1

PaikallissähköMaaseudun paikallinen sähkönjakelu-

ja sähkönkäyttöjärjestelmä,verkkoonliittymistekniikan kehittäminen

Henrik SikanenRisto RissanenJuhani Rouvali

Savonia-ammattikorkeakouluTekniikka, Kuopio

15.11.2006

2

Savonia-ammattikorkeakouluJulkaisutoimintaPL 6 (Microkatu 1 D)70201 KUOPIOpuh: (017) 255 5023fax: (017) 255 5043e-mail: julkaisut@savonia-amk.fiwww.savonia-amk.fi/julkaisut

1. painos

Tämän teoksen kopioiminen on tekijänoikeuslain (404/61) ja tekijänoikeusasetuksen (574/95)mukaisesti kielletty lukuun ottamatta Suomen valtion ja Kopiosto ry:n tekemässä sopimuksessa tar-kemmin määriteltyä osittaista kopiointia opetustarkoituksiin

ISBN-10: 952-203-047-3ISBN-13: 978-952-203-047-4ISBN-10: 952-203-048-1 (PDF)ISBN-13: 978-952-203-048-1 PDF)ISSN: 1795-0848

Savonia-ammattikorkeakoulun julkaisusarja D 7/2006

Kustantaja:Taitto:Painopaikka:

Savonia-ammattikorkeakoulu TekniikkaTapio AaltoKuopion kaupunki Painatuskeskus 2006

3

TIIVISTELMÄTIIVISTELMÄTIIVISTELMÄTIIVISTELMÄTIIVISTELMÄ

Tekesin koordinoimassa DENSY-tutkimusohjelmassa (Hajautettujen energiajärjestelmien teknologia-ohjelma) kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiäsekä niihin liittyviä palveluita. Yksi DENSY:n hankkeista on Savonia-amk:n toteuttama Paikallis-sähköprojekti, jossa on kehitetty maaseudun paikallista sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmää,erityisesti siihen tarvittavaa verkkoonliittymistekniikkaa.

Hankkeessa on kartoitettu paikallisen sähköntuotannon potentiaalia Pohjois-Savossa. Puun osuuson kokonaisuutena merkittävä, mutta pienen teholuokan sähköntuotannossa maatalouden biokaa-sun tuotantoa tarkasteltiin tarkemmin. Lähtökohdaksi otettiin, että Pohjois-Savossa noin 20 maati-laa voisi toteuttaa sähköä tuottavan biokaasulaitoksen. Tällöin tilan omasta lietelannasta saatavallabiokaasulla voidaan tuottaa yhteensä jopa 2250 MWh sähköenergiaa vuodessa. Lietelannan lisäksimuun biojätteen tai kasvinosien käyttö mädätysprosessissa olisi tärkeää, jotta laitoksen kaasuntuottoolisi riittävää.

Tavoitteeksi kirjattiin, että projektissa suunnitellaan ja toteutetaan paikallisten sähköntuotanto-yksiköiden verkkoonliittyminen. Verkkoonliittymiskonsepteja kehitettiin ja toteutettiin kaksi kap-paletta.

Kiuruvedellä sijaitseva Pitkäkosken vesivoimalaitos edustaa perinteistä sähköntuotantoteknologiaa.Tahtigeneraattoriin suunniteltiin uusi ohjaus- ja suojausjärjestelmä sekä valvonta ja kaukokäyttömodernilla automaatiojärjestelmällä. Ensisijaisena tavoitteena oli pyrkiä integroimaan vesi-voimalaitoksen automaatio ja suojaus ohjelmoitavina ominaisuuksina automaatiojärjestelmään. Pitkä-kosken projektissa tässä onnistuttiin ja saatiin rakennettua piensähköntuotantoon taloudellisesti jär-kevä ja joustava ohjausjärjestelmä, joka on sopiva ja avoin myös biovoimalaitoksen prosessiohjauk-sessa. Projektin loppuvaiheessa saatiin myös arvokasta tietoa järjestelmän toiminnasta, jolloin voi-tiin tehdä tarpeellisiksi katsottuja säätöjä ja virityksiä.

Toisena toteutettuna verkkoonliittymisratkaisuna toteutettiin ja testattiin staattinen verkkoon-liittymismalli. Hankittu laitteisto on suunniteltu toimimaan kiinteän sähköverkon kanssa. Laitteistosaatiin toimimaan kestomagneettigeneraattorin kanssa verraten hyvin rinnankytkentätilanteessa elikiinteän sähköverkon kanssa. Staattisen liittymismallin jatkotutkimusta on suunnattava kehittämi-nen myös saarekkeessa toimivaan itsenäiseen järjestelmään vaatii lisätutkimusta ja on kestomagneet-tigeneraattoritekniikan yleistyessä ensiarvoisen tärkeää.

Hakusanat: paikallinen sähköntuotanto, verkkoonliittymistekniikka

4

5

SISÄLLSISÄLLSISÄLLSISÄLLSISÄLLYYYYYSLUETTELOSLUETTELOSLUETTELOSLUETTELOSLUETTELO

ALKUSANAT ................................................................................................................................ 7

1. PAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAUS ........................................................................... 8xx1.1 Paikallissähkö osana DENSY-tutkimusohjelmaa .................................................................. 8xx1.2 Raportin rakenne ................................................................................................................... 8xx1.3 Paikallissähköhankkeen ohjausryhmä .................................................................................... 9

2. SÄHKÖNTUOTANTO PIENTUOTTAJAN NÄKÖKULMASTA ....................................... 10xx2.1 Pienimuotoisen sähköntuotannon määrittely ja verkkoon pääsy ......................................... 10xx2.2 Verkkoonliittyjän tekniset laatuvaatimukset ........................................................................ 11

2.2.1 Sähköverkkoyhtiön suositus verkkoon liittymisestä ................................................... 112.2.2 Jännite- ja taajuuspoikkeamat ..................................................................................... 142.2.3 Suojaus ....................................................................................................................... 14

xx2.3 Esimerkkejä pienimuotoisesta sähköntuotannosta .............................................................. 152.3.1 Yleistä .......................................................................................................................... 152.3.2 Maatalouden biovoimalaitokset .................................................................................. 162.3.3 Biokaasulla tuotetun energian käyttökokemuksia ....................................................... 17

3. MAATALOUDEN BIOVOIMALAITOSTENxxSÄHKÖNTUOTANTOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAVOSSA ................................... 21xx3.1 Valtakunnallisia arvioita maatalouden energiantuotannon potentiaalista ja käytöstä .......... 21xx3.2 Potentiaalikartoitus .............................................................................................................. 21xx3.3 Taustatietoja potentiaalikartoituksen tarkentamiseen, lietelannasta biokaasua ................... 22xx3.4 Skenaariot maatalouden lietteistä saatavan biokaasun sähköntuotantopotentiaalista ......... 23xx3.5 Energiataseselvitys ............................................................................................................... 26

4. PIENIMUOTOISEN SÄHKÖNTUOTANNON VERKKOONLIITTYMISENxxSUUNNITTELUN TAVOITTEET .......................................................................................... 28xx4.1 Yleisiä tavoitteita ................................................................................................................. 28xx4.2 Automaation tarve ............................................................................................................... 28xx4.3 Tekninen ympäristö ja käytettävyys ..................................................................................... 29xx4.4 Tekninen taloudellisuus ....................................................................................................... 29

5. VERKKOON LIITTYMINEN VESIVOIMALAITOSKOHTEESSA ................................... 30xx5.1 Pitkäkosken vesivoimalaitos ................................................................................................ 30

5.1.1 Francis-turbiini ............................................................................................................ 315.1.2 Turbiinin säätölaite ..................................................................................................... 315.1.3 Tahtigeneraattori ......................................................................................................... 325.1.4 Tahtigeneraattorin vanha sähkökeskus ....................................................................... 335.1.5 Magnetoinnin säätölaite .............................................................................................. 345.1.6 Putkiturbiini ................................................................................................................ 34

xx5.2 Uusi sähköpääkeskus ............................................................................................................ 355.2.1 Voimalan liittyminen verkkoon ................................................................................... 355.2.2 Oma energiankäyttö .................................................................................................... 365.2.3 Katkaisijat ................................................................................................................... 375.2.4 Elektroninen suojarele ................................................................................................ 375.2.5 Alijännitelaukaisija ...................................................................................................... 37

6

xx5.3 Verkkoyhtiön suosituksen mukainen verkkoonliittyminen .................................................. 38xx5.4 Verkkoonliitäntälaitteisto .................................................................................................... 38

5.4.1 Logiikka ...................................................................................................................... 385.4.2 Logiikan I/O-kortit ..................................................................................................... 395.4.3 Ohjelmointiohjelma PL7 pro ....................................................................................... 405.4.4 Valvomo ...................................................................................................................... 415.4.5 Vikatilanteet ............................................................................................................... 435.4.6 Pyörimisnopeusvalvonta .............................................................................................. 445.4.7 Tehoanalysaattori ........................................................................................................ 445.4.8 Tahdistin ..................................................................................................................... 455.4.9 Ohjelmalliset suojat ja liityntäautomaatio ................................................................... 455.4.10 Energiamittari ........................................................................................................... 46

xx5.5 Automaation toimintaselostus ............................................................................................. 465.5.1 Tahtigeneraattorin tehotasapainon hallinta ................................................................. 485.5.2 Loistehon tuotanto ...................................................................................................... 48

xx5.6 Kokeet ja mittaukset ............................................................................................................ 49xx5.7 Seurantatietoja ..................................................................................................................... 50xx5.8 Verkkoonliityntäsautomaation kustannukset ....................................................................... 54xx5.9 Verkkoonliittymisratkaisun tuotteistaminen ........................................................................ 55

6. STAATTINEN VERKKOONLIITTYMISLAITTEISTO ....................................................... 56xx6.1 Suunnitelma .......................................................................................................................... 56xx6.2 Käyttöönotto ja koestus ...................................................................................................... 58xx6.3 Laitteiston jatkokehitysnäkymiä .......................................................................................... 60

7. TULEVAISUUDEN NÄKYMIÄ ............................................................................................. 64

8. YHTEENVETO ...................................................................................................................... 65

LÄHTEET ................................................................................................................................... 67

Liite 1 Energiataseselvitys nautakarjatila ............................................................................... 69Liite 2 Energiataseselvitys sikatila ......................................................................................... 76

7

ALKUSANAALKUSANAALKUSANAALKUSANAALKUSANATTTTT

Tekesin koordinoimassa DENSY-tutkimusohjelmassa (Hajautettujen energiajärjestelmien teknologia-ohjelma) kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiäsekä niihin liittyviä palveluita. Ohjelma käynnistyi vuonna 2003 ja se jatkuu vuoteen 2007. YksiDENSY:n hankkeista on Savonia-amk:n toteuttama Paikallissähköprojekti, jossa on kehitetty maa-seudun paikallista sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmää, erityisesti siihen tarvittavaaverkkoonliittymistekniikkaa.

Paikallissähköprojekti aloitettiin vuoden 2003 lopulla. Tuolloin oli tiedossa mm. se, että valtakun-nallinen työryhmä valmistelee uutta piensähköntuottajan verkkoonliittymissuositusta. Oli myös tie-dossa, että Tekesin DENSY-tutkimusohjelma on alkamassa. Paikalliset toimijat (verkkoyhtiö, maa-tilat) olivat myös hyvin kiinnostuneita hajautetusta sähköntuotannosta. Kun kaikki tarpeet koottiinyhteen, nähtiin varsin selkeänä tavoitteena, että Savonia-amk rakentaisi uuden standardin mukaisenverkkoonliittymiskonseptin käyttäen uuden automaatiotekniikan laitteita ja järjestelmiä. Tavoittee-na oli selkeän tuotekonseptin määrittäminen.

Projekti määriteltiin varsin toteutuspainotteiseksi. Suunnitelmassa asetettiin tavoitteeksi kolmenerilaisen konseptin toteuttaminen: laboratoriolaitteisto, vesivoimalaitoksen verkkoonliittyminen jamaaseudun biovoimalaitoksen verkkoonliittyminen. Kaksi ensimmäistä pystyttiin toteuttamaan; va-litettavasti biovoimalaitoskohdetta ei Pohjois-Savosta vielä projektin aikana löytynyt.

Alkuvaiheessa kartoitettiin paikallisen sähköntuotannon potentiaali Pohjois-Savossa. Varsinkin maa-talouden sähköntuotantopotentiaalin määrittäminen katsottiin tarpeelliseksi.

Tässä projektiraportissa kerrotaan maatalouden sähköntuotantopotentiaalikartoituksen tuloksia, esi-tellään vesivoimalaitoksen verkkoonliittymisen toteutus uudella automaatiotekniikalla, ja esitelläänstaattinen verkkoonliittymislaitteisto, joka rakennettiin oppilaitoksen laboratorioon. Molemmat ra-kennetut laitteistot (järjestelmät) esitellään siten, että ne voisivat olla tuotteina rakennettavissa tule-viin esim. maatalouden biovoimalaitoksiin.

Tekijät haluavat kiittää rahoittajia ja yhteistyökumppaneita ohjauksesta ja mielenkiinnostaprojektiamme kohtaan. Erityiskiitos Seppo Pietikäiselle, joka luovutti voimalaitoksensa projektinajaksi koelaboratoriokäyttöön. Toivomme, että hankkeen tuloksena syntyneet toteutuskonseptitvoidaan ottaa käyttöön ja niitä sovelletaan tulevissa sähkön pientuotannon kohteissa.

Kuopiossa 15.11.2006Henrik Sikanen, Risto Rissanen, Juhani RouvaliSavonia-ammattikorkeakoulu

8

1.1.1.1.1. P P P P PAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAIKALLISSÄHKÖHANKKEEN KUVAAAAAUSUSUSUSUS

1.1 Paikallissähkö osana DENSY-tutkimusohjelmaa

Hajautetulla, paikallisella ja pienimuotoisella sähköntuotannolla tarkoitetaan käytännössä samaa asiaa.Kyse on sähköntuotannosta, jolla on tehona määriteltävä kokoluokka ja joka liitetään ns. pienjännite-verkkoon. Kansallista merkitystä kuvaa se, että Tekes käynnisti DENSY-tutkimusohjelman, jossakehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto- ja varastointijärjestelmiä sekäniihin liittyviä palveluita. Ohjelma käynnistyi vuonna 2003 ja se jatkuu vuoteen 2007.

Yksi DENSY:n hankkeista on Savonia-ammattikorkeakoulun (lyh. Savonia-amk) toteuttama"Paikallissähköprojekti", jossa on kehitetty maaseudun paikallista sähkönjakelu- ja sähkönkäyttö-järjestelmää, erityisesti siihen tarvittavaa verkkoonliittymistekniikkaa. Projektin pitkäksi työnimeksiasetettiin "Maaseudun paikallinen sähkönjakelu- ja sähkönkäyttöjärjestelmä".

Paikallissähköprojekti on Savonia-ammattikorkeakoulun, Tekniikka Kuopion tutkimusprojekti. Pro-jekti käynnistyi 1.10.2003 ja päättyi syksyllä 2006. Rahoitusta projektille ovat myöntäneet Tekes,Savon Voima Myynti Oy, Voimatel Oy ja MTK.

Maaseudun sähköntuotantopotentiaalin kartoitus oli yksi ensimmäisistä projektin selvityskohteista.Keskityttiin erityisesti maaseudun biovoimantuotannon mahdollisuuksiin. Tätä potentiaaliarviotatarkennettiin projektin kuluessa useasti.

Tavoitteeksi kirjattiin, että projektissa suunnitellaan ja toteutetaan paikallisten sähköntuotanto-yksiköiden verkkoonliittyminen. Tavoitteena oli etsiä Itä-Suomen alueelta kaksi erilaista sähköenergiaatuottavaa pienen kokoluokan sähköntuotantoyksikköä, joista ainakin toinen olisi biokaasulaitos.Näihin kohteisiin suunniteltaisiin ja rakennettaisiin verkkoonliittymislaitteisto. Tämän lisäksi asetet-tiin tavoitteeksi, että Savonia-amk:n sähkölaboratorioon rakennetaan erillinen tutkimus- jasimulaatiojärjestelmä. Tavoitteena oli selkeän tuotekonseptin määrittäminen.

1.2 Raportin rakenne

Tässä tutkimusraportissa käsitellään aluksi taustatekijöitä, joiden vuoksi paikallinen sähköntuotantokatsotaan nykyisin varteenotettavaksi ja kannattavaksi sähköntuotantomuodoksi. Erityisesti ns. bio-kaasulaitokset muodostavat tärkeän, uuden teknologian paikallisessa sähköntuotannossa. Esitetäänkatsaus biokaasulaitosten nykytilanteesta. Raportissa esitellään myös viime aikoina tehtyjä päätök-siä ja suosituksia liittyen paikallisen sähköntuotannon tekniikkaan ja taloudellisuuteen.

Paikallisen sähköntuotannon potentiaalia Itä-Suomessa arvioidaan eri lähteistä saaduista tiedoista.Lähtötietoina on käytetty valtakunnallisia selvityksiä ja tämän tutkimushankkeen osana tehdyninsinöörityön tuloksia. Maatalouden biovoimalla tuotetun paikallisen sähköntuotannon potentiaalion laskettu em. insinöörityössä, mutta tästä saatua arviota on täydennetty mm. todellisista lanta-analyyseista saaduilla tiedoilla lannan sisältämästä metaanista. Potentiaali esitetään skenaarioina.

Koekohteiden suunnittelun periaatteena oli, että paikallinen sähköntuotantoyksikkö voisi tuottaasähköä mahdollisimman luotettavasti ja turvallisesti. Luonnollisesti laitteiden ja järjestelmienvikavirtasuojaus, laiteturvallisuus ja työturvallisuus ovat silloin tärkeimmät kriteerit.

Toiminnallisesti eritellään kolme vaihtoehtoa:- rinnankäyttö eli verkkokäyttö, jolloin paikallinen tuotantoyksikkö toimii verkon kanssa rinnan,

9

ja jakeluverkon jännite on edellytys toiminnalle (kuten "valtakunnan verkkoon" kytketty voima-laitos), tai

- saarekekäyttö, jolloin paikallinen tuotantoyksikkö toimii vain, kun ulkoinen jakeluverkko onkytketty irti ja tuotantoyksikkö tuottaa paikallisesti tarvittavan sähkön esim. tilan sähkölaitteille(kuten varavoimakone), tai

- rinnan/saarekekäyttö, jolloin paikallinen tuotantoyksikkö voi tuottaa sähköä erilaisissa kytkentä-tilanteissa.

Kiuruvedeltä löydettiin vesivoimalaitos, joka otettiin koekohteeksi. Voimalaitoksen verkkoon-liittyminen suunniteltiin uudella tavalla, suunnitelma toteutettiin, ja järjestelmän toimintaa seurat-tiin projektin lopussa. Tämä kohde uudistettiin modernilla automaatiotekniikalla rinnan/saareke-käyttöön. Kohteen kokemusten perusteella esitetään yksi verkkoonliittymiskonsepti kustannus-arvioineen. Vaikka kyseessä on vesivoimalaitos, konsepti sopii myös mm. biovoimalaitoksenverkkoonliittymiseen. Todettakoon tässäkin yhteydessä, että yrityksistä huolimatta sellaista itä-suomalaista biovoimalaitoskohdetta ei löytynyt, joka olisi voitu liittää sähköverkkoon.

Toisena verkkoonliittymiskonseptina esitetään laboratoriolaitteisto, jossa verkkoonliittyminen to-teutetaan ns. staattisella laitetekniikalla. Kyse on tehoelektroniikan sovelluksesta, jossa tehon siir-rossa käytetään tasasähkövälipiiria. Tekniikkaa on käytetty jonkin verran mm. tuulivoimasovelluksissa,mutta yleisen tuotekonseptin tekeminen vaatii vielä yhteistyötä laitetoimittajien kanssa.

1.3 Paikallissähköhankkeen ohjausryhmä

Paikallissähköhankkeen ohjausryhmätyöskentelyyn ovat osallistuneet:

teknologia-asiantuntija Pasi Heiskanen Tekesmyyntipäällikkö Hannu Koistinen Voimatel Oylaboratorioinsinööri Risto Rissanen Savonia-ammattikorkeakouluyliopettaja Juhani Rouvali Savonia-ammattikorkeakoulutoiminnanjohtaja Juhani Savolainen MTK-Pohjois-Savo ryprojekti-insinööri Henrik Sikanen Savonia-ammattikorkeakoulupalvelupäällikkö Hannu Tervonen Savon Voima Oyj

10

2.2.2.2.2. SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUOTTTTTANTANTANTANTANTO PIENTUOO PIENTUOO PIENTUOO PIENTUOO PIENTUOTTTTTTTTTTAJAN NÄKÖKULMASTAJAN NÄKÖKULMASTAJAN NÄKÖKULMASTAJAN NÄKÖKULMASTAJAN NÄKÖKULMASTAAAAA

2.1 Pienimuotoisen sähköntuotannon määrittely ja verkkoon pääsy

Avoimilla sähkömarkkinoilla sähkön tuotanto on kilpailtua. Kuka tahansa saa tuottaa sähköä verk-koon toteuttaessaan ympäristö- ja laatuvaatimukset. Sähkömarkkinalain mukaan verkonhaltijoilla(verkkoyhtiöt) on liittämisvelvollisuus verkkoonsa liittymään haluavalle sähköntuotannolle ja siirto-velvollisuus siirtää tuotettu sähkö markkinapaikalle kohtuullista korvausta vastaan. Sähkön ja läm-mön yhteistuotantoa tuetaan antamalla investoinneille harkinnanvaraista investointiavustusta jamyöntämällä verotuksen kautta tuotantotukea.

Loppuvuodesta 2005 hallituksen eduskunnalle antamassa energia- ja ilmastopoliittisessa selonteos-sa todetaan, että yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon edistämiseksi sekä biopolttoaineiden jauusiutuvien energialähteiden käytön lisäämiseksi pienvoimalaitosten verkkoon liittymistä helpotetaanenergiamarkkinoiden sääntelyä kehittämällä.

Kauppa- ja teollisuusministeriön ja Energiamarkkinaviraston yhteisenä virkatyönä on keväällä 2006valmisteltu ehdotukset verkkoon pääsyn helpottamisesta (Pienimuotoisen ... 2006).

Työryhmän mukaan pientuotannon verkkoon pääsyn erityiskysymykset liittyvät jakeluverkkoon. Pien-tuotannolle tulee kustannuksia jakeluverkkosiirrosta toisin kuin ylemmille verkkotasoille liittyvillesuurille voimaloille. Lisäksi liittymispisteet voivat olla etäällä muusta verkosta, jolloin joudutaanrakentamaan paljon uutta verkkoa pientä tuotantomäärää varten. Pienvoimaloita rakennetaan myösusein pienien maaseutuverkkojen alueille, joissa verkonhaltijalla ei ole aiempaa kokemusta tuotan-non liittämisestä verkkoon.

Verkkoyhtiöiden siirtotariffit voivat eri yhtiöillä poiketa voimakkaastikin toisistaan, ilman ettäkalliimpien yhtiöiden hinnat olisivat lainvastaisia. Yhtiöiden väliset hintaerot voivat johtua yhtiöi-den erilaisista toimintaolosuhteista tai hinnoittelussa käytettyjen periaatteiden erilaisuudesta.

Edellä mainitut tekijät voivat muodostaa pienimuotoisen tuotannon kannalta sen kilpailukykyä rat-kaisevasti heikentäviä kynnyksiä markkinoille pääsyssä. Yksityiskohtaiset ehdotukset pienimuotoi-sen sähköntuotannon verkkoon pääsyn edistämiseksi liittyvät pienimuotoisen tuotannon rajaukseen,liittymisjohdon rakentamisen kustannuksiin, liittymismaksun tukikelpoisuuteen ja tuotannonsiirtomaksulle asetettavaan valtakunnalliseen ylärajaan. Lähitulevaisuus osoittaa, miten työryhmänehdotukset voivat toteutua.

VTT:n tutkimusraportissa esitetään, että pientuotantoa ei pitäisi määritellä tehon perusteella, koskatehorajan määrittäminen on keinotekoista. Voimalan käsite on myös määriteltävä yksiselitteisesti.Energiamarkkinaviraston täyttöohjeiden mukaan yhdeksi voimalaksi voidaan nykyisin määritelläuseiden yksiköiden muodostamaa teknisesti yhtä toimintakokonaisuutta. Verkon ja siirtomaksujenkannalta on yhdentekevää onko liittymispisteen takana yksi vai useita tuotantoyksiköitä. Toisaaltayksittäinen tuotantoyksikkö voi toimia itsenäisesti ja siten täyttää voimalan tunnusmerkit. Jos pien-tuotanto määritellään tuotantotehon perusteella, tehorajaa on hyvin vaikea määritellä.

Selkeintä ja suoraviivaisinta olisi siten määritellä pientuotanto jännitetason mukaan eikä tehon mu-kaan. Määritelmä voisi kuulua: pienvoimala on sähköntuotantolaitos, joka on liitetty verkonhaltijanpien- tai keskijänniteverkkoon (400 V...70 kV) tai siihen liitetyn asiakkaan verkkoon (Lemström2006).

11

2.2 Verkkoonliittyjän tekniset laatuvaatimukset

Sähköenergialiitto ry SENER on julkaissut suosituksen pienvoimaloiden liittämisestä jakeluverkkoonvuonna 2001. Suosituksessa on esitetty eri voimalaitostyyppejä koskevat keskeiset vaatimukset kos-kien niiden turvallisuutta, suojausta ja häiriövaikutuksia. Julkaisu on suunnattu ohjeeksiverkonhaltijoille yleiseen jakeluverkkoon liitettävän pienvoimalan tapauskohtaisesta menettelystä.

Yleistä valtakunnallista verkkoon liittämistä koskevaa suositusta ei vielä ole julkaistu. Sähköyhtiötovatkin koonneet omat suosituksensa Senerin antamien ohjeiden pohjalta. Energiateollisuus ry onjulkaissut sähköntuotannon verkkopalveluehdot TYPE 05 suosituksen, jossa kohdan 4.3.2. mu-kaan:

"Standardien puuttuessa sopijapuolet voivat sopia noudatettavista ohjeista. Jakeluverkon haltija voi myös antaakansainväliseen käytäntöön ja hyvään sähkölaitteistojen rakennus- ja käyttötapaan perustuvia suosituksia taiohjeita sähköntuottajan laitteistojen jakeluverkkoon liittämiseksi. Sopijapuolet vastaavat omien laitteistojensa sään-töjen ja määräysten mukaisuudesta mahdollisista ohjeista ja suosituksista riippumatta."

2.2.1 Sähköverkkoyhtiön suositus verkkoon liittymisestä

Jakeluverkonhaltijana Savon Voima (SV) on tehnyt suositusluonnoksen siitä, kuinka liittyminen tu-lisi toteuttaa. Seuraavaksi on esitelty osioita tuosta luonnoksesta.

Ohjeen tarkoitus on määritellä ehdot, joiden avulla mahdollistetaan asiakkaiden omien, kiinteästiasennettujen voimalaitteistojen käyttö Savon Voiman jakeluverkossa, aiheuttamatta häiriöitä jakelu-verkolle ja sen muille käyttäjille tai varaa sen kanssa tekemisissä oleville henkilöille. Erityisesti jake-luverkon haltijan tietämättä syntyvät takajännitteet ja yleisen jakeluverkon eroaminen erilliseksi asi-akkaan voimalaitteiden syöttämäksi saarekkeeksi tulee olla estetty.

SV:n jakeluverkkoon liitetyt voimalaitokset jaotellaan neljään ryhmään seuraavasti:

Lk 1 Yleisestä jakeluverkosta aina erillään toimivat voimalaitteistotLk 2 Yleisestä jakeluverkosta erillään käyvät automaattisella syötönvaihdolla toteutetutvoimalaitteistotLk 3 Yleisen jakeluverkon kanssa rinnan käyvät voimalaitteistotLk 4 Yleisen jakeluverkon kanssa rinnan käyvät pienvoimalaitokset, joiden ylijäämäenergia voi-daan myydä jakeluverkkoon.

Koekohteena oleva vesivoimalaitos kuuluu luokkaan 4, joten keskitytään siihen. Ohjeet voimalai-tosten käytölle ja relesuojaukselle määritellään aina tapauskohtaisesti.

Yleisohje:

- voimalaitteisto ei saa aiheuttaa häiriötä sähköverkkoon käynnistymisen eikä normaalinkäytönaikana. Laitteiston syöttämän sähkön tulee täyttää yleiseen jakeluun tarkoitetun sähkön laatu-standardien vaatimukset. Laitteisto on tätä varten varustettava tarpeellisilla säätölaitteilla.

- asynkronigeneraattorin sähköverkkoon kytkeminen tulee yleensä tapahtua 97...103 % synk-ronisella pyörimisnopeudella. Mikäli generaattorin käynnistysvirta on niin pieni, ettei se aiheutahäiriöitä sähköverkkoon, voidaan sopia muunlaisesta käynnistymisestä.

12

- voimalaitteisto on varustettava laitteilla, joilla sen voi erottaa yleisestä jakeluverkosta. Näidenlaitteiden on oltava jatkuvasti SV:n käytettävissä.

- SV:llä on oikeus erottaa voimalaitteisto verkosta, jos verkkotyöt niin edellyttävät.

- SV voi erottaa voimalaitteiston verkosta ilman eri ilmoitusta, jos se ei täytä liittymälle asetettujavaatimuksia tai aiheuttaa häiriöitä muulle verkolle.

- laitteistolla täytyy olla nimitetty käytönjohtaja ja paikallinen vastuuhenkilö.

Voimalaitteisto ei saa jäädä syöttämään SV:n jakeluverkkoa silloin, kun verkkoa ei syötetä muualta,koska verkon uudelleen syöttäminen on voitava aloittaa ilman asiakkaan voimalaitteistoon kohdis-tuvia toimenpiteitä. Erottaminen on tarpeen myös jakeluverkon työturvallisuuden varmistamiseksija sen vuoksi, että pienvoimalaitteiston sähkölaitteita ei yleensä pystytä estämään verkkoon liitetyillesähkölaitteille vaarallisten jännite- ja taajuuspoikkeamien syntymistä silloin, kun voimalaitteisto jääyksinään syöttämään verkkoa.

Voimalaitteisto on varustettava vähintään seuraavilla turvallisen ja tarkoituksenmukaisen toimin-nan edellyttämillä suojalaitteilla:

- Yksinään syötön estämiseksi jänniterele, joka laukaisee generaattorin irti verkosta, kun jännitepoikkeaa enemmän kuin 15 % nimellisjännitteestä, tai taajuusrele, joka laukaisee generaattorinirti verkosta, kun taajuus poikkeaa enemmän kuin 3 Hz nimellistaajuudesta (50 Hz). Jännitettätai taajuutta valvova rele tarvitaan paitsi synkronigeneraattoreilla myös asynkronigeneraattoreilla,koska jännitettä ylläpitävää kondensaattoritehoa voi olla kytkeytyneenä verkon osaan, jota sevoi jäädä yksinään syöttämään.

- Kuluttajalaitteiden suojaus vaarallisilta jännite- ja taajuuspoikkeamilta:

xx- ylijännitesuoja U>xx- alijännitesuoja U<xx- ylitaajuussuoja f>xx- alitaajuussuoja f<

Jännitereleiden tulee olla kolmivaiheisia.

- Oikosulkusuoja:- ylivirtarele- ylikuormitussuoja.

- Koneisto on oman suojauksen kannalta tarpeen varustaa muillakin suojalaitteilla. SV ei vastaasähköverkkonsa häiriöiden mahdollisista vaikutuksista asiakkaan voimalaitokseen.

- SV suosittaa voimalaitteiston suojaukselle ja rakenteelle asetettavan sellaisia vaatimuksia, ettävoimalaitteisto sietää rinnankäyntitilanteissa rikkoutumatta SV:n verkon käyttöhäiriöt, so.oikosulut, maasulut pikajälleenkytkentöineen, yllättävät jakelukeskeytykset ja taajuushäiriöt. Em.häiriöt voivat aiheuttaa voimalaitokselle jännitteen palatessa tahdistamattoman jälleen-kytkeytymisen elleivät suojareleet ole erottanet voimalaitteista SV:n verkosta (SV:n 20 kV:nkeskijännitejakeluverkon automaattinen pikajällenkytkentä voi tapahtua 0,4 s keskeytyksen jäl-keen).

13

SV:lle tulee toimittaa luokan 4 laitteistosta seuraavat tiedot hyvissä ajoin ennen suunniteltua verk-koon liittymistä:

- voimakoneen ja generaattorin valmistaja ja sarjanumero

- voimakoneen laji (vesi, tuuli, kaasu, diesel jne.)

- generaattorin laji ja vähintään seuraavat arvot:

- nimellisteho Sn

- nimellisjännite Un

- reaktanssit Xd'', Xd', Xd, X2

- aikavakiot Tdo'', Tdo'

- särökerroin

- magnetointilaitteiston tyyppi

- mahdollisimman tarkat tiedot oikosulkukäyttäytymisestä (oikosulkuvirran muutokset ajan funk-tiona säätölaitteiden toiminta huomioon ottaen)

- jos generaattori on blokkikytkentäinen, lisäksi blokkimuuntajan arvot:

xx- nimellisteho Sn

xx- muuntosuhde

xx- kytkentäryhmä

xx- oikosulkuimpedanssi uk

- asiakkaan verkon kytkentäkaavio

- generaattorin suojauskaavio toiminta-arvoineen

- asiakkaan keskijänniteverkon suojauskaavio toiminta-arvoineen

Suojareleiden toiminta-arvojen asetteluarvojen määritys tapahtuu yhteistyössä SV:n kanssa. Laitossaadaan kytkeä SV:n verkkoon vasta kun SV on antanut siihen luvan. Ennen käyttöönottoa SV:lleon toimitettava suojareleiden koestuspöytäkirjat.

Luokan 4 laitoksissa suositellaan liittämiskohdan sähkön siirron mittauksen olevan varustettukahdensuuntaisella tuntienergiaa rekisteröivällä, kaukoluettavalla mittauksella, erityisesti yli 2 MWgeneraattoritehon asiakaslaitoksissa.

Luokan 4 voimalaitteista tehdään aina erillinen käyttösopimus verkonhaltijan kanssa riippumattasiitä kuka on sähkön myyjä.

14

2.2.2 Jännite- ja taajuuspoikkeamat

Yleisen jakeluverkon jännitettä ja taajuutta koskevat säännökset määräävät standardissa SFS-EN50160, että jännitteen jokaisen viikon aikaisten 10 minuutin tehollisarvoista tulee 95 % olla välillä ±10 % nimellisjännitteestä. Taajuus voi vaihdella rajoissa, missä 99,5 % on sovittava välille 49,5 ...50,5 Hz ja kaikki muutokset eli 100 % välille 47 ... 52 Hz.

Pienvoimaloille on asetettu omat raja-arvonsa, joiden sisällä laitteiston tuottaman sähkönlaaduntulee pysyä. Nämä arvot poikkeavat yleiselle jakeluverkolle asetetuista vaatimuksista ja ovat standardi-arvoja tiukempia, sillä nykyaikaisten laitteiden tulee pystyä saavuttamaan standardia pienemmätarvot.

Vesivoimalaitoskohteessa voimalan syöttäessä energiaa jakeluverkkoon kohoaa liittymispisteen jän-nite noin 10 volttia yli nimellisen, mikä on tyypillistä voimantuotannossa. Tosin verkon jännite onhieman yli nimellisen arvon jo sen takia, että jakelumuuntaja sijaitsee voimalan välittömässä lähei-syydessä. Generaattorin verkkoonliittyminen ja verkosta eroaminen hoidetaan standardin määrittele-missä rajoissa. Saarekekäytön aikana, jolloin syötetään tilan omaa verkkoa, näitä esitettyjä raja-arvo-ja ei voida täysin noudattaa. Syynä tähän menettelyyn on tavoite pitää saareke jännitteellisenä ver-kon sortuessa jonkin vian seurauksena. Tämä verkosta irtoamistilanne on yleensä niin raju, ettäsaarekkeen suojauksessa ei voida käyttää samoja jännite- ja taajuusrajoja kuin verkon suojauksessa.Saarekkeelle on määritelty jännitteen raja-arvoiksi alarajaksi 180 V ja ylärajaksi 270 V. Taajuus saavaihdella 40 - 60 Hz välillä saarekekäytössä, muutostilanteiden aikana.

2.2.3 Suojaus

Suojaukselle asetettavia vaatimuksia ovat selektiivisyys, aukottomuus ja luotettavuus. Pienvoimalanliittäminen jakeluverkkoon nostaa esille monia huomioon otettavia asioita, jotka liittyvät verkonsuojauksen toimivuuteen ja yleiseen turvallisuuteen. Taulukossa 1 on esitelty suojareleiltä vaaditta-via toiminta-aikoja. Toimivan suojauksen avulla on mahdollista voimalan käyttö jakeluverkossa si-ten, että siitä ei aiheudu häiriöitä tai vaaraa verkolle ja muille kuluttajille tai verkolla työskentelevillehenkilöille. Esitellyt suojauksen perusvaatimukset tarkoittavat pienvoimalan tapauksessa seuraa-vaa:

- suojauksen on erotettava pienvoimala verkosta silloin, kun verkkoa ei syötetä muualta tai kunverkon jännite katoaa kokonaan tai osittain. Erottaminen on tarpeen mm. työturvallisuudenvarmistamiseksi.

- verkon uudelleen syöttäminen on voitava aloittaa ilman pienvoimalaan kohdistuvia toimenpitei-tä.

- pienvoimala ei saa aiheuttaa johdon jälleenkytkennän epäonnistumista pitämällä valokaarta yllävikapaikassa.

- suojauksen on erotettava pienvoimala verkosta, jos verkon jännite ja taajuus poikkeavat nor-maalista.

- pienvoimalaa ei saa kytkeä verkkoon, jos yleisen jakeluverkon kaikki vaiheet eivät ole jännitteellisiä.

- muiden asiakkaiden turhia verkosta erottamisia on vältettävä. Pienvoimalan suojauksen on olta-va selektiivinen verkon muun suojauksen kanssa. Myöskään itse voimalaitos ei saisi tarpeetto-masti erota verkosta. (Sener 2001)

15

2.3 Esimerkkejä pienimuotoisesta sähköntuotannosta

2.3.1 Yleistä

Pienet, suuruusluokaltaan alle 100 kW tuotantolaitokset voidaan liittää pienjänniteverkkoon (400V) joko oman liittymispisteen kautta tai sähkönkäyttöpaikan rinnalle yhteisen liittymispisteen taak-se. Jakelumuuntajan napoihin liitetty voimala voi olla suurempi, suuruusluokaltaan muutamia satojakilowatteja. Pienjänniteverkkoon liitettäviä tuotantoteknologioita ovat esimerkiksi maatilojen bio-kaasulaitokset, aurinkosähköjärjestelmät ja mikroturbiinit.

Keskijännitteeksi lasketaan jännitetasot 6 - 70 kV. Keskijänniteverkko on Suomessa tavallisesti 20kV tai 10 kV. Voimalan maksimikoko riippuu liittymispisteen oikosulkutehosta ja siten vahvastiliittymispisteen etäisyydestä sähköasemalta. Lähelle sähköasemaa tai omalla keskijännitelähdölläsuoraan 110/20 kV sähköasemaan voi liittää tuotantoa noin 10 - 20 MW verran. Yli 500 kWvoimaloilla on yleensä voimalaitoskohtaiset jakelumuuntajat, jonka kautta ne liittyvät keskijännite-verkkoon.

Suomessa on, määrittelystä riippuen, kolmisen sataa pienvoimalaa. Alle 1 MW laitoksia näistä onnoin 130 - 140. Taulukossa 2. on esitetty arvio Suomen lämpö-, vesi- ja tuulivoimaloiden määristä japienten voimaloiden osuus voimalatyypeittäin. Aurinkosähköjärjestelmät, joita on vain muutama,eivät ole mukana taulukon tiedoissa. Taulukko ei ole ajantasainen, koska vuoden 1996 jälkeen voi-maloiden teho- ja tuotantotiedot lakkasivat olemasta julkisia.

Taulukko 2. Suomen lämpö-, vesi- ja tuulivoimaloiden lukumäärät ja osuus kokoluokittain (Lemström 2006).

Taulukko 1. Suojausreleiltä vaadittavia toiminta-aikoja. (Kuopion Energia 2006)

Lämpövoima Vesivoima Tuulivoima

Laitoksia yhteensä n. 280 n. 210 94

5 - 10 MW 15 % 11 %2,5 - 5 MW 12 % 10 % 2 %1 - 2,5 MW 5 % 19 % 37 %alle 1 MW 3 % 31 % 61 %

Rele

Ylijännite

Alijännite

Ylitaajuus

Alitaajuus

Asetteluarvo

Un + 15 %Un + 10 %

Un - 15 %Un - 50 %

51 Hz

48 Hz

Toiminta-aika

0.15 s1.5 s

5 s0.15 ... 1.0 s

0.2 s

0.2 s

16

Valtaosa näistä voimaloista on liitetty keskijänniteverkkoon. Jakeluverkonhaltijat ilmoittivatvastaanottaneensa vuonna 2004 pienjänniteverkossa olevilta voimaloilta 35 GWh ja keskijännite-verkon voimaloilta 1735 GWh.

Suomessa tuotettiin biokaasulaitosrekisterin mukaan vuonna 2005 yhteensä 144,9 miljoonaa m3 bio-kaasua reaktorilaitoksilla. Ylivoimaisesti suurin kaasuntuotanto on kaatopaikoilla, joilla tuotet-tiin118,4 miljoonaa m3 biokaasua. Yhdyskuntien ja teollisuuden jätevedenpuhdistamot tuottivat 26,5miljoonaa m3 biokaasua. Maatalouden biokaasuntuotanto oli 244000 m3. (Kuittinen 2006)

Edellä mainitusta kokonaismäärästä noin 65 % hyödynnettiin lämmön ja sähkön tuotannossa. Läm-pöä tuotettiin biokaasulla 380,5 GWh ja sähköä 42,1 GWh. Sähköstä 27,7 GWh tuotettiin yhdys-kuntien jätevedenpuhdistamoissa. Esimerkkilaitoksena esitetään maatalouden biokaasulaitokset (luku2.3.2) ja Kuopion Lehtoniemen jätevedenpuhdistamon biokaasulaitos (luku 2.3.3).

2.3.2 Maatalouden biovoimalaitokset

Maataloudessa lannan ja muiden orgaanisten jätteiden käsittelyssä anaerobinen käsittelytapa on var-teenotettava vaihtoehto. Tätä puoltavat mm. paraneva hygienia, hajuhaittojen väheneminen ja tuo-tetun biokaasun kautta saatava taloudellinen hyöty. Tilakohtaisia biovoimalaitoksia oli vuoden 2005lopulla toiminnassa Halsualla, Kalajoella, Jepualla, Nivalassa, Laukaassa ja Taipalsaaressa. (Kuittinen2006)

Kiinnostusta biokaasulaitosten rakentamiseen ovat lisänneet parantuva energiaomavaraisuus, mah-dollisuus kaasun ajoneuvokäyttöön sekä ympäristönäkökohtien huomioiminen. Vuoden 2005 lopus-sa uusia reaktorihankkeita oli valmistumassa tai jo toiminnassa Haapavedellä, Kalannissa, Nivalas-sa, Orivedellä, Säkylässä ja Virroilla.

Vuoden 2005 tuotantotilastojen mukaan biokaasua tuotettiin 244000 m3, josta melkein kaikkihyödynnettiin lämmön ja sähkön tuotantoon. Lämpöä tuotettiin toiminnassa olevilla laitoksilla 1149MWh. Vain kahdella tilalla tuotettiin sähköä: Halsualla 104 MWh ja Laukaalla 47 MWh (yhteensä151 MWh). Kuvassa 1 esitetään periaatekuva biokaasun tuottamisesta ja käytöstä maatilalla.

Kuva 1. Biokaasun käyttö maatilalla.

17

Halsualla toimii Metener Oy:n suunnittelema ja rakennuttama 250 m3 biokaasureaktori. Raaka-ai-neena laitoksella käytetään sikalietettä, kunnan puhdistamo- ja sakokaivolietettä, perunajätettä sekäpaperiteollisuuden massoja ym. biohajoavaa jätettä. Energiaa tuotetaan biokaasuaggregaatilla ja lämpö-kattilalla. Vuonna 2005 laitos tuotti 95000 m3 biokaasua, josta saatiin lämpöä 386 MWh ja sähköä104 MWh. Tuotettu sähkö ja lämpö käytetään sikalan ja biokaasulaitoksen tarpeisiin. Ylijäämälämpöjohdetaan lauhduttimen kautta ulos. Ylijäämäsähkö ohjataan valtakunnan verkkoon Korpelan Voi-malle. Laitoksen toimintavarmuus on ollut hyvä. Elokuusta 2005 alkaen reaktorin prosessilämpötilaon nostettu +55 ºC:een.

Kalmarin tilalla Laukaassa toimii tilan omana työnä valmistunut biokaasulaitos, jossa käsitellääntilan lietelannan lisäksi elintarviketeollisuuden sokeri- ja rasvajätteitä. Laitos tuottaa koko tilan tar-vitseman lämpöenergian; sähköä tuotetaan lähinnä talvipäivisin. Aggregaatin tuottama hukkalämpöhyödynnetään lämmönvaihtimilla tilan keskuslämmityksessä. Tilalle on hankittu Suomen ensimmäi-nen biokaasulla toimiva henkilöauto vuoden 2002 lopulla. Jyväskylän yliopisto jatkaa tilalla tutki-muksiaan eri kasvimassoilla kahdessa eri pilottireaktorissa.

Kalmarin tilalla tuotettiin biokaasua 60000 m3 vuonna 2005, josta saatiin lämpöä 274 MWh ja säh-köä 47 MWh. Energia tuotetaan biokaasukäyttöisellä Sisun ottomoottorilla, joka on muunnos Valtrallevalmistettavasta dieselmoottorista. Kokoluokka tällä ns. Micro-CHP-laitoksella on sähkötehona 30kW ja lämpötehona 60 kW.

Virroilla on käynnistetty vuoden 2005 lopulla maatilaratkaisu, jossa on NHK-Keskus Oy:n jaGreenvironment Oy:n yhdessä kehittämä laitteisto, joka perustuu ns. mikroturbiinitekniikkaan. Ra-kenteeltaan mikroturbiini on käytännössä sama kuin polttomoottoreissa käytetty turboahdin. Ahdinsyöttää erilliseen polttokammioon ilmaa ja johon syötetään polttoainetta. Kuuma palava pakokaasupurkautuu voimalla ulos turbiinin läpi pyörittäen sitä. Ahtimen päässä on 30 kW generaattori. Lai-toksen lämpöteho on 60 kW. Mikroturbiinit ovat vielä melko kalliitta verrattuna kaasumoottoreidenhintoihin, mutta niiden huoltotarve on puolestaan vähäistä.

Maatilaratkaisuissa (Halsua, Laukaa, Virrat) sähköntuotanto perustuu generaattoriin, joka toimii rinnanjakeluverkon kanssa. Verkkohäiriöiden seurauksena tällaiset generaattorit kytkeytyvät pois käytöstäeikä niitä käytetä ns. varavoimakoneena.

Biokaasun mitoituksessa kaasun saannin arviointi on hyvin tärkeätä pystyä määrittämään tarkasti,jotta sitä polttavan laitteen mitoitus onnistuisi. Kaasua polttavan moottorin sähköntuottoteho onoltava riittävän suuri, jotta kaasun polttaminen kannattaa muuttuvien kulujen kannalta. Tämä tar-koittaa sitä, että maatilan kaasuntuottomäärät ohjaavat sitä, kannattaako kaasusta tuottaa lämmönlisäksi sähköä. Moni maatila on päätynyt polttamaan saadun kaasun kattilassa pelkästäänlämpöenergiaksi. Aina ei siis ole tarve tuottaa sähköä biokaasusta, vaan maatilan oma energiantarvemäärittelee minkä tyyppistä energiaa kannattaa tuottaa.

2.3.3 Biokaasulla tuotetun energian käyttökokemuksia

Biokaasua on hyödynnetty jo vuosia teollisuusprosesseissa, joissa käsitellään suuria jätemääriä, silläkäsittelyprosesseissa muodostuvaa metaania kannattaa kerätä talteen ja polttaa lämpöenergiaksi.Yhdeksi esimerkkikohteeksi valittiin Kuopion Veden Lehtoniemen jätevedenpuhdistamo, joka ontoiminut vuodesta 1974 lähtien. Laitoksella on biokaasumoottorilla toteutettu CHP- voimalaitos.

Laitos käyttää bioreaktorista saatavaa biokaasua energianlähteenään. Laitos on suunniteltu niin, ettäse pystyy käymään valtakunnan verkon kanssa rinnan ja se voi syöttää ylijäämäenergiaa verkkoon taipelkästään saarekkeena syöttäen omia varmennettuja kuormiaan.

18

Lehtoniemen jätevesipuhdistamo on otettu käyttöön 1974. Vuonna 1988 otettiin käyttöön mädättämö,josta saadaan biokaasua. Samassa yhteydessä laitoksella uusittiin lietteen kuivaus ja varastointi sekäosa automaatiota. Laajempi automaation uusiminen tapahtui vuonna 1995. Puhdistamon ensimmäi-nen kaasumoottori oli asennettu pyörittämään kompressoria, joka kehitti jäteveden puhdistamiseentarvittavaa paineilmaa. Vuonna 2003 laitokselle asennettiin uusi kaasumoottori-generaattori-yhdis-telmä ja samalla aloitettiin sähköntuotanto. Kaasumoottorin tuottama lämpö käytetään bioprosessinlämmitykseen ja saatava sähköenergia käytetään pääasiassa laitoksella.

Biokaasumoottorin tekniset tiedot:Valmistaja: Jenbacher AG, ItävaltaToimintaperiaate: Turboahdettu ottomoottoriTyyppi: J 208 - C21Kokonaisteho: 869 kWKaasun teho: 132 Nm³/hSähköteho: 330 kWSylintereiden lukumäärä: 8 kplSylinteritilavuus: 16,6 litraaPuristussuhde: 12,00Sähköhyötysuhde: 38 %Lämpöhyötysuhde: 48,5 %Kokonaishyötysuhde: 86,4 %Kokonaismassa: 2000 kg

Generaattorin tiedot:Valmistaja: StamforsTyyppi: HCI 534 E2, 600 kVAToimintaperiaate: TahtigeneraattoriHyötysuhde (cos f = 1): 96,5 %Nimellisjännite: 400 V

Kuva 2. Lehtoniemen biokaasumoottorin 30 000 tunnin huolto käynnissä.

19

Kaasumoottoria ajetaan saatavan kaasumäärän mukaan tehotasoilla 80%, 70% ja 50%. Koneen kes-ton kannalta on edullista ajaa tiettyä tehotasoa, eikä säätää tehoa kokoaikaa muuttuvan kaasumääränmukaan.

Vuonna 2004 puhdistamo käsitteli jätevettä keskimäärin 22 000 m3/d ja koko vuoden aikana yh-teensä noin 8,4 Mm3. Tästä määrästä eri käsittelyvaiheiden jälkeen saadaan lietettä mädättämöönkeskimäärin noin 300 m3/d, jonka viipymä on noin 20 päivää. Mädättämöiden yhteistilavuus on6000 m3. Mädättämöihin pumpattavan lietteen kuiva-ainepitoisuus on noin 3 %.

Mädätysprosessissa syntyvä biokaasu poltetaan kaasumoottorissa ja lämpökattiloissa. Biokaasunmuodostuksen ja kulutuksen välistä eroa tasataan kaasukellolla, jonka tilavuus on 1000 m3 ja kaasunkäyttöpaine 3 kPa. Biokaasua syntyy noin 1,2 Mm3/a ja sen metaanipitoisuus on keskimäärin 66 %.Vuositasolla biokaasulla tuotetaan sähköä 2000 MWh ja lämpöä 3600 MWh. Kaasumoottorin jalämpökattiloiden varajärjestelmänä on ylijäämäkaasupoltin, joka syttyy automaattisesti kaasukellontäytyttyä ja polttaa ylimääräisen kaasun. Tarvittaessa lämpökattiloissa voidaan käyttää polttoainee-na myös kevyttä polttoöljyä.

Puhdistettu jätevesi ohjataan Kallaveteen ja mädätetty jäteliete kuivataan ja sitä käytetäänmaisemointiin ja viherrakentamiseen hyvien ravinne ominaisuuksiensa vuoksi.

Kuva 3. Puhdistamon prosessikaavio, josta selviää jäteveden kierto ja loppusijoitus.

20

Kuva 4. Kaasumoottorin valvontaikkuna, josta seurataan prosessin toimintaa valvomosta käsin.

21

3.3.3.3.3. MAA MAA MAA MAA MAATTTTTALOUDEN BIOALOUDEN BIOALOUDEN BIOALOUDEN BIOALOUDEN BIOVVVVVOIMALAITOIMALAITOIMALAITOIMALAITOIMALAITOSTENOSTENOSTENOSTENOSTEN3.3.3.3.3. SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUO SÄHKÖNTUOTTTTTANTANTANTANTANTOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAOMAHDOLLISUUDET POHJOIS-SAVVVVVOSSAOSSAOSSAOSSAOSSA

3.1 Valtakunnallisia arvioita maatalouden energiantuotannon potentiaalista ja käytöstä

Suomen maatilojen energiatuotantopotentiaalia on arvioitu Jyväskylän yliopistossa vuonna 2006 jul-kaistussa tutkimuksessa. Energiantuotantoon soveltuvien kasvien (viljat, heinät, sokerijuurikas, rypsi,rapsi) primäärienergiasato vuonna 2005 oli selvityksen mukaan noin 41,7 TWh. Puun ja lannan tuo-tanto mukaan lukien maatilojen bioenergian tuotto oli 66,7 TWh eli yli 6-kertainen maatilojenprimäärienergiankulutukseen verrattuna ja 16 % Suomen primäärienergian kulutuksesta. (Lampinen2006)

Tästä potentiaalista maatilat käyttivät vuonna 2005 yhteensä 1670 GWh eli 2,5 %. Siitä 1330 GWhkäytettiin maatiloilla (polttopuu) ja 330 GWh vietiin keskitettyyn tuotantolaitokseen (ruokohelpi).Oljen energiakäyttö on noin 6000 tonnia vuodessa eli promille 5,4 miljoonan tonnin tuotannosta.Energiasatoisimmat nykyisistä peltokasveista ovat sokerijuurikas ja ruokohelpi. Ruokohelpeä voi-daan viljellä koko Suomessa, mutta sokerijuurikas soveltuu viljelyyn vain Etelä- ja Keski-Suomessa.(Lampinen 2006)

Koko maassa ruokohelpin viljelyala vuonna 2005 oli 10 200 hehtaaria. MTT on esittänyt, että valta-kunnallisesti energiantuotantoon voidaan suhteellisen lyhyessä ajassa saada 500 000 peltohehtaaria!Tästä saatavan vuosisadon energiasisältö on ainakin 15 TWh. Vapo on esittänyt, että ruokohelpinviljelyala voisi olla 75 000 jo vuonna 2010, joskin MTT ennakoi vähän pienempää toteutumaa.(Rikkonen 2006)

Kanta-Hämeessä on tehty ammattikorkeakoulun opinnäytetyönä selvitys maakunnan biokaasun tuo-tanto- ja käyttömahdollisuuksista. Tutkimuksessa on selvitetty mm. maatalouden biokaasutuotanto-mahdollisuuksia yhdeksän suuren maatalousyrittäjän tilatiedoista. Tilojen lietelantamäärät vaihtele-vat välillä 2130 ... 7660 m3/a. Yhteensä näiden yhdeksän tilan lietelannan tuotto on 39 000 m3/a jaarvioitu biokaasuntuotanto 1,3 milj. m3/a. Tästä yhteismäärästä on arvioitu varsin korkealla kuiva-ainepitoisuudella biokaasun sähköntuotantomääräksi 2149 ... 2930 MWh/a. (Hatsala 2004)

3.2 Potentiaalikartoitus

Projektin alkuvaiheessa Savonia-ammattikorkeakoulun insinööriopiskelija Jari Tuomainen tekiinsinöörityön aiheesta "Hajautetun energiantuotannon potentiaali Pohjois-Savossa". Työ kuului osaksitätä paikallissähköprojektia. Tuomaisen insinöörityön tuloksena löydettiin hajautettuun energian-tuotantoon soveltuvat biopolttoaineet, joista tärkeimpiä ovat biokaasu ja puu. (Tuomainen 2004)

Pohjois-Savossa energiantuotantoon soveltuvaa puuraaka-ainetta on saatavilla paljon. Metsähakkeellaja mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteilla voitaisiin Pohjois-Savossa tuottaa yhteensä noin 2600GWh energiaa vuodessa. Sähköä tästä energiamäärästä voitaisiin tuottaa noin 910 GWh/a.Metsähakkeen osuus tästä energiamäärästä on noin 420 GWh/a ja mekaanisen metsäteollisuudenosuus on noin 490 GWh/a. Puun potentiaali yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa jää kuiten-kin alhaiseksi, koska sähköntuotantoon soveltuvaa tekniikkaa ei ole olemassa pienessä kokoluokassa.Höyryturbiinilaitokset ovat kokoluokaltaan liian suuria, ja kaasutustekniikka on vielä liian kallista jasillä saavutettava sähköteho ei usein riitä kattamaan tuotantolaitosten tarvitsemaa sähköenergiaa.(Tuomainen 2004)

Peltobiomassoista saatavien kiinteiden ja nestemäisten polttoaineiden määrä Pohjois-Savossa on pieni,joskin niiden käyttö lietelannan kanssa bioreaktoreissa voisi olla kannattavaa.

22

Varteenotettavin vaihtoehto hajautetun energiantuotannon kannalta on maatalouden jätteidenkäsittelyllä tuotettu biokaasu. Pohjois-Savon maaseutukeskus arvioi, että vuonna 2004 Pohjois-Sa-vossa oli noin 15 potentiaalista tilaa (lietteen tuotto vähintään 2000 m3/a), jotka soveltuisivatbiokaasuntuotantoon. Näille tiloille olisi mahdollista rakentaa biokaasulaitokset, jotka voisivat teo-riassa tuottaa sähköenergiaa yhteensä noin 544 MWh/a. Yhden tilan sähköntuotanto tapahtuu noin12 kW sähköteholla, jos sähköntuotannon käyttöaika on 8 h/vrk. Viidellä tilalla voisi olla mahdolli-suuksia lietteen tuottoon 4000 m3/a, jolloin yhteinen sähköntuotantopotentiaali kasvaisi arvoon726 MWh/a. (Tuomainen 2004)

3.3 Taustatietoja potentiaalikartoituksen tarkentamiseen, lietelannasta biokaasua

Tuomaisen tekemä potentiaalikartoitus perustui niihin yleisiin tietoihin, joita hänellä oli käytettävis-sään. Esimerkiksi Pohjois-Savon ammattikorkeakoulun Malla-hankkeet antoivat varsin hyvät lähtö-tiedot lietteiden ja lantojen käsittelystä ja potentiaalista Pohjois-Savossa (Taavitsainen 2002,Taavitsainen 2006).

Paikallissähköprojektissa teetettiin kahden tyypillisen lantanäytteen analysointi Hämeen ammatti-korkeakoululla keväällä 2005. Toinen lietelantanäyte oli sikatilalta ja toinen nautatilalta. (Lanta-näytteiden ... 2005)

Lisäksi yhdeltä järjestelmätoimittajalta on saatu arvio sikatilan biovoimapotentiaalista (Biokaasu-laskelma 2004).

Näiden tietojen perusteella voidaan määrittää erilaisia potentiaaliskenaarioita, joilla maakunnanmahdollisten maatalouden biovoimalaitosten sähköntuotantomäärää voidaan arvioida.

Lietelanta mädätetään hallitussa prosessissa, jolloin muodostuu mm. metaania. Tämän kaasun-tuotannon määrää arvioidaan.

Lähtökohdaksi otetaan erikseen suuret nautatilat ja sikatilat, joiden biovoiman tuotantoa arvioidaanlietteen määrän perusteella. Lietteen kaasun tuotto arvioidaan kuiva-ainepitoisuuden, orgaanisenaineen määrän, metaanipitoisuuden (CH4) ja biokaasun tuoton perusteella. Arvioidaan, että tiloillakäytetään vain karjan lietelantaa. Laskelmien lähtökohdaksi otetaan metaanin tuotto yksikkönä lit-raa CH4 / kg lietelantaa, koska metaani on tärkein biokaasu. Vaikeutena tämän yksikön käytössä onse, että metaanin tuotto riippuu varsin paljon muista tekijöistä, kuten kuiva-ainepitoisuudesta jamädätysprosessin olosuhteista. Kuitenkin metaanin tuotto on se tekijä, joka voidaan kerätä aikai-semmin tehdyistä selvityksistä. Teoriatietona tunnetaan, että lietteen metaanipotentiaali on 0,4 - 0,9m3-metaania/kg orgaanista kiintoainetta (Taavitsainen 2002). MaLLa2-hankkeessa maatalouden liete-näytteistä teetettiin metaanintuottomääritykset, joiden tuloksena saatiin metaanintuotoksi 0,279 -0,598 m3-metaania/kg orgaanista kiintoainetta (6 näytettä).

Metaanin tuotto yksikkönä litraa CH4 / kg lietelantaa voidaan muuttaa yksiköksi energiapotentiaali /kg lietelantaa kertomalla metaanin litramäärä lantakilossa metaanin lämpöarvolla ja tiheydellä.Metaanin lämpöarvo (polttoarvo) on noin 50 MJ/kg = 50 kJ/g = 50 kWs/g ja metaanin tiheys on 72kg/m3 = 72 g/litra. Energiapotentiaali saadaan siten yhtälöstä:

missä: W = energiapotentiaali (kWh / kg lietelantaa)TS = lietteen kiintoainepitoisuus

(1)

23

M = metaanin tuotto litroina lietekilossa (l / kg orgaanista kiintoaineena)A = metaanin polttoarvo (kWs/g)p = metaanin tiheys (g/l)

Laskuesimerkkinä esitetään tapaus, jossa lähtötiedot ovat:

TS = 0,05M = 0,4 m3-metaania / kg orgaanista kiintoainetta = 400 litraa metaania / kg orgaanista kiintoainettaA = 50 kWs/g? = 0,72 g/litra

Tällöin voidaan arvioida, että mitattu lietteen määrä kiloina sisältää energiaa

Laskuesimerkki perustuu arvioon, että lietteen kiintoainepitoisuus (TS) on 5 % ja metaanin tuotto(M) on 0,4 m3-metaania/kg orgaanista kiintoainetta.

Lietelannan määräksi arvioidaan kymmenellä tilalla 2000 m3/a ja viidellä tilalla 4000 m3/a, kutenTuomainen on yhdeksi lähtökohdaksi asettanut. Arvioidaan, että nautatiloja on potentiaalissa enem-män kuin sikatiloja. Skenaarioissa arvioidaan myös muita lukumääriä.

Sähköntuotantopotentiaali arvioidaan metaanin energiasisällöstä siten, että saatu kaasu poltettaisiinmikroturbiinissa tai aggregaatissa, jolloin noin 1/3 kaasun energiasisällöstä voitaisiin muuttaasähköenergiaksi. Tällä hyötysuhteella sähköä voitaisiin tuottaa optimaalisissa olosuhteissa ottamat-ta huomioon esim. mädätysprosessin vaatimaa lämpöenergiaa. Arvioidaan sähköntuotantopotentiaaliamyös muulla hyötysuhteella kuin 1/3.

3.4 Skenaariot maatalouden lietteistä saatavan biokaasun sähköntuotantopotentiaalista

Lietelannasta saatavan metaanin energiantuotosta on eri laskelmissa ja tutkimuksessa käytetty seu-raavia arvioita perustuen aikaisemmin esitettyyn laskumalliin (yhtälö 1) ja eri selvityksissä näytteistäsaatuihin kiintoainepitoisuuksiin ja metaanintuottolukuihin (Taavitsainen 2002, Taavitsainen 2006,Biokaasulaskelma 2004, Lantanäytteiden ... 2005):

- sikalan lietelanta:- 0,11 kWh / kg lietelantaa näyteanalyysin mukainen tulos- 0,17 -¨- laitetoimittajan minimiarvio- 0,29 -¨- laitetoimittajan käyttämä keskiarvo

24

- 0,39 -¨- laitetoimittajan maksimiarvio- 0,11 -¨- näyteanalyysin tulos

- nautatilan lietelanta:- 0,18 kWh / kg lietelantaa näyteanalyysin mukainen tulos- 0,11 -¨- Malla-projektissa käytetty arvio- 0,06 -¨- insinöörityössä käytetty arvio- 0,18 -¨- näyteanalyysien minimiarvo

Hämeen ammattikorkeakoulun näyteanalyysien raportissa on esitetty, että verrattuna muihin saman-laisiin analyyseihin lantanäytteiden kaasutuotot ovat korkeita!

Sähköntuotantopotentiaali voidaan arvioida kaasutuoton (bruttoenergia) perusteella. Eri lähteissäon kaasutuoton perusteella arvioitu sähköntuotantopotentiaalia kertoimella (hyötysuhteella) 0,14 ...0,33.

Kuten Tuomaisen insinöörityössä on arvioitu, Pohjois-Savossa on noin 15 potentiaalista tilaa, jotkavoisivat muuttaa lannankäsittelyn bioreaktoripohjaiseksi, jolloin vapautuvaa energiaa voitaisiin käyttäälämpönä ja tuottaa myös sähköä. Tuomainen arvioi, että viidellä tilalla voisi olla mahdollisuudettuottaa 4000 m3 lietelantaa ja kymmenellä tilalla muodostuvan lietteen määrä olisi 2000 m3. Käyte-tään tätä lantamäärää pohjana arvioitaessa bioreaktoreiden sähköntuotantopotentiaalia. Sikatilojenlietteen määräksi arvioidaan 10 000 m3 ja nautalietteen määräksi 30 000 m3.

Käytettäessä analysoitujen näytteiden tulosten arvoja, saadaan kokonaispotentiaaliksi:

Tämä on biokaasun (metaanin) sisältämä bruttoenergiamäärä, josta saatava sähköenergia on kor-keintaan 1/3 eli 2167 MWh/a. Jos biovoimalaitos käy 8 h/vrk tasaisella teholla, tämä teho olisi 742kW.

Tuomaisen insinöörityössään laskema sähköenergian tuotantopotentiaali on 726 MWh/a, jolloinsähköteho olisi 246 kW (Tuomainen 2004).

Laitevalmistajan käyttämillä metaanin muodostumismäärillä (keskiarvo) päästäisiin jopa 11600 MWh/a bruttoenergiamäärään ja 3250 MWh/a sähköenergiamäärään (hyötysuhde 28 %), mutta tämä arviolienee liian korkea.

Malla-hankkeessa on käytetty metaanin tuottokertoimena 0,11 kWh/kg lantaa, josta laskelmat anta-vat bruttoenergiamääräksi 4400 MWh/a (Taavitsainen 2002). Arvioidaan, että tämä luku voisi edustaatodellista energiantuotantoprosessia. Sähköntuotannon hyötysuhde ei voi olla kovin korkea, koskaosa energiasta tarvitaan bioreaktion lämpötilan ylläpitämiseen ja koska reaktorin tuotto ei välttämät-tä joka tilanteessa ole sama kuin voimantuotantojärjestelmän mitoitustehot edellyttäisivät.Bruttoenergian tuotantomäärä olisi siten 4400 MWh/a. Käytetään hyötysuhteelle arviota 25 %. Tälläarviolla ja käyttöajalla 8 h/vrk, sähköntuotantopotentiaali olisi 1100 MWh/a sähköteholla 377 kW.

25

Tehdään kolme skenaariota maatilojen biokaasupohjaisesta sähköntuotantopotentiaalista Pohjois-Savossa seuraavin lähtötiedoin:

Skenaario 1 (optimistinen arvio):- Pohjois-Savossa 20 tilaa, yhteensä 50 000 m3 lietelantaa- Metaanin tuotto 0,15 kWh / kg lantaa- Sähköntuotannon hyötysuhde 30 %

Skenaario 2 (varsinainen arvio):- Pohjois-Savossa 15 tilaa, yhteensä 40 000 m3 lietelantaa- Metaanin tuotto 0,11 kWh / kg lantaa- Sähköntuotannon hyötysuhde 25 %

Skenaario 3 (pessimistinen arvio):- Pohjois-Savossa 10 tilaa, yhteensä 30 000 m3 lietelantaa- Metaanin tuotto 0,06 kWh / kg lantaa- Sähköntuotannon hyötysuhde 20 %

Skenaariot antavat maatalouden biovoiman sähköntuotantopotentiaaliksi Pohjois-Savossa seuraa-vat arvot:

Skenaario 1:- Sähköntuotantopotentiaali 2250 MWh/a- Sähköteho 770 kW (38 kW/yksikkö)

Skenaario 2:- Sähköntuotantopotentiaali 1100 MWh/a- Sähköteho 377 kW (25 kW/yksikkö)

Skenaario 3:- Sähköntuotantopotentiaali 360 MWh/a- Sähköteho 123 kW (12 kW/yksikkö)

Skenaariot on määritelty ottamatta mitenkään huomioon tilakohtaisen generaattoritehon suuruutta.Pikemminkin skenaariot osoittavat, mikä olisi tilakohtainen generaattoriteho keskimääräisellä käynti-ajalla 8 h/vrk. Laitetoimittajien mitoitusteho on tehty tyypillisesti 30 kW sähköteholle, ja tätä pie-nempiä tehoarvoja ei esitetä. Vain optimistinen skenaario johtaa vähintään 30 kW sähkötehoon.

Tässä yhteydessä voidaan myös arvioida pienin yksikkökoko (lietelantamäärä), jolla päästään halut-tuun vähintään 30 kW sähkötehoon käyttöajalla 8 h/vrk. Tämä tarkoittaisi vuositasolla tuotettavaasähköenergiaa 87,6 MWh/a. Sähköntuotannon hyötysuhteella 30 % tämä vastaisi bruttoenergiaa(biokaasun energiasisältöä) 292 MWh/a. Keskimääräisellä biokaasun energiasisällöllä (0,15 kWh /kg lietelantaa) päästäisiin vähimmäismäärään 1,95 milj. kg lietelantaa vuodessa ( = 1950 m3/a).

Jos käyttöaikaa voisi kasvattaa suuremmaksi kuin 8 h/vrk, se lisäisi selvästi laitoksen energiataseenperusteella määriteltävää kannattavuutta (luku 3.5). Esimerkiksi käyttöajalla 16 h/vrk ja lietteenenergiasisällöllä 0,15 kWh / kg tarvittaisiin lietelantaa vähintään 3900 m3/a, jotta biokaasua riittäisi30 kW sähköteholle.

26

Tilakohtaista biokaasuntuottoa voi nostaa lisäämällä lietelantaan muuta materiaalia. Suomessa toi-mivat maatalouden biokaasulaitokset käyttävät karjanlannan lisäksi muita biohajoavia jätteitä, jois-ta esimerkkeinä ovat kunnan puhdistamo- ja sakokaivoliete, perunajäte, paperiteollisuuden massat,elintarviketeollisuuden sokeri- ja rasvajätteet ja ruokohelpi.

Tuomaisen arvio siitä, että peltobiomassoista saatavien kiinteiden ja nestemäisten polttoaineidenkäyttö lietelannan kanssa bioreaktoreissa olisi kannattavaa, on oikeansuuntainen.

3.5 Energiataseselvitys

Maatilan biovoimalaitoskohdetta ei löydetty tämän projektin aikana, eikä biovoiman verkkoon-liittymistä suunniteltu sen pitemmälle, sillä ratkaisu olisi ollut jokseenkin samanlainen kuin vesi-voimalakohteessa. Jos generaattorityyppi olisi ollut sama kuin suomalaisissa maatalouden biokaasu-kohteissa, liityntälaitteisto olisi ollut hyvinkin yksinkertainen. Syynä, miksi toivottua kohdetta eilöytynyt, oli uuden tekniikan käyttökokemusten puute ja kokonaisinvestoinnin suuruus tämän het-ken tekniikalla, mikä lykkäsi maatilojen investointipäätöksiä kauemmaksi tulevaisuuteen.

Projektin aikana kuitenkin selvitettiin kahden maatilan energiataseet ja mahdollisen biovoimalantuottaman energian vaikutus energiataseeseen. Taseella tarkoitetaan tässä tapauksessa vuositasollaja eri vuodenaikoina arvioituja energiamääriä erikseen jaoteltuna tuotettuun, käytettyyn, myytyyn jaostettuun energiaan. Maatilan kannalta nämä energiat ovat erihintaisia. Tässä selvityksessä ei otetakantaa hintoihin.

Tyyppitiloina olivat maitotila ja sikatila, joille energiataseselvitykset tehtiin. Selvitys pohjautui tiet-tyjen kriteereiden mukaan luokiteltuihin mallitiloihin, joiden pohjalta sähköyhtiöt ovat muodosta-neet kuluttajakohtaiset sähköenergian käyttömallit. Tässä selvityksessä näiden kahden tilan kulutus-tiedot sovitettiin niitä vastaaviin malleihin. Karjan tuottaman lannan määrän ja kaasuntuottoarvojenperusteella selvitettiin laskentamallin avulla kuinka suuri osa tilan energiasta voitaisiin tuottaa omal-la sähkön ja lämmön tuotannolla. Laskentamallilla simuloidut tilanteet paljastivat energian tuotan-non ja oman kulutuksen osalta sen seikan, että tuotanto on ajoitettava oman kulutushuipun kohdal-le, jotta verkosta ei tarvitsisi ostaa sähköä eikä toisaalta siirtää sitä verkkoonkaan päin. Syynä tähänon sähkötaseselvityksen paljastamat laskelmat, jotka kertovat mikä kulutus- / tuotantomalli on talo-udellisesti kannattavaa.

Kuvassa 5 on laskentamallilla tulokseksi saatu maitotilan energiatasemalli, jossa lähtötietoina onollut todellinen lantamäärä ja sen metaanintuottoarvot, vuosittainen sähkön- ja lämmönkulutus, ti-latyypin mukaiset kulutusmallit ja biovoimalan tapauskohtaisesti suunniteltu käyttö. Näiden tieto-jen avulla on saatu määritellyksi sähkön- ja lämmönkulutus ja tuotanto. Laskentamallissa on käytettygeneraattorina mikroturbiinia, jonka teho on 30 kW ja se tuottaa sähköä noin 8 tuntia päivässä.

Kuvassa 5 kulutus tarkoittaa tilan kiinteää vuosittaista sähkönkulutusta, Osto tarkoittaa sitä energia-osaa, joka on vielä ostettava, vaikka tilalla toimii oma biovoimala. Tuotanto kertoo, kuinka paljonbiovoimala tuottaa sähköenergiaa. Oma käyttö tarkoittaa, kuinka paljon tila pystyy käyttämään omastasähköstään, ja Myynti vastaavasti, kuinka suuri osa omasta tuotannosta pitää myydä verkkoonylijäämäsähkönä. Lämmön tuotanto kertoo, kuinka paljon sähköntuotannossa syntyy hukkalämpöä,ja Oma käyttö kertoo tilan oman lämpöenergiatarpeen.

Liitteissä 1 ja 2 on esitetty täydelliset raportit kahden maatilan biovoiman käytön energiataseesta.

Yhteenvetona energiataseesta voidaan todeta, että on erittäin tärkeää mitoittaa laitos oikein. Sähkön-tuotannon kannalta tarvitaan pitkä käyttöaika, jolloin seisokit jäävät lyhyiksi, ja oma sähköntuotanto

27

kattaa omaa sähköntarvetta. Pitkä käyttöaika saadaan vain silloin, kun kaasua riittää tasaiseenenergiantuotantoon pienelläkin teholla. Sähkötehon ylimitoitus ei ole suotavaa. Ei ole taloudellisestikannattavaa myydä ylijäämäsähköä, mutta vastaavasti taas ostaa sähköä silloin, kun laitos ei tuotaenergiaa kaasuntuotannon loppuessa. Ostosähkön hinta lienee korkeampi kuin ylijäämäsähköstä saatukorvaus! Myös lämmöntarpeen kannalta tasainen lämmöntuotanto on perusteltua.

Kuva 5. Laskentamallilla on saatu erään maitotilan energiatasemalli.

28

4.4.4.4.4. PIENIMUO PIENIMUO PIENIMUO PIENIMUO PIENIMUOTTTTTOISEN SÄHKÖNTUOOISEN SÄHKÖNTUOOISEN SÄHKÖNTUOOISEN SÄHKÖNTUOOISEN SÄHKÖNTUOTTTTTANNON ANNON ANNON ANNON ANNON VERKKVERKKVERKKVERKKVERKKOONLIITTYMISENOONLIITTYMISENOONLIITTYMISENOONLIITTYMISENOONLIITTYMISEN4.4.4.4.4. SUUNNITTELUN SUUNNITTELUN SUUNNITTELUN SUUNNITTELUN SUUNNITTELUN TTTTTAAAAAVVVVVOITTEETOITTEETOITTEETOITTEETOITTEET

4.1 Yleisiä tavoitteita

Projektin tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa kaksi voimalaitoskohdetta. Projektin aikana saa-tiin kuitenkin suunnitelluksi ja toteutetuksi vain vesivoimalaitoskohde, sillä biokaasuvoimalaitos-kohdetta ei saatu lähtemään liikkeelle. Syynä biovoimalan estymiselle olivat uuden tekniikan käyttö-kokemusten puute ja hankkeen suuret kustannukset. Myös monet maatilat, jotka olivat mukanaehdokkaina voimalan kohdepaikaksi, eivät pystyneet lähtemään mukaan edellisten suurten inves-tointien vielä rasittaessa tilojen taloutta.

Vesivoimalaitoskohde saatiin käyntiin heti projektin alkuvaiheessa ja sen suunnittelua päästiin vie-mään eteenpäin. Tämän kohteen valintaa helpotti pakottava tarve saneerata voimalaitos ja toisaaltatämän mittakaavan laitoksia ei ollut muita lähialueella. Verkkoonliityntämallin kehittely alkoi suun-nittelemalla voimalan sähköistys uudelleen ja saareke- ja verkkokäytön yhdistäminen. Perinteisensuojareletekniikan korvaaminen ohjelmoitavalla logiikalla nousi esille suunnittelun aikana. Tämäedellytti sähköntuotantoprosessin tehokasta analysointia suojauksen tehokkaan toiminnan turvaa-miseksi. Tähän löytyi ratkaisu automaatiotoimittajalta.

Esisuunnitteluvaiheen jälkeen, kun tarvittavat laitteet oli saatu hankituksi, käynnistyi uudenvoimalaitosprosessin suunnittelu sähkölaboratoriossa simulaatiomallin avulla. Simulointia vartenrakennettiin kohdetta vastaava sähköntuotantoprosessi, jolla pystyttiin mallintamaan voimalan käyt-täytymistä eri tilanteissa.

Simuloinnin tuloksena syntynyt malli toteutettiin vesivoimalassa. Sen toimintaan saaminen vaatiponnisteluja uuden ja vanhan tekniikan yhteensovittamisessa. Kuitenkin uudella turbiinin säätimelläja generaattorin magnetoinnin uusimisella saatiin vanha laitteisto tottelemaan logiikan komentoja.Prosessin viritysvaiheessa tuli kuitenkin vastaan asioita, joita ei voitu simuloinnin aikana havaita,kuten hitausmassoista johtuvia viiveitä ja vanhan laitteiston kulumisen aiheuttama epätarkkuus. Myösvesitilanne vaikuttaa merkittävästi laitoksen hallintaan ja prosessin viiveisiin, sillä vedenpinnan vaih-telu on 70 cm ylärajalta alarajalle.

Projektin aikana saatiin suunnitelluksi ja testatuksi yksi verkkoonliittymismalli, jonka todettiin toi-mivan kohteessaan sille asetetulla tavalla. Tämä malli toteutettiin osittain perinteistä tekniikkaahyväksi käyttäen ja osittain uudella automaatiolla.

Biovoimalaitoskohteen jäädessä pois suunnitelmista korvattiin sille varatut suunnitteluvarat staatti-sen verkkoonliittymislaitteiston suunnitteluun ja tutkimukseen. Laitteisto pohjautuu osittain jo tun-nettuun tuulivoimatekniikkaan. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, soveltuuko se myös saarekekäyttöönja mitä parannuksia laitteisto vaatii toimiakseen suunnitellulla tavalla.

4.2 Automaation tarve

Projektin verkkoonliittymiskohteiden suunnittelun perustaksi otettiin karjatila ja sen sähköntuotonja laadun turvaaminen normaalin käytön aikana ja varsinkin verkostohäiriötilanteiden aikana. Maa-tilojen tuotannon laajennuksien ja tuotantoyksiköiden kasvun mukanaan tuoma työpanos vie kaikenajan yrittäjiltä, jolloin tuotantoprosessien toimivuutta ei ehdi enää itse valvoa, vaan sen saa hoidetta-vakseen automaatio.

29

Taustalla on inhimillinen tuotantoprosessi, joka on teollista tuotantoprosessia vaativampi. Eläintenhyvinvointi on etusijalla! Karjatiloille on lähes elintärkeää turvata jatkuva sähköenergian saanti joeläinten hyvinvoinnin turvaamiseksi. Pitkät sähkökatkot aiheuttavat suuria haittoja niin eläimillekuin tuotannollekin. Jo olemassa olevat automaattiset prosessit kuten esimerkiksi ilmastointi, valais-tus, ruokinta ja lypsy häiriytyvät ja saattavat lakata toimimasta sähkökatkon jälkeen. Edellä esitetytseikat puoltavat tarvetta varmennetulle automaattiselle sähköntuotannolle. Tämä asettaa tiettyjäteknisiä vaatimuksia, kuten riittävä kokemus ja asiantuntemus esimerkiksi traktorigeneraattorin käy-töstä.

Traktorigeneraattoreiden varmatoimisuudesta huolimatta niiden käytön yhteydessä on sattunut muu-tamia vaaratilanteita, joista yhdessä sähköasentaja sai vakavia vammoja saadessaan sähköiskun 20kV:n linjasta. Tässä onnettomuudessa oli traktorigeneraattori jäänyt erottamatta jakeluverkostasähkönjakelun keskeytyksen aikana kun alettiin syöttää omaa tilan kuormitusta. Onnettomuus olisivoitu estää käyttämällä asianmukaista erotuskytkintä, jolla valitaan joko verkkosyöttö taigeneraattorisyöttö.

Toinen esimerkkitapaus, jossa verkosta erotus oli kunnossa, mutta traktorigeneraattorin käytöstä eiollut riittävästi kokemusta, sai aikaan melkoista tuhoa tilan sähkölaitteissa. Generaattoria oli pyöri-tetty aivan liian suurella nopeudella, minkä seurauksesta syntynyt korkea ylijännite ja ylitaajuus tu-hosivat lähes kaikki sähkölaitteet.

Näiden asioiden valossa automaatiolla voidaan turvata ja estää mahdolliset käyttäjän tekemät inhi-milliset erehdykset, joilla voi olla hyvinkin vakavat seuraukset.

4.3 Tekninen ympäristö ja käytettävyys

Maatiloilla on yleisesti useamman laitetoimittajan prosesseja, kuten ruokinta, valvonta, jne., jotkavaativat mahdollisimman avointa liityntäpintaa ja automaation integroitavuutta, jotta niitä pysty-tään hallitsemaan keskitetysti. Maatilojen sähkötehot kasvavat uusien investointien ja laajennuksienseurauksesta nopeasti. Tehoalueella 50 - 200 kW olevasta kulutuksesta on varmennettu 50 - 100kW, johon sisältyy ilmastointi, valaistus, lämmitys ja muut kriittiset kuormat. Suuresta tehojen vaih-telusta seuraa joissain tapauksissa kompensointitarpeen muuttuminen ja sen vaikutukset sähkön-laatuun. Yleisesti kompensointi on hoidettu automaattiparistoilla, joissa kompensointitarpeen mu-kaan lisätään tai vähennetään kompensointia porrasmaisin muutoksin. Tästä voi seurata yliaalto-ongelma ja joskus jopa resonanssivaara sekä varavoimalaitteen käytön yhteydessä laitteistolle ilme-neviä jännitteensäätöongelmia. Tämäkin seikka puoltaa tehokkaan automaation käyttöä prosessienhallinnassa.

4.4 Tekninen taloudellisuus

Tavoitteena on toteuttaa automaatiolaitteisto edullisilla ja avoimilla prosessiohjausjärjestelmillä, joissaon liitäntöjä esimerkiksi sähköenergiaprosessiin, josta voidaan mitata näiden antureiden - joskuspelkästään yksittäinen anturi - avulla tehot, virrat, vaihesiirto, taajuus ja yliaallot. Tällaisten proses-sien toteutukseen tarvitaan erikoisanturointia, kuten lantaprosesseissa on tarpeen mitatametaanipitoisuuksia kaasupitoisuusantureilla. Ilmanlaatuantureita tarvitaan valvomaan laitetiloja jaturvaamaan laitoksen toimintaa sekä sähköverkon antureita, kuten PM500-tehoanalysaattori, jonkaavulla pystytään mittaamaan tarvittavat sähköiset suureet. Tällaisilla teknisesti hyvin toteutetuilla jahinta/laatu-suhteeltaan edullisilla järjestelmillä, joita voidaan vapaasti yhdistää laajemmiksi koko-naisuuksiksi, saavutetaan huomattavia säästöjä ja järjestelmän hallinta on helpompaa yhdestä keski-tetystä valvontapisteestä.

30

5.5.5.5.5. VERKKVERKKVERKKVERKKVERKKOON LIITTYMINEN OON LIITTYMINEN OON LIITTYMINEN OON LIITTYMINEN OON LIITTYMINEN VESIVVESIVVESIVVESIVVESIVOIMALAITOIMALAITOIMALAITOIMALAITOIMALAITOSKOSKOSKOSKOSKOHTEESSAOHTEESSAOHTEESSAOHTEESSAOHTEESSA

5.1 Pitkäkosken vesivoimalaitos

Vesivoimalaitoskohteeksi valittiin Kiuruvedellä sijaitseva Pitkäkosken voimalaitos. Voimalaitos onperustettu tilalle 1930-luvulla ja sitä ennen samalla paikalla on toiminut mylly jo 1800-luvulla jatoimii yhä nykypäivänäkin. Voimalaitos on tilan isännän, Seppo Pietikäisen, omistuksessa.

1930-luvulla laitokseen on asennettu kaksi Francis-turbiinikäyttöistä tahtigeneraattoria, josta toinenon korvattu 1990-luvun alussa putkiturbiinilla. Voimalassa on nykyään 60 kVA tahtigeneraattori ja100 kW epätahtigeneraattori, joiden yhteinen huipputeho on noin 160 kW.

Voimalaitoksen energian tuotosta osa kulutetaan tilan myllyssä ja asuinrakennuksessa ja loppu ener-gia toimitetaan Savon Voiman verkkoon. Voimalaitos kuuluu säännöstelyn piiriin ja hoitaa samallayläpuolella olevan järven säännöstelyä.

Voimalaitoksen sähköistys oli lähes alkuperäisen asennuksen jäljiltä 1930-luvulta, minkä takia lait-teisto ei vastannut enää nykypäivän vaatimuksia.

Kuva 6. Pitkäkosken voimalaitos ja mylly.

31

5.1.1 Francis-turbiini

Pitkäkosken voimalaitoksessa on käytössä pystyakselinen Francis-turbiini, jolta teho siirtyy lattahihnaamyöten pystyasennossa olevan tahtigeneraattorin akselille. Turbiini on alkuperäinen ja sensäätölaitteisto on kulunut jo sen verran, että turbiinin kiinni ollessa se läpi virtaava vesi saa senpyörimään itsekseen. Tämä seikka vaikuttaa generaattorin käyttöön ja turbiinin säätöön tässä koh-teessa positiivisesti, sillä jo valmiiksi pyörivästä generaattorista saadaan käyttösähköä turbiinin sää-töön, vaikka laitos on sammutettuna, mikä helpottaa esimerkiksi häiriötilanteen jälkeistä käynnistystä.

Turbiinin nimellinen pyörimisnopeus on 250 rpm ja välityssuhde on noin 1:5, vaikka generaattoripyörii 1000 rpm. Turbiinista otetaan käyttöön likipitäen koko teho, minkä se pystyy tuottamaan elinimellispyörimisnopeudella 86 hevosvoimaa, joka saadaan kehitetyksi 4,5 metrin pudotuskorkeudella.Välityssuhteesta johtuen turbiini kuitenkin käy hieman alle nimellisnopeuttaan. Tämän seikan arvel-laan vaikuttavan turbiinin nopeaan ryntäykseen generaattorin pudotessa verkosta, minkä aikana turbiinisaavuttaa nopeasti nimellisen pyörimisnopeuden ja tämän jälkeen sen kiihtyminen on hitaampaa.

Turbiinin säätölaitteistoa käytettiin ennen saneerausta käsin ja hätätilanteessa turbiinin sulki sähkö-moottori. Uuden laitteiston myötä turbiinin säätö tapahtuu kokonaan sähkömoottorin avulla.

5.1.2 Turbiinin säätölaite

Turbiinin säätö tapahtui ennen käsikäyttöisesti säätämällä tehoa ja tahdistuksessa pyörimisnopeuttaturbiinin johtosiipiä säätämällä hihnapyörää pyörittäen, minkä seurauksesta turbiiniin virtaavan ve-den määrä vaihtelee. Tämä säätö on uuden automaation myötä toteutettu sähköisesti ohjattuna.Toimilaitteena on kaksinopeuksinen kolmivaihemoottori vaihteella varustettuna. Käytössä on kaksikäyntinopeutta eteen ja taaksepäin, joilla pystytään hallitsemaan turbiinin säätö eri tilanteissa.

Tälle säädölle asetetaan suuret vaatimukset varsinkin hätäsulkutilanteessa, jolloin turbiini täytyysaada suljetuksi riittävän nopeasti. Vanha sulkumoottori toimi aina, kun generaattori irtosi verkostavian takia tai se ohjattiin irti verkosta sulkien turbiinin noin 5 sekunnissa täysin auki -asennostatäysin kiinni -asentoon.

Uudella käytöllä hätäsulku kestää noin 10 sekuntia täysin auki -asennosta täysin kiinni -asentoon.Normaaliajossa ohjaus on neljä kertaa hitaampi, mikä parantaa säädön tarkkuutta ja mahdollistaatarkan tehon ja pyörimisnopeuden säädön. Sähkömoottori saa käyttösähkönsä suoraan generaattorinnavoista kuten vanha hätäsulkuratkaisukin, mutta uuden jännitteensäädön ansiosta laadultaan pa-rempana sähkönä.

Kuva 7. Francis-turbiinin juoksupyörä ja johtopyörä.

32

Automaatio ohjaa turbiinia käyttötilanteesta riippuen jatkuvana ajona tai pulssimaisena ajona. Auki-ja kiinnipulssit ovat samanmittaisia ja yhtä tiheitä. Ohjauspulsseihin, kuten pulssitiheyteen ja pulssienpituuteen, voidaan vaikuttaa säätimen asetteluja muuttamalla.

Logiikan ohjelmointiohjelmassa, PL7 Pro, on valmiit säädinlohkot PID-, Servo- ja PWM-säätimiävarten. Kytkemällä ohjelmallisesti yhteen PID- ja Servo-säätimet saadaan aikaan säädin, joka toimiiPID-säätimen tavoin ja servo-osa pystyy tuottamaan pulssimaista ohjaussignaalia. Tämä signaalisoveltuu kontaktorien ohjaukseen. Kun säätö on kaukana asetteluarvosta, ohjauspulsseja tulee tihe-ään tahtiin. Kun ollaan lähellä asetteluarvoa, ohjaus hidastuu ja pulsseja tulee enää harvoin, jolloinsäätö hakeutuu asetteluarvoonsa. Monipuolisilla säätimien asetteluilla voidaan vaikuttaa halutullatavalla säädön toimintaan. Samalla säätimellä voidaan ohjata useassa eri tilanteessa prosessia halut-tuun tilaan asettelemalla säädin halutulle nopeudelle ja herkkyydelle.

Voimalaitoksen käynnistysvaiheessa turbiinia ajetaan auki tällä säädöllä, jonka takaisinkytkentätietonaon generaattorin taajuus. Tässä vaiheessa asetteluarvo on 50 Hz. Verkkoon tahdistusvaiheessa ajo-tapa on sama, sillä käytössä on ohjelmoitava tahdistin. Tahdistimen ansiosta generaattori voidaanajaa verkkoon asetelluilla hitauksilla, eli generaattori käy tahtinopeutta pyörien hieman hitaammintai nopeammin verkkoon nähden. Kun ohjelmoidut ehdot täyttyvät, antaa tahdistin katkaisijankytkentäluvan automaatiolle.

5.1.3 Tahtigeneraattori

Generaattori on Strömbergin valmistama 60 kVA Francis-turbiinikäyttöinen tahtigeneraattori, jokaon asennettu 1930-luvulla. Generaattorin kilpiarvot ovat:

3-vaiheinen generaattoriLaji Typ. RSR 793 B3Y-kytketty 400/231 V, 86,5 A, 60 kVA, cos 0,8 jatk1000 Rev/min, 50 Per/sMGN 50 V, 23,6 A.

Samalla akselilla on ulkoinen magnetointigeneraattori. Magnetointigeneraattorin kilpiarvot ovat:Laji LM-3, 50 V 28 A, (1,4 kW)cos jatk1000 Rev/min.

Magnetointigeneraattorin magnetoinnin säätö suoritettiin ennen käsikäyttöisellä magnetointi-vastuksella, minkä seurauksesta magnetoinnilla oli aina kiinteä arvo ja varsinkin nopeissa verkostairtoamistilanteissa jännite kohosi korkeaksi generaattorin ryntäyksen ja ankkurireaktion vaikutuk-sesta. Nopean ryntäyksen syynä lienee myös se, että turbiini pyörii alle nimellistä nopeuttaan jakiihtyy nimelliseen nopeuteensa välittömästi kuorman pudotessa pois.

Generaattorin käsikäyttöä varten vanha magnetoinnin säätövastus jätettiin varalle uuteen ohjaus-keskukseen. Magnetoinnin säätö korvattiin hakkurisäätimellä, millä nyt voidaan hallita jännitteensäätöautomaatiosta käsin.

33

5.1.4 Tahtigeneraattorin vanha sähkökeskus

Vanha sähkökeskus oli suurimmaksi osaksi alkuperäi-sessä kokoonpanossa ohjauslaitteiden osalta, mikä an-toi syyn uusia keskus kokonaisuudessaan. Keskus olitäysin avoin takapuolelta ja kiskosto oli kosketussuojaa-maton. Vanha "automaatio" perustui muovinaru-viritelmään, jolla turbiinin sulkumoottori tempaisi oma-kotitaloa syöttävän erottimen auki generaattorin pudo-tessa verkosta suojatakseen talon sähkölaitteita hetkel-liseltä ylijännitteeltä, jonka generaattori rynnätessään ai-heutti. Generaattorin tahdistus verkkoon hoitui käsi-käyttöisesti seuraamalla hehkulampusta sen välkettä jatoteamalla verkon ja generaattorin tahdissa oleminen jakytkemällä se verkkoon.

Kuva 8. 60 kVA tahtigeneraattori ja turbiinin vauhtipyörä sekä säätölaitteisto.

Kuva 9. Vanha keskus ja sen laitteistoa.

34

Vanhan keskuksen korvaamisen pääsyynä oli vanha laitekanta, jota ei voinut käyttää uuden auto-maation kanssa. Lisäksi tarvittiin tilaa energiamittaukselle, joka siirrettiin muuntajalta uuteen kes-kukseen sekä varaukset automaatiolaitteille ja toisen generaattorin liitynnälle.

5.1.5 Magnetoinnin säätölaite

Magnetoinnin vanha käsikäyttöinen säätölaite, säätövastus, korvattiin uudessa automaatiossalogiikasta ohjattavalla DC-DC- hakkurilla, jotta jännitteen automaattinen säätäminen olisi mahdol-lista. Magnetointi tarvitsee nopeita muutoksia varsinkin vikatilanteissa verkosta pudotessa ja teho-arvoja muutettaessa. Tämän vuoksi staattinen hakkuri soveltuu hyvin generaattorin magne-tointijännitteen syöttöön. Vanha vastussäädin kuitenkin säilytettiin käsikäyttöä varten.

Hakkurimagnetointisäädin mahdollistaa tarkan jännitesäädön tahdistuksessa ja saarekekäytössä.Loistehon tuoton hallinta onnistuu myös paremmin tällä säätimellä. Ehkä tärkein tekijä kuitenkin onse, että hakkuri poistaa tai ainakin pienentää merkittävästi vaarallisia ylijännitepiikkejä nopeanlogiikasta ohjattavan säädön ansiosta.

Magnetointihakkuria ohjataan PID-säätimellä logiikan analogiakortin kautta. Hakkurisäätäjä onnopeutensa puolesta sopiva magnetointijännitteensäädin. PID-säädin saa jännitteen takaisinkytkentä-tiedon PM500-tehoanalysaattorilta, jonka perusteella tapahtuu jännitteensäätö. Vastaavasti loistehonsäätö tapahtuu tehoanalysaattorista saatujen tehotietojen pohjalta. Voimalan käynnistystilanteessa,jolloin magnetointi kytketään, ei vielä saada jännitetietoa PM500:sta sen käynnistymisviiveen aika-na. Tällä välillä magnetointisäädin ei saa jännitetietoa ja pyrkii nostamaan jännitettä. Hakkurinsäätönopeuden vuoksi on olemassa ylijännitevaara, jota ei voida sallia käynnistysvaiheessa.

Käynnistysvaihe hoidetaan ohjelmallisesti asettelemalla magnetointisäätimelle pysyvä ohjearvokäynnistymisen ajaksi ja PID-säädin pidetään käynnistyksen aikana pois päältä. Jännitemittauksentoiminnan alkaessa voidaan ohjearvo vaihtaa pienen viiveen jälkeen PID-säätimen ohjattavaksi.Säätimen asetteluissa on otettava huomioon, että jännitetieto saadaan vain neljä kertaa sekunnissa.Tämän vuoksi säädin on aseteltava samalle toimintanopeudelle kuin jännitemittaus, ettei säätö alavärähdellä liian nopean säädön takia. Säädintä voidaan käyttää myös nopeampana kuin mikä onjännitteen luentanopeus asettelemalla parametriarvoja kuten Kp, Ti ja Td.

5.1.6 Putkiturbiini

Waterpumpsin valmistama 115 kVA putkiturbiinikäyttöinen epätahtigeneraattori on asennettu 1989.Generaattorin nimellisjännite on 400 V, nimellisvirta 250 A, cos 0,75, pyörimisnopeus 500 r/min janimellisteho 100 kW.

Tällä generaattorilla on oma yksittäinen ohjauskeskus, jonka automaatio ohjaa generaattoria verk-koon ja laitteistoa voidaan käyttää myös käsin. Tämä generaattori kytkeytyy verkkoon, kun siellä onjännite ja putoaa sieltä pois verkon vikaantuessa. Epätahtigeneraattorilla on lisäksi omat kompen-sointiparistot, yhteensä 60 kvar, jotka kytkeytyvät lyhyellä viiveellä päälle generaattorin käynnistyttyäja nostavat generaattorin tehokertoimen arvoon noin 0,95.

Tätä generaattoria ajetaan tulvahuippujen aikaan ja myös silloin, kun vettä riittää molemmille ko-neille. Tahtigeneraattorilla hoidetaan säännöstelyä ja epätahtikonetta ajetaan yleensä aina täysillä,silloin kun sitä käytetään.

35

5.2 Uusi sähköpääkeskus

Uuden keskuksen suunnittelu ja toteutus lähti liikkeelle jo alusta pitäen huomioiden generaattorinsaareke- ja verkkokäyttö sekä toisen generaattorin liityntä verkkoon saman keskuksen kautta yhdis-tetyn energiamittauksen takia. Lisäksi tuli kiinnittää huomiota jälkeenpäin asennettavan automaati-on tilavarauksiin ja sen myötä moottoriohjattujen katkaisijoiden hallinnan tarpeisiin.

Uudessa keskuksessa oikosulkusuojaus hoidetaan katkaisijoilla generaattorin ja kiskoston osalta elikäytössä on sulakkeeton suojaus normaalivikojen osalta ja ylikuormitussuojaus hoidetaan samoillakatkaisijoilla. Oikosulkutilanteet hoituvat pelkästään katkaisijoilla. Ylikuormitus on myös automaa-tion valvonnassa ja varasuojana toimivat katkaisijoiden omat asettelut. Keskuksessa on kuitenkinvielä pääsulakkeet verkon syöttökaapelin suojausta varten.

Uusi keskus on kasattu Fiboxin valmistamista muovisista koteloista, joissa on peltilevyt komponent-tien kiinnitystä varten. Näistä muovisista koteloista pystyy rakentamaan vapaasti joka tarpeeseenparhaiten sopivan kokoisen keskuksen. Korokekehyksillä ja saranoiduilla kansilla keskuksesta saatoimivan kokonaisuuden ja laajennus onnistuu lisäämällä uusia koteloita keskukseen.

Keskuksen mitoitus lähti liikkeelle siitä, että sen kiskoston läpi tulee verkkoon liitettäväksi kumpi-kin generaattori. Keskuksen mitoitusvaiheessa sen nimellisvirraksi määriteltiin 300 A. Tahti-generaattorin syöttökaapelin tehomittauksille hankittiin 100/5 A virtamuuntajat tehoanalysaattoriavarten sekä lisäksi 300/5 A virtamuuntajat pääkiskostoon energianmittauksia varten.

Uuden keskuksen ja verkkoon syöttävän muuntajan välillä on kaapelina 2×(4×150) mm².Tahtigeneraattori syöttää keskusta kaapelilla 3×50+25 mm² ja epätahtigeneraattori kaapelilla3×150+70 mm². Myllyn syötön erottimen ja verkkokatkaisijan ohikytkentäerottimen nimellisvirta-arvo on 125 A. Epätahtigeneraattorilla on uudessa keskuksessa oma erotin, jonka nimellisvirta on250 A. Keskuksen pääkytkin on varustettu 250 A sulakkeilla, jotka suojaavat verkonsyöttökaapeleita.Talon ja myllyn kuormien syöttö on suojattu johdonsuoja-automaattisulakkeilla.

Generaattorikeskusta mitoitettaessa oli huomioitava eri tilanteet, jotka voivat vaikuttaa hyvin mer-kittävästi käytön aikana sattuviin vikoihin. Vikatilanteessa, jolloin verkko ja generaattori käyvätrinnakkain, on oikosulkuvirta huomattavasti suurempi, kuin mitä suunnittelussa ehkä on arvioitu jamitä arvoa on mitoituksessa käytetty. Vastaavasti suunniteltua alhaisempi oikosulkuvirran taso voiesiintyä pelkän generaattorikäytön aikana. Näissä tilanteissa on hyvä suorittaa tarkastelu suojauksenriittävän nopean toiminnan kannalta, ja todeta, onko suojaus toimiva.

5.2.1 Voimalan liittyminen verkkoon

Voimalaitos liittyy 20 kV maaseutuverkkoon 200 kVA muuntajan kautta. Liittymiskaapelina on kak-si rinnakkaista 4×150 Al -tyypin kaapelia (johtopituus noin 50 m). Sähköasemalta Pitkäkosken voima-laitokselle on matkaa noin 10 km. Asemalta lähtee Pigeon-tyypin johto, joka haarautuu voimalaitok-sen suuntaan Sparrow-johdoksi. Muuntajan oikosulkuvirta asemalla on 6257 A (20 kV puolella) jaliittymispisteen oikosulkuvirta voimalaitoksella on 4787 A (400 V puolella, heti muuntajan navoissa).Voimalaitoksella on oma maadoituselektrodi. Keskijänniteverkon puolella, liittymispistettä seuraa-vassa pylväässä on muuntajan tähtipistemaadoitus.

36

5.2.2 Oma energiankäyttö

Pitkäkosken voimalan yhteydessä on mylly ja omakotitalo sekä varastorakennus, joiden energiantar-ve vaihtelee suuresti käyttötilanteiden mukaan. Mikäli mylly on päällä, kuluttaa se energiaa suurinpiirtein puolet tahtigeneraattorin tuotosta. Talviaikaan kokonaiskulutus voi olla saman verran kuintahtigeneraattori pystyy tuottamaan. Pelkän talon kuorma voi olla varsin pieni varsinkin kesäaikaan,jolloin ei ole suurta lämmitystarvetta.

Tahtigeneraattorin ohjauksen kannalta on hyvä tietää myllyn ja talon kulutus, mikä saadaan selvilletahtigeneraattorin tuottaman tehon ja toisen generaattorin tuottaman tehon summasta vähentämälläenergiamittarin antama mitattu teho. Tämä tietoa voidaan hyödyntää turbiinin tehonsäädössä siirryt-täessä verkosta saarekkeeseen. Tämän menettelyn mahdollistaa Enermetin energiamittarista saata-vat tehopulssit, jotka luetaan logiikkaan. Uudemmissa mittareissa on myös käytössä väyläpohjaisialähtöjä.

Kuva 10. Sähköverkon rakennekuva.

Kuva 11. Voimalaitoksen sisäinen verkko ja automaation liityntä.

37

5.2.3 Katkaisijat

Käytössä on kaksi kappaletta Merlin Gerinin valmistamia Compact-sarjan katkaisijoita. Saareke- javerkkokatkaisijat ovat moottoriviritteisiä; 24 V tasajännitteellä katkaisijat pystytään virittämään jakytkemään päälle logiikasta käsin. Auki laukaisussa käytetään nollajännitelaukaisua (230 V), jokaon nopeampi ja varmempi katkostilanteissa kuin aukiohjaus 24 V ohjauksella. Katkaisijoiden viritysja käyttö onnistuu myös käsin, jos ohjauksen tarvitsemaa jännitettä ei ole käytettävissä esimerkiksisähkövian takia.

Katkaisijat on porrastettu generaattorista verkkoon päin. Saarekekatkaisija erottaa generaattorinkokonaan saarekkeen ja verkon syötöstä. Saarekekatkaisijan nimellisvirta on 250 A. Verkkokatkaisijapuolestaan erottaa saarekkeen verkosta. Verkkokatkaisijan nimellisvirta on 100 A.Katkaisijoiden toivottu toimintajärjestys on seuraava. Verkon vikaantuessa toimii ensin verkon puo-leinen katkaisija ja pyrkii erottamaan saarekkeen omaksi verkoksi. Tämän jälkeen, mikäli vika onvielä päällä, toimii myös saarekekatkaisija, ja kytkee generaattorin irti saarekeverkosta.

Katkaisijoiden aukiohjaus toimii vikatilanteissa aseteltujen toimintaviiveiden mukaan. Vikatilanteitaovat mm. ali- ja ylitaajuus, ali- ja ylijännite, ylivirta, oikosulku, takateho ja maasulku. Verkko- jasaarekekatkaisijoille on aseteltu omat raja-arvonsa, joiden ylittyessä automaatio suorittaa aukiohjaus-toimenpiteen. Vastaavasti kiinniohjaus sallitaan toisilla asetteluilla ja verkkoonkytkennässäsynkronoskoopin tahdistusluvalla.

5.2.4 Elektroninen suojarele

Molemmat katkaisijat on varustettu samantyyppisillä elektronisilla suojareleillä katkaisijan nimel-lisvirran mukaan. Saarekekatkaisijassa on nimellisvirraltaan 250 A suojarele ja verkkokatkaisijassavastaavasti nimellisvirraltaan 100 A suojarele. Molemmilla releillä on samat toimintakäyrät, jotenreleet reagoivat yhtä aikaa vikoihin, jonka seurauksesta on vaara, että molemmat katkaisijat aukea-vat yhtä aikaa vian sattuessa. Tämä ongelma pitäisi olla hoidettavissa riittävillä asetteluilla! Toisaaltakatkaisijat ovat rakenteeltaan suunniteltu erisuuruisille virroille, mikä osaltaan jo aiheuttaa erojaniiden toimintaan.

5.2.5 Alijännitelaukaisija

Molemmat katkaisijat on varustettu MN-tyypin nollajännitekelalla. Nollajännitelaukaisu toimii, kunjännitekatkos on yli 0,2 sekuntia tai jännite laskee 0,35 - 0,7-kertaiseksi nimellisjännitteestä. Vas-taavasti jännitekela sallii katkaisijan kiinniohjauksen, kun jännite on yli 0,85-kertainen nimellisjän-nitteestä laskettuna.

Saarekekatkaisijan nollajännitepiiri on rakennettu käsikäyttöisen verkkoon kytkentänapin ja logii-kan ohjausreleen kautta siten, että käsikäytöllä logiikan kosketin ohitetaan tahdistuksen ohitusnapinkautta ja aukiohjaus tapahtuu verkosta erotusnapista. Tahdistuksen ohitusta tarvitaan tilanteissa,jolloin verkossa ei ole sähköä, sillä katkaisijan kiinniohjauspiiri on rakennettu tahdistimen kautta,eikä tahdistus toimi ilman verkkoa. Tällainen järjestely on tarpeen turvaamaan generaattorin turval-linen kytkeytyminen verkkoon. Alijännitelaukaisijan tarvitsema jännite otetaan suoraan generaattorinliittimistä sulakkeen kautta.

Verkkokatkaisijan tarvitsema alijännitelaukaisijan nollajännite otetaan puolestaan verkon jännitteestä,sillä tällä menettelyllä estetään virheellinen kytkeytyminen jännitteettömään verkkoon. Käyttämälläverkon vaiheen L1 jännitettä saadaan valvottua verkon vaiheet L1 ja L3, sillä PM500-tehoanalysaattorivalvoo vaihetta L3.

38

5.3 Verkkoyhtiön suosituksen mukainen verkkoonliittyminen

Savon Voiman suositus pienimuotoisen sähköntuotantoyksikön verkkoonliittymisestä on esitettyluvussa 2.2.

Pitkäkosken voimalaitoskohteessa on suojausvaatimukset hoidettu seuraavalla tavalla. Suojaus erottaavoimalan verkosta, mikäli verkon jännitteet poikkeavat huomattavasti nimellisestä arvosta; suojanatoimii maasulkusuojaus. Verkon syötön katkos - riippuen siitä, mistä erotus on tehty - havaitaanvoimalaitoksella ylikuormituksena, minkä seurauksesta generaattori pudotetaan verkosta. Sama ti-lanne havaitaan myös taajuuden vaihteluna.

Verkon vaiheiden jännitteitä valvotaan kolmella laitteella: tahdistin ei anna kytkentälupaa, mikäli L1ja L2 eivät ole kunnossa, ja vaihetta L3 valvotaan tehomittarilla. Lisäksi verkkokatkaisijan nolla-jännite luetaan verkon vaiheesta L1. Tällä menettelyllä valvotaan kaikkien vaiheiden jännitteitä javarmistetaan turvallinen verkkoon kytkeytyminen, vaikka käytössä ei ole varsinaista jänniteval-vontarelettä.

Katkaisijoiden toiminta-aika on nopea vikatilanteissa, eikä toimenpide aiheuta ongelmia verkon omillesuojalaitteille. Voimalaitoksella on selkeät käyttökytkimet, joiden avulla laitos voidaan varmennetustierottaa verkosta huoltotöiden ajaksi. Voimalan turhaa verkosta eroamista voidaan parantaaasettelemalla suojat riittävän jäykiksi, sillä seurantajakson aikana havaittiin voimalan reagoivan myösherkkiin verkon häiriöihin.

5.4 Verkkoonliitäntälaitteisto

Automaatio rakentuu Telemecaniquen Modiconin Premium -logiikan varaan ja siihen liittyviin mit-ta- ja ohjauslaitteisiin, joita ovat PM500-tehoanalysaattori, DC-DC-hakkuri, moottoriohjatutkatkaisijat, sähköinen turbiinin säätölaitteisto, tahdistin ja muut vartiolaitteet. Suurin osa automaati-osta on ohjelmallisesti rakennettua dataa, joiden ohjeiden mukaan logiikka ohjaa prosessia. Auto-maation rinnalla toimii vanha käsikäyttöinen ohjausmahdollisuus tilanteissa, joissa uusi automaatioei pysty toimimaan halutulla tavalla - esimerkiksi jonkin komponenttivian takia.

Automaation keskipisteessä ovat itse logiikka ja tehoanalysaattori, joka siirtää prosessista kaikkitarvittavat sähköiset suureet logiikkaan ja ohjausta suorittaviin vertailusilmukoihin javalvontalohkoihin. Ilman tätä tehoanalysaattoria sähköisen prosessin mittaaminen ja hallinta olisihyvin hankalaa ja miltei mahdotonta; ilman niitä tarvittaisiin suuri määrä erilaisia mitta-arvomuuntimiaja sovittimia siirtämään samat tiedot prosessilta logiikkaan.

5.4.1 Logiikka

Modicon Premium -logiikka on laaja teollisuuteen tarkoitettu modulaarinen logiikka. Premium-lo-giikka kostuu 12-paikkaisesta korttipohjasta, josta ensimmäiset kaksi paikkaa varataan virtalähteelleja CPU:lle. Loput 10 paikkaa on varattu erilaisille korteille, kuten digitaalisille ja analogisille tulo- jalähtökorteille.

Premium-automaatiojärjestelmässä on pohjalevyjen toisiinsa liittämistä varten Bus X -väylä. Kortti-pohjan molemmissa päissä on 9-kanavainen SUB-D-tyyppinen liitäntä kaapelia varten, jolloin erilevyt voidaan liittää toisiinsa.

Tämä rakenne mahdollistaa tehokkaan automaation hajauttamisen ympäri prosessia. Korttipohjiayhdistettäessä riittää, että yhdessä pohjalevyssä on prosessorikortti. Tätä kokonaisuutta kutsutaan

39

isäntäosaksi ja loppuja korttipohjia nimitetään orjaosiksi. Vapaana olevat Bus X -väylän liittimet onpäätettävä päätevastusliittimellä.

5.4.2 Logiikan I/O-kortit

Logiikan teholähde on tyyppiä TSX PSY2600 oleva kortti, joka on sijoitettu alustalevyn paikkaan00. Teholähde (26 W) muodostaa 100 - 240 V vaihtojännitteestä logiikan tarvitseman 24 V tasa-jännitteen. Lähteestä voidaan syöttää digitaalisten tulojen tarvitsema käyttösähkö.

Prosessorikortti on tyyppiä TSX P57203 oleva kortti, joka sijoitetaan heti teholähdekortin jälkeenalustalle paikoille 00 - 01 vaatien kaksi korttipaikkaa. Prosessori pystyy käsittelemään 1024 digitaa-lista ja 80 analogista I/O-kanavaa kattavaa kokonaisuutta. Kortissa on 48 kilosanaa RAM muistia.Prosessorikorttiin voidaan kytkeä PCMCIA-kortti, jonka muistikapasiteetti on 160 kilosanaa. Tämäpaikka on jo käytössä tehoanalysaattorin sarjaliikennettä varten.

Ethernet-kortti - tyypiltään TSX ETY 4103 - voidaan sijoittaa korttikehikkoon mihin tahansa va-paaseen paikkaan. Tässä kehikossa se sijaitsee paikassa 02. Kortti mahdollistaa nopean tiedon-siirron logiikan ja tietokoneen välillä. Kortin avulla on mahdollista siirtää tietoa Internetin kauttaautomaation ja valvomon muille osille. TCP/IP-väylä on rajoitettu 10/100 Mbps nopeudelle.

Logiikka kattaa yhden TSX DEY 16D2 -tyypin tulokortin, joka sisältää 16 sisääntulokanavaa jayhden TSX DSY 08R5 -tyypin lähtökortin, joka sisältää 8 lähtökanavaa. Nämä digitaalikortit sijait-sevat kehikossa paikoilla 03 ja 04. Digitaalitulokortti tarvitsee toimiakseen 24 V ulkoisen jännite-syötön teholähteeltä, sillä tätä jännitettä käytetään myös tulosignaalien muodostamiseen.

Logiikassa on lisäksi yksi TSX AEY 414 -tyyppinen, nelikanavainen tulokortti ja yksi TSX ASY 410-tyyppinen, nelikanavainen lähtökortti. Nämä analogiakortit sijaitsevat paikoilla 05 ja 06. Tulokortissavoidaan valita tulojännitesignaalit ± 10 V, ± 5 V, 0 ... 10 V, 0 ... 5 V tai 1 ... 5 V ja vastaavastitulovirtasignaalit 0 ... 20 mA tai 4 ... 20 mA. Lähtökortista voidaan valita vastaavasti ± 10 V lähtö-jännitesignaali ja lähtövirtasignaalit 0 ... 20 mA tai 4 ... 20 mA. Molempien korttien jokaiseen kana-vaan voidaan asetella vapaasti jännite- tai virtasignaalit.

Kuva 12. Modicon-logiikka.

40

Lisäksi logiikkaan hankittiin yksi tyypin TSX CTY 2C -laskurikortti asetettuna kehikkoon paikalle07. Kortin avulla pystytään laskemaan induktiivisen anturin antamia pulsseja, joista lasketaan edel-leen taajuutta ja pyörimisnopeutta. Logiikan omalla laskennalla ei pystytty laskemaan niin suurtapulssimäärää, mitä olisi tarvittu. Laskurikortti tarvitsee lisäksi 24 V herätejännitteet toimiakseen jasamainen jännite on myös syötettävä induktiivisen anturin käyttöjännitteeksi.

PCMCIA-kortin kautta saadaan luettua PM500-tehoanalysaattorin tiedot logiikan CPU:lle.Kenttäväylänä tehomittarin PM500 ja logiikan PCMCIA-kortin välillä on Modbus-kenttäväylä.

Voimalaitoksen viimeistelyvaiheessa logiikkaan hankittiin vielä kaksi korttia pinnankorkeuden säädönuusimista ja jatkossa tulevien omistajan omien lisäohjausten toteutusta varten tarvittavia I/O-pis-teitä. Korttipaikalla 08 on TSX DEY 16D2 -tyypin digitaalinen tulokortti ja paikalla 09 on TSXDSY 16R5 -tyypin digitaalinen lähtökortti.

5.4.3 Ohjelmointiohjelma PL7 pro

Telemecaniquen PL7-ohjelmisto yksinkertaistaa työvaiheita, nopeuttaa oppimista ja ohjelmointia jaauttaa virheiden haussa. Se on ohjelmoijan ja käyttöönottajan yleistyökalu. Premium-logiikkaa voi-daan ohjelmoida eri PL7-ohjelmistoilla. Tämän voimalaitoslogiikan ohjelmointiin käytettiin PL7 Pro-ohjelmaa, joka toimii Windows XP ja vanhemmissa käyttöjärjestelmissä. Ohjelmistoa on saatavanamyös laajuustasoltaan suppeampina sovelluksina (Micro ja Junior). Varsinaista ohjelmointia voidaantehdä neljällä eri kielellä, joita ovat Grafcet (sekvenssikaavio), Ladder (tikapuukaavio), StructuredText (rakenneteksti) ja Instruction list (käskylista). Lisäksi ohjelmasta löytyy Derived Function Block,

Kuva 13. PL7 PRO -ohjelmointiohjelma.

41

jossa käyttäjä voi luoda omia funktioitansa ja käyttää niitä ohjelmoinnissa samaan tapaan kuin ohjel-man omiakin. Ohjelma päivittyy reaaliajassa ohjelmointiohjelmasta logiikan muistiin, kun käytetäänonline-asetusta ohjelmoinnin aikana; kuitenkin jotkin ohjelmointitoiminnot vaativat offline-tilankäyttöä.

Ohjelmoinnissa käytettiin Ladder-ohjelmointikieltä. Tämä on alkuun pääsemisen jälkeen selkeäohjelmointitapa vähän ohjelmointia harrastaneelle ohjelmoijalle. Ladder-ohjelmointi soveltuu pie-niin ja suppeisiin ohjelmakoodirakenteisiin, sillä laajoissa ja monimutkaisissa ohjelmissa koodin lu-ettavuus tulee hankalaksi. Tosin Ladder-kieltä voi käyttää siinä missä muitakin ohjelmointikieliäohjelmointiohjelmassa olevien monipuolisten, koodia selventävien kommentti- ja muuttujiennimeämistoimintojen avulla. Ohjelmasta löytyy paljon ohjelman tekemistä ja kokeilua helpottaviatoimintoja kuten animaatio-toiminto ja erityyppisten muistisanojen päällekkäisestä kirjoitusvaarastailmaiseva toiminto. Eri ohjelmakoodisivujen puumainen esitystapa helpottaa halutun koodisivunetsimistä ja usean sivun yhtäaikainen aukiolo helpottaa työskentelyä.

5.4.4 Valvomo

Vijeo Look on reaaliaikainen valvomo-ohjelmisto paikallisiin yhden käyttöliittymän valvomotarpeisiin.Se on pieniin ja keskisuuriin valvomoihin tarkoitettu graafinen valvomo-ohjelmisto, jonka tämä ver-sio pystyy käsittelemään 1024 kpl suuruisen määrän eri I/O:ta. Vijeo Look -valvomo-ohjelmallaluotiin automaatiolle prosessin tärkeimpien arvojen reaaliaikainen esitys, selkeät ohjaustoiminnot,vikahistoria, kytkentätilanteet ja ohjearvojen asettelu. Valvomossa on neljä eri ikkunaa, jotka onjaettu varsinaiseen valvontaosaan, ohjearvojen asetteluosaan, graafiseen 2 tunnin tapahtumahistoriikinesitysosaan (voidaan toteuttaa myös pitemmillä seurantajaksoilla) ja sähköisen kytkennän esittäväänosaan. Seuraavalla sivulla on kuvat kolmesta tärkeimmästä valvomoikkunasta: ensimmäinen onvalvomon pääikkuna, josta ohjataan voimalan toimintaa, toinen ikkuna on asettelujen ja tapahtuma-historian seurantaan, ja kolmas ikkuna esittää voimalaitoksen kytkentätilannetta.

Vijeo Look -valvomo-ohjelmistoa voidaan käyttää mm. datan lukemiseen ohjelmoitavalta logiikaltaja luettujen datojen visualisointiin, prosessin valvomiseen ja ohjaukseen sekä ohjelmoitavalta logiikaltaluetun tai valvomon sisäisen datan tallentamiseen tietokantaan ja prosessin hälytysten käsittelyyn.

42

Kuva 14. Valvomon päänäyttö, valvonta näyttö.

Kuva 15. Valvomon näyttö, asetteluvalikko ja tapahtumahistoria.

43

5.4.5 Vikatilanteet

Vikatilanteiksi, joiden seurauksesta automaatio suorittaa katkaisijoiden aukiohjaus-toimenpiteitä ovat:yli- ja alijännite, yli- ja alitaajuus, ylivirta, oikosulku, takateho ja maasulku (6 perussuojaa). Häiriöi-tä, joiden seurauksesta syntyy vikatilanne ja voimalan alasajo, ovat PM500-tehoanalysaattorin tiedon-siirtoyhteyden häiriö, pulsseja laskevan laskurikortin toimintahäiriö ja turbiinin voiteluöljypumpunvioittuminen, jotka myös estävät voimalan käynnistyksen vikaantuessaan.

Yli- tai alijännitevaaraa ei pitäisi ilmetä nopean hakkurijännitesäätimen ansiosta. Ohjelmakoodiinkuitenkin asetellaan rajat tämän tilanteen varalta, joiden ylittyessä generaattorin magnetointia rajoi-tetaan ja se erotetaan syötettävästä kuormastaan. Koska jo 15 % ylijännite voi aiheuttaa erilaisialaitevaurioita, asetellaan automaatiossa tällekin toiminnalle riittävä hidastus poistamaan turhia yli-jännitevikoja, jotka voivat tulla laitoksen ulkopuolelta esimerkiksi luonnonilmiöiden seurauksena.Verkko- ja saarekekatkaisijassa on alijännitekela, joka avaa katkaisijan jännitteen kadotessa tai voi-makkaasti laskiessa.

Taajuusvalvonta hoidetaan ohjelmallisesti. Verkkokäytössä taajuus saa vaihdella 49 ja 51 Hz välillähetkellisesti; rajojen ylittyessä generaattori irrotetaan verkosta. Saarekekäytössä taajuus voi vaihdel-la hetkellisesti 40 - 65 Hz välillä mahdollisen ryntäyksen tai nopean kuorman kasvun seurauksesta.Näiden rajojen ylittyminen erottaa generaattorin saarekekäytöstä ja kytkeytyy siihen takaisin, kun-nes ohjelmallisesti määritellyt ehdot täyttyvät; toisin sanoen taajuus on palannut 49 - 51 Hz välille jajännitteet ovat asetelluissa rajoissa.

Kuva 16. Valvomon näyttö, voimalan kytkeytyminen.

44

Ylikuormitus estetään ohjelmallisesti asettelemalla teholle tietyt rajat, joita ei saa ylittää käytön ai-kana. Oikosulun aiheuttamaan ylikuormitukseen logiikan ohjelma ei ennätä mukaan, vaan tässätilanteessa toimivat tehokatkaisijoiden nopeat ylivirta- ja oikosulkusuojaukset, joiden toimestageneraattori irtoaa syöttämistään kuormista. Tällä järjestelyllä päästään sulakkeettomaan suojaukseen.

Vinokuormasuojausta voidaan käyttää vain verkkoa syötettäessä, sillä saarekeajossa kuormitus voiolla hetkellisesti hyvinkin epätasaista, minkä seurauksena aiheutuisi jatkuvasti syöttökatkoksia au-tomaation katkoessa syöttöä. Verkkoa syötettäessä vinokuormasuojaus on hyvin tärkeä esimerkiksiyhden vaiheen sulakkeen palaessa; tätä vaaraa ei ole katkaisijakäytössä, vaan suojauksella halutaanpoistaa esimerkiksi katkenneen vaihejohtimen aiheuttamat mahdolliset lisäviat.

Takatehosuojalla pyritään estämään se, ettei generaattori muutu missään vaiheessa moottoriksi.Generaattorin verkkoon tahdistuksen yhteydessä voi esiintyä hetkellinen, ohimenevä takateho.Takatehosuojauksen laukeaminen estetään tahdistusvaiheessa viivästyttämällä suojauksen käyttöön-ottoa ja asettelemalla viive riittävän pitkäksi, jotta teho ennättää nousta riittävän suureksi.Ohjelmallisesti takateho havaitaan helposti, sillä PM500-tehoanalysaattorista luetaan jatkuvasti mitta-tietoja logiikalle. Tehon etumerkistä voidaan havaita takateho nopeasti ja poistaa vika avaamallaturbiinia lisää, minkä seurauksesta teho nousee ja alkaa siirtyä verkkoon päin.

Lisäksi on suunniteltu maasulkusuojausta, mutta sen toiminta ei ole täysin varmaa, sillä keskijännite-verkossa sattuva maasulku ei aina välttämättä näy riittävän voimakkaana pienjänniteverkon puolel-la. Suoja on aseteltu mittaamaan vaihejännitteiden välistä eroa ja asetellun rajan ylittyessä suojaustoimii asetellulla viiveellä.

5.4.6 Pyörimisnopeusvalvonta

Generaattorin pyörimisnopeuden seurantaa varten sen magnetointigeneraattorin pään akselin pää-hän kiinnitettiin metallista valmistettu, pyöreä reikäkiekko, jossa on 16 reikää. Tämän kiekon lähei-syyteen asennettiin induktiivinen anturi lukemaan pulsseja kiekosta, joiden tietojen perusteella lo-giikka pystyy laskemaan generaattorin pyörimisnopeuden ja muodostamaan sen tiedon pohjalta vas-taavan taajuuden tarvittaviin vertailusilmukoihin.

Tämä edellä mainittu nopeusmittaus toimii generaattorin käynnistysvaiheessa ennen kuin PM500-tehoanalysaattori saadaan kytkettyä. Mittari käynnistetään samassa yhteydessä kun magnetointi kyt-ketään, sillä mittari tarvitsee porrasmaisen jännitesignaalin kunnollista käynnistymistä varten.PM500:sta saadaan samat tiedot hieman tarkemmin logiikalle kuin induktiivisesta anturista ja niistämuodostetaan vastaavat taajuus- ja nopeusarvot erilaisia ohjauksia varten. Tämä pyörimisnopeus-valvonta toimii tehoanalysaattorin rinnalla varmistamassa laitoksen turvallisen hallinnan esimerkik-si tehoanalysaattorin vikaantuessa tai sen muussa häiriötilanteessa.

5.4.7 Tehoanalysaattori

Powerlogic System PM500 -tehoanalysaattori on Merlin Gerinin valmistama monipuolinen Modbus-kenttäväylän kautta logiikkaan liitettävissä oleva mittauslaite. Mittari on suunniteltu erilaistenmoottorilähtöjen indikointiin monipuolisten ominaisuuksiensa puolesta. Sitä voidaan käyttää yksi-,kaksi- tai kolmivaiheisena. Mittarin käyttöjännitealue on laaja, 110 - 400 V AC ± 10 % ja vastaavasti120 - 305 V DC ± 20 %, minkä ansiosta se soveltui hyvin generaattorin mittaukseen. Väylän kauttapystytään mittarista lukemaan lähes kaikki mahdolliset suureet. Kuitenkin tässä tapauksessa oli tar-peen vain jännitteiden, virtojen, eri tehojen, taajuuden ja tehokertoimen lukeminen. Mittarilla pysty-tään lukemaan myös harmonisia yliaaltoja. Mittarista eri arvoja luetaan noin 4 kertaa sekunnissalogiikan muistiin.

45

Mittari voidaan liittää suoraan 400 V kolmivaihejärjestelmään. Virranmittausta varten tarvitaan eril-liset mittamuuntajat. Myös jännitemittamuuntajien avulla laite voidaan liittää keskijännitekojeisiin.Mittarin omakäyttöjännite voidaan ottaa yhdestä mitattavasta vaiheesta tai syöttää erillisestä läh-teestä; mittari kuitenkin mittaa taajuutta saamastaan syöttöjännitteestä.

Mittarilla luetaan sekä verkon että generaattorin jännitteitä, mistä syystä mittarin jännitteenmittaus-vaiheet L1 ja L2 kytkettiin generaattorin vastaaviin vaiheisiin ja L3 kytkettiin verkon vastaavaanvaiheeseen. Tällä järjestelyllä L3-vaiheesta voidaan lukea verkon tila aloitettaessa generaattorintahdistaminen verkkoon ja voidaan todeta verkon jännitteisyys sähkökatkon jälkeen.

Tämän kytkennän seurauksena mittari ei voi laskea oikeita kolmivaiheisia suureita saarekeajon aika-na kahdella jännitteisellä vaiheella. Ongelma korjaantuu laskemalla halutut arvot logiikalla mittaristasaatavista yksivaihearvoista. Generaattorin verkkoon kytkeytyneenä tätä ongelmaa ei ole, sillägeneraattorin napajännite on sama verkon kanssa.

Mittarilla on hyvin keskeinen asema tässä automaatiossa, sillä mittarista saadaan kaikki tarvittavattiedot voimalaitosprosessista. Mikäli tämä mittari ei käynnisty tai lakkaa toimimasta kesken käytön,ei automaatiolle saada mitään tietoja jännitteistä, virroista tai tehoista. Tämän mittarin voidaan sa-noa olevan tämän automaation hermokeskus. Ohjelmallisesti voidaan valvoa tämän mittarin toimin-taa ja estää voimalaitoksen toiminta, mikäli mittari ei keskustele logiikan kanssa.

5.4.8 Tahdistin

Generaattorin verkkotahdistusta varten laitteistoon asennettiin DEIF:n valmistama CSQ-2-tyyppi-nen tahdistusskooppi. Se sisältää tahdistushetkeä ilmaisevan relelähdön, josta saadaan kytkentä-viesti logiikalle tai suoraan katkaisijan ohjaukseen. Tahdistin tarvitsee verkon ja generaattorin puo-lelta vaiheet L1 ja L2 pystyäkseen vertailemaan verkon ja generaattorin taajuutta ja vaihesiirtoa.

Tahdistimessa on ohjelmoitavissa nollajännitteen ja vaihesiirron ylä- ja alarajat. Näillä toiminnoillapystytään saavuttamaan haluttu tahdistushetki, joilla voidaan rajoittaa kuinka suurella kiihtyvyydel-lä generaattori pystyy kytkeytymään verkkoon.

Verkkoon tahdistuminen olisi onnistunut todennäköisesti myös tehoanalysaattorin avulla käyttämäl-lä jännitemittauksessa muutoskytkentää aina tahdistustilanteessa. Toteutuksen hankaluuden ja myössimuloinnin aikana havaitun epävarmuuden takia oli turvallisinta hankkia tähän tarkoitukseen suun-niteltu tahdistin.

5.4.9 Ohjelmalliset suojat ja liityntäautomaatio

Automaation suojareleet on toteutettu ohjelmallisesti. Katkaisijoissa on kuitenkin omat oikosulku-ja ylivirtareleet. PM500-tehoanalysaattorin kautta luetuista arvoista valvotaan logiikkaan ohjelmoi-duissa osissa prosessin käyttäytymistä. Koska logiikka on koko automaation keskipiste ja senvikaantumien estää prosessin hallinnan, on tämä seikka huomioitu ohjelman suunnittelussa.

Logiikan käyttöjännitteiden katkeaminen sekoittaa voimalaitosprosessin, josta logiikka palautuu itsealoittaen voimantuotantoprosessin alusta. Logiikan sähkökatko aukaisee kummatkin katkaisijat jaohjaa turbiinin sulun päälle ulkoisen ohjauksen turvin. Käyttöjännitteen palauduttua alkaa prosessinylösajo normaaliin tapaan.

Edellä esitetty käyttöjännitekatkos vikamahdollisuus poistetaan käyttämällä On-Line-UPS:ia, jonkaperään kytketään valvomotietokone ja logiikka. Tällä menettelyllä saavutetaan turvallinen prosessin

46

hallinta lyhyiden sähkövikojen tai katkosten aikana. Toinen seikka, joka puoltaa UPS:n käyttöä ontietokoneen ja logiikan syöttöjännitteen laadun turvaaminen ja vaarallisten ylijännitepiikkien suodatus.On kuitenkin havaittu tilanteita, joissa UPS on pudonnut pois päältä voimalassa tehtyjen kytkentä-tilanteen muutosten yhteydessä. Tämä häiriö on aiheuttanut noin kahden minuutin mittaisen tilan-teen, jolloin voimalaitosta ei pystytä hallitsemaan automaation voimin.

Ohjelmalliset suojat on esitelty kohdassa vikatilanteet. Näillä asetteluilla hallitaan sähköntuotannonturvallisuutta. Lisäksi automaatio valvoo kokoajan PM500-tehoanalysaattorin viestiliikennettä japyörimisnopeuslaskurin toimintaa. Näiden laitteiden vikaantuminen estää prosessin ylösajon ja toi-saalta ohjaavat prosessin alas vian syntyessä normaalin ajon aikana.

5.4.10 Energiamittari

Voimalaitoksen tuotetun ja kulutetun energian mittaus muutettiin suoritettavaksi Enermetinkaksisuuntaisella E700-energiamittarilla. Ennen mittareita oli kaksi, toinen tuotetulle ja toinenkulutetulle energialle. Uusitulla mittarilla saadaan selville kokonaisenergiasta sekä pätöteho ettäloisteho molempiin suuntiin. Lisäksi mittarin käyttäjä pystyy lukemaan siitä myös jännitteen, virran,kokonaistehon ja cos -arvon.

Energiamittari on kaukoluettavissa GSM-verkon kautta, joten verkkoyhtiö pystyy etälukemaanmittarista tuntienergiatietoja ja tehotietoja. Mittarista siirretään logiikkaan pätö- ja loistehotietopulsseina välireleiden kautta automaation säätöjä ja valvomossa tapahtuvaa esitystä varten. Pulssienvälitystä varten on olemassa tähän tarkoitukseen suunniteltuja puolijohdetekniikkaa hyödyntäviäreleitä. Näiden releiden etuna on huomattavasti pitempi käyttöikä ja suurempi kytkentämäärän kes-to verrattuna tavallisiin releisiin ja toisaalta tavalliset releet eivät pysty toistamaan läheskään niinsuuria pulssinopeuksia kuin olisi tarve.

Mittarissa on kaikkiaan neljä relelähtöä, joka mahdollistaa mittarin monipuolisen käytön. Mittarinkautta on mahdollista suorittaa kuormanohjaustoimenpiteitä, jonka ansiosta on mahdollista suorit-taa jonkinasteista voimalaitoksen kauko-ohjausta energiamittarin kaukoluentayhteyttä hyväksi käyt-täen. Tällaiseen ohjaukseen ei ole vielä valmista ratkaisua olemassa, mutta tulevaisuudessa, kunpienvoimaloiden lukumäärä tulee kasvamaan, voi tällaiselle ohjaukselle olla tarvetta. Energiamittarinkaukoluentayhteyden kautta verkkoyhtiö pystyisi hallitsemaan pienvoimaloiden kytkeytymistä verk-koon. Tällainen kauko-ohjausmahdollisuus on hyvä keino estää pienvoimaloita jäämästä syöttämäänosaa jakeluverkosta omana saarekkeenaan verkossa sattuvien ohjaustilanteiden ja vikatilanteidentakia.

5.5 Automaation toimintaselostus

Automaattisen voimantuotannon käyttöönotto tapahtuu voimalan ollessa pysähdyksissä. Sähkö-keskuksessa on valintakytkin S1, josta voidaan valita automaattiajo tai käsiajo. Tältä kytkimeltälogiikka saa käynnistysluvan ja samalla kytkimen kääntö vaihtaa magnetointitapaa käsikäyttöiseltämagnetointivastukselta staattisen hakkurimagnetoijan ohjaukseen. Kytkimen kääntö ei vielä käyn-nistä voimalaitosta, vaan valvomosta tapahtuu lopullinen ohjaus. Sähkökeskuksessa on myös toinenvalintakytkin S2, josta annetaan lupa kytkeytyä syöttämään energiaa verkkoon. Samoin tämänkinkytkimen vaikutus on säädeltävissä valvomosta. Voidaan ajatella näiden edellä mainittujen kytkimienolevan turvakytkimiä, joiden käyttö tuo turvallisuutta voimantuotantoprosessiin ja estää luvattomatkytkeytymiset. Kytkimet turvaavat myös voimalan alasajon esimerkiksi valvomotietokoneenvaurioitumisen yhteydessä, jolloin ohjauksia ei voida hoitaa koneen näytöltä.

47

Näiden kytkinvalintojen jälkeen prosessia ohjataan valvomosta käsin. Valvomossa on kolme kes-keistä ikkunaa, joista voidaan suorittaa ohjaustoimenpiteitä, asetella tuotantoarvoja ja seurata ver-kon kytkeytymistä. Nämä ikkunat on esitelty kohdassa valvomo. Valvomo - ohjelmiston päänäyttönätoimiva valvontanäyttö sisältää prosessiarvojen näytön ja muiden keskeisten toimilaitteiden toimin-nan indikoinnin. Tältä näytöltä löytyy painikkeet Voimalaitos ON/OFF, josta voimalan käynnistysja sammutus hoidetaan ja Verkkoonkytkentä ON/OFF, josta ohjataan generaattorin kytkeytymistäverkkoon.

Valvomosta annetun käynnistymisluvan jälkeen alkaa voimalan ylösajovaihe, jossa vaiheessa auto-maatio tarkistaa antureiden ja tärkeiden toimilaitteiden kunnon ja sallii käynnistyksen mikäli kaikkion kunnossa. Käynnistys alkaa avaamalla turbiinia, generaattori alkaa kiihtyä. On tosin huomioitavase seikka, että turbiini pyörii aina, vaikka se on täysin kiinni. Tästä johtuen käynnistysvaihe onnopea. Kun generaattorin taajuus on kohonnut yli 35 Hz, kytkeytyy päälle magnetointi ja generaattoriin"tulee sähköt" ja PM500-tehoanalysaattori alkaa "herätä" käyttöjännitteen syntymisen seurauksesta.Tässä vaiheessa magnetoinnissa on kiinteä ohjearvo, sillä tehoanalysaattorin käynnistyminen ja kom-munikoinnin alkaminen kestää vähän aikaa. Turbiinin aukiajo jatkuu tällä aikaa.

Ennen PM500:n käynnistymistä generaattorin pyörimisnopeutta ja taajuutta valvotaan pyörimis-nopeusvalvonnalla, jolla taataan turvallinen käynnistyminen. Kunnes generaattorin taajuus on ko-honnut noin 45 Hz:iin, muuttuu aukiohjaus PID-säätimen ohjaamaksi, pulssimaiseksi, säätäengeneraattorin taajuuden 50 Hz:iin turbiinia säätämällä. Seuraavaksi automaatio analysoi asetellutohjeet ja kytkinten kosketintiedot ja ratkaisee kytkeytyykö se saarekkeeseen vai verkkoon. Mikäliverkkoonkytkentä on estetty tai verkko ei ole kunnossa, generaattori kytkeytyy saarekkeeseen, kunjännite ja taajuus ovat asetelluissa rajoissa, sulkemalla saarekekatkaisijan. Saarekkeessa ohjaus pe-rustuu taajuuden ja jännitteen säätöön kuormituksen vaihdellessa.

Verkkoonkytkentä tapahtuu tahdistamalla generaattori verkkoon ja sulkemalla verkkokatkaisija.Tahdistus tapahtuu ajamalla 50 Hz taajuutta kunnes oikea tahdistushetki löytyy ja logiikkaan asetellutehdot täyttyvät ja verkkoonkytkentä on sallittu tahdistimen luvalla. Verkkokatkaisijan sulkeuduttuaalkaa välittömästi tehonnostovaihe, jolloin turbiinia ajetaan hitaasti jatkuvana aukiajona kunnes onsaavutettu noin 75 % teho asetellusta ohjeesta. Samalla magnetointi säätää ohjeen mukaisenloistehotuoton. Loppu säätö ajetaan pulssimaisella ajolla, jotta päästään tarkasti oikeaan aseteltuunarvoon ja eikä liian nopealla tehonnostolla ajauduta ylikuormitukseen. Normaaliajossa generaattorisyöttää verkkoa ja automaatio valvoo ja säätelee tätä prosessia.

Valvonta suoritetaan ohjelmallisesti ja PM500-tehoanalysaattorin arvoja luetaan jatkuvasti logiik-kaan ja tarkastellaan prosessin kulkua. Vikatilanteessa automaatio ohjaa verkkokatkaisijan auki ver-kon vikaantuessa ja siirtyy syöttämään pelkästään saareketta. Automaatio avaa myössaarekekatkaisijan, mikäli vika ei poistu pelkän verkkokatkaisijan avaamisen jälkeen. Viasta johtuvaverkosta irtoaminen saa generaattorin ryntäämään, jolloin tarvitaan nopeaa turbiinin ohjausta jamagnetoinnissa vaaditaan pakko-ohjausta leikkaamaan ylijännitepiikkiä, jotta pystytään takaamaanturvallinen saarekekuormien syöttö.

Voimalaitoksen irtikytkeminen verkosta ohjelman kautta tapahtuu huomattavasti rauhallisemminkuin vian takia tapahtuva irtautuminen painamalla valvomossa Verkkolupa ON/OFF -painiketta javalitsemalla Erota. Heti tämän jälkeen alkaa turbiinin kiinniajo, joka laskee tehot omakäyttötasolleja irtautuu verkosta siirtyen saarekkeeseen noudattaen saarekkeelle asetettuja ohjauksia. Voimalansammutus tapahtuu samaan tapaan kuin käynnistyskin; nyt valitaan vain sammutustoiminto. Tämänjälkeen alkaa turbiinin kiinniajo jatkuen niin kauan kunnes se on täysin kiinni. Samaan aikaan auto-maatio erottaa generaattorin saarekkeesta ja katkaisee magnetoinnin. Voimala jää tilaan, josta sevoidaan käynnistää uudelleen tai siirtyä käsiajoon tarpeen mukaan.

48

Valvomosta tehdyt säädöt ja ohjaukset eivät vaikuta millään lailla epätahtigeneraattorin toimintaan,vaan sen hallinta täytyy suorittaa sen omasta keskuksesta käsin. Valvomoon on vain otettu kokonai-suuden kannalta myös tämän generaattorin toiminnan osoitus.

Automaation toiminta muuttuu hieman kun verkkokatkaisijan ohikytkentäerotin kytketään kiinni,sillä automaatio toimii sen auki ollessa edellä esitetyllä tavalla normaaliajossa. Muutos on seuraa-vanlainen. Ohikytkennän ollessa auki on siis kyseessä normaaliajotilanne, eli verkkoon tahdistutaanverkkokatkaisijan avulla ja tällöin saarekeajoon irtautuminen on mahdollista. Kun ohikytkentä onkytketty kiinni, suoritetaan tahdistus verkkoon saarekekatkaisijan avulla. Tässä tilanteessa generaattoriei pysty syöttämään saarekekuormia verkosta irrotessaan, vaan jää tyhjäkäyvään tilaan esim. viantakia irrottuaan verkosta.

Generaattori noudattaa 5 minuutin mittaista kytkentäviivettä ennen kuin se yrittää kytkeytyä uudel-leen verkkoon. Voimalan valvontaan on aseteltu ehdoksi 20 minuutin viive, minkä jälkeen voimalasammutetaan kokonaan, ellei se kykene kytkeytymään saarekkeeseen tai verkkoon. Tällainen syyvoi olla katkaisijan viritintoimilaiteen jumiutuinen, joka estää automaattisen kytkennän toimimisen.

5.5.1 Tahtigeneraattorin tehotasapainon hallinta

Generaattori toimii tarpeen mukaan verkossa tai saarekkeessa, mikä takia sen tehontuoton ohjausvaihtelee merkittävästi. Saarekekuormituksen aikana ohjaus perustuu taajuuden vakiona pitämi-seen, eli tehotarpeen mukaan logiikka ohjaa turbiinia pyrkien pitämään taajuuden lähes muuttumat-tomana. Magnetoinnilla pidetään jännite vakiona kulutuksesta ja kuorman tyypistä riippuen. Saareke-kuormituksen aikana on kaksi arvoa, joita logiikka säätää ja pyrkii pitämään vakiona, eli taajuus jajännite.

Generaattorin kytkeydyttyä verkkoon automaatio säätää valvomosta asetellun tehon ja loistehotuotonkohdalleen. Nämä arvot ovat kiinteitä ohjeita, joita noudattaen tehontuoton ohjauksia suoritetaan.Verkkokuormituksen aikana säädetään vain tehon- ja loistehontuottoa.

Verkkokuormituksesta siirryttäessä saarekekuormitukseen tarvitaan tietää saarekkeen kuluttamahetkellisteho, joka asetelleen uudeksi ohjeeksi teholle siirtymävaiheen ajaksi. Toisin sanoen generaattoriajetaan samalle tehotuottotasolle kuin mitä oma kuormitus sillä hetkellä tehoa kuluttaa. Tämänjälkeen generaattori erotetaan verkosta ja ohjaus muuttuu saarekeohjaukseksi. Muutoksen pitäisiolla lähes huomaamaton tarkan säädön ansiosta; tosin jännitteessä saattaa ilmetä pieniä heilahteluja.

Tämä oma kulutus saadaan selville laskemalla yhteen tahtigeneraattorin ja epätahtigeneraattorin tuot-tamat tehot ja vähentämällä tästä summasta energiamittarista saatava tehotieto. Näin ollen erotus onse teho, jonka mylly ja omakotitalo kuluttavat sähköä sillä hetkellä. Nämä saadut arvot ovat kuiten-kin 3 minuutin keskiarvoja eivätkä hetkellisarvoja.

Vikatilanteissa, jolloin verkosta pudotaan täydellä teholla, ei ennätetä säätää tehoja edellä mainitullatavalla, vaan on käytettävä hätäsulkua, kunnes tilanne rauhoittuu. Nämä tilanteet vaativat nopeaa javarmaa toimintaa koko automaatiolta, sillä tavoitteena on pitää saarekekuorma aina jännitteellisenä,eli syöttö pyritään pitämään katkottomana joka tilanteessa.

5.5.2 Loistehon tuotanto

Voimalaitosgeneraattorin ja jakeluverkon välisen loistehon suunta ja suuruus riippuvat käytettäväs-tä generaattorityypistä ja magnetoinnin säädöstä. Epätahtigeneraattorit ottavat magnetointiin tarvit-semansa loistehon suoraan verkosta tai paikallisista kompensointiparistoista, sillä ne eivät itse sitä

49

pysty tuottamaan. Tahtigeneraattorilla pystytään säätelemään loistehotuotantoa magnetoinnin avul-la. Alimagnetoituna tahtigeneraattori ottaa verkosta puuttuvan loistehon ja vastaavasti se ylimag-netoituna syöttää loistehoa verkkoon.

Liiallinen loistehon kulutus tai tuottaminen kuormittaa voimalan ja jakeluverkon välistä siirtoyhteyttä.Liiallinen loistehotuotanto myös nostaa verkon jännitettä ja heikossa jakeluverkossa tehokas voima-laitos virheellisellä loistehotuotannolla voi saada aikaan ylijännitevaaran. Jakeluverkonhaltijat voi-vat määritellä loistehotuotantoa koskevia normeja. Senerin nykyisten ohjeiden mukaan verkosta voikuluttaa loistehoa 20 % suuruisen määrän pätötehon huippuarvosta (vastaa cosö arvoa 0,98) ilmai-seksi; suuremmasta määrästä veloitetaan. Vastaavasti verkkoon päin ei loistehoa saa luvatta toimit-taa. Näistä ehdoista ja muista määrittelyistä voidaan sopia tapauskohtaisesti sähköntuotanto-sopimuksessa tuottajan ja verkkoyhtiön kesken.

Tässä tapauksessa voimalaitoksen huipputeho on noin P = 160 kW, josta loistehon ilmaisosuudeksisaadaan cos :n arvolla 0,98 noin Q = 32 kvar. Voimalaitosta ajetaan tahtigeneraattorin osaltainduktiivisena, eli se ottaa jonkin verran loistehoa verkosta. Epätahtigeneraattori on myösinduktiivisella puolella omien kompensointiparistojensa osalta eli tehokerroin on noin 0,95. Normaali-käytössä voimalaitos pidetään induktiivisella puolella, eli se kuluttaa verkosta loistehoa tietyn osuu-den riippuen voimantuotantotilanteesta. Toki tätä tahtigeneraattoria kannattaa ajaa aina arvolla cosxx= 1, jolloin saavutetaan paras hyöty sähköntuotannossa. Loistehotilanteesta riippuen tahti-generaattorilla voidaan tuottaa tai kuluttaa loistehoa liittymispisteen tehotasapainon pitämiseksivakaana.

5.6 Kokeet ja mittaukset

Tahtigeneraattorille suoritettiin ennen uusien laitteiden asennusta vanhalla käsikäyttöisellä magne-toinnilla ja vanhalla sulkumoottorilla koe, jossa se irrotettiin verkosta lähes täydellä kuormituksella.Generaattorin irrotessa verkosta, sulkeutui turbiini sähkömoottorin voimin noin 5 sekunnissa. Tässämittauksessa tarkkailtiin taajuuden ja jännitteen käyttäytymistä kokeen aikana. Kokeita suoritettiinkaksi, joista ensimmäisessä magnetointi pidettiin vakiona ja toisessa magnetointia pienennettiin vä-littömästi verkosta irtoamisen jälkeen ja palautettiin ennalleen.

Tuloksista oli nähtävissä ensimmäisessä kokeessa jännitteen voimakas nousu vaihejännitteessä aina450 V:iin asti, ja samaan aikaan taajuus kohosi välittömästi 61 Hz:iin. Toisessa vastaavassa kokeessamagnetoinnin pienentäminen sai jännitteen nousemaan noin 320 V:iin (vaihejännite). Havaintonaoli, että voimakkaalla magnetoinnin säädöllä voidaan tämä ylijännite poistaa tai ainakin rajoittaavoimakkaasti sen nousua.

Ensimmäisessä kokeessa vaihejännite oli noin 7 sekuntia yli nimellisen jännitteen (240 V). Vastaa-vasti toisessa kokeessa tämä ylijännitejakso kesti vain noin 3 sekuntia.

50

5.7 Seurantatietoja

Valvomo-ohjelmisto kerää historiatietoa katkaisijoiden toiminnasta, käyttäjän tekemistä ohjaus-toimenpiteistä ja asetteluarvojen muutoksista, vikatiedoista ja vikatilanteen prosessiarvoista. Näistätiedosta voidaan päätellä mahdollisten vikojen aiheuttaja ja hienosäätää tuotantoprosessia parem-paan, vähemmän vikoja tuottavaan suuntaan. Näistä kerätyistä vikatiedoista voidaan myös nähdävoimalaitoksen tuottaman sähkön laatu ja voimalan käytettävyysaste.

PM500-tehoanalysaattorista voidaan seurata valvomossa esitettyjen tietojen lisäksi tahtigeneraattoristasaatavilla olevia prosessiarvoja, kuten yliaaltopitoisuus, huippuarvot ja energiatiedot.

Lisäksi mittaustietoja kerätään Fluke:n sähkönlaatuanalysaattorilla. Näistä tuloksista saadaan tietoavoimalan käyttäytymisestä vikatilanteissa sekä tahtigeneraattorin ja epätahtigeneraattorin rinnan-

Kuva 18. Vastaava tilanne taajuuden osalta.

Kuva 17. Ensimmäisen ja toisen kokeen mittaustulokset vaihejännitteen osalta.

51

käynnistä näissä tilanteissa. Analysaattorilla on mitattu voimalan tilaa ennen saneerausta ja uudenlaitteiston käytön aikana.

Fluke:n analysaattorilla kerätyistä mittaustilanteista saaduista käyristä, joissa on nähtävissä häiriö-tilanteita ja vikoja, voidaan selvittää sähkölaitoksen puolelta vain jälleenkytkentätiedot lokitiedoista.Tarkempaan vikatietojen tarkasteluun ei päästä; viat ovat oikosulun tai maasulun aikaansaamia vi-koja, joista ei pystytä selvittämään vaihekohtaisia tietoja.

Lisäksi jännitteen ja virran käyttäytymistä vikatilanteissa tarkasteltiin oskilloskoopilla. Näistä no-peista tilanteista saadaan tietoa verkon käyttäytymisestä ja todennäköisesti voidaan selvitellä sattu-neiden vikojen syntytapa. VTT:n Vaasan yksikkö on mallintanut voimalaitoksen omallasimulointityökalulla ja näistä tuloksista saadaan todennäköisesti lisätietoa mitattuihin muutos-tilanteisiin.

Uusitusta Enermetin E700-energiamittarista saadaan luetuksi voimalan tuottama teho ja oman ku-lutuksen käyttämä teho sekä loistehon kulutus, pätö- ja loisteho molempiin suuntiin. Käyttäjä pystyymyös selaamaan muita tietoja mittarista.

Kuva 19. VTT:n PSCAD:llä rakentama voimalaitoksen simulointimalli.

Kuva 20. Kuvassa simuloitu 1 -vaiheinen maasulku hetkellä t = 4 s.

52

Voimalaitoksen koekäytön aikana tehtyjä havaintoja ja eräitä puutteita hallintalaitteiden toiminnas-sa on listattu seuraavaksi.

Moottoriviritetyillä katkaisijoilla pyrittiin saavuttamaan automaattinen hallinta joka tilanteeseen.Katkaisijat kuitenkin lukkiutuvat niiden lauetessa yli- tai oikosulkuvirran vaikutuksesta. Tämän vika-tilan poistaminen vaatii paikanpäällä käyntiä ja katkaisijan kuittaamista käsin. Tällainen toiminta onlaitevalmistajan suosittelema turvallinen menettelytapa. Katkaisijoiden automaattinen virityskinonnistuu poistamalla tuo lukitus ja valvomalla katkaisijoiden yli- ja oikosulkulaukaisuja logiikastakäsin ja samainen lukitustoiminto voidaan tehdä ohjelmallisesti kuitenkin sallien yhden tai kaksiyritystä vian jälkeen.

Katkaisijoilla toivottiin saatavan aikaiseksi sellainen verkon syöttötilanne, että vikatilanteessa vaintoinen katkaisija laukeaa vian takia ja saadaan pidetyksi yllä saarekkeen syöttö. Näin ei kuitenkaantapahdu verkon vikaantuessa, vaan suuresta oikosulkuvirran arvosta johtuen molemmat katkaisijatreagoivat vikaan ja aukeavat yhtä aikaa. Joskus sattuvissa lievemmissä vikatilanteissa toimiisuojausketju suunnitellulla tavalla siirtäen syötön katkeamattomana saarekkeeseen.

Kun generaattorin täysi teho pudotetaan hyvin pienelle saarekkeen teholle, seuraa siitä ongelmia.Verkosta irtoaminen täydellä teholla on liian vaativa tehtävä hallittavaksi. Syynä on jännitteen hal-linnan vaikeus tuon muutostilan aikana. Vaikka käytössä on staattinen magnetointijännitteensäädin,ei jännitteeseen muodostuvaa ylijännitepiikkiä pystytä poistamaan turvallisesti. Paras ratkaisu onsallia sähkökatko saarekkeessa ja aloittaa sähkönsyöttö saarekkeeseen heti tilanteen rauhoituttua.

Vedenpinnan korkeus vaikuttaa voimalaitoksen toimintaan, sillä säännöstelyn sallima vaihteluvälion 0,7 m. Tämä vaikuttaa sähköntuottotehoon ja voimalaitosprosessin hallintaan, sillä eri prosessienhitaudet vaihtelevat veden määrän mukaan. Tämä johtaa siihen, että matalanveden aikaan tehdytvirityssäädöt eivät toimi enää korkeanveden aikaan, eikä myöskään toisin päin. Tämä ongelma tuleeesille varsinkin saarekesyötön aikana.

Joen vedenpinnan säännöstelyn vaatima hallinta ja patoluukkujen ohjaus oli myös tarpeen automati-soida saneerauksen yhteydessä. Syynä oli lähinnä se seikka, että tahtigeneraattorin yhdeksi ajotavaksihaluttiin saada myös pinnankorkeuden mukaan säätyvä tehontuotto. Myös automaattinenpatoluukkujen hallinta on tärkeä ominaisuus varsinkin tulvatilanteen aikaan, jolloin verkkokatkos

Kuva 21. Kuvassa simuloitu 1 -vaiheinen maasulku hetkellä t = 4 s.

53

saa vedenpinnan nousemaan hyvin nopeasti. Vedennousu yli ylärajan aiheuttaa vaaratilanteen, jokavoi rikkoa Francis-turbiinin ylälaakerin, jos vesi pääsee sekoittumaan sen voiteluöljyyn.

Pinnakorkeudensäätö toteutettiin kelluke-toimilaitteella, josta saatiin analogiaviesti ohjaamaansäätöluukkuja. Mittaustarkkuudeksi saavutettiin ± 0,25 cm. Virhettä järjestelmän mittaustulokseenaiheutti toimilaitteessa olevat mekaaniset osat ja niiden hieman epätasainen liikkuminen. Järjestelmätoimi kuitenkin pinnankorkeuden muutosten mukaan pitämällä yläveden pintaa asetellulla tasolla jamuuttamalla tahtigeneraattorin teho-ohjetta tarpeen mukaan.

Kuva 22. Verkkojännitteen vaihtelu mittausjakson aikana syksyllä 2005.

Kuva 23. Verkon taajuuden vaihtelu mittausjakson aikana syksyllä 2005.

54

Kuva 24. Oskilloskoopilla tallennettu vikatilanne. Kuvassa kolme alinta käyrää ovat vaiheiden L1 - L3 virtoja. Ylinkäyrä on jännitekäyrä mutta mittamuunnin ei ole ollut päällä vikahetkellä.

5.8 Verkkoonliityntäsautomaation kustannukset

Pitkäkosken voimalaitoksen kustannusarvio pelkkien laitteiden osalta on seuraava(hintataso syksy 2006):

Logiikka, tehomittari (ei energiamittari) ja tarvittavat ohjelmat 8500 €

Uusi pääkeskus, katkaisijat, kaapeloinnit ja muut tarvikkeet 2000 €

Turbiinin ja generaattorin lisälaitteet 1200 €

Valvomotietokone ja etähallinta 800 €

Energiamittarin uusinta (verkkoyhtiön hankinta)

YHTEENSÄ (ALV 0 %) 12500 €

55

5.9 Verkkoonliittymisratkaisun tuotteistaminen

Pitkäkosken voimalaitoksen toteutus on räätälöity tapauskohtaisesti, eli sen ohjelmat ja toimilaitteeteivät käy suoraan mihinkään muuhun ratkaisuun. Ratkaisun tuotteistaminen vaatii ohjelmien virittelyäja räätälöintiä aina tapauskohtaisesti. Ohjelmiston runko toimii kylläkin pohjana muun tyyppisissäratkaisuissa. Automaatiojärjestelmä kattaa muutkin ratkaisut laajuutensa puolesta ja esimerkiksi bio-voimaloiden lantaprosessin ohjaus olisi mahdollista yhdistää samaan järjestelmään. Tämä lisäys vaa-tii tietysti oman suunnittelutyönsä järjestelmien yhteensovittamisessa.

Tämän järjestelmän sovittaminen esimerkiksi dieselgeneraattorin ohjaukseen voisi tuoda huomatta-vasti parempia tuloksia muutostilanteiden osalta kuin mitä saavutettiin Pitkäkosken osalta. Järjestel-män räätälöinti dieselgeneraattorille tulisi saada halvemmaksi kuin mitä se tuli maksamaanpilottikohteessaan. Näitä automaatiokuluja vähentää jo se asia, että uusissa generaattoreissa on huo-mattavasti paremmat mahdollisuudet hyödyntää niissä jo olevaa tekniikkaa verrattaessa Pitkäkoskentilanteeseen, jossa piti rakentaa uusia toimilaitteita vanhojen tilalle, jotta laitteisto oli mahdollistaliittää automaatiojärjestelmään.

56

6.6.6.6.6. ST ST ST ST STAAAAAAAAAATTINEN TTINEN TTINEN TTINEN TTINEN VERKKVERKKVERKKVERKKVERKKOONLIITTYMISLAITTEISTOONLIITTYMISLAITTEISTOONLIITTYMISLAITTEISTOONLIITTYMISLAITTEISTOONLIITTYMISLAITTEISTOOOOO

6.1 Suunnitelma

Biovoimalaitoskohteen jäädessä pois suunnitelmista, pyrittiin löytämään korvaava kohde sille. Esil-le nousi ajatus staattisesta verkkoonliittymismallista, joka hyödyntää osittain jo tunnettua ja olemas-sa olevaa tuulivoimatekniikkaa. Kuitenkin uutena asiana tässä olisi saarekkeen syöttäminenlaitteistolla, joka on suunniteltu toimimaan kiinteän sähköverkon kanssa. Tutkimuksessa selvite-tään, onko laitteen käyttäminen saarekkeessa mahdollista ja mitä lisälaitteita tai ohjelmistosovelluksiasen toteuttaminen vaatii.

Kuva 25. Suunniteltu verkkoonliittymismalli.

Kuva 26. LCL- suodin ja välipiirin latauksen ohjausosat.

57

Kuva 28. Kestomagneettitahtikone, 13,5 kW ja oikosulkumoottori, 4 kW yhteen kytkettynä verkkoonjarrutusajoa varten.

Kuva 27. Taajuusmuuttajat, verkkovaihtosuuntaaja ja moottorisuuntaaja.

58

6.2 Käyttöönotto ja koestus

Laitteisto rakennettiin laitetoimittajan suositusten mukaan ja saarekkeen osuus jätettiin pois esilletulleen ohjelmistopuutteen takia, sillä muuttajien ohjelmistot oli suunniteltu pelkästään syöttämäänkiinteää sähköverkkoa, eikä epävakaata saareketta. Saarekekuorman syöttäminen tällä laitteistollaedellyttää laitetoimittajan puolelta muuttajien ohjelmistojen kehitystä sellaiseksi sovellukseksi, jolleei vielä tällä hetkellä ollut suurempaa kysyntää. Vacon ilmaisi, ettei heillä ole tällä hetkellä resurssejaeikä tarvetta kehittää esittämäämme erikoissovellusta. He totesivat esittämämme ratkaisun kiinnos-tavaksi ja hyväksi ratkaisuksi tulevaisuuden verkkoonliittymisratkaisuja ajatellen, mutta nyt tämälaitteistolta vaadittava tekniikka on vielä hieman aikaansa edellä. Kuitenkin maailmalla ABB:nAmerikan divisioona ja Saksalainen SMA ovat kehittäneet omat saarekesovelluksensa.

Itse verkkoon jarruttava peruskäyttö saatiin toimimaan laitetoimittajan lupaamalla tavalla. Käyt-töönotto oli tietysti perinteistä taajuusmuuttajakäyttöä monimutkaisempi ja vaativampi. Ongelmiaaiheutui oikeiden asetusten ja raja-arvojen löytämisen kanssa, sillä käyttö oli suunniteltu 7,5 kW:nmoottorille ja kestomagneettikone oli kooltaan 13,5 kW. Tästä syystä on selvää, että koneesta eivoida ottaa kaikkea tehoa irti, mutta laboratoriolaitteena se toimii erinomaisesti.

Koestuksen aikana kestomagneettikonetta pyöritettiin 4 kW moottorilla vakionopeusohjeen avulla.Kokeen aikana molemmat koneet käynnistettiin samalla pyörimisnopeusohjeella, eli koneet kävivättyhjäkäyntiä. Lopullinen valinta siitä, toimiiko kestomagneettikone moottorina vai generaattorina,aseteltiin muuttamalla apumoottorin ohjetta +/- 2%, jolla saatiin apumoottori vetämään tai jarrutta-maan käyttöä. Kokeen aikana saatiin generoiduksi verkkoon noin 1,5 kW sähköteho.

Kokeen aikana käyttöä ajettiin vuoroin moottorina ja vuoroin generaattoria, joka näkyy tuloksissa.Positiiviset arvot kuvissa 29 ja 32 kertovat, että käyttö on moottorina ja vastaavasti negatiiviset, ettäkäyttö on puolestaan generaattorina.

Verkkoon generoitu sähköenergia oli lähestulkoon puhdasta harmonisista yliaalloista. Verkkoonsyötettävän tehon tehokerroin on 1, kun taas verkosta otettaessa tehon tehokerroin on selvästi alleyhden. Laitteistolla pystytään myös kompensoimaan loistehoa.

Kuva 29. Koestuksen tehokäyrät.

59

Kuva 30. Verkon jännitteet koestuksen aikana.

Kuva 31. Kuormituksen aiheuttamat vaihtelut virrassa.

Kuva 32. Tehokertoimen käyttäytyminen koestuksen aikana.

60

Kuvan 33 jännitekäyrä näyttää epälineaariselta johtuen osin satunnaisesti valituista mittauspisteistämutta todellisuudessa se on lineaarinen. Koe suoritettiin erottamalla koko käyttö verkosta. Kesto-magneettikoneen synnyttämä jännite latautui muuttajien välipiiriin, mutta tätä kautta syötetty tehoei antanut muuttajille mahdollisuutta käynnistyä, sillä välipiirijännite jäi liian alhaiseksi ja toisaaltaohjelmistoissa on todennäköisesti suojaus tällaista toimintaa varten. Välipiirin lataus alkoi kun PM-konetta pyöritettiin noin 1300 rpm nopeudella.

Tälle käytölle suoritettiin myös koe, jossa sen syöttäessä verkkoon energiaa verkkosyöttö katkais-tiin. Tämän seurauksesta käyttö jatkoi toimintaansa kuin mitään ei olisi tapahtunut, paitsi ylimääräi-nen energia ei enää siirtynyt verkkoon, vaan se ajettiin hätäjarrutuskuormana toimiviin vastuksiin.Verkon palauduttua käyttö kytkeytyi takaisin verkkoon, ilman minkäänlaista merkkiä tapahtuneestamuutoksesta. Tämä tarkoittaa sitä, että liityntämalli sietää verkossa tapahtuvat viat, eikä niitä aiheu-du keskeytyksiä tuotannolle. Tässä mallissa tuon vikahetken energia ajetaan vastuskuormaan, jokavoisi tarkoittaa tämän laitteen jatkokehityksessä saarekekuormaa.

6.3 Laitteiston jatkokehitysnäkymiä

Staattisen liittymismallin tämänhetkinen lupaavasti toimiva prototyyppi luo kiehtovan haasteen jatko-tutkimuksen muodossa kehittää siitä myös saarekkeessa toimiva itsenäinen liittymisrajapintamalli.Tämä haaste vaatii myös aktiivista panosta laitetoimittajan puolelta ja muilta saman tekniikan teo-reettista puolta hallitsevilta tahoilta. Tämänhetkisten tulosten pohjalta asiaa on jo ideoitu melkoises-ti. Ehkä haastavin vaihe on taajuusmuuttajien ohjelmistojen muovaaminen halutun kaltaisiksi, jossiihen on tarvetta.

Kokeiden aikana havaittiin, että muuttajien välipiirijännitteen täytyy kohota riittävän korkeaksi,jotta niiden ohjausautomaatio voi aktivoitua. Välipiirijännitteen lataaminen pyörittämällä pelkkäägeneraattoria ei onnistu, sillä muodostuva jännite jää huomattavasti tarvittavan tason alapuolelle.Syynä on, ettei sitä ole suunniteltu toimimaan tällä tavoin ja sen tekninen rakenne ei mahdollistajännitteen nousua riittävän korkeaksi. Jos tämä asia saadaan korjattua keinotekoisesti nostamallajännitetasoa, on seuraavaksi ongelmana kuinka tehoa syötetään saarekkeen kuormiin ilman kiinteänverkon olemassaoloa. Todennäköisesti ratkaisu piilee välipiirissä, josta energia siirrettäisiin esimer-kiksi erikoisvalmisteisen hakkurin kautta saarekekuormiin. Millainen tuo hakkuri olisi ja kuinka sitäohjataan tai kuinka se ohjaisi käyttöä, vaatii selvitystyötä. Toinen mahdollinen ratkaisu on verkonpuoleisen muuttajan kehittely sellaiseksi, että se kykenee verkosta irrotessaan siirtämään tehonsyötön

Kuva 33. PM-koneelle tehdyn välipiirin latauskokeen tulokset.

61

saarekekuormiin. Toisaalta lienee parasta kehitellä jokin uusi ratkaisu tuohon välipiiriin ja antaanoiden muuttajien olla omina kokonaisuuksinaan. Tällöin vältytään todennäköisesti liian monimut-kaisilta rakenteilta.

Laitteiston jatkokehitystä varten on jo tehty alustavia suunnitelmia mahdollisesta laitteistosta jakäyttötavasta, joiden avulla laitteisto saataisiin toimimaan saareketta syöttävänä voimanlähteenä.Suunnitteilla oleva jatkokehitys perustuu UPS-tekniikan hyödyntämiseen toimintaperiaatteen javarmennetun syötön osalta. Pohjana on DC-väylän käyttö, jossa teho virtaa noin 590 V jännitteellä.Tämän tehon virtaussuunta vaihtelee moottori- ja generaattorikäytön aikana. Kun käyttö ongeneraattorina, virtaa energiaa verkkoon päin. Tuo tasasähköteho johdetaan suunnitelman mukai-sesti kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan kautta saarekekuormille. Saarekekuormat saavat tällä menet-telyllä aina kaiken tehonsa DC-välipiirin kautta, jolloin sähkönlaadussa ei ainakaan ole verkon eikägeneraattorin aiheuttamia häiriöitä.

Koko laitteiston hallinta saarekekuorman aikana perustuu DC-jännitteen hallintaan. Kuorman muu-tokset saavat jännitteen huojahtelemaan, minkä avulla voidaan ohjata generaattorin voimakonetta.Tehon ohjeena on kiinteä DC-jännitearvo, jonka muutosten mukaan säädin komentaa voimakonetta.Kun jännite alkaa laskea lisätään tehoa ja vastaavasti kun jännite alkaa kohota vähennetään tehoa.Lisäksi järjestelmään tarvitaan apulataustasasuuntaaja, joka mahdollistaa saarekkeeseen nousun il-man verkkoa. Tuolla suuntaajalla ladataan välipiiri "täyteen" ennen generaattorin kytkemistä, jonkajälkeen lataus katkaistaan. Tällekin järjestelmälle koituu varmasti ongelmia nopeiden porrasmaistensaarekekuorman muutosten kanssa. Sen takia järjestelmä tarvitsee vielä tämänhetkisessä järjestel-mässä olevan jarruvastuksen ylijäämäenergian kulutukseen saarekekäytön aikana. Tuon energian eikuitenkaan tarvitse mennä hukkaan, vaan se voidaan johtaa esimerkiksi lämminvesivaraajanvastuksiin. Vastaavasti energiavajetilanteiden varalle tarvitaan tuota apulataussuuntaajaa tasoitta-maan DC-jännitteen laskua, kun verkosta ei ole tehoa saatavissa. Toinen hyvä vaihtoehto DC-jän-nitteen muutosten tasaamiseksi voisi olla kondensaattorikuorman käyttö välipiirissä. Tällaisella ko-koonpanolla saataisiin tavoitteena ollut liittymismalli toteutettua tämänhetkisten tietojen ja koke-musten pohjalta.

Kokonaisuutta ajatellen staattinen liittymisratkaisu on perinteistä ratkaisua edullisempi ja helpompitoteuttaa valmiiden moduuleiden ja kenttäväylän käytön takia, joka vähentää kaapelointi huomatta-vasti. Järjestelmän energian siirrossa ei käytetä yhtään katkaisijaa, vaan energian siirtelyä ohjataanelektronisesti, joka puolestaan vähentää kuluvien osien huoltotarvetta.

62

Kuva 34. Laitteiston koekäyttöä varten rakennettu ohjaus- ja valvontanäyttö.

Kuva 35. Rakennettu koelaitteisto.

63

Kuva 36. Suunniteltu jatkokehitys staattiselle laitteistolle.

64

7.7.7.7.7. TULEVTULEVTULEVTULEVTULEVAISUUDEN NÄKYMIÄAISUUDEN NÄKYMIÄAISUUDEN NÄKYMIÄAISUUDEN NÄKYMIÄAISUUDEN NÄKYMIÄ

Tämän projektin aikaa löydetyt ratkaisut ja eri tekniikoiden hyödyntäminen, antavat toivoa tulevai-suuden verkkoonliittymistekniikoiden jatkokehitykselle. Nyt esillä olevat uudet tekniikat, kutenbiokaasukäyttöiset mikroturbiinit edustavat tulevaa tehokasta energiantuotantoa ja sen hallintaa pit-källe viedyllä automaatiolla varustettuna. Kuitenkin mikroturbiinin toiminta edellyttää polttoainee-na käytettävän biokaasun jatkuvaa ja tasaista saantia bioprosessista, jonka toiminta näillä koetiloillaon toiminut vaihtelevasti. Keski-Euroopassa tekniikka toimii ympärivuoden tasaisten sääolosuhteidenansiosta, mutta Suomen rajusti vaihtelevat sääolosuhteet tuovat toiminnalle haasteita saada prosessipyörimään moitteettomasti myös talvella.

Verkkoon liitynnässä tullaan todennäköisesti siirtymään mitä enenevässä määrin kohti staattisia rat-kaisuja, sen teknisten mahdollisuuksien myötä. Perinteinen tekniikka on vielä halvempaa ja toimin-naltaan yksinkertaisempaa ja ehkä myös turvallisempaa tekniikkaa loppukäyttäjän näkökulmasta.Staattinen tekniikka poistaa kaikki turhat kuluvat katkaisijat ja kytkimet, kun tehoa siirretään jaohjataan tehoelektroniikan avulla. Taajuusmuuttajien ohjelmistojen tehokkaan kehityksen myötä netoimivat jo paikallisina, pieninä ohjelmoitavina logiikoina, joilla voidaan ohjata ja valvoa prosessintoimintaa.

Staattisen ja perinteisen liittymistekniikan suurimpina eroina ovat verkkoon ja saarekkeeseensiirrettävän sähkön laadulliset erot, sillä staattinen järjestelmä pystyy poistamaan perinteisen järjes-telmän aiheuttamia häiriötä ja vaaratilanteita näistä liittymispisteistä.

Saarekekäyttöä ajatellen ainakin kaksi laitevalmistajaa kehittää juuri saarekekäyttöön soveltuvaatekniikkaa. SMA Germany on toinen valmistaja, jonka laitteita käytetään Euroopan ja Aasian syrjäisilläalueilla, jonne ei ole mahdollista vetää kiinteitä sähkölinjoja. Järjestelmä muodostaa täysin omansaarekeverkon, jonka laajuus määräytyy esimerkiksi pienen kylän sähkönkäytön tarpeesta. Järjestel-mä hyödyntää aurinko-, tuuli- ja dieselenergiaa, joista saatu energia varastoidaan akkuihin ja niistäsitten tarpeen mukaan vaihtosuunnataan paikalliseen jakeluverkkoon UPS- tekniikan tavoin.

Projektimme tavoitteena ollutta liittymislaitteistoa kehitellään maailmalla, mutta vastaavanlaistaratkaisua ei tiettävästi ole vielä kehitetty. Eri valmistajat keskittyvät omiensa mallien kehittämiseen,mutta tulevaisuus näyttää mikä niistä parhaiten menestyy.

Projektin loppuraportin kokoamisen aikoihin syksyllä 2006 tuli lehdistötiedote koskien ABB:n ke-hittämää kestomagneettipohjaista vesivoimalaitoksen verkkoonliittymislaiteistosta. Ensimmäinentällainen laitteisto toimitetaan Paneliankosken Voima Oy:lle syksyyn 2007 mennessä. Tällä moderni-sointijärjestelmällä tarkoitetaan juuri samaan tekniikkaan perustuvaa taajuusmuuttajapohjaistastaattista järjestelmää, joka rakennettiin projektin aikana sähkölaboratorioon. Tämä uutinen vahvis-taa kestomagneettikonetekniikan leviämistä markkinoille ja saa staattisen liittymistekniikanyleistymään markkinoilla.

65

8.8.8.8.8. YHTEENVETYHTEENVETYHTEENVETYHTEENVETYHTEENVETOOOOO

Tekesin ja teollisuuden rahoittaman DENSY-tutkimusohjelman tavoitteiden mukaisesti on toteutet-tu Paikallissähköprojekti, jossa on kehitetty pienimuotoisen sähköntuotannon verkkoonliittymisentekniikkaa ja arvioitu maaseudun biokaasulla tuotetun sähkön määrää.

Tutkimusohjelman hankkeissa kehitetään paikallisia pienen teholuokan energian muunto-, tuotanto-ja varastointijärjestelmiä sekä niihin liittyviä palveluita. Energia- ja ilmastopoliittisessa selonteossatodetaan, että yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon edistämiseksi sekä biopolttoaineiden ja uusi-utuvien energialähteiden käytön lisäämiseksi pienvoimalaitosten verkkoon liittymistä helpotetaanenergiamarkkinoiden sääntelyä kehittämällä. Valtiovallan panostus pienimuotoisen sähköntuotannonkehittämiseen ja käytön edistämiseen on siten merkittävä.

Paikallissähköprojektissa arvioitiin, että maatalouden biokaasulaitosten potentiaali on Pohjois-Sa-vossa noin 15 maatilaa, mutta tilojen lukumäärä voi olla optimistisen skenaarion mukaan 20.Tilakohtaisella lietelannasta saatavalla biokaasulla voidaan tuottaa 360 ... 2250 MWh sähköenergiaavuodessa. Ylin arvio on optimistinen arvioi, joka ainoana skenaariona johtaa yli 30 kW tilakohtaiseenkeskitehoon käyntiajalla 8 h/vrk. Teknisesti tämä optimistinen skenaario voisi täyttää taloudellisuu-den kriteerit. Muun jätteen tai kasvien käyttö lietelannan mukana biokaasun tekemisessä olisitilakohtaisesti tärkeää.

Tehtyjen energiatasemallien ja -selvitysten perusteella voidaan todeta, että tilalla tuotettavan energi-an (sähkö ja lämpö) hyödyntäminen omaan käyttöön edellyttää mahdollisimman jatkuvaa ja tasaistasähköntuotantoa samoin kuin lämmöntuotantoa. Tekninen mitoitus on tehtävä huolella. Teholtaanliian suuri generaattori johtaa epätaloudelliseen ajoittaiskäyttöön. Taloudellista arviointia ei ole täs-sä työssä tehty.

Päätyö tässä projektissa oli pienimuotoisen sähköntuotantoyksikön verkkoonliittymisen kehittämi-nen teknisesti ajanmukaisilla laitteilla, turvallisesti ja taloudellisesti.

Verkkoonliittymiskonsepteja kehitettiin ja toteutettiin kaksi kappaletta. Valitettavasti kolmatta,maatalouden biokaasulaitosta, ei löytynyt eikä sitä sen vuoksi liitetty verkkoon. Kuitenkin kaksitehtyä ratkaisua antavat pohjan maatilan biokaasulaitoksen moderniin verkkoonliittymiseen.

Kiuruvedellä sijaitseva Pitkäkosken vesivoimalaitos edustaa perinteistä teknologiaa. Siihen suunni-teltiin uusi liityntäjärjestelmä ja kaukokäyttö modernilla logiikkaohjauksella ja siihen liittyvillä mit-ta- ja ohjauslaitteilla, joita ovat PM500-tehoanalysaattori, DC-DC-hakkuri, moottoriohjatut katkaisijat,sähköinen turbiinin säätölaitteisto, tahdistin ja muut vartiolaitteet. Suurin osa automaatiosta onohjelmoitua dataa, joiden ohjeiden mukaan logiikka ohjaa prosessia. Automaation keskipisteessäovat itse logiikka ja tehoanalysaattori, joka siirtää prosessista kaikki tarvittavat sähköiset suureetlogiikkaan ja ohjausta suorittaviin vertailusilmukoihin ja valvontalohkoihin.

Pitkäkosken vesivoimalaitoksen verkkoonliittyminen toteutettiin projektin kuluessa. Laitteiden osaltatoteutuksen hinta-arvio on noin 12500 € (alv 0 %). Projektin loppuvaiheessa saatiin myös arvokastatietoa järjestelmän toiminnasta, jolloin voitiin tehdä tarpeellisiksi katsottuja säätöjä ja virityksiä.VTT on myös analysoinut voimalaitoksen toimintaa muutostilanteissa. Pitkäkosken vesivoimalaitoksenverkkoonliittyminen toteutettiin ns. laajalla automaatiolla, jolloin generaattori voi toimia jokosaarekkeessa tai rinnan verkon kanssa. Siirtyminen tilasta toiseen toteutuu suunnitellun ja toteute-tun automaation ja laitetekniikan avulla. Esimerkiksi jakeluverkon vika siirtää generaattorin saareke-tilaan, jolloin tilan sähkönjakelu ei katkea. Rinnankäytössä ylijäämäinen vesivoimalla tuotettu sähkövoidaan myydä jakeluverkonhaltijan verkkoon.

66

Suunnittelussa otettiin huomioon myös prosessin valvonta, joka toteutettiin reaaliaikaisella valvomo-ohjelmistolla; Vijeo Look on pieniin ja keskisuuriin valvomoihin tarkoitettu graafinen valvomo-oh-jelmisto. Valvomo-ohjelmalla luotiin automaatiolle prosessin tärkeimpien arvojen reaaliaikainen esi-tys, selkeät ohjaustoiminnot, vikahistoria, kytkentätilanteet ja ohjearvojen asettelu. Valvomossa onneljä eri ikkunaa, jotka on jaettu varsinaiseen valvontaosaan, ohjearvojen asetteluosaan, graafiseen2 tunnin tapahtumahistoriikin esitysosaan (voidaan toteuttaa myös pitemmillä seurantajaksoilla) jasähköisen kytkennän esittävään osaan. Valvomo-ohjelmistoa voidaan käyttää mm. datan lukemi-seen ohjelmoitavalta logiikalta ja luettujen datojen visualisointiin, prosessin valvomiseen ja ohjauk-seen sekä ohjelmoitavalta logiikalta luetun tai valvomon sisäisen datan tallentamiseen tietokantaanja prosessin hälytysten käsittelyyn.

Toisena toteutettuna verkkoonliittymisratkaisuna toteutettiin ja testattiin staattinen verkkoon-liittymismalli siinä muodossa kuin se tänä päivänä on teknisesti mahdollista. Hankittu laitteisto onsuunniteltu toimimaan kiinteän sähköverkon kanssa. Tutkimuksessa selvitettiin, onko laitteen käyt-täminen saarekkeessa mahdollista ja mitä lisälaitteita tai ohjelmistosovelluksia sen toteuttaminenvaatii.

Staattinen verkkoonliittymislaitteisto saatiin toimimaan kestomagneettigeneraattorin kanssa verra-ten hyvin rinnankytkentätilanteessa eli kiinteän sähköverkon kanssa. Järjestelmää testattiin erilaisis-sa toimintatiloissa. Havaittiin esimerkiksi se, että generaattorin tuotanto jatkuu normaalisti verkonjännitteiden katkettua, jos vain teho pystytään syöttämään tasasähkövälipiirissä oleviin kuormiin.

Staattisen liittymismallin jatkotutkimusta on suunnattava myös saarekkeessa toimivan itsenäisenliittymisrajapintamallin kehittämiseen. Tämä haaste vaatii myös aktiivista panosta laitetoimittajanpuolelta. Tämänhetkisten tulosten pohjalta asiaa on jo ideoitu melkoisesti. Ehkä haastavin vaihe ontaajuusmuuttajien ohjelmistojen muovaaminen halutun kaltaisiksi. Laitteiston hallinta saarekekuormanaikana perustuu pitkälti DC-jännitteen hallintaan. Staattinen liittymismalli takaisi hyvän sähkön-laadun sekä paikalliselle tuottajalle että verkonhaltijalle. Laite voisi toimia niin saarekkeessa kuinverkon rinnalla. Suojaus olisi osa liittymislaitteiston toimintaa.

Projektissa on kehitetty kaksi erilaista pienimuotoisen sähköntuotannon rajapintaa, joista varioimallavoidaan suunnitella esim. maatalouden biokaasuvoimalan sähköverkon liittymislaitteisto.

67

LÄHTEETLÄHTEETLÄHTEETLÄHTEETLÄHTEET

Energiateollisuus ry, Sähköntuotannon verkkopalveluehdot TYPE 05.

Hatsala Antti, Biokaasun tuotanto- ja käyttömahdollisuudet Kanta-Hämeessä, opinnäytetyö, Hä-meen ammattikorkeakoulu, 2004.

Kuittinen Ville, Huttunen Markku, Suomen biokaasulaitosrekisteri IX, Tiedot vuodelta 2005, Joen-suun yliopisto, Raportti n:o 3/2006.

Lampinen Ari, Jokinen Erja, Suomen maatilojen energiantuotantopotentiaalit, Ekologinen perspek-tiivi, Jyväskylän yliopisto, 2006.

Lantanäytteiden metaanituottopotentiaalien määritys, Tulosraportti 31.3.2005, Hämeen ammatti-korkeakoulu.

Lehtonen Matti, Lehtonen Maija, Jalonen Mikko, Kuormitustutkimus R10, ENE6-raportti, VTTEnergia ENE6/2/2000, Luottamuksellinen.

Lemström Bettina, Pienimuotoisen tuotannon verkkoon pääsyn edistäminen, VTT-R-02857-06, 2006.

Mikander Teemu, Pienvesivoimalaitoksen sähkösaneerauksen suunnittelu, Insinöörityö, Savonia-ammattikorkeakoulu, Tekniikka Kuopio, 2004.

Pienimuotoisen sähköntuotannon verkkoon pääsyn helpottaminen, Kauppa- ja teollisuusministeriö,Energiaosasto, Muistio, 2006.

Rikkonen Pasi, Aakkula Jyrki, Grönroos Juha, Haapala Hannu, Manni Jukka, Pyykkönen Sonja, Ta-pio Petri, Ennakoiden kohti kestävää maataloutta, Loppuraportti, MTT:n selvityksiä 116, 2006.

SFS-EN 50160, Yleisen sähkönjakeluverkon jakelujännitteen ominaisuudet, SuomenStandardointiliitto SFS ry, 2000.

Sikanen Henrik, Pienvesivoimalan automatisointi, Insinöörityö, Savonia-ammattikorkeakoulu, Tek-niikka Kuopio, 2005.

Sähköenergialiitto ry, Pienvoimaloiden liittäminen jakeluverkkoon, Sener 2001.

Taavitsainen Toni, Kupiainen Pekka, Survo Kyösti, Malla-hankkeen loppuraportti: Maataloudenlietteiden ja lantojen keskitetyn käsittelyn mallinnus, Pohjois-Savon ammattikorkeakoulu, Tekniik-ka Kuopio, 2002.

Taavitsainen Toni, Malla2-hankkeen loppuraportti: Maatalouden biokaasulaitoksen perustaminen jaturvallisuustarkastelu, Savonia-amk, Tekniikka ja liikenne, 2006.

Tuomainen Jari, Hajautetun energiantuotannon potentiaali Pohjois-Savossa, Insinöörityö, Savonia-ammattikorkeakoulu, Tekniikka Kuopio, 2004.

68

Painamattomat lähteet:

Biokaasulaskelma, laitetoimittajan laskelma, 2004.

Siltanen Lauri, Kuopion Energia, Standardisuositus suojausasetteluista, 2006.

69

Liite 1 Energiataseselvitys nautakarjatila

EnergiataseselvitysMaitotila

28.8.2006

Savonia-ammattikorkeakouluTekniikka, Kuopio

Paikallissähköprojekti

70

Lähtötiedot:

Sähköenergian tarve

• Talvienergia 14690 kWh• Muu aika 54100 kWh• Yhteensä 68790 kWh/a• Keskiteho 7,85 kW

Lämpöenergian tarve (arvio)

• Hake 300 m3/a• Kosteus 50 %• Polttoarvo 0,708 MWh/m3

• Energia-arvo 169920 kWh• Keskiteho 19,4 kW

Biokaasun tuotanto

• Lantamäärä 2000 m3

• TS- pitoisuus 6,45 %• CH4 / kg 0,279 m3

• Energia / kg 0,18 kWh• Saatava energia 359910 kWh• Sähkön osuus 89978 kWh• Lämmön osuus 215946 kWh

Sähköntuotannon hyötysuhde on 25 % ja lämmöntuotannon hyötysuhde on 80 %.

Tilan oman sähkönkäytön mallinnukseen on käytetty, sähkölaitoksen antamia, VTT:n määrittämiäja kokeellisesti selvitettyjä kuormituskäyriä.

71

72

73

Edellä esitettyjen mallikäyrästöjen pohjalta on laskettu seuraavat kuormituskäyrät ja tehot.

Kaavio 1. Laskentamallin avulla selvitetty maatilan energiatase.

Kaavio 2. Kaavion 1. malli esitettynä vuositasolla.

74

Seuraavat neljä kaaviota on tilan oman sähkönkulutuksen osalta laskettuja vuodenaikojen mukaanrajattuja kulutusmalleja. Kaaviot esittävät jakson aikaisten tehojen keskiarvoja ja kaaviossa on esi-tetty arjen, aaton ja pyhän kulutusmallit.

Kaavio 3. Talvikauden kulutus.

Kaavio 4. Kevätkauden kulutus.

Kaavio 5. Kesäkauden kulutus.

75

Laskentamallin avulla tulokseksi on saatu energiatasemalli, jossa lähtötietoina ovat olleet lannan-määrä ja sen metaanintuottoarvot, vuosittainen sähkön- ja lämmönkulutus, tilatyypin mukaisetkulutusmallit ja biovoimalan tapauskohtaisesti suunniteltu käyttö. Näiden tietojen avulla on saatumääritellyksi sähkön- ja lämmön kulutus ja tuotanto. Laskentamallissa on käytetty generaattorinamikroturbiinia, jonka teho on 30 kW ja se tuottaa sähköä tässä tapauksessa noin 8 tuntia päivässä.Malli havainnollistaa kuinka tuo käyttöjakso vaihtelee kaasun tuotannon mukaan, joka voidaan ko-keilla excel- taulukkoon tehdyllä mallilla. Nämä tulokset ovat vain lähtötietojen mukaisesta mallista.

Kulutus tarkoittaa tilan kiinteää vuosittaista sähkönkulutusta, Osto tarkoittaa sitä energiaosaa, jokaon vielä ostettava vaikka tilalla toimii oma biovoimala, Tuotanto kertoo kuinka paljon biovoimalatuottaa sähköenergiaa, Oma käyttö tarkoittaa kuinka paljon tila pystyy käyttämään omasta sähköstäänja Myynti vastaavasti kuinka suuren osan omasta tuotannosta pitää myydä verkkoon ylijäämäsähkönä.Lämmön tuotanto kertoo kuinka paljon sähköntuotannossa syntyy hukkalämpöä ja Oma käyttö ker-too tilan oman lämpöenergiatarpeen.

Taulukossa 1. on laskettu energian käytön ja tuoton arvoja jaksoittain ja kokovuoden summina, sekäarvioitu niiden rahallista arvoa.

Taulukon 1. tulosten sekä kaavioiden 1. ja 2. pylväiden perusteella voi arvioida millainen käyttö- jatuotantomalli on paras ja samalla edullisin energiatalouden kannalta.

Kaavio 6. Syyskauden kulutus.

Taulukko 1. Sähkö- ja lämpöenergia.

ENERGIATASE VUOSITASOLLA kWh

Sähkö Lämpö

Oma Lämmön OmaJakso Kulutus Osto Tuotanto käyttö Myynti tuotanto käyttö

Talvi 20985 12789 22494 8196 14298 53987 67968Kevät 17184 10432 22494 6752 15742 53987 50976Kesä 13518 8215 22494 5303 17191 53987 16992Syksy 16867 10268 22494 6600 15895 53987 33984

Yhteensä 68554 41704 89976 26851 63126 215948 169920 kWh

76

Liite 2 Energiataseselvitys sikatila

EnergiataseselvitysSikatila

28.8.2006

Savonia-ammattikorkeakouluTekniikka, Kuopio

Paikallissähköprojekti

77

Lähtötiedot:

Sähköenergian tarve (arvio)

• Talvienergia 30000 kWh• Muu aika 90000 kWh• Yhteensä 120000 kWh/a• Keskiteho 13,7 kW

Lämpöenergian tarve (arvio)

• Yhteensä 120000 kWh/a• Keskiteho 13,7 kW

Biokaasun tuotanto

• Lantamäärä 4200 m3

• TS- pitoisuus 2,44 %• CH4 / kg 0,377 m3

• Energia / kg 0,092 kWh• Saatava energia 386350 kWh• Sähkön osuus 96587 kWh• Lämmön osuus 231810 kWh

Sähköntuotannon hyötysuhde on 25 % ja lämmöntuotannon hyötysuhde on 80 %.

Tilan oman sähkönkäytön mallinnukseen on käytetty, sähkölaitoksen antamia, VTT:n määrittämiäja kokeellisesti selvitettyjä kuormituskäyriä.

78

79

80

Edellä esitettyjen mallikäyrästöjen pohjalta on laskettu seuraavat kuormituskäyrät ja tehot.

Kaavio 2. Kaavion 1. malli esitettynä vuositasolla.

Kaavio 1. Laskentamallin avulla selvitetty maatilan energiatase.

81

Seuraavat neljä kaaviota on tilan oman sähkönkulutuksen osalta laskettuja vuodenaikojen mukaanrajattuja kulutusmalleja. Kaaviot esittävät jakson aikaisten tehojen keskiarvoja ja kaaviossa on esi-tetty arjen, aaton ja pyhän kulutusmallit.

Kaavio 3. Talvikauden kulutus.

Kaavio 4. Kevätkauden kulutus.

Kaavio 5. Kesäkauden kulutus.

82

Laskentamallin avulla tulokseksi on saatu energiatasemalli, jossa lähtötietoina ovat olleet lannan-määrä ja sen metaanintuottoarvot, vuosittainen sähkön- ja lämmönkulutus, tilatyypin mukaisetkulutusmallit ja biovoimalan tapauskohtaisesti suunniteltu käyttö. Näiden tietojen avulla on saatumääritellyksi sähkön- ja lämmön kulutus ja tuotanto. Laskentamallissa on käytetty generaattorinamikroturbiinia, jonka teho on 30 kW ja se tuottaa sähköä tässä tapauksessa noin 9 tuntia päivässä.Malli havainnollistaa kuinka tuo käyttöjakso vaihtelee kaasun tuotannon mukaan, joka voidaan ko-keilla excel- taulukkoon tehdyllä mallilla. Nämä tulokset ovat vain lähtötietojen mukaisesta mallista.

Kulutus tarkoittaa tilan kiinteää vuosittaista sähkönkulutusta, Osto tarkoittaa sitä energiaosaa, jokaon vielä ostettava vaikka tilalla toimii oma biovoimala, Tuotanto kertoo kuinka paljon biovoimalatuottaa sähköenergiaa, Oma käyttö tarkoittaa kuinka paljon tila pystyy käyttämään omasta sähköstäänja Myynti vastaavasti kuinka suuren osan omasta tuotannosta pitää myydä verkkoon ylijäämäsähkönä.Lämmön tuotanto kertoo kuinka paljon sähköntuotannossa syntyy hukkalämpöä ja Oma käyttö ker-too tilan oman lämpöenergiatarpeen.

Taulukossa 1. on laskettu energian käytön ja tuoton arvoja jaksoittain ja kokovuoden summina, sekäarvioitu niiden rahallista arvoa.

Taulukon 1. tulosten sekä kaavioiden 1. ja 2. pylväiden perusteella voi arvioida millainen käyttö- jatuotantomalli on paras ja samalla edullisin energiatalouden kannalta.

Kaavio 6. Syyskauden kulutus.

ENERGIATASE VUOSITASOLLA kWh

Sähkö Lämpö

Oma Lämmön OmaJakso Kulutus Osto Tuotanto käyttö Myynti tuotanto käyttö

Talvi 36116 18573 24147 17543 6604 57952 48000Kevät 29251 15023 24147 14227 9920 57952 36000Kesä 26191 13462 24147 12729 11418 57952 12000Syksy 30570 15750 24147 14820 9327 57952 24000

Yhteensä 122128 62808 96588 59319 37269 231808 120000 kWh

Taulukko 1. Sähkö- ja lämpöenergia