Sähköasiakas ja sähköverkko 2030

Abstract

Hankkeessa saavutetut tulokset ilmentävät sitä haasteellisuutta, mitä liittyy erityisesti taantuvien alueiden sähkönjakeluinfrastruktuurin kehittämiseen. Tulokset tukevat käsitystä, että useissa skenaarioissa verkossa siirrettävän sähköenergian määrä vähenee, mutta tehot kasvavat. Sähköverkon mitoituksen kannalta tämä on haasteellista, koska verkon siirtokapasiteetti määräytyy huipputehojen perusteella. Tulokset indikoivat kuitenkin, että mm. asiakasjoustolla, siirtohinnoittelun kehittymisellä ja uusilla teknisillä ratkaisuilla voidaan myötävaikuttaa sähkönjakelun kustannustehokkaaseen kehittymiseen.

Sähkön kysyntä ja siinä tapahtuvat muutokset Keskeisimmät sähkön kysyntään vaikuttavat tunnistetut muutostekijät ovat liikenteen sähköistyminen, aurinkosähkön tuotanto sekä kiinteistöjen lämmitystapamuutokset. Näiden lisäksi taantuvien alueiden väestömuutos sekä ilmastomuutoksen aiheuttama keskilämpötilan kasvu näkyvät sähkön tarpeessa. Muutostekijöiden yhteisvaikutus on huipputehoja kasvattava, vaikka sähköenergian siirtotarve näyttääkin vähenevän. Tehopiikkien kasvu on huomioitava erityisesti pienjänniteverkkojen suunnittelussa. Tulevaisuudessa tekniikan kehittyminen ja sähkönkäytön kustannukset luovat kannustimet vaihtoehtoisille sähköntoimitusratkaisuille. Verkkojen omaisuuden hallinnan, verkostosuunnittelun ja –mitoittamisen näkökulmasta kohdekohtainen sähkönkäytön seuranta, avoimien tietoaineistojen hyödyntäminen sekä asiakaskontaktointi ovat keskeisessä roolissa.

Sähköautot Liikenteen sähköistymiselle on vahvat ajurit niin maailmanlaajuisesti kuin kansallisestikin. Sähkön kysynnässä sähköautoilu tulee näkymään sähkön kysynnän kasvuna kasvattaen sekä sähköenergian kysyntää että jakeluverkon huipputehoja paikallisesti varsinkin pienjänniteverkoissa. Tehojen muutoksen suuruuteen vaikuttavat yleistymisen nopeuden lisäksi sähköauton käyttäjien suosimat latausratkaisut (teho ja ajoitus). Sähköenergian tarpeeseen vaikuttavat ajotarpeet (matkat) sekä sähköautojen akkukapasiteetit. Verkkojen kehittämisen näkökulmasta keskeisimmät haasteet liittyvät oikeanlaiseen mitoittamiseen (huipputehojen arviointi) etenkin pienjänniteverkoissa ja siihen, että sähköautojen yleistymisen aikataulu voi olla nopea suhteessa sähköverkon uusiutumiseen. Haitallisia verkkovaikutuksia voidaan hillitä älykkäillä latausratkaisuilla ja lataustehojen suuruuksien järkevöittämisellä.

Pientuotanto (aurinkosähköjärjestelmät) Uusiutuvan tuotannon lisääntyminen näkyy haja-asutusalueilla erityisesti aurinkosähköjärjestelmien yleistymisenä. Sähkön kysynnässä aurinkosähkön tuotanto näkyy eniten kevät- ja kesäaikaan. Pienasiakkaalla sähkön tarve on päiväsaikaan yleensä vähäisempää, jolloin tuotanto siirtyy suurelta osin verkkoon päin. Aurinkosähköjärjestelmien tuotantotehopiikit ovat pääsääntöisesti pienempiä kuin asiakkaiden nykyiset vuoden aikana ilmenevät (lämmitys)tehopiikit, mutta tuotantotehojen samanaikaisuus voi alueilla johtaa heikoimmissa verkonosissa jännitetaso-ongelmiin. Tilannetta voidaan helpottaa älykkäillä kuormanohjausratkaisuilla (esim. lämminvesivaraajan samanaikainen käyttö aurinkoisina hetkinä) sekä järjestelmän järkevällä mitoittamisella.

Lämmitystapamuutokset Lämmitysjärjestelmäsaneeraukset näkyvät jossakin määrin sähkön kysynnän kehittymisessä. Muutosilmiönä tämä on kuitenkin liikenteen sähköistymistä ja pientuotantoa maltillisempi, mutta voi silti alueellisesti vaikuttaa merkittävästi sähköntarpeeseen, mikäli alueella on paljon saman tyyppisiä lämmitysratkaisuja. Tällöin sähköntarve tyypillisesti kasvaa siirryttäessä esim. öljylämmityksestä maalämpöön tai vastaavasti sähköntarve pienenee muutettaessa nykyinen sähkölämmitys maalämpöön. Saneeraukset voivat joissakin tapauksissa näkyä jännitteen laadun heikentymisenä. Näin voi tapahtua erityisesti kohteissa, joissa on entuudestaan heikko jännitejäykkyys.

Väestön väheneminen ja asiakaskato Taantuvilla alueilla väestö vähenee tasaisesti tarkoittaen usein tyhjilleen jääviä kiinteistöjä. Sähkönkäytössä tapahtuvat muutokset riippuvat paljon siitä, jääkö asukkaiden poistuessa kiinteistö kylmilleen, peruslämmöille vai tuleeko kiinteistöön uusia asukkaita. Asiakaskato voi kasvattaa riskiä, että verkosta uusitaan sellaisia osuuksia, joissa ei olekaan sähkönkäyttöä jonkin ajan kuluttua. Tällaisten verkonosien saneerausta onkin pyrittävä lykkäämään hallitusti, mikäli verkon ikä ja mekaaninen kunto sen mahdollistavat. Tällaisissa kohteissa sähkön toimitusvarmuutta voidaan silti parantaa esimerkiksi vierimetsän hoidolla ja johtokatuja leventämällä. Toimenpiteet mahdollistavat tilanteen seuraamisen hallitusti niin, että nähdään, onko verkon saneeraamiselle lopulta tarvetta. Taantuvilla alueilla tällaiselle toimintamallille on erityinen tarve.

Sähkön toimitusvarmuus Muutostekijät lisäävät yhteiskunnan odotusarvoa katkottomalle sähkön toimitukselle. Kasvavat odotusarvot näkyvät lainsäädännössä, jonka mukaan haja-asutusalueilla on saavutettava sähkön toimitusvarmuudessa merkittävä kehitysaskel vuoden 2028 tai 2036 loppuun mennessä. Harvaanasutuilla seuduilla sähköverkon saneeraustarpeet ovat huomattavat. Toimitusvarmuustavoitteiden täyttymiseen on käytettävissä useita kehittämisvaihtoehtoja. Kustannustehokkaimmat ratkaisut ovat voimakkaasti alueriippuvaisia. Esimerkiksi alueen sähkönjakeluverkon vikaherkkyys, sähkön tarpeen kehittyminen, kehittämisolosuhteet ja yksikköhinnat vaikuttavat tähän. Tässä raportissa esitettyjen elinkaarilaskelmien esimerkkitulokset pohjautuvat Energiaviraston julkaisemiin valtakunnallisiin yksikköhintoihin. Alueilla, joissa sähkön kysynnässä on esimerkiksi asiakaskadon myötä ennakoitavissa laskua tai alueelle kohdistuu muita epävarmuustekijöitä ja verkko on iän sekä mekaanisen kunnon puolesta hallittavissa, suositellaan saneerausten hallittua lykkäämistä. Tällöin toimitusvarmuuden myönteinen kehitys voidaan varmistaa esimerkiksi vierimetsänhoidon, leveiden johtokatujen ja yksittäisten pylväsvaihtojen muodossa. Varsinaiset verkon saneerausresurssit voidaan tällaisessa toimintamallissa kohdistaa alueille, joissa sähkön kysynnälle ja jakeluverkon olemassa ololle on varmemmat lähtökohdat. Tulevaisuudessa myös asiakas- ja verkkojoustolla voi olla merkitystä toimitusvarmuuden tavoittelussa. Mikroverkkoratkaisut ja asiakaskohtainen sopiminen toimitusvarmuuden täyttymisestä mahdollistaisi harvaanasutuilla seuduilla investointien kohdistamisen ja toteutumisen nykyistä kustannustehokkaammin.

The results of the project reflect challenges faced in the development of the electricity distribution infrastructure in declining regions. The results support the notion that in most scenarios the amount of electric energy transmitted on the network will decrease, but the powers will increase. Considering the dimensioning of the distribution network, this is challenging as the transmission capacity of the network is determined based on peak powers. The results indicate, however, that it is possible to contribute to the cost-effective development of electricity distribution for instance by demand response, development of transmission pricing and new technical solutions. Demand for electricity and changes in the demand The key factors of change recognized to have an influence on the electricity demand are electrification of transport, solar power production and changes in methods for heating buildings. Further, demographic changes in declining regions and the increase in the average temperature caused by climate change have an effect on the electricity demand. The combined effect of these factors increases peak powers, even though the demand for electric energy to be transmitted seems to decrease. The increase in power peaks has to be taken into account especially when planning low-voltage networks. In the future, technological development and costs of electricity use will provide incentives for alternative methods of electricity supply. From the perspectives of network asset management, network planning and dimensioning, key actions are monitoring of electricity use on sites of consumption, application of open data, and customer contacts. Electric vehicles Electrification of transport has strong drivers both globally and nationally. Electric vehicles will have an effect on the electricity demand, boosting both the demand for electric energy and peak powers of the distribution network particularly at the local level, most notably in low-voltage networks. Besides the growth rate of the electric vehicle fleet, the magnitude of change in powers is also affected by charging solutions favoured by electric vehicle owners (power and timing). The demand for electric energy is influenced by distances driven and the battery capacities of vehicles. From the perspective of distribution network development, the key challenges are related to correct dimensioning (estimation of peak powers) particularly in low-voltage networks and to the fact that the growth rate of the electric vehicle fleet is high compared with the renewal of the distribution network. Adverse network effects can be mitigated by smart charging solutions and reasonably sized charging powers. Small-scale production (solar power systems) In sparsely populated areas, the increase in renewable energy production is particularly manifested in the growing number of solar power systems. The effects of solar power production on the electricity demand are most visible in spring and summer. For a small-scale customer, the electricity demand is usually lower in the daytime, and a large proportion of the production is transmitted to the network. The peaks in the power production of solar power systems are mainly smaller than the customers’ present (heating) peak powers during the year, yet simultaneous production peaks in certain areas may lead to problems in voltage levels in weaker network sections. The situation can be alleviated by smart load control solutions (e.g. simultaneous use of water heaters when the sun is shining) and rational dimensioning of the system. Changes in the methods of heating buildings Renovation of heating systems has some influence on the development of electricity demand. Compared with electrification of transport and small-scale production, however, this trend of change is moderate, but may still have significant local effects on the electricity demand, if there are plenty of similar heating solutions in use in the area. In that case, the electricity demand typically increases for instance when changing over from oil heating to geothermal heating. Correspondingly, the demand for electricity decreases when an electric heating system is replaced by a geothermal heating system. Renovations of this kind may, in some cases, cause a reduction in the voltage quality. This may happen especially on sites already with a high voltage elasticity (high internal impedance). Population decline and loss of electricity customers In declining regions, the population is constantly decreasing, often resulting in vacant houses in the area. Changes in the electricity use depend highly on whether the house is left unheated after the occupants have moved out, or a certain minimum temperature is maintained by heating of the building, or new occupants move into the house. A loss of electricity customers, again, may increase the risk of renewing network sections where there will be no electricity use in the future. It is thus advisable to postpone the renewal of such network sections, should the age and mechanical condition of the network allow it. On sites of this kind, the security of supply can still be improved for example by forest management close to the power lines and by extending line corridors. These actions allow monitoring of the situation in a controlled manner, and it is possible to consider whether renovation is needed at all. Such an approach is required especially in declining regions. Security of electricity supply The factors of change increase the expectations regarding uninterrupted supply of electricity. The higher expectations are reflected in legislation, according to which a significant advancement in the security of electricity supply has to be achieved in sparsely populated areas by 2028 or 2036. There is a significant need for distribution network renovations in sparsely populated areas. Several development options are available for attaining the objectives for the security of supply. The most cost-effective solutions are highly dependent on the location. For instance, the fault sensitivity of the distribution network, trends of electricity demand, development conditions and unit prices have an effect on solutions available. The results of life cycle calculations presented in this report are based on national unit prices published by the Energy Authority. In areas where the demand for electricity is anticipated to decrease as a result of population decline or where other sources of uncertainty are present, and the age and mechanical condition of the network allow network operation, it is recommended to postpone network renovations. In such cases, a positive development of the security of supply can be ensured for instance by forest management in the proximity of power lines, wide line corridors and replacement of individual poles. The main network renovation resources can then be focused on areas with better prospects for electricity demand and the presence of a distribution network. In the future, also demand response and network flexibility may play a role in advancing the security of supply. Microgrids and customer-specific agreements on the terms for the security of supply could allow allocation and implementation of investments in a more cost-effective way in sparsely populated areas.