Sähköverkkoliiketoiminnan kehitysnäkymiä 2015

Sähköverkkoliiketoiminnan
kehitysnäkymiä 2015
Tutkijatohtori Juha Haakana
[email protected]
Lappeenrannan teknillinen yliopisto
22.5.2015 ET kevätseminaari
Sähköverkkoliiketoiminnan kehitysnäkymiä
Sähköverkkoliiketoiminnassa paljon muuttuvia tekijöitä seuraavien vuosien
kuluessa
−
−
−
−
−
−
−
Aurinkosähkö tulee markkinoille
Sähköverkkoliiketoiminnan investointitarpeet
Sähkön käyttö ja verkon kautta siirrettävä teho ja energia muuttuu
Regulaatio ja lainsäädäntö
Kysynnän jousto yleistyy
Uudet teknologiat tulevat; kehittyvä kaapelointi, LVDC
Sähkövarastot yleistyvät
2
Taustaa
Saksassa asennettua kapasiteettia 37 430 MW
(31.10.2014)
http://www.sma.de/en/news-information/pv-electricity-produced-in-germany.html
”Power to the people”
Feed-in tariff (nowadays reduced)
Price of PV-cells, more than 60 % reduction per 5 years
3
Renewables, security of supply and efficiency
Electricity Market + CO2-price
Efficient operation of system
?
Sustainability
?
Security
?
Renewable based production
and subsidies
4
Renewables, security of supply and efficiency
Electricity Market + CO2-price
Efficient operation of system
Shorter operation times,
different running ranking,
worse economics
Sustainability
More renewable based production,
improved sustainability
Renewable based production
and subsidies
Security
More uncontrollable renewable
based production having high
output variation,
new challenges in intermittency,
lack of controllable production,
lack of inertia
5
Renewables, security of supply and efficiency
Electricity Market + CO2-price
Efficient operation of system
Shorter operation times,
different running ranking,
worse economics
Sustainability
More renewable based
production, excellent sustainability
X
Role of DSO?
How to solve the problem ?
When ?
Storages
Low price of
electricity –
incentives for
investments ?
Renewable based production
and subsidies
How?
Demand response
Profitability?
Controllable
production
Security of supply
More uncontrollable renewable
based production having high
output variation, new challenges
in intermittency, lack of
controllable production, lack of
inertia
Acceptability?
New transmission lines
Capacity Market?
Payments of readiness to produce electricity or reduce consumption
6
Smart Grid & Customer Gateway;
Demand response
Market players; TSO, DSO,
supplier, aggregator
Grid
Information
systems
Action signals based on optimization
against different targets of system players
Active monitoring,
optimisation and
control of energy use
and power flows
In Finland every customer
has an AMR-meter and
communication chanel
Energy storage
Generation
Loads; controllable, non-controllable
•Solar, wind, fuel
cell, biogas
7
Verkkoliiketoiminta, investointitarpeet
Aikaansaa investointitarpeita,
nuolen paksuus kuvaa määrää (€)
Vähentää investointitarpeita
Vuorovaikutus
Regulaatio
−
−
käyttövarmuus
energiatehokkuus
Sanktioriski ->
Riskien vähentäminen
Sähkön kysyntä
− Energiatehokkuus
− Sähköautot
− Oma tuotanto
− Lämpöpumput
Investoinnit
Varastot
− Verkkoyhtiön omistus
haasteellinen
− Hinta edelleen korkea?
Uusi verkkotekniikka
− Kehittyvä kaapelointi
− Tehoelektroniikka, LVDC
Käytettävä myös vierasta pääomaa
Maakaapelimarkkinat kehittyvät
Ilmajohtomarkkinat supistuvat
Jousto – kuorma joustaa
Verkon huipputehot
kasvavat, energia
vähenee
Tariffirakenne
kapasiteettimaksu
Paikallistuotanto
Pääosin aurinko- ja biosähköä
Merkittävä potentiaali olemassa
Verkkoyhtiö ei voi kontrolloida
Voi ohjata kuormituksia samoille ajankohdille
8
Verkkoliiketoiminta, operatiivinen toiminta
Aikaansaa operointikustannuksia,
nuolen paksuus kuvaa määrää (€)
Vähentää operointikustannuksia
Operatiivisten kustannusten rajoite
Regulaatio
−
−
käyttövarmuus
energiatehokkuus
Sanktioriski ->
Riskien hallinta
Sähkön kysyntä
− Energiatehokkuus
− Sähköautot
− Oma tuotanto
− Lämpöpumput
Operatiivinen toiminta
Varastot
− Verkkoyhtiön omistus
haasteellinen
Uusi verkkotekniikka
− Kehittyvä kaapelointi
− Tehoelektroniikka
Lisääntyvät ostopalvelut/ulkoistaminen
Ilmajohtojen kunnossapitomarkkinat supistuvat
Kaapeliverkkojen ennakoiva kunnonvalvonta
Tietojärjestelmien laajamittainen uusinta
Sekaverkot, lisääntyvä automaatio
Jousto – kuorma joustaa
Tariffirakenne
kapasiteettimaksu
Paikallistuotanto
Pääosin aurinko- ja biosähköä
Verkkoyhtiö luo mahdollisuuksia,
kustannukset kasvavat
9
Haasteita:
Sähkön käytön muutostrendit verkon kannalta
Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto
10
Haasteita: Maalämpöpumppujen vaikutukset
kuormitukseen - jakelumuuntajat
Ei-sähkölämmitteiset omakotitalot
vaihtavat maalämpöön
 verkon tehot kasvavat
Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto
11
Sähköverkkoliiketoiminta:
Regulaatio
−
−
Valvontajaksojen 2016 – 2019
ja 2020 - 2023
valvontamenetelmät
Vakautta ja ennustettavuutta
seuraaville vuosille
Lähde: Energiavirasto, 1. suuntaviivat
valvontamenetelmiksi neljännellä 1.1.2016 – 31.12.2019
ja viidennellä 1.1.2020 – 31.12.2023 valvontajaksolla
12
12
Sähköverkkoliiketoiminta:
Regulaatio, WACC kehitys
HISTORIA
6.00 %
5.00 %
4.00 %
3.00 %
2.00 %
1.00 %
0.00 %
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Year
TULEVA
8.00 %
WACC % (Weighted average
cost of capital)
WACC % (Weighted average
cost of capital)
7.00 %
7.00 %
10 vuoden obligaatiokorko nousee 0.3 %-yks/vuosi
6.00 %
5.00 %
4.00 %
3.00 %
2.00 %
1.00 %
0.00 %
2016
2017
2018
2019
2020
Year
2021
2022
2023
Sähköverkkoliiketoiminta:
Lainsäädäntö
Toimitusvarmuus
Lain asettamat vaatimukset toimitusvarmuuden kehittämiselle (Suomi ja Ruotsi)
−
−
−
Jakeluverkkojen kehittämiselle toimintaa ohjaava reunaehto suuressa osassa haja-asutusalueella toimivista
jakeluverkkoyhtiöistä
Tulossa merkittäviä muutoksia sähkönjakeluverkkoihin seuraavan 15 vuoden aikana, mm.
− Kaapelointia sekä kj- että pj-verkoissa
− Topologisia muutoksia
R e quire d M D P
R e quire d
le v e l in c a s e o f
M D P le v e l in
− Verkostoautomaatio lisääntyy
m o re dif f ic ult
e a s ie s t c a s e
o pe ra t io na l
Nykyinen 2028 vuoteen ulottuva aikataulu haasteellinen verkkoyhtiöille
−
−
Ei mahdollista toteuttaa ilman merkittävää velkarahan osuutta
Aikataulun pidennys helpottaa ongelmaa
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
1
3
5
Liikevaihto
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
investoinnit
Tuotto
Velka
Tasapoisto
Kassavirta
Kuva. Taloudellisten tunnuslukujen kehittyminen, kun investoinnit ovat vuosina 0-15 a kaksinkertaiset
alkuhetken tasapoistoihin verrattuna ja alkuhetken tasapoistojen tasolla vuosina 16-40. Rahoitus
hoidetaan tasapoistoilla ja vieraalla pääomalla.
Suurin sallittu keskeytys-aika 36 he nv iro nm e nt
100%
network
rate in MV osuus
Major-disturbance-proof
Suurhäiriösietoisen kj-verkon
−
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
Tavoite A: Ei odotettavissa pahoja myrskyjä
Tavoite B: Vakavat myrskytuhot todennäköisiä
Tavoite C: Erittäin suuret myrskytuhot mahdollisia
10%
0%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100%
Suurhäiriösietoisen pj-verkon
Major-disturbance-proof
rate in LV osuus
network
Uudet teknologiat
−
−
−
−
−
−
Kysynnän jousto, markkinakelpoisuus, 0 – ….. a
LVDC tekniikka, 2 – 5 a
Kaapelointitekniikan kehittyminen, 0 – 10 a
Energiavarastot ja niiden hyödyntäminen, 5 – 10 a
Sähköautojen vaikutukset sähkönjakeluun, 5 – 10 a
Hajautettu tuotanto, 1 – 5 a, 5 – 10 a
Lähde: LUT
15
Kysyntäjousto jakeluverkon kannalta
− Kysyntäjoustossa intressiristiriitoja verkon ja myyjän väillä
− Ohjaustarpeet eri aikoihin, kustannusten ja hyötyjen jakaminen
− Markkinaperusteiset ohjaukset voivat kasvattaa jakeluverkon tehoja,
muiden kuin myyjän tekemät ohjaukset aiheuttavat tasevirhettä
− => Tehopohjaisille siirtotariffeille entistä enemmän tarvetta
− AMR-pohjaisessa kysyntäjouston toteutuksessa DSO:lla vahva rooli,
HEMS/BACS järjestelmät voidaan toteuttaa myös muiden osapuolten toimesta.
16
Kysyntäjousto jakeluverkon kannalta
Markkinapohjaisen ohjauksen vaikutukset KJ-johtolähtöjen kuormituksiin
Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto
Kysyntäjousto jakeluverkon kannalta
Elspot
Jakelumuuntajien
huipputehojen jakaumat eri
simulointitapauksissa, kun
kuormia ohjataan spot-hinnan
ja/tai verkkotariffien perusteella
Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto
Kehittyvät kaapelointitekniikat
Maakaapeloinnin kustannusten trendi on
laskeva vs. ilmajohtokustannusten nouseva
Yksikkökustannus €/km tai €/kpl
40 000
35 000
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5 000
1-pylväsmuuntamo (+3.5 %/a)
0
2006
2008
2010
2012
Vuosi
Lähde: Energiavirasto
2014
2016
LVDC tekniikka
Nostaa pienjännitteisen jakeluverkon tehonsiirtokykyä merkittävästi
− Taloudellisesti kilpailukykyinen uusittaessa kj-verkon haarajohtoja ja pj-verkkoa
myrskyvarmaksi
− 25 – 35 % säästöt elinkaarikustannuksissa
− Mahdollistaa microgridin
−
ICT ja prosessointiteho on integroitu valmiiksi järjestelmään
− Tarjoaa mahdollisuuksia mm.
−
−
−
Joustavaan älykkääseen verkkorajapintaan verkkoyhtiön ja loppuasiakkaan välille
− uusiutuvan energian verkkoon liittäminen
− energiavarastojen hyödyntäminen
− kuormanohjaus
Parantaa sähkönlaatua ja käyttövarmuutta (keskeytysten hallinta)
Jakeluverkkojen kustannustehokkaaseen saneeraukseen
DC/AC
DC/AC
AC/DC
DC/AC
Bipolar LVDC system
AC/DC
Lähde: Tero Kaipia et al. A planning
methodology for combined ac and dc
electricity distribution, Nordac 2008
DC/AC
Unipolar customer connection
Low-Voltage DC Distribution System
± 750
of studied
VDCMVAC
branches can be
renovated MOST
ECONOMICALLY
with LVDC
21
LVDC site illustrated on the map
±750 VDC underground cable
Local communications network
CEI 3
Connected to + DC
Rectifying
substation
CEI 2
Connected to + DC
DMS system
CEI 1
Connected to ‒ DC
Pasi Nuutinen et Al., ” Research Site for Low-Voltage Direct Current Distribution in Utility Network Structure, Functions and Operation”, IEEE Transactions on Smart Grids, Special issue of smart DC
distribution
−
−
−
70 kVA rectifying substation, supplied with double-tier transformer from 20 kV MV network
1.7 km long underground cabled bipolar ±750 V DC network, unearthed (IT)
22
Three 16 kVA customer-end inverters (CEIs) supplying end-users
Energiavarastot
?
?
KJ
Sähköasema
PJ
?
?
Energiavarastot ja niiden hyödyntäminen
− Mahdollisuus sähkönjakeluinfrastruktuurin tehokkaaseen käyttöön?
− Millä aikavälillä on tulossa?
− Liiketoimintamalli
− Mahdollisuudet mm.
− Huipputehon leikkauksessa (verkkoyhtiö, asiakas)
− Keskeytysten hallinnassa (verkkoyhtiö)
− Uusiutuvan energian tuotannon tasapainottamisessa (asiakas, sähköntuottaja)
− Taajuussäädössä
− Tasehallinnassa (myyjä)
−
Nykyisellään energiavaraston omistaminen suoraan verkkoyhtiön haasteellista
− Tarve muutokselle  mahdollisuus energiavarastojen omistamiseen ja operointiin
−
Jos osa verkkoliiketoimintaa, minne energiavarasto kannattaa sijoittaa?
−
Haasteena tasehallinta; Kenen energiaa siirretään missäkin vaiheessa
− Verkkoyhtiön tekemät ohjaukset aiheuttavat tasevirhettä myyjän taseeseen
− Pohdinta lähitulevaisuudessa
23
Energiavarastot
Akkujen hintakehitysarvio,
oppimiskäyrä; -20 % per kapasiteetin tuplaus
1 000 000 MWh on 500 milj. 20 kWh akkua a’ 2000 €
24
Energiavarastot
− Teslan akkupaketti 3250 € + invertteri 1000 €
− Pakettihinta luokkaa 5000 €
− Noin 500 €/kWh
Lähde: www.europesolarshop.com/inverters.html?limit=all
25
Lähde: Tesla Motors, www.teslamotors.com
Energiavarastot
Maximum duration for the backup
storage
the energy
supply
(h)(h)
keskeytys
korvattava
Maxfrom
Keskeytysten hallintaBattery
energiavarastoja
hyödyntämällä
lifetime 10 year,
5 % interest (verkkoyhtiö)
Tarkastellut yksikkökustannukset
energiavarastolle
(250
€/kWh, 500 €/kWh, 1000 €/kWh)
ES 250€/kWh
ES 500€/kWh
ES
1000€/kWh
2.5
Jälleenkytkennät mukana
Vain pysyvät viat
2
1.5
Esim. ottamalla jälleenkytkennät
mukaan, nykyisillä vikamäärillä,
energiavaraston yksikkökustannus
(250 €/kWh)  suurin
kannattavasti korvattava
keskeytyspituus on n. 1.4 h.
1
0.5
0
0
1
2
3
4
Multiple
of fault
present
fault number
of verrattuna
Vikojen
määrän
monikerta
nykytilaan
Nykytila permanent faults, HSAR and DAR
Juha Haakana et Al., ” Methodology to analyse the feasibility of electric energy storages to reduce
customer-experienced interruptions”, unpublished journal article, in Review (1/2015), IET
generation, transmission and distribution, Optimal Utilization of Storage Systems in Transmission
and Distribution Systems
5
26
Sähköautot
− Smart charging vs. tyhmä lataus
−
− Otettava huomioon verkkojen mitoituksessa
Sähköautojen käyttö kuorman ohjauksessa ja liikkuvana
energiavarastona
− AMR-mittarit tarjoavat valmiin rajapinnan
− Suuri potentiaali
− Huipputehon leikkauksessa
− Keskeytysten hallinnassa
− Uusiutuvan energian tuotannon
tasapainottamisessa sekä järjestelmä- että
loppukäyttäjätasolla
− Taajuussäädössä
− Tasehallinnassa
− Autonvalmistajat eivät ole suosineet verkkoon syöttöä
(mahdollisuus menettää akun elinikää tai ajomatkaa)
Uusi huippu
Huipputeho [MW]
Sähköautojen vaikutukset sähkönjakeluun
− Osuus autokannasta kasvaa pikkuhiljaa
− Latauksen vaikutus verkon huipputehoon
Nykyinen
huippu
Tunnit
Lähde: Jukka Lassila et al., ”Electric Cars
– Challenge or Opportunity for the Electricity
Distribution Infrastructure?”, European Conference:
Smart Grids and Mobility. Würzburg, Germany
27
Uusiutuva energia
Tuulivoima
− Vaikutukset sähköverkkoliiketoimintaan jakeluverkkotasolla eivät merkittäviä johtuen
verkkoon liityntöjen painottumisesta siirtoverkkotasolle
Aurinkovoima
− Aurinkoenergian asennusten määrä on kasvanut Suomessa
− Asennukset pääasiassa suoraan loppukäyttäjän verkkoon
− Kotitalouksilla merkittävä rooli, kapasiteetti pj-verkoissa
− Tuotantokapasiteetti mitoitetaan tyypillisesti siten että tuotanto pystytään käyttämään
kokonaan itse  usein ei juurikaan vaikutusta verkon huipputehoon
− Suuret sähkönkäyttäjät esim. kaupat, virastot yms.
− Kesäaikaan merkittävää kulutusta jäähdytystarpeen vuoksi
− Merkittävä potentiaali
−
Toimii kannustimena mm. energiavarastoinvestointeihin
−
Onko seurauksena pullonkauloja siirtokyvyssä
− Mikä on tällöin verkkoyhtiön rooli?
− Tarjota tuottajille sähköenergian esteetön pääsy markkinoille
28
Aurinkopaneeleiden vaikutukset kesäajan
kuormitukseen - jakelumuuntajat
Kaikki sähkölämmitteiset omakotitalot (25 % kaikista asiakkaista)
hankkivat 5 kWp aurinkopaneelin
=> pientuotannon muodostuminen mitoittavaksi tekijäksi
jakeluverkossa on epätodennäköistä.
Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto
29
Yhteenveto
− Verkkoliiketoiminta on suuren murroksen keskellä
− Uusiutuvan energian tuotantoa jakeluverkoissa
− Energiatehokasta sähkönkäyttöä
− Siirrettävän energian merkitys pienenee
− Aktiiviset resurssit (kysynnän jousto, energiavarastot) tulevat osaksi
sähkömarkkinaa  vaikutukset myös verkkoliiketoimintaan
− Energiavarastojen tarjoamat mahdollisuudet verkkoyhtiöille
 Kuinka sähkön jakelu hinnoitellaan jatkossa?
Muuttuvatko nykyiset käytännöt?
Tuleeko tehopohjainen tariffi?
30
Smart Grid & Customer Gateway at
Lappeenranta University of Technology
Winner of the International Sustainable
Campus Network (ISCN) Excellence
Award, 2013
Creating the future with green technology and business
Lappeenranta University of Technology (LUT)