Vähemmän energiaa, enemmän tehoa

Elohopean painuessa etelässäkin alle -20 asteen tehtiin 7.1.2016 Suomessa historiaa. Kello 17–18 maan sähkönkulutuksen tuntikeskiteho nousi uuteen ennätykseen, 15 100 megawattiin. Tätä ennustavat myös Jussi Tuunasen väitöskirjan laskelmat.

Sähkönkulutuksen tehohuiput tulevat tulevaisuudessa kasvamaan sähkönjakeluverkoissa.

– Vaikka vuotuinen sähköenergian kulutus on pikemminkin laskenut viime vuosina, syntyy kulutushuippuja silloin kun väkirikkaassa Etelä-Suomessa on kovia pakkasia. Edellinen ennätys syntyi talvella 2011, Tuunanen kertoo.

– Kulutushuippu ajoittuu usein alkuiltaan, koska silloin ihmiset saapuvat koteihinsa sähköä kuluttamaan, mutta samanaikaisesti teollisuus pyörii edelleen ja palvelut pelaavat.

Tutkijan mukaan yksi selitys tammikuun kaltaisille tehopiikeille ovat kotien lämmityksessä nopeasti yleistyneet lämpöpumput. Ne vähentävät lämmityksen keskimääräistä energiankulutusta, mutta kovilla pakkasilla niiden vaatima sähköteho kasvaa. 

Uudet energiateknologiat muuttavat kaiken

Tuunanen rakensi väitöskirjassaan ennustemenetelmän, jolla voi ennustaa, miten sähköverkon kuormat kehittyvät pitkällä aikavälillä. Nykyiset ennustemenetelmät ovat osoittautuneet hampaattomiksi, kun uutta energiateknologiaa on ryhdytty ottamaan käyttöön. Esimerkiksi sähköautojen yleistyminen vaikuttaa merkittävästi sähkön loppukäyttöön ja sähkönjakeluverkon kuormiin. 

– Monissa maissa sähkön pientuotanto on kasvanut huimasti, lämpöpumput ovat yleistyneet meilläkin nopeasti ja valaistuksen energiatehokkuus on parantunut, listaa Tuunanen muutostrendejä.

Nykyisin ennusteet tehdään verkkoyhtiön kulutushistoriatiedon pohjalta usein trendiennusteena, johon on lisätty arvio tulevaisuuden väestönkasvusta seudulla. Teknologiamurrosten aiheuttamia kulutusmuutoksia eivät nykymenetelmät pysty ennustamaan.

Väitöskirja pureutui asiaan jakeluverkkoyhtiöiden näkökulmasta. Suomessa on kaikkiaan 79 monopoliasemassa toimivaa yhtiötä, jotka operoivat paikallisia sähkön jakeluverkkoja. Energiavirasto valvoo, että yhtiöt siirtävät sähköä jakeluverkkonsa asiakkaille luotettavasti ja kohtuullisin hinnoin. Tavalliselle sähkönkäyttäjällekin siirron osuus sähkölaskusta on merkittävä: keskivertokuluttajan laskusta sähköenergia, sähkön siirto ja verot kattavat kukin noin kolmanneksen. 

200 kW:n edestä aurinkopaneeleja, sähkövarastoja, sähköauto ja -moottoripyörä... Lappeenrannan energiatutkijat pääsevät kokeilemaan uutta energiateknologiaa ihan oikeasti.

Avointa dataa

Jussi Tuunasen työn ydin on ennustejärjestelmä, joka hyödyntää ensi kertaa uusia datalähteitä, kuten joka suomalaistalouteen ilmestynyttä etäluettavaa sähkömittaria.

– Maailma on muuttunut, sillä dataa voi nykyisin hakea tietokannoista automaattisesti. Kymmenen vuotta sitten esimerkiksi rakennustietoja ei juuri ollut saatavilla, ainakaan digitaalisena paikkatietona. Nyt on, ja esimerkiksi Ilmatieteen laitos tarjoaa säätietonsa avoimena datana, Tuunanen kertoo.

Uusien datalähteiden ansiosta sähkönkulutuksen nykytilanne pystytään mallintamaan todella tarkasti. Vuosikulutuksen lisäksi tiedetään vuoden jokaisen 8 760 tunnin tehontarve, ja vieläpä tilaajakohtaisesti. 

– Tämä on paljon entistä parempi lähtökohta ennusteiden teolle.

Varsinaisessa ennusteen laadinnassa hyödynnetään väestöennusteita ja arvioidaan, miten ihmisten sähkönkäyttö kehittyy. 

– Kulutuksen muutokset johtuvat joko asiakasmäärien kehityksestä tai kulutustottumusten muutoksista.

Ennusteprosessin viimeinen askel on arvio energiateknologian tulevasta kehityksestä.

Lopputuloksena on hienostunut Matlab-simulaatio, jolla voi tehdä vuoden huipputunnin kulutusennusteen 40 vuoden päähän tai kokeilla, vaatiiko vaikkapa sähköautojen yleistyminen verkon vahvistamista jollakin alueella.

Tuunanen testasi ennustejärjestelmäänsä suomalaisen sähköverkkoyhtiön datalla. Missä tämä 7 600 talouden alue sijaitsee? Sitä tutkija ei suostu paljastamaan.

– Alue on taajamallista maaseutua. Se kuvaa hyvin suomalaisten verkkoyhtiöiden toimintaympäristöä, Tuunanen kertoo.

Aurinko on ongelma bisnekselle

Testisimulaatioiden tulokset ovat kiintoisia. Miten esimerkiksi kotitalouksien aurinkosähköjärjestelmien yleistyminen näkyy sähköverkossa?

Tuunasen mukaan aurinkosähkön pientuotannon yleistyminen ei tuota sähköverkolle ongelmia, paitsi ehkä hyvin aurinkoisina kesäpäivinä, jos seudulla on paljon isoja, ylijäämätuotantonsa verkkoon syöttäviä järjestelmiä. Sen sijaan verkkoyhtiöiden bisnekselle niillä on vaikutusta, sillä ne saavat rahansa pääasiassa kuluttajille siirretyistä kilowattitunneista. Kuluttajien oma tuotanto on pois verkkoyhtiöiden kukkarosta.

– Sähköautot taas ovat verkkoyhtiön kannalta positiivinen ilmiö, sillä sähkönkulutus lisääntyy. Jos keskivertoautoilija ajaa 20 000 kilometriä vuodessa ja sähköauto kuluttaa 10–15 kWh sadalla kilometrillä, tulee siitä yli 2 000 kilowattituntia vuodessa. Mutta jos pienellä alueella on useampi sähköauto, joita ladataan samaan aikaan, voi jakeluverkko olla kovilla, Tuunanen kertoo.

Vastaväittäjät kehuivat väitöstyön ajankohtaisuutta, sillä suomalaisilla verkkoyhtiöillä on edessään isoja investointeja. 

– Monilla verkoilla on ikää kymmeniä vuosia, Tuunanen sanoo.

Harvaanasutussa maassa sähkölinjoja on huima määrä. Verkkoyhtiöiden vastuulla on kaikkiaan 140 000 kilometriä keskijännitelinjaa ja 235 000 kilometriä pienjännitteisiä johtoja. Painetta lisää myös takavuosien pitkien sähkökatkojen estämiseksi säädetty uusi sähkömarkkinalaki. 

– Se pakottaa verkkoyhtiöitä tekemään isoja investointeja toimitusvarmuuteen.

Kaistahinnoittelu sähköllekin

Tuunasen väitöstyön tärkein havainto oli, että tulevaisuudessa jakeluverkoissa siirrettävät tehot voivat kasvaa merkittävästi, mutta samalla siirrettävän sähköenergian kokonaismäärä voi pienentyä. Tämä tietää huonoja aikoja verkkoyhtiöille, sillä nykyisellä liiketoimintamallilla ne saavat rahansa siirretystä energiasta. Samaan aikaan niiden kulut kasvavat, sillä huipputuntien entistä suurempi tehon tarve vaatii verkon vahvistamista. Mikä on tutkijan neuvo?

– Verkkoyhtiöiden kannattaisi siirtyä tehopohjaiseen hinnoitteluun, Tuunanen suosittaa. 

Tulevaisuudessa kotitalous saattaa olla samanlaisen valintatilanteen edessä kuin nykyisin kodin laajakaistaliittymää hankkiessaan. Otanko 5 vai 10 kW:n sähkönsiirtokaistan?

– Tällainen tehopohjainen siirtohinnoittelu voisi olla optimaalinen verkkoyhtiölle, sillä siirretty huipputeho on mitoittava tekijä sähköverkossa.

Kuluttajiakin se kohtelisi nykyistä oikeudenmukaisemmin. Sähkönkulutuksen huippujen pienentäminen palkittaisiin halvempana siirtohintana.

– Olisi hyvä, jos kuluttaja pystyisi vaikuttamaan siirron perusmaksuun omalla toiminnallaan.

Myös kansantalous hyötyisi, jos sähkön kuluttajat oppisivat karttamaan sähkön käyttöä huippukulutuksen tunteina. Silloin verkko on kovilla, ja käytössä ovat kalleimmat ja saastuttavimmat tuotantomuodot. 

– Alan konferensseissa tehopohjaisesta hinnoittelusta puhutaan paljon, kun uudet etäluettavat sähkömittarit sen nyt ensi kertaa mahdollistaisivat. 

Aurinkosähkön pientuotanto ja muut uudet energiateknologiat vaativat uusia ennustemenetelmiä. Jussi Tuunasen väitöstyön sähkönkulutusennusteen voisi laajentaa vaikka koko maan kattavaksi. – Tarkoille kansallisille kulutusennusteille olisi tarvetta, kun tehdään päätöksiä tulevaisuuden tuotantomuodoista.

Jussi Tuunasen tie tekniikan tohtoriksi