Hae sivustolta

Mitä etsit?

Energiamurroksen materiaalia yläkouluihin

STEK lähestyi Energiajärjestelmien tiedekunnan tutkijoita ajatuksena tuottaa energiamurroksesta materiaalia erityisesti yläkoulujen opettajien tueksi. Tavoitteena on tuoda energiamurroksen eri alueita opetukseen muutoinkin kuin pelkästään matematiikan, fysiikan ja kemian alueilla. Energiamurros on kokonaisvaltainen kestävyyssiirtymä energiajärjestelmissä ja on luonteeltaan sosiotekninen, eli teknologian lisäksi energiamurrokseen vaikuttavat tuhannet eri toimijat kotitalouksista teknologian suunnittelijoihin ja poliiƫtisiin päättäjiin.

Koululaisille olisi tärkeää tuottaa toimintaa kannustavaa tietoa siitä, miten energiamurros muuttaa perustavanlaatuisesti ihmisten liikkumista, asumista ja ruoantuotantoa, miten voimme varautua muutokseen sekä miten voimme itse vaikuttaa esimerkiksi tuottamalla energiaa itse tai yhteisöissä. Energia on modernin elämäntapamme perusta, mutta miten varmistamme, että sitä on kaikilla tasapuolisesti, miten voimme tuottaa ja käyttää energiaa kestävästi, millaisia sääntöjä energiajärjestelmässä on ja kuka niitä säätää ja päättää?

Projektissa pyritään löytämään sopivan kokoisia asioita ja yläkoululaisille ymmärrettävällä tavalla esiintuotuja kokonaisuuksia.

Projektin tavoite:

Tuottaa materiaalipakeƫti yläkouluihin energiamurroksesta. Projekti edistää oppilaiden digitaitoja ja parantaa heidän energialukutaitoaan. Kokonaisuudessa on huomioitu ilmiöpohjainen ja monialainen oppiminen. LUT vastaa erityisesti aihealueista ja niiden kuvauksista, sekä yhteensopivuudesta nykyisten opetussuunnitelmien kanssa. Projektista rajautuu tarkemmat pedagogiset tehtävät pois, joita voidaan projektin jälkeen suunnitella STEKin ja pedagogisten asiantuntioiden kanssa.

Vaihe 1 (19.2.-31.3.): Ensimmäisessä vaiheessa kartoitetaan materiaalin tarve, suunnitellaan materiaalin tuottamisen prosessi sekä selvitetään, voisiko nyt kehitteillä olevan toiminnan ja materiaalin tuottaa LUT:n Junior University -toiminnan piirissä. Lisäksi selvitetään, millaisia aiheita ja millaista materiaalia voisimme tuottaa energiamurroksesta, sekä miten nämä aiheet ja teemat linkittyvät nykyisiin opetussuunnitelmiin. On tärkeää suunnitella materiaalin koko ja käyttötarkoitus mahdollisimman tarkasti, jotta se sopisi opetukseen. Tarkoituksena ei ole lisätä kuormitusta jo ennestään kuormittuneille yläkoulun opettajille.

Ensimmäisessä vaiheessa muodostetaan ohjausryhmä, joka koostuu 1-3 vastuuhenkilöistä ja 2-3 yläkoulun opettajasta, sekä projektityön tekijästä. Ohjausryhmän tarkoituksena on yhdessä ideoida materiaalia ja toteutusta, sekä testata, mikä toimii, millaiset ovat materiaalien ja mahdollisten tehtävien reunaehdot.

Vaihe 2 (1.4.-31.5.): Projektin toisessa vaiheessa kasaamme ehdotuksen materiaaleista ja sisällöistä. Tuotamme noin viidestä aiheesta laajemmat kuvaukset, keskeiset oppimissisällöt ja -tavoitteet. Materiaaleista käydään keskustelua ohjausryhmässä, joka kokoontuu toisen vaiheen aikana kerran. Projektin lopussa toukokuussa testaamme joitain aiheista yhteistyössä jonkun yhteistyöyläkoulun kanssa työpajamuotoisessa tapaamisessa.

Vastuuhenkilöt: Tutkijatohtori Minna Havukainen ja apulaisprofessori Eeva-Lotta Apajalahti (Energiajärjestelmien tiedekunta, LUT)

Open data in distribution network asset management

Otto Räisänen. Open data in distribution network asset management. 3.11.2023 (Väitöskirja).

Tiivistelmä
Climate change and the energy transition are causing major changes to the distribution network environment. The electrification of society raises expectations for clean, reliable, and affordable electricity supply. Meeting these increased expectations in the changing environment requires DSOs to incorporate large amounts of external data into their analysis procedures to properly assess the impacts of different trends, such as electrification of transportation and an increase in distributed generation. The amount of data available to DSOs has grown significantly through simultaneous advances in internal data collection, such as smart meters, and an increase in external data sources. A large amount of data with potential use cases in distribution asset management is nowadays available as open data. Furthermore, significant efforts are made by different organizations to increase the accessibility and quality of open data through standardization and creation of data portals. However, thus far, DSOs have not taken advantage of the full potential of open data.

In this doctoral dissertation, the use of open data in asset management is studied by an extensive review of open data sources and types and studies using open data in cases related to distribution asset management. The potential of open data is investigated in more detail through three case studies. In the first case study, a novel methodology for long-term energy demand forecasting based on open data is proposed consisting of a Laspeyeres decomposition analysis combined with time series analysis and forecasting. The methodology is shown to produce adequate results; however, the results could be improved with additional data. In the second case study, a geospatial analysis method is used to estimate the generation potential of large-scale PV farms built in peat production areas. Furthermore, the potential for P2X generation is assessed. The results show that peat farms are typically located close to existing electricity networks and P2X end use and transmission infrastructure, making them suitable locations for large-scale PV systems. The third case study focuses on developing a novel crown-snow load outage risk estimation method for overhead lines. The model uses a combination of aerial inspection data gathered by a DSO and a variety of open data variables, such as tree height, species, and diameter, and an advanced forest crown snow-load risk map product originally produced for forestry purposes as explanatory variables. The interactions between the variables and the model are studied with explainable AI methods. The model shows a good performance and is able to produce accurate risk estimates for up to 50 m resolution.

The outage risk model developed in this dissertation could be used by DSOs for more targeted supply security investments and improved operational outage management, leading to significant cost savings. The energy demand forecasting and methodologies for estimation of large-scale solar PV generation potential enhance the DSOs’ understanding of load development in their network areas and can be used as a basis of long-term strategic planning. This dissertation shows that there are a wide variety of open data with potential to bring value to all aspects of distribution asset management.

Laaja-alaisen aurinkosähkön yleistymisen huomioivat sähköverkon mitoitusperiaatteet

Haapaniemi, J., Supponen, A., Räisänen, O., Haakana, J., Vilppo, J., Repo, S., Lassila, J. Laaja-alaisen aurinkosähkön yleistymisen huomioivat sähköverkon mitoitusperiaatteet. LUT Scientific and Expertise Publications Tutkimusraportit – Research Reports, 147. LUT-yliopisto.

Tiivistelmä

Tässä raportissa esitetään tutkimushankkeen ”Laaja-alaisen aurinkosähkön yleistymisen huomioivat sähköverkon mitoitusperiaatteet” tuloksia. Tutkimushankkeessa selvitettiin miten nykyiset aurinkosähkön huomioivat sähköverkon mitoitusperiaatteet soveltuvat sekä yksittäisten suurten että laajasti yleistyvien kotitalouskokoluokan aurinkosähköjärjestelmien liittämiseen, ja miten mitoitusperiaatteita tulisi kehittää. Tämän lisäksi tutkimuksessa selvitettiin joustavien ratkaisuiden, kuten aurinkosähköinverttereiden loistehon säädön, vaikuttavuutta verkon kapasiteetin riittävyyteen aurinkosähköjärjestelmien yleistyessä.

Tutkimuksessa havaittiin, että nykyisessä nopeiden jännitemuutosten yhtälöön perustuvassa voimalaitoksen vaikutusten mitoitustavassa on päivitystarpeita liittyen aurinkosähkötuotannon ominaispiirteet huomioivaan parametrisointiin. Toisin sanoen, nykyiset parametrisoinnit voivat johtaa tarpeettomiin sähköverkoston vahvistusinvestointeihin tai vaihtoehtoisesti asiakkaiden aurinkosähköjärjestelmien mitoituksen rajoittamiseen tarpeettoman pieniksi.

Aurinkosähkön laaja-alaisen yleistymisen huomioinnissa tulee tarkastella myös jännitetason nousua sähköverkossa. Tutkimuksessa havaittiin, että aurinkosähköinvertterien hyödyntämisellä loistehon säätöön voidaan hillitä jännitteen nousun ongelmia. Simulaatioiden perusteella havaittiin myös, että maltillinen aurinkosähkön yleistyminen vähentää sähköverkossa muodostuvia häviöitä. Loistehon säädön käyttämisen havaittiin lisäävän hieman häviöitä ja aiheuttavan jakelumuuntajien ylikuormittumisriskin kasvua, mutta simulaatioiden perusteella näiden merkitys on vähäinen, jollei hyvin suurella osalla asiakkaista ole aurinkosähköjärjestelmää.

Laaja-alaisen aurinkosähkön yleistymisen huomioivat sähköverkon mitoitusperiaatteet

Tutkismusprojektin tavoitteena oli kehittää laajamittaisen aurinkovoiman verkostovaikutusten huomioimista sähköverkon mitoituslaskennassa jännitteen laadun osalta. Erityisesti pientuotannon liittämisen suunnittelukriteerit ja -menetelmät kaipaavat päivittämistä, koska aikaisemmat ohjeistukset ovat lähteneet siitä oletuksesta, että pientuotantoyksiköitä on sähköverkossa vähän ja ne kytkeytyvät pääasiassa sähköasemalle tai keskijänniteverkkoon uutena liittymänä. Aurinkovoima liittyy kuitenkin pääsääntöisesti pienjänniteverkkoihin olemassa oleviin liittymiin.

Projektissa selvitettiin sekä yksittäisten suurten aurinkosähköjärjestelmien että laajamittaisen aurinkosähköjärjestelmien yleistymisen vaikutuksia sähkönjakeluverkkoihin. Keskeisimpänä tuloksena havaittiin nykyisten sähköverkon mitoitussuosituksien rajoittavan liitettävien aurinkosähköjärjestelmien kokoa tarpeettoman paljon, koska suosituksen parametrisointia ei ole päivitetty nykyisen ymmärryksen mukaiseksi aurinkosähköä koskien. Projektin simulointitulosten perusteella voitiin myös havaita, että aurinkosähköjärjestelmien loistehosäädön avulla voidaan ehkäistä aurinkosähköstä sähköverkolle aiheutuvia jännitteen nousun haasteita merkittävästi. Loistehon säätö ei käytännössä vaikuta pätötehon tuotantoon, mutta voi ehkäistä aurinkosähköjärjestelmien verkosta irtoamista ylijännitteiden seurauksena.

Sähkömarkkinan hintavolatiliteetin vaikutukset sähkön kulutusjoustoon ja sähkönjakelujärjestelmään

Projektissa tutkitaan sähkömarkkinan hintavolatiliteetin vaikutusta sähkön kulutusjoustoon ja sähkönjakelujärjestelmään. Energiamurroksen myötä uusiutuvan vaihtelevan sähköntuotannon osuus on kasvanut ja se näyttelee suurta roolia sähkönhinnan muodostuksessa. Tämän seurauksena sähkön hinta on noussut ajoittain erittäin korkeaksi luoden motiivin sähkön kulutusjoustolle. Projektissa saadaan tietoa siitä, miten sähkönkäyttäjät reagoivat markkinoilta tulevaan hintasignaaliin.

Keskeiset tavoitteet:

Projektin tavoitteena on arvioida sähkön markkinahinnan volatiliteetin vaikuttavuutta pienasiakkaiden sähkönkäyttöön huomioiden sähköisen liikenteen ja älykkäiden lämmitysratkaisujen yleistyminen sekä määrittää hinnanvaihtelun kannustevaikutus sähkönkäytössä ja -siirrossa. Lisäksi osatavoitteena on arvioida markkinahintalähtöisen jouston vaikutusta sähkönjakeluverkon kuormittumiseen sekä verkkoyhtiön tehoperusteisen tariffirakenteen vaikuttavuutta markkinalähtöiseen joustoon.

Sähköautojen latauksen muodostama kuormitus ja mitoitusteho erilaisissa toimintaympäristöissä

Tutkimushankkeen tavoitteena oli määrittää sähköautojen lataustapahtumien aiheuttama kuormitus kiinteistöverkoissa. Liikenteen sähköistyminen on yksi keskeisimmistä ja nopeimmin kehittyvästä energiainfrastruktuuriin vaikuttavasta kehitystrendistä. Huomioiden sähköverkkojen maltillisen uusiutumistahdin, on sähköautojen nopea yleistyminen luonut tarpeen sähköautojen muodostaman kuormitusvaikutusten luotettavalle määrittämiselle. 

Sähköautojen kuormitusvaikutukset ovat voimakkaasti automallikohtaisista yleistymisskenaarioista ja toimintaympäristöstä riippuvaisia. Tässä tutkimushankkeessa kuormitusvaikutusten määrittäminen perustuu laboratorio- ja kenttäolosuhteissa tapahtuviin todellisiin mittauksiin sekä erilaisiin sähköautojen joukkokäyttäytymistä kuvaaviin simulaatiomalleihin. Tutkimuksessa hyödynnetään laaja-alaisesti erilaisia liikennemittausaineistoja (mm. henkilöliikennetutkimusaineisto).

Tutkimuksessa tuotettavat tarkastelut perustuvat simulointeihin sekä todellisiin sähköautojen lataustehoa todentaviin mittauksiin. Tulokset palvelevat niin julkisen kuin yksityisenkin sähköenergiainfrastruktuurin (kiinteistöt, taloyhtiöt, kaupungit, sähkönjakeluverkot) kehittämisestä sähköisen liikenteen yleistyessä. Tulokset auttavat myös ymmärtämään älykkään latauksen merkityksen kuormitushuippujen välttämisessä ja verkkojen mitoittamisessa.

Tavoitteet

  • Mikä on sähköauton latausteho ja -profiili?
  • Miten sääolosuhteet (ulkolämpötila) sähköautojen keskimääräisiin lataustehoihin sekä mahdolliseen ylläpitosähkön (akuston ja sisätilan lämmitys ja jäähdytys) tarpeeseen?
  • Miten lataustapahtumat ja kuormitukset kerrostuvat erilaisissa ympäristöissä?
  • Miten lataustehot näkyvät nykyisiä kiinteistöjen liittymäkuormia ja -kapasiteetteja vasten ja minkälaisia saneerauspaineita sähköautojen yleistyminen tuo liittymiin?Miten suuriin liittymien mitoitustehoihin päädytään edellisten kohtien pohjalta? 
  • Miten älykkäät latausratkaisut vaikuttavat latausalueiden mitoitustehoihin?

Roudan vaikutus sähkönjakelun ilmajohtoverkkojen vikaantumiseen ja sähköverkkoliiketoimintaan

Projektin tavoitteena on arvioida ilmastonmuutoksen vaikutusta sähkönjakeluverkkojen vikaantumiseen tuulen sekä lumikuormien vaikutuksesta, erityisesti maaperän roudan muutoksen osalta. Tutkitun tiedon avulla toimialalla ymmärretään paremmin roudan vaikutus tuulen ja lumikuormien aiheuttamien vikojen syntyyn sähköverkossa nykyhetkellä ja tulevaisuudessa ilmastonmuutoksen vaikuttaessa roudan ja lumikuormien ilmenemiseen. Näin voidaan arvioida tarkemmin sähkönjakelun häiriöiden vaikutuksia pitkän aikavälin suunnitteluun ja sähkönjakeluverkkojen omaisuuden hallintaan sekä operatiivisen toiminnan järjestelyyn ja suunnitteluun. Tavoitteena on myös määrittää sähköverkon ympäristötekijöiden ml. maaperän ja puuston vaikutus paikallisesti sähköverkon vikaantumiseen. Keskeisimmät kohdat ovat:

– Määrittää roudan vaikutukset sähköverkkotoiminnan elinkaarikustannuksiin ml. sähköverkon viankorjaus- ja KAH-kustannukset
– Analysoida roudan ja tuulen sekä lumikuormien yhteisvaikutuksia ilmajohtoverkon vikaantumiseen ja sähkönjakelun luotettavuuteen erilaisissa toimintaympäristöissä
– Arvioida ilmastonmuutoksen vaikutusta routaan

Tuulen ja lumikuormien aiheuttamat puustosta johtuvat viat muodostavat merkittävän osuuden vuosittaisista sähkönjakeluverkon keskeytyksistä. Ilmastonmuutoksen myötä roudan vähenemisen on arvoitu lisäävän puun kaatumisriskiä johtaen merkittäviin kustannuksiin yhteiskunnalle, jos sitä ei oteta suunnittelu- ja käyttötoiminnassa huomioon.

Projektista saadaan ymmärrystä ja tuloksia mm. julkiseen keskusteluun sähkönjakelun luotettavuudesta ja toimitusvarmuudesta sekä tutkittua tietoa sähkönjakeluverkon pitkän aikavälin kehittämisvaihtoehtojen vaikutuksista. Projektin tulosten avulla pitkän aikavälin suunnittelu ja käyttötoimintojen kustannustehokkuutta voidaan lisätä mm. tehostamalla viankorjausresurssien allokointia ja myrskyvarmuusinvestointien priorisointia. Projektista saaduilla tuloksilla on siten vaikutusta sekä verkkopalvelumaksuihin että asiakkaiden kokemien keskeytyksien määrään ja kestoon.

Smart buildings in the green energy transition

Kalevi Härkönen. Smart buildings in the green energy transition. 31.10.2023 (Väitöskirja).

Tiivistelmä
In the interconnection between smart buildings and energy systems, the growing importance to develop flexibility in the way in which buildings consume energy has been recognized. Owing to the advances of internet and communications technology (ICT), increasingly smaller loads in buildings are to provide energy consumption flexibility, but the heterogeneity of buildings and the prospective customer base create barriers to their cost-effective implementation.

This research investigates how the utilization of energy consumption flexibility in buildings can be enhanced in the nexus between electric energy systems, smart buildings, and service providers. The objective of the study is to support the decision-making of owners of smart buildings and consumption flexibility service providers. The study comprises four individual case studies. Exploratory, qualitative, and abductive methodological choices are followed.

The results suggest that professionally managed non-residential buildings seem well suited for consumption flexibility programs that support the balancing of the electric grid. The current techno-economic flexibility potential of residential buildings is, however, more limited. Standardization is essential in achieving interoperability between the variety of systems in modern smart buildings, and it may provide significant benefits to both the industry and consumers. However, it seems likely that the evolving adoption of standards among smart buildings has not resulted in building management system vendors adjusting their strategies accordingly.

This research supports owners of smart buildings and consumption flexibility service providers by offering tools to overcome the barriers of progress, eventually contributing to the economically viable development towards sustainable energy systems. It also expands the research on the demand-side management of smart buildings, as previous studies on the topic predominantly apply to buildings in warmer climates.

Tulevaisuuden joustava ja turvallinen sähköenergiajärjestelmä

Professuurin toiminnan tavoite on edistää ja kehittää ratkaisuvaihtoehtoja, joilla voidaan vastata odotuksiin tulevaisuuden sähkönjakelusta- ja käytöstä sekä edistää tietoisuutta ja lisätä vuorovaikutusta niiden tahojen keskuudessa, jotka ovat keskeisiä tulevaisuuden tavoitteiden saavuttamisessa. Professuurin työskentely liittyy keskeisesti käynnissä oleviin ja valmisteltaviin tutkimushankkeisiin teemoista:

  • Vetytalous ja puhdas energia; energiansiirto- ja varastointiratkaisut
  • Sähköenergiajärjestelmän resilienssi ja sähköhuollon varmistaminen
  • Hajautettujen resurssien integrointi ja sektori-integraatio
  • Joustavuus sähköenergiajärjestelmässä

Hankkeen keskeiset tavoitteet

  • määrittää millä eri tavoin voidaan kustannus-, kapasiteetti- ja energiatehokkaasti vastata odotuksiin tulevaisuuden sähköjärjestelmästä sekä varmistaa entistä sähköriippuvaisemman yhteiskunnan luotettava sähkön saanti ja turvallinen käyttö.
  • tuottaa osaajia, joilla on vahvan teknistaloudellisen osaamisen lisäksi ymmärrys meneillään olevasta energiamurroksesta ja siihen liittyvien tekijöiden yhteisvaikutuksista -ja mahdollisuuksista energiajärjestelmässä
  • tuottaa laaja-alaisesti hyödynnettävää tietoa ja varmistaa, että tutkimuksen asiantuntijat myötävaikuttavat yhteiskunnan kehittymiseen ja ovat aktiivisesti mukana kehitykseen liittyvissä asiantuntijaryhmissä.

STEKin vuosittainen rahoitus hankkeelle: 120.000 euroa

Yhteyshenkilö

Professori Jukka Lassila, jukka.lassila @ lut.fi

Wind farm layout optimization: Project economics and risk

Wind Farm Layout Optimization: Project Economics and Risk. Afanasyeva, Svetlana (2023-09-01) Väitöskirja.

Tiivistelmä

Wind energy is an integral resource for the transition of the energy sector to cleaner electricity production. While the advantages, such as its fuel- and water-free production, are evident, at present the economic viability compared with traditional fossil energy sources is uncertain. As each project is site-specific through its unique topography and wind map, wind farms require a custom design.

This doctoral dissertation focuses on optimizing wind farm design and provides guidance for solving this task. The aim of the study is to investigate the extent to which the layout affects the profitability of a wind farm project and, more specifically, to identify the factors that most influence the optimal solution. A methodology using techno-economic performance metric is developed. The rationale for the selection of this metric is also explained.

The wind farm layout problem can be formulated as a mixed-integer nonlinear programming problem with nonlinear constraints, in which the location of each turbine is considered continuous, and their type and total number are considered discrete. A relatively recent metaheuristic nature-inspired algorithm is used for the optimization routine. Furthermore, for wind farm infrastructure design, the dissertation presents a novel combined road and electrical cable layout search approach based on a least cost pathfinding algorithm. This approach considers the dependence of the cable laying costs on the road network solution. For each layout produced by the main algorithm, the infrastructure design is found.

Another focus of the study is to determine whether uncertainty in input parameters affects the design of a wind farm. Using a global variance-based sensitivity analysis technique, the work takes into account the uncertainties of the input parameters and analyzes their impact on the financial viability. A project risk assessment method is presented, which can be incorporated into the optimization framework. The analysis reveals that for a given number of turbines the risk of the project cannot be mitigated through the locations of the turbines.

The proposed optimization methodology performs reliably in solving the wind farm optimization problem. It was found that the number and location of turbines are driven by the existing infrastructure, the wind direction and the fixed part of the initial investments. Yet, the viability of the project as a whole is determined by the average wind speed, the price of electricity, and the discount rate.