Digitaalista energiaa

Teksti:  RIIKKA  KALMI, kuvitus:  STUDIO ANDREI

Älykäs sähköverkko eli smart grid tarkoittaa mittauksia, enemmän automaatiota ja tietoliikennettä sähköverkkoon – aina energiantuottajilta kuluttajille asti. Verkon älykkyys mahdollistaa hajautetun ja säiden mukaan vaihtelevan energiatuotannon kuten tuulivoiman tai aurinkoenergian määrän lisäämisen. Älykkyyden avulla voidaan parantaa sähköjärjestelmän kykyä tasapainottaa sähköntuotantoa ja kulutusta. Älykäs verkko osaa kertoa itsestään – missä teho virtaa ja mistä vika löytyy.

Uutta vauhtia tiedonsiirtoon on tuomassa luotettava ja salamannopea langaton 5G-verkko. Älykkään verkon avulla voidaan kerätä massoittain dataa ja käyttää algoritmeja datan työstämiseen. Tekoälyn, sensorien ja esineiden internetin (IoT) kautta voidaan oppia ennakoimaan vikoja ja säätämään automaattisesti sähkön kulutusta.

Haasteena älykkyyden lisääntymisessä on turvallisuus. Sähköverkot voivat olla kiinnostava kohde rikollisille ja terroristeille. Kyberhyökkäyksillä voidaan pahimmassa tapauksessa lamauttaa koko yhteiskunta.

Markkinoilla käy kuhina

Digitalisaation myötä energiamarkkinoille syntyy uudenlaisia liiketoimintamalleja ja kumppaneita. Esimerkiksi aggregaattorit ovat yrityksiä, jotka keräävät sähkömarkkinoilta asiakkaiden kulutusta, tuotantoa ja varastoja ja myyvät ne suurempina kokonaisuuksina.

Energiantuotannosta yhä suurempi osa on altista sään vaihteluille, joten järjestelmään tarvitaan säätövoiman lisäksi kysyntäjoustoa. Aggregaattorit keräävät ja myyvät tätä kysyntäjoustoa eli esimerkiksi sähkön kulutuksen hetkellistä vähentämistä. Taloyhtiöt voivat luoda energiayhteisöjä, jotka esimerkiksi ostavat palveluita yhdessä.

Tulevaisuudessa sähkösopimukset voivat syntyä myös lohkoketjuteknologiaa hyödyntäen. Algoritmeja ja koneoppimista voidaan käyttää pörssisähkön hintaan vaikuttavien tietomassojen analysoinnissa.

Kantaverkkoyhtiö Fingrid on luomassa sähkön vähittäismarkkinoille Datahubia eli keskitettyä tiedonvaihtojärjestelmää, johon tallennetaan tietoja 3,5 miljoonasta sähkönkäyttöpaikasta

Optimoitua lämpöä

Lämpöverkot ja sähköverkot ovat luonteeltaan hyvin erilaisia.  Tähän mennessä ne ovat eläneet jokseenkin omaa elämäänsä. Digitalisaatio voi auttaa yhdistämään verkot ja erilaiset energiantuotannon muodot virtuaaliseksi kokonaisuudeksi, jota voidaan älykkäästi optimoida niin ilmaston kuin kuluttajankin hyödyksi.

Digitalisaatio voi lisätä lämmön tuotannon ja jakelun ennustettavuutta, joustavuutta ja parempaa hallittavuutta. Kannattaako esimerkiksi lämpöä tällä säällä ja hinnalla tuottaa lisää vai tuoda sitä ehkä lämpövarastosta? Kuluttajan elämää muuttavat kotien älyjärjestelmät – tekoäly käyttää sensoreita ja sääennusteita oppien lämmönsäätelyn kunkin kotitalouden mieltymysten mukaan.

Kaukolämpö on Suomessa hyvin suosittu lämmitysmuoto, mutta nyt jo joka viidennessä uudessa omakotitalossa on maalämpö. Tutkijalle haastetta riittää esimerkiksi siinä, miten maalämpöpumppuja voitaisiin käyttää kaukolämmön tuottamiseksi.

Kuluttajan rooli kasvaa

Energiamurros ja älykkäät verkot vahvistavat kuluttajien roolia. Kuluttajan mahdollisuus tehdä yksilöllisiä valintoja kasvaa. Samoin kasvaa mahdollisuus vaikuttaa energian kustannuksiin tai ostetun energian ilmastoystävällisyyteen. Kuluttajasta voi tulla passiivisen energialaskun maksajan sijaan jopa aktiivinen energian tuottaja-kuluttaja. Kuluttaja tai taloyhtiö voi myydä kysyntäjoustoaan, ylijäämäsähköään tai ylijäämälämpöään muille. Kotitalous voi jo nyt pienimuotoisesti varastoida energiaa lämminvesivaraajan lisäksi esimerkiksi sähköauton akkuun.

Älyverkossa kodin tai kesämökin lämmitystä voi ohjata kännykällä. Älykkäässä järjestelmässä järjestelmään voidaan ohjelmoida lämmitystarpeet ja rajat, joissa kodin lämpötila voi vaihdella. Sen perusteella järjestelmä optimoi sähkön ostamisen kuluttajan puolesta. Tulevaisuudessa älykkäät järjestelmät lukevat kalentereista perheenjäsenten menot ja lämmittävät talot sen mukaan. Tämä kaikki ei tule ilman rahaa. Siirtyminen älykkäisiin järjestelmiin vaatii kuluttajalta laite- ja ohjelmistoinvestointeja.

Uutta tutkimusta älykkäästä energiasta

Vaasan yliopistossa digitalisaation vaikutuksia ja mahdollisuuksia liittyen energia-alaan ja energiajärjestelmiin tutkitaan useissa eri tutkimus- ja kehityshankkeissa. Poimimme niistä tähän muutamia.

Älykkäiden sähköjärjestelmien laboratorio simuloi reaaliajassa

Yksi Vaasan yliopiston tärkeimmistä energiajärjestelmien digitalisaatioon liittyvistä hankkeista on SESP eli Smart Energy Systems Research Platform.

– Kehitämme tutkimusalustaa, jonka ytimenä on älyverkkolaboratorio. Laboratoriossa on otettu käyttöön reaaliaikasimulaatio- laitteistoja. Luomme siihen liittyen big data -ympäristöä ja big data -strategiaa sekä Living lab -sovelluksia, kertoo hanketta Vaasan yliopistossa vetävä, sähkötekniikan professori Kimmo Kauhaniemi.

Kauhaniemi kertoo, että hankkeessa on kehitetty simulointimalleja ja tehty yrityksille case-tutkimuksia, joilla uutta järjestelmää on testattu. Lisäksi on tehty ja tehdään erityyppisiä reletestejä.

– Olemme tehneet pitkän aikavälin tiekartan laboratorioympäristön kehittämiseksi alan toimijoiden kanssa ja pystyneet kasvattamaan tutkijoidemme osaamista. Jatkossa tulemme panostamaan vieläkin enemmän yhteistyöhön yritysten kanssa ja toimintamallien kehittämiseen. Tähän liittyy myös kyberturvallisuus, jossa olemme myös ryhtyneet kasvattamaan omaa osaamistamme.

Vaasan yliopiston kauppatieteet sekä Hanken ovat puolestaan mukana hankkeessa tutkimassa uusia liiketoiminta- konsepteja ja -malleja, jotka perustuvat älykkäiden sähköjärjestelmien datan hyödyntämiseen sekä erityisesti projektissa toteutettavan tietovarannon käyttöön.

– Olemme jo syvähaastatelleet yrityksiä, ja tarkoitus olisi tehdä kysely ja haastatella myös kotitalouksia. Haluamme kartoittaa, millaisia asenteita ja motiiveja kuluttajilla ja kotitalouksilla on ryhtyä esimerkiksi energian tuottaja-kuluttajiksi. Lisäksi olemme tarkastelemassa erilaisia markkinamalleja ja hinnoittelumalleja. Ideana on rakentaa tietovaranto, johon voisi numeerisen tiedon lisäksi tuoda myös tekstimuotoista tietoa, kertoo Vaasan yliopiston markkinoinnin professori Arto Rajala.

SESP on Suomen hallituksen alueellisten innovaatioiden ja kokeiluiden eli AIKO-ohjelman rahoittama hanke, joka liittyy valtion ja Vaasan seudun välisen kasvusopimuksen teemaan digitalisaatio & innovaatioympäristö.

Innovaatioalustalla tutkitaan yhdessä sähköverkkoja

SESP-hankkeen kanssa rinnakkain kehitetään Vaasan yliopiston älyverkkotekniikan osaamiseen perustuvaa innovaatioympäristöä. Professori Lauri Kumpulaisen vetämä VINPOWER-hanke syventää osaamista älyverkkotekniikassa yhdessä yritysten kanssa.

Tutkimuksessa pureudutaan esimerkiksi kaapeloitujen keskijänniteverkkojen konkreettisiin ongelmiin, tutkitaan mikrosähköverkkoja ja etsitään hyviä sovelluksia big data -analytiikalle. Tutkijat ovat järjestäneet yrityksille muun muassa älymuuntamotyöpajoja, jossa kehitetään yhdessä konseptia tulevaisuuden älymuuntamolle.

Tekoälyä älykkäisiin sähköverkkoihin

Suomalais-saksalaisessa FUSE eli Future Smart Energy -hankkeessa päätavoitteena on puolestaan kehittää tekoälyyn perustuvia menetelmiä, joilla voidaan jalostaa sähköverkosta kerättävää tietoa.

– Aihe on ajankohtainen, koska älykkäästä sähköverkosta saadaan yhä enemmän mittausdataa, josta on mahdollista saada hyödyllistä tietoa sähköverkon käytön tueksi, sanoo professori Kauhaniemi.

Tavoitteena on myös kehittää hierarkkinen tietoliikenteeseen ja älykkäisiin toimilaitteisiin perustuva järjestelmä sähköverkosta kerättävän datan käsittelyyn. Hankkeen saksalainen pääyhteistyökumppani on tekoälyn tutkimuskeskus DFKI.

Uusia teknologioita sähköverkkojen suojaukseen ja ohjaukseen

SG Platform -hankkeen tavoitteena on puolestaan valmistella hankekokonaisuus, joka kehittää uusia ratkaisuja sähköverkkojen luotettavuuden, joustavuuden ja taloudellisuuden parantamiseen.

Tarkoituksena on helpottaa uusiutuvan energian tuotannon lisäämistä hyödyntämällä energiavarastoja, big dataa ja analytiikkaa, IoT:tä ja 5G-tietoliikennettä. Hanketta rahoittaa Business Finland.