VEOn hybridijärjestelmä mullistaa vesivoimalaitosten elinkaarilaskelmat

VEOn vesivoima-automaatioon on kehitetty uusi ratkaisu, joka säästää vesivoimaturpiinin säätöliikkeitä ja niistä johtuvaa kulumista – taajuussäädöstä luopumatta. VEOn hybridisäätimeen ja sähkövarastoon perustuva hybridiratkaisu parantaa reservimarkkinoilla olevien vesivoimaloiden kykyä vastata tiukentuviin taajuussäädön vaatimuksiin, vähentää koneiden kulumista ja avaa mahdollisuuksia myös niille voimaloille, joiden tämänhetkiset ominaisuudet eivät riitä reservimarkkinoille pääsyyn. Ratkaisun ansiosta myös pienitehoiset vesivoimalat voivat nousta uuteen arvoon tilanteissa, joissa sähkönjakeluverkko on vialla ja alueellisia saarekkeita tarvittaisiin.

Ajatus sähkövaraston hyödyntämisestä turpiinin säädössä alkoi itää VEOn vesivoima-automaatiotiimin Team Lead Jukka Kelloniemen mielessä vuonna 2018. Vesivoima-asiakkaiden kanssa käydyistä keskusteluista nousi Kelloniemen mukaan toistuvasti esiin huoli taajuussäädöstä johtuvista turpiinin ja sen säätölaitteiden jatkuvista liikkeistä, jotka aiheuttavat kulumista. Pitäisi siis keksiä järjestelmä, jossa säätö siirrettäisiin mekaanisilta laitteilta jonkinlaiselle akustolle, mutta ratkaisu ei saisi olla liian kallis.

Syksyllä 2022, lähes neljän vuoden kehitystyön tuloksena, VEO on viemässä hybridisäätimeen (eHPG) perustuvan ratkaisunsa käytäntöön kahdessa vesivoimakohteessa (VEOn tiedote). Ainutlaatuinen hybridisäädinohjelmisto pystyy säätämään turpiinia joko ilman sähkövarastoa tai sen kanssa. Sähkövaraston tehtävänä on auttaa turpiinia tehon tekemisessä, ja sen vuoksi turpiinin tukena olevan sähkövaraston ei tarvitse olla MW-luokkaa. Jos halutaan pelkästään auttaa turpiinia taajuussäädössä, pienemmän sähkövaraston hankinta ja verkkoonliittämistekniikka ei välttämättä aiheuta suuria investointeja.

”Numerotiedot turpiinin säästyneistä liikemääristä ja mekaanisia säätölaitteita kuluttavien suunnanmuutoksien vähenemisistä jätän oikeista toteutuksista saatuihin tuloksiin, mutta simulointimallin mukaan ne ovat erittäin merkittäviä, varsinkin kun uudet määräykset tulevat voimaan”, Kelloniemi toteaa.

VEOn vesivoima-asiakas kehitystyön tukena

Kelloniemen idea jalostui sitä mukaa, kun hän kävi keskusteluja Fingridin taajuussäädöstä vastaavien henkilöiden kanssa siitä, millainen tehon tuotanto on sähköverkossa sallittua.
”Myös VEOlla nähtiin vesivoimakehitystyön arvo ja sitä tuettiin, sillä idea kiinnosti jo alkuvaiheessa asiakkaamme Helen Oy:n vesivoimapäällikkö Jari Kottosta. Vaatii asiakkaalta avointa mieltä ja rohkeutta lähteä testaamaan jotain, josta ei ole vielä referenssiä”, Kelloniemi kehuu ja kertoo tuotekehityksen mahdollistaneista tekijöistä.

Ideaa päästiin pilotoimaan asiakkaan kohteessa jo aikaisessa vaiheessa kahdella samanlaisella turpiinilla.  Kun turpiinit pantiin ajamaan taajuussäätöä, toinen normaalilla säätimellä ja toinen Kelloniemen ideaa mallintavalla säätimen lisäosalla, mittausten tulokset vakuuttivat sekä asiakkaan että Kelloniemen.

Tulevia Entso-E:n (eurooppalainen kantaverkkoyhtiöiden yhteistyöjärjestö) vaatimuksia testattiin hybridisäätimellä suorittamalla useita variaatioita säädön toteuttamisesta, niin että sähkövaraston koko saatiin optimoitua. Tätä testausta varten kehitettiin simulaattori matkimaan Kaplan-turpiinin toimintaa ja tehon käyttäytymistä nopeissa säätöliikkeissä.

”Tehtyjen simulaatioiden tulokset ovat rohkaisseet myös muita asiakkaita luottamaan tämän järjestelmän toimintaan ja sen kykyyn tuoda merkittävää lisäarvoa vesivoimakoneistolle”, Kelloniemi toteaa.

VEO toteuttaa Helen Oy:n Mankalan vesivoimalaitokselle hybridisäädinprojektin keväällä 2023. Myös Kemijoki Oy on ottamassa käyttöön VEOn kehittämän hybridijärjestelmän Kurkiaskan vesivoimalaitoksen saneerauksen yhteydessä (Kemijoki Oy:n tiedote).

Reservituotteet nyt ja tulevaisuudessa

Hybridisäätimen avulla voidaan samasta sähkövarastosta tuottaa turpiinin FCR-reservituen lisäksi erillistä FFR-reserviä. Samalla kun hybridisäädin tuottaa FCR-reserviä, se hallitsee sähkövaraston varaustasoa niin, ettei esimerkiksi varaston lataaminen näy lisäkuormana verkkoon päin.

”Tämä voisi olla myös sähköverkon toiminnasta vastaavan tahon näkökulmasta hyvä asia, eli ei kuormiteta juuri taajuushäiriöstä toipuvaa sähköverkkoa lisäkuormalla tai lisäenergialla”, Kelloniemi analysoi.

Sähkövaraston varaustilan hallinta on tärkeää myös akkumateriaalin eliniän hallinnan kannalta.

Paikallista huoltovarmuutta ja tukea energiasiirtymään

Kelloniemi näkee, että hybridiratkaisun myötä myös suhteellisen pienitehoiset vesivoimalat voivat nousta paikallisesti merkittävään asemaan. Jos sähköjakeluverkko vikaantuu, hybridiratkaisulla varustettu voimala pystyisi uudelleen jännitteistämään ns. blackstart toiminnolla vikaantuneesta sähköverkosta erotetun saarekkeen ja varmistamaan esimerkiksi yhteiskunnan kannalta tärkeän kohteen sähkönsaannin.

”Suomessa on määrällisesti paljon pieniä alle 10 MW:n vesivoimalaitoksia, joiden merkitystä sähköjärjestelmälle on vähätelty, mutta hybridijärjestelmän avulla ne voivat osoittautua todellisiksi kultakaivoksiksi”, Kelloniemi arvioi.

Vaikka Kelloniemi näkee hybridijärjestelmän isona ympäristöetuna turpiinin ja säätölaitteiston elinkaaren pitenemisen, hänestä on syytä pitää mielessä myös vihreän siirtymän suurempi kuva. Säästä riippuvaisen uusiutuvan energian, kuten tuuli- ja aurinkovoiman kasvu, on lisännyt taajuusvaihteluita sähköverkossa. Siksi juuri vesivoimalaitoksilla on merkittävä rooli taajuuden heilahtelujen kompensoimisessa. VEOn hybridiratkaisun avulla reservimarkkinoille pääsisi yhä useampi vesivoimalaitos.

”Tehtyjen simulaatioiden tulokset ovat rohkaisseet myös muita asiakkaita luottamaan tämän järjestelmän toimintaan ja sen kykyyn tuoda merkittävää lisäarvoa vesivoimakoneistolle.”

 

Jukka Kelloniemi, Team Lead, Vesivoima-automaatio, VEO.