Iin ja Simon rajalla sijaitsevaan tuulivoimapuistoon on rakennettu Pohjoismaiden suurin, kuuden megawatin sähköenergiavarasto, jolla varmennetaan tuulivoimapuiston toiminta ja mahdollistetaan liittyminen toukokuussa avattavaan Fingridin nopeaan taajuusreserviin.
Pirkanmaalainen Merus Power toimitti viime vuonna 6 MW sähköenergiavaraston Tuuliwatin Viinamäen tuulivoimapuistoon. Iin ja Simon rajalle rakennettu sähkövarasto on teholtaan Pohjoismaiden suurin, ja megawattiluokan sähkövarastoteknologia on maailmallakin vielä uutta.
Merus Power toimitti järjestelmän verkkoinvertterit, kojeistot, muuntajat ja yhdisti ne ranskalaisen SAFTin toimittaman akuston kanssa kokonaisuudeksi, josta muodostuu yhteensä kuuden kontin kokoinen sähkövarastokokonaisuus.
Sähkövarastoa voidaan käyttää myös itsenäisesti, mutta se tarjoaa räätälöidyn kommunikaatiorajapinnan tuulivoimapuiston energianhallintajärjestelmälle, joka huolehtii toimintojen aikataulutuksesta.
Varasto on energianhallinnan ja optimoinnin työkalu
Tuulivoimapuisto ja sähkövarasto muodostavat nopeasti säädettävän tuotantojärjestelmän, joka pystyy reagoimaan sähköjärjestelmän muutoksiin viiveettä ja tukemaan näin sähköverkon toimintaa. Teknologia mahdollistaa nopean vasteajan sähkön taajuussäätömarkkinoille.
Reaaliaikainen vasteaika tarkoittaa tuulivoimapuiston sähkövarastossa vasteen tarpeeseen tulevan ainoastaan millisekuntien viiveellä. Poikkeuksellisen nopea säätöteknologia mahdollistaa välittömän vasteen taajuuden vaihteluun ja mahdolistaa tuulipuiston osallistumisen nopean taajuusreservin markkinoille (Fast Frequency Reserve, FFR). Nopea taajuusreservi otetaan Pohjoismaissa käyttöön toukokuussa 2020. Fingrid avaa taajuusreservin hankintaa varten kansallisen markkinan.
Vahvan teknologisen kehityksen ansiosta tuulivoimasta on tullut kilpailukykyisimpiä tapoja tuottaa uusiutuvaa sähköä. Akkuinvestoinneilla parannetaan tuulisähkön kilpailukykyä entisestään.
Akusto on passiivinen tasajännitelähde
Energiaa säilövä akusto koostuu pöytälaatikon kokoisista akkumoduuleista, joita pinotaan päällekkäin ja kytketään sarjaan sopivan napajännitteen saavuttamiseksi. Tällainen kokonaisuus muodostaa akkukehikon, joka mahtuu teollisuuskaappiin.
Näitä akkukehikkoja taas kytketään rinnan niin monta, että kokonaiselle akustolle saadaan sovellukseen sopiva teho ja energia. Akusto on luonnostaan passiivinen tasajännitelähde, joka ei sellaisenaan pysty säätämään mitään, vaan tarvitaan verkkovaihtosuuntaajia ja älykästä ohjausjärjestelmää eri toiminnallisuuksien toteuttamiseen.
Viinamäen sähkövaraston akusto on tyypiltään niin kutsuttu NMC-akusto, joka tarkoittaa sitä, että akun positiivinen elektrodi on tehty nikkelimangaanikoboltista.
Litiumioniakkutyyppejä on runsaasti erilaisia, mutta karkeasti voidaan sanoa, että erityisesti positiivisen elektrodin kemia vaikuttaa akuston ominaisuuksiin merkittävästi. NMC:lle tyypillistä on verraten pitkä syklinen elinikä (eli montako lataus-purkauskierrosta akusto kestää) ja korkea energia- ja tehotiheys.
Vaihtosuuntaajien näkökulmasta akusto on tasajännitelähde, jonka tuottaman tasajännitteen suuruus muuttuu hitaasti varaustilan mukana. Käytännössä akusto pitää kuitenkin sisällään hajautetun akustonhallintajärjestelmän, joka huolehtii järjestelmän suojauksesta ja kommunikaatiosta pääohjausjärjestelmän kanssa.
Akustonhallintajärjestelmä pitää sisällään suojaustoiminnallisuuksia niin akkumoduulien, -kehikkojen kuin kokonaisen akustonkin tasolla, joten suojaus on hyvin redundanttia.
Uusi sovellus tutun teknologian apuna
Sähkövarastossa käytetty verkkovaihtosuuntaaja perustuu Merus Powerin kehittämään A2-yliaaltosuodattimeen, joka on jo vuosia ollut käytössä vaativissa sovelluksissa kansainvälisten asiakkaiden tiloissa hyvin erilaisissa sovelluksissa sairaaloista hitsaamoihin ja tuulipuistoihin.
Yliaaltosuodatin on korkean suorituskyvyn tehoelektroniikkalaite, joka pystyy todella suuriin ulostulovirran muutosnopeuksiin ja tarkkaan virran säätöön – laitteella voidaan tuottaa verkon haitallisia yliaaltoja kumoavia vastakkaisvaiheisia yliaaltokomponentteja, jotka saattavat värähdellä jopa 50-kertaisella taajuudella suhteessa sähköverkon perustaajuuteen.
Lisäksi laitteella voidaan tuottaa perustaajuista loistehoa muutamissa sadoissa mikrosekunneissa esimerkiksi hitsauslaitteiden kuluttaman loistehon kompensointiin.
Laitteen suorituskyky piti siis valjastaa pätötehon siirtämiseen akuston ja sähköverkon välillä. Tämä vaati muutamien mekaanisten yksityiskohtien hiomista, mutta enimmäkseen uusi toteutus oli säätö- ja ohjelmistoteknistä kehitystä: ulostulovirran kokonaissärö on nimellisellä teholla 1,2-1,8 prosenttia.
Sähkövarasto liittyy sähköverkkoon vaihtosuuntaajilla, jotka ovat tehoelektroniikkalaitteita. Tehoelektroniikkalaitteiden verkkoon kytkeminen usein huonontaa verkon sähkön laatua, joten huoli vaihtosuuntaajien mahdollisesti tuottamista yliaalloista tai muista sähkön laadun häiriöistä on luonnollisesti aiheellinen.
Kokonaishyötysuhde on 95-98 prosenttia
Sähkövarasto on käytettäessä yllättävän vähäeleinen. Käyttöliittymä kertoo, että akkua ladataan 6 MW:lla, mutta vieressä olevista akuista ei kuulu mitään ääntä ja vaihtosuuntaajat pitävät pientä korkeataajuista sirinää. Tämä tuntuu käytettäessä suorastaan luonnottomalta verrattuna vaikka siihen, minkälainen ääni lähtisi saman tehoisesta vieressä jyrähtävästä dieselgeneraattorista.
Koska tällaisen tehon siirtäminen aiheuttaa korkeasta hyötysuhteesta huolimatta lämpöhäviöitä akuston sisäisissä resistansseissa, johdoissa, kiskostoissa ja vaihtosuuntaajissa, niin ilmastointijärjestelmä reagoi kuitenkin käyttöön nopeasti.
Ilmastointijärjestelmän kyky säilyttää akuston ympäröivä lämpötila samana on tärkeä, sillä akuston lämpötilan hallinta on paitsi turvallisuuskysymys, myös oleellinen suorituskyvyn ja eliniän kannalta: mikäli lämpötila on liian alhainen, akuston kemialliset reaktiot hidastuvat, ja akusta saatava teho on matalampi.
Mikäli akuston lämpötila nousee liian korkeaksi, kemialliset reaktiot eivät välttämättä pysy stabiilina, joka voi aiheuttaa turvallisuusriskin, ja korkea lämpötila lyhentää joka tapauksessa akuston elinikää.
Sähkövaraston kokonaishyötysuhde on 95-98 prosenttia. Sähkövaraston kokonaishyötysuhteen arviointi on mielenkiintoista tieteentekoa. Varastossa syntyy häviöitä vaihto- ja tasasähkökiskostossa, muuntajassa, vaihtosuuntaajissa ja akuston sisäisissä impedansseissa. Tässä pohdinnassa ei oteta huomioon ilmastoinnin tai apusähkölaitteiden ottamaa sähköä. Hyötysuhde on voimakkaasti toimintapisteriippuvainen.
Akuston napajännite muuttuu akuston varaustilan mukana, siten, että napajännite on korkeampi akuston ollessa täynnä ja matalampi kun akusto on tyhjä. Tämä tarkoittaa sitä, että jos akustoa vaikkapa puretaan 2 MW:lla akuston ollessa täynnä, virtaa kulkee merkittävästi vähemmän kuin silloin, kun akustoa puretaan 2 MW:lla sen ollessa lähes tyhjä. Suuremmalla virralla virtalämpöhäviöt ovat luonnollisesti suurempia.
Modulaarinen ja joustava järjestelmän ohjaus
Jokainen verkkovaihtosuuntaaja pitää sisällään oman ohjaus- ja suojausjärjestelmän, eli yksittäiset vaihtosuuntaajat kykenevät toimimaan itsenäisesti ja suojaamaan itsensä esimerkiksi ylivirralta.
Tämä lisää redundanttisuutta – vaihtosuuntaajat eivät ole toisistaan riippuvaisia, ja yksi tai useita vaihtosuuntaajia voi olla täysin poissa pelistä muiden jatkaessa toimintaa täysin normaalisti. Vaihtosuuntaajia ohjaa pääsäädin, joka koostuu signaalinkäsittelyprosessorista, FPGA-laudasta ja mittaus- ja kommunikaatiopiireistä.
Jotta säätö, suojaus ja muu toiminta olisi mahdollisimman nopeaa, säätötekninen kommunikaatio tapahtuu valokuituyhteydellä tai loogisilla sähköisillä signaaleilla. Tämä mahdollistaa sähkövaraston toiminnan myös nopean taajuusreservin (FFR) markkinoilla, vasteen ollessa reaaliaikainen, millisekunnin osia.
Viinamäen tuulivoimapuiston sähkövarasto
• Tukee 20 MW tuulivoimalan toimintaa
• Varastoi tuulienergiaa ja varmistaa sähkönlaatua. Kompensoi loistehoa
• Akut ladataan ja puretaan nimellisellä 6 MVA vaihtosähköteholla
• Nimellinen energia 6,6 MWh
• Osallistuu Fingridin taajuussäätömarkkinoille
• Toimitettiin Tuuliwatille avaimet käteen -ratkaisuna
Markus Ovaskainen ja Jonna Kannosto, teksti
Janica Karasti, kuvat
Kirjoittajat työskentelevät Merus Power Dynamics oy:ssä: diplomi-insinööri Markus Ovaskainen myynnissä ja tekniikan tohtori Jonna Kannosto markkinoinnissa.
