Voimantuotannon sähköistäminen – energiatehokkuus ja sähkön laatu
27.9.2022
Uusiutuvan energian investoinnit ovat ohittaneet fossiilisiin polttoaineisiin tehdyt investoinnit. Päästöjen vähentämisen ohella taustalla vaikuttavat tulevaisuuden energiajärjestelmän kilpailukyvyn parantaminen ja energiaturvallisuuden vahvistaminen. Huomattava osa puhtaan siirtymän hankkeista kohdistuu teollisuuteen ja uusiutuvan sähkön kulutukseen. Tulevaisuudessa uusiutuvan sähkön merkittäviä kuluttajia ovat mm. lämpöpumput, sähkökattilat, datakeskukset, sähköautojen latausjärjestelmät, vedyntuotantolaitokset sekä erilaiset sähkökemialliset energiavarastot.
Voimantuotannon sähköistymisen lisää merkittävästi tehoelektroniikan kytkeytymistä sähköverkkoon, kun esimerkiksi taajuusmuuttajien avulla ohjataan lämpöpumppuja tai tasasuuntaajien avulla syötetään elektrolyysereitä vedyntuotantolaitoksissa. Eri tehoelektroniikan teknologioilla on omat vaikutuksensa energiatehokkuuteen ja sähkön laatuun. Tyypillinen haittapuoli on etenkin tehoelektroniikan tuottamat yliaallot sähköverkkoon.
Yliaallot ovat seurausta tehoelektroniikkaa sisältävien laitteiden toiminnasta, jotka voivat aiheuttaa ongelmia, jos yliaallot ylittävät sähköverkolle kriittisen rajan. Yliaaltoja synnyttävien laitteiden kanssa samaan sähkönsyöttöön kytketyt muuntajat, kaapelit, moottorit, generaattorit ja kondensaattorit voivat ylikuumentua. Samasta verkosta syötettävien elektronisten laitteiden toiminnassa voi ilmetä käytönaikaisia häiriöitä ja niiden käyttöikä voi lyhentyä. Taajuusmuuttaja ilman yliaaltosuodatusta aiheuttaa 40–120 % yliaaltovirran (THDi) verkkoon, joka tarkoittaa pahimmassa tapauksessa jopa kaksinkertaisia energiahäviöitä sähköverkossa. Alla olevassa kuvaajassa häviöt sähköverkossa kasvavat lähes eksponentiaalisesti suhteessa virran yliaaltotasoihin nähden. Näin ollen yliaaltojen rajoittamisella on oleellinen vaikutus energiatehokkuuteen.
Tyypillinen ratkaisu on ylimitoittaa verkon komponentteja yliaaltojen takia, joka nostaa suoraan investointikustannuksia. Tyypillisesti perinteisellä taajuusmuuttajateknologialla muuntajien mitoituksessa käytetään 35 % ylimitoitusta. Matalaharmonisten taajuusmuuttajien kanssa tämä ylimitoituskerroin on kuitenkin vain 10 %. Sama periaate toimii myös generaattorien, kaapeleiden ja muiden sähköverkon komponenttien kanssa. Matalaharmonisten taajuusmuuttajien avulla voidaan saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä, kun ylimitoitusta ei tarvita. Pienempien laitteiden käyttö merkitsee myös pienempää materiaalien käyttöä ja energiakulutusta valmistusprosesseissa. Tämä johtaa taas pienempään hiilijalanjälkeen ja investointikustannuksiin.
Juho Mustonen
Segment Manager, Green Electrification, ABB Oy
