NOPEASTI VAIHTELEVAN uusiutuvan energian tuotannon lisääntyminen lisää haasteita sähköverkon ylläpitämiselle, koska sähkön tuotannon ja kulutuksen pitää olla joka hetki tasapainossa. Datakeskusten konesalien keskeytymätön virransyöttö (UPS) ja vara-akut ovat vielä toistaiseksi hyödyntämättömiä käyttöreservejä, jotka voidaan ottaa hyötykäyttöön verkon tasapainottamisessa. Tekniikka näiden varareservien kaksisuuntaisille hyödyntämiselle on jo olemassa.
Sähkön kulutuksen ja tuotannon hetkellinen tasapaino ilmenee sähköverkon taajuudesta, joka on Suomessa nimellisarvoltaan 50 Hz. Taajuus laskee alle 50 Hz arvon, kun kulutus on tuotantoa suurempi. Vastaavasti taajuus ylittää 50 Hz arvon, kun tuotanto on kulutusta suurempi. Taajuuden sallitaan vaihdella 49,9 ja 50,1 Hz välillä.
Kantaverkkoyhtiö Fingrid ennakoi sähkön kysyntää, ja markkinoilla myydään ja ostetaan sähköntuotantokapasiteettia tämän ennakoinnin mukaan.
”Tasapainon luomisessa on kuitenkin epävarmuutta ja epätarkkuutta. Siksi isot tuotantolaitokset varaavat tuotantokapasiteetistaan pienen osan taajuussäätöä varten. Lisäksi löytyy FCR-N-reservejä (Frequency Containment Reserves for Normal), jotka ovat jatkuvasti verkossa olevia diesel/kaasuturbiinivoimalaitoksia sekä vesivoimalaitoksia. Niillä säädetään tehonsyöttöä verkkoon päin reaaliaikaisen taajuussignaalin perusteella ja yritetään ylläpitää tehotasapainoa”, kuvailee voimanhallintayritys Eatonin teknologiapäällikkö Janne Paananen.
Jatkuvaan taajuussäätöön kelpaavia suuria akkuvarastojakin on alkanut tulla markkinoille, esimerkiksi Helenille Helsinkiin ja Fortumille Järvenpäähän. Tekniikkana akkuvarasto on hyvin lähellä keskeytymättömän virransyötön UPS-järjestelmiä.
Konesalien varavoimaa verkon taajuussäätöön
”Suomessa on kymmenisen isompaa ja muutamia satoja pienempiä datakeskusten konesaleja. Niiden UPS-järjestelmissä ja akustoissa on kymmeniä megawatteja tehoja ja nopeat reaktioajat. UPS-laitteistoissa ei yleensä ole monien tuntien akustoja, vaan akustot ovat kapasiteetiltaan melko lyhytaikaisia, noin 10-15 minuuttia täydellä teholla. Käytännössä UPSista saadaan tehoa ulos välittömästi”, Paananen sanoo.
Sähköverkon jatkuva taajuussäätö on reaktiivista, eli se perustuu hetkellisiin taajuuspoikkeamiin sähköverkossa ja reaaliaikaiseen mittaukseen. Taajuussäätöä tehdään vain silloin, kun taajuus poikkeaa normaalista. Säätöajat ovat yleensä lyhyitä.
”Taajuussäätöreservissä pääasia on se, että meillä on säätötehoa käytettävissä sähköverkkoon silloin, kun sitä tarvitaan. Tällöin ei niinkään tarvita suuria määriä energiaa. Siksi UPS soveltuu hyvin häiriöreservikäyttöön. Olemme kehittäneet Eatonin uuden sukupolven UPS-laitteiden säätöalgoritmejä sillä tavoin, että ne kykenevät tekemään samanlaista taajuussäätöä kuin isommat akkuvarastotkin ja pystyvät siirtämään turvallisesti energiaa sekä akustoon että sieltä takaisin sähköverkkoon päin”, Paananen sanoo. Ratkaisu on kehitetty Eatonin ja Fortumin yhteistyönä.
Uuden polven UPS-laitteistot hyödyntävät kaksisuuntaista tehotransistoripohjaista tasasuuntaajaa, joka kykenee syöttämään energiaa kumpaankin suuntaan.
”Lähdimme toteuttamaan taajuussäätöä siten, että käytämme akkua tasasuuntaajan rinnalla. Jos akku olisi viallinen ja akkujännite putoaisi liian nopeasti, tasasuuntaaja syöttäisi kuitenkin edelleen kuormaa. Jos tulee iso taajuuspoikkeama sähköverkossa, mikä on harvinaista, akuston purkutehoa voidaan säätää itsenäisesti riippumatta UPSin kuormasta. Saamme aina täyden vastineen aikaiseksi, ja tehoa voidaan syöttää takaisin verkkoon päin”, Paananen sanoo.
”Samalla kun ohjaamme akun purkutehoa taajuuden funktiona, saamme käyttöön dynaamisen säädön. Eli sähköverkkoon tuotettu säätöteho vaihtelee taajuuspoikkeaman suuruuden mukaan. Tällainen järjestelmä on huomattavasti parempi sähköverkon kannalta kuin staattinen järjestelmä.”
Konesali- tai muun teollisen asiakkaan kannalta järjestelmä toimii joustavasti. Tehoa siirretään sähköverkolta akustolle pehmeästi, mikä on järjestelmän kriittisen kuorman kannalta tärkeää. Samalla UPS-järjestelmän akku tulee testattua.
”Vanhempiakin UPS-laitteita voitaisiin periaatteessa käyttää sähkön kysyntäjouston välineenä. Tällöin konesalit tiputettaisiin etäohjauksella verkosta, jolloin konesali siirtyy lyhyeksi aikaa pelkästään akkujen tehon varaan. Tämä ei ole täysin riskitöntä konesalin suhteen eikä siksi suositeltavaa”, Paananen arvioi.
Merkittävä osa taajuussäädön tarpeesta
Konesalien UPS-järjestelmien taajuussäädön kapasiteetti voisi Paanasen mukaan kattaa suuren osan nykyisin markkinoilta ostettavan sähköverkon taajuussäädön kapasiteetista, jos kaikki UPS-laitteet olisivat uuden sukupolven kaksisuuntaiseen palveluun kykeneviä laitteita. UPS-laitteita hyödyntämällä voidaan jo olemassa olevia laiteinvestointeja hyödyntämällä käyttää niitä vielä sekundäärisesti reservikäytössä.
Tämä vähentää erillisiä investointitarpeita verkon reservilaitteisiin ja vähentää myös energian hinnannousupaineita ja lisää sähkönjakelun varmuutta. Samalla konesalien omistajat ja teollisuus voivat hyödyntää laitteistojaan taloudellisesti.
”Tuotto voi olla 40 000 euroa vuodessa megawattia kohti riippuen siitä, millä markkinalla säätöteho myydään. Tällaisella tuotolla UPS-laitteisto pystyy periaatteessa maksamaan itsensä takaisin 3-4 vuodessa. Jos pääsee mukaan jatkuvan taajuussäädön markkinalle FCR-N:lle, joka vaatii litiumakustoja, pääsee vielä nopeampaan takaisinmaksuaikaan. Tällaisen lisäinvestoinnin takaisinmaksuaika voi olla 1-2 vuotta, vaikka litiumakun investointikustannus on suurempi kuin perinteisen lyijyakun”, Paananen arvioi.
Myös energiayhtiöissä on noteerattu konesalien potentiaali. Esimerkiksi Fortumin sisäinen startup Spring on alkanut kehittää konesalien varavoiman aggregointia yhteistyössä Eatonin ja Fingridin kanssa.
Spring pyrkii niputtamaan varavoimalähteitä suuremmaksi virtuaalivoimalaksi ja myymään tämän kokonaispaketin kapasiteettia markkinoille. Näin voidaan hyödyntää myös pienempiä konesaleja, jotka muuten eivät täyttäisi markkinakriteerejä. Virtuaalivoimalaan kytketään myös kotitalouksissa olevia laitteita, kuten vesivaraajia.
”Energiayhtiön näkökulmasta virtuaalivoimala avaa sellaisenkin näkökulman, että siellä konesalissa olisikin vähän enemmän niitä akkuja, kuin konesali itse tarvitsee. Saattaisi olla yhteiskunnan kannalta resurssitehokasta, että konesalien varasähköjärjestelmät olisivat sähkövarastopaikkoja yleensäkin. Sähkövarastoja tulee joka tapauksessa paljon tulevaisuudessa”, toteaa Fortumin Springin vetäjä Janne Happonen.
”Me energiayhtiönä voisimme pyörittää energiavarastoa, joka samalla takaisi konesalin sähkönsaannin. Jos me olisimme sijoittajana tai joku muu energia-alan toimija, niin todennäköisesti akustot olisivat silloin vähän isompia kuin nykyiset. Olettaisin, että voisimme ainakin tuplata nykyisen konesalien käytössä olevan vara-akkukapasiteetin tällä konseptilla”, Happonen arvioi.
Teksti: Jari Peltoranta
Kuvt: Eaton
