ja monenkokoisten energianlähteiden käytön. Se myös luo pohjan suurille sähkömarkkinoille.– Noin kymmenessä vuodessa, vuoteen 2020 mennessä, sähkön hinta yhtenäistyy koko Euroopassa, ennakoi toimitusjohtaja Ruusunen. Syntyy kilpailua, joka pakottaa parantamaan tekniikkaa ja alentaa pitkällä aikavälillä sähkön hintaa.Sähköteollisuuden toimialajärjestö Eurelectric on laatinut Eurooppaa varten hiilineutraalin Power Choices -skenaarion. Se perustuu Ateenan teknisen korkeakoulun professorin Pantelis Kaproksen tiimin laatimaan energiatalousmalliin. Tutkijoiden mukaan energiakustannusten osuus kansantuotteesta nousee 2020-luvun puoliväliin mennessä ja alkaa sitten laskea, jos hyvin käy.Ruususen mukaan suurin uhka on, että markkinoita ei saada toimimaan. Silloin sähkö on kallista kaikkialla Euroopassa.

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, vapaa tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Soita valoa kännykällä

Suomessa kaupungit ovat yrittäneet säästää sähköä vähentämällä katuvalaistusta, mutta tämä on nostattanut vastarintaa. Saksan Nordrhein-Wetsfalenissa sijaitseva Dörentrupin pikkukaupunki on keksinyt tavan pienentää sähkölaskua huonontamatta palvelua.Katuvalot sammutetaan illalla, mutta myöhäinen kulkija voi halutessaan  sytyttää ne. Kun hän lähettää kännykällä viestin numeroon, joka on kiinnitetty lyhtypylvääseen, automatiikka sytyttää rivin katulamppuja. Ulkona kännykkä on kätevämpi kuin liiketunnistin tai sähkönappula. Tunnistin voi reagoida heiluvaan puun oksaan tai tiellä tepastelevaan siiliin. Nappulat taas rikkoutuvat helposti.Alueellisen energiayhtiön mukaan tekniikka, jonka kauppanimi on ”dial4light” eli ”soita valoa”, sopii pienehköille paikkakunnille, joiden kaduilla liikutaan yöllä harvoin. Dörentrupin lisäksi pari muutakin kaupunkia on jo mukana palvelussa.

Supraverkko tulee, mutta milloin

Tohtori Paul M. Grant, yhdysvaltalainen suprajohteiden tutkija sanoo, että jos jollekin planeetalle pitäisi rakentaa sähköverkko alusta asti, se olisi suprajohtava.Grant on tehnyt elämäntyönsä IBM:ssä ja sähköteknisessä tutkimuslaitoksessa Eprissä. 2000-luvun alussa alussa hän esitti yhdessä fyysikko Chauncey Starrin ja sähkötekniikan professori Thomas J. Overbyn kanssa idean suprajohtavasta verkosta. Suprajohtava maanalainen kaapeli kuljettaisi sekä sähköä että nestemäistä vetyä. Sähkö tuotettaisiin uuden sukupolven ydinvoimaloissa, jotka valmistavat myös vetyä.  Magnesiumdiboridista tehty suprajohdekaapeli toimii 21 kelvinasteen eli –252 celsiusasteen lämpötilassa häviöittä, mutta kaapelin jäähdytys on kallista. Jos nestemäinen vety lykätään kaapelin kanssa samaan putkeen, se toimii suprajohteen jäähdytteenä. Edullista säätö- ja varavoimaa saadaan varastoimalla vetyä paitsi kaapeliin myös sen varrelle sijoitettaviin säiliöihin. Ratkaisu lyö monta kärpästä samalla iskulla (ks. Suprajohteilla vihreää teknologiaa, Tiede 5/2007, s. 52–56). Starr piirteli tunneliin vielä tyhjiöputkessa viilettävän maglev-junan.Tutkijat uskovat, että ennen pitkää suprajohtavasta verkosta tulee kannattava. Pitkäjänteisyyttä ja planetaarista ajattelua rahoittaja todella tarvitsee – supraverkon rakentaminen pelkästään Pohjois-Amerikkaan maksaisi nimittäin tuhat miljardia dollaria.Suprajohtavia kaapeleita tutkitaan esimerkiksi Yhdysvalloissa, Japanissa, Koreassa, Kiinassa ja Venäjällä. Koekaapelit ovat yleensä muutaman kymmenen tai sadan metrin mittaisia pätkiä. Sellainen on kytketty sähköverkkoon Tanskassakin.Ehkä lähimpänä kaupallista sovellusta on kuudensadan metrin mittainen suurjännitekaapeli, joka otettiin 2008 käyttöön Long Islandissa New Yorkissa. Kaapeli on niin sanottua korkean lämpötilan suprajohdetta, jota jäähdytetään nestetypellä. 

Sisältö jatkuu mainoksen alla