HEOMF – Optimoinnin arkkitehtuuri – Osa 2: Kotitalous ei ole enää kuluttaja – vaan energiakeskus

Kotitaloutta on totuttu ajattelemaan sähköjärjestelmässä yksinkertaisena kulutuspisteenä: sähkö tulee verkosta ja talo käyttää sitä tarpeen mukaan.

Monessa kodissa tämä kuva ei enää riitä. Samassa järjestelmässä voi olla aurinkosähköä, lämpöpumppu, sähköauto, käyttöveden lämmitys, lattialämmitys ja mahdollisesti akku. Osa laitteista kuluttaa sähköä, osa tuottaa sitä ja osa pystyy siirtämään energiankäyttöä ajassa.

Siksi tällainen kotitalous on hyödyllistä nähdä pienenä energiakeskuksena: järjestelmänä, jossa energiaa tuotetaan, kulutetaan, siirretään, varastoidaan ja ohjataan yhteisten tavoitteiden ja rajojen sisällä.

Energiavirta ei ole enää vain verkosta taloon

Perinteinen energiavirta oli yksinkertainen:

verkko → talo → kulutus

Aurinkosähkö muuttaa jo tämän perusmallin. Energiaa voidaan käyttää suoraan talossa tai viedä verkkoon. Akun kanssa energiaa voidaan siirtää myös ajassa. Joissakin järjestelmissä sähköauto voi tulevaisuudessa tai laitteiston niin salliessa toimia kaksisuuntaisesti, mutta tavallisessa kotilatauksessa se on edelleen ennen kaikkea suuri ohjattava kuorma.

Energiakeskuksen näkökulmasta olennaisia virtoja ovat esimerkiksi:

• verkosta taloon ostettava sähkö
• aurinkopaneeleista talon kuormille menevä tuotanto
• aurinkosähkön vienti verkkoon
• akun lataus ja purku, jos akku kuuluu järjestelmään
• lämmitykseen, käyttöveteen ja sähköautoon siirtyvä energia

Kun näitä tarkastellaan yhdessä, yksittäisen laitteen ajastus ei enää kerro koko järjestelmän tilasta.

Energia ja teho pitää erottaa toisistaan

Tämä on yksi koko arkkitehtuurisarjan tärkeimmistä eroista.

Energia kertoo, kuinka paljon sähköä käytetään tietyn ajan kuluessa. Sen yksikkö on esimerkiksi kilowattitunti, kWh. Teho kertoo, kuinka nopeasti energiaa käytetään juuri sillä hetkellä. Sen yksikkö on kilowatti, kW.

Hintojen optimointi tarkastelee helposti vain energiaa: montako kilowattituntia voidaan siirtää halvemmille varteille. Talon sähköliittymän kannalta yhtä tärkeä kysymys on kuitenkin se, kuinka monta kilowattia kuormaa on käynnissä samanaikaisesti.

Halvat vartit voivat synnyttää kalliin tehopiikin

Ajatellaan yleistä esimerkkiä, jossa samalle edulliselle ajanjaksolle osuvat sähköauton lataus, lämmitys ja käyttöveden lämmitys. Yksittäin jokainen päätös voi olla hinnan perusteella järkevä, mutta yhtäaikainen käyttö nostaa talon kokonaistehoa.

Jos esimerkiksi kolme suurta kuormaa ovat samaan aikaan 11 kW, 5 kW ja 3 kW, niiden yhteisteho on 19 kW. Tarkat luvut riippuvat tietenkin talon laitteista ja sähköliittymästä, mutta periaate on sama pienemmilläkin tehoilla.

Liian korkea hetkellinen teho voi tulla vastaan pääsulakkeiden rajana. Tehopohjaisessa verkkohinnoittelussa se voi myös vaikuttaa verkkopalvelun kustannuksiin. Lisäksi järjestelmän omat laitteet voivat asettaa keskenään ristiriitaisia tehotarpeita.

Siksi halvin vartti ei automaattisesti tarkoita, että kaikki joustavat kuormat kannattaa käynnistää samalla vartilla.

Optimointi tarvitsee yhteisen tehorajan

Jos sähköauto, lämpöpumppu ja muut suuret kuormat optimoidaan erillisillä säännöillä, jokainen ohjaus näkee helposti vain oman tavoitteensa. Sähköauto pyrkii lataamaan halvalla, lämpöpumppu lämmittämään silloin kun se on taloudellista ja käyttövesi hyödyntämään hyvää hintaa tai aurinkotuotantoa.

Energiakeskuksen ohjauksessa näiden päälle tarvitaan yhteinen käsitys siitä, paljonko tehoa talo voi juuri sillä hetkellä käyttää. Tällöin optimointi ei enää kysy vain milloin tämä laite olisi halpa käyttää, vaan myös mahtuuko se nyt muun järjestelmän rinnalle.

Tämä on yksi syy siihen, miksi HEOMF:n optimoinnin arkkitehtuurissa yksittäisten laiteohjausten yläpuolelle tarvitaan järjestelmätason päätöksentekoa.

Kaikki varastot eivät ole akkuja

Kotitaloudessa on usein energiavarastoja jo ennen ensimmäisen sähköakun hankintaa.

Käyttövesivaraajaan voidaan varastoida lämpöä. Lattiarakenne ja rakennuksen muu lämpömassa voivat sallia lämmityksen siirtämistä ajassa ilman, että sisälämpötila muuttuu heti. Sähköauton akku sisältää paljon energiaa, vaikka sitä ei tavallisessa latausjärjestelmässä voitaisikaan syöttää takaisin taloon.

Optimoinnin kannalta varaston määritelmä on siksi käytännöllinen: voiko energiaa käyttää nyt ja hyödyntää vaikutus myöhemmin?

Lämpövarastoilla ja sähköakulla on eri hyötysuhteet, rajat ja käyttötarkoitukset, mutta ne tuovat samaa perusominaisuutta: kulutusta ei tarvitse aina tehdä täsmälleen sillä hetkellä, jolloin lopullinen tarve syntyy.

Varasto lisää joustoa ja samalla päätöksiä

Akku tai muu varasto ei itsessään ratkaise energianhallintaa. Se lisää järjestelmälle uuden vapausasteen.

Järjestelmän pitää silloin päättää esimerkiksi, kannattaako aurinkosähkö käyttää suoraan, varastoida vai myydä, milloin akku ladataan verkosta ja milloin sen kapasiteettia säästetään myöhempää tarvetta varten. Samalla pitää huomioida lataus- ja purkuteho, hyötysuhde, kapasiteetti ja mahdolliset muut rajoitteet.

Huonosti yhteen sovitettu varasto voi jopa kasvattaa tehopiikkejä. Jos akku latautuu täydellä teholla samaan aikaan sähköauton ja lämmityksen kanssa vain siksi, että spot-hinta on alhainen, yksittäiset optimoinnit toimivat mutta kokonaisuus ei.

Päätökset ovat kompromisseja

Energiakeskuksessa lähes jokainen päätös vaikuttaa johonkin muuhun. Lämmitystä voidaan siirtää myöhemmäksi, mutta vain rakennuksen lämpötilarajojen sisällä. Sähköauton latausta voidaan lykätä, mutta auton pitää silti olla valmis silloin kun sitä tarvitaan. Aurinkosähkö voidaan myydä, käyttää itse tai mahdollisesti varastoida, mutta vaihtoehtojen taloudellinen arvo muuttuu hinnan ja myöhemmän tarpeen mukana.

Siksi optimointi ei ole yksi sääntö, kuten “käynnistä kaikki halvalla”. Se on useiden tavoitteiden ja rajoitteiden jatkuvaa yhteensovittamista.

Tyypillisiä samanaikaisia tavoitteita voivat olla:

• energian kustannuksen pienentäminen
• aurinkosähkön järkevä hyödyntäminen
• pääsulakkeiden ja muiden tehorajojen noudattaminen
• lämpötilan ja käyttöveden riittävyyden säilyttäminen
• sähköauton lataustavoitteen saavuttaminen määräaikaan mennessä

Käyttäjän tehtävä on asettaa tavoitteet, ei tehdä jokaista päätöstä

Ihminen pystyy hyvin päättämään, että auton pitää olla aamulla riittävästi ladattu, sisälämpötila saa vaihdella tietyissä rajoissa tai että pääsulakkeita ei saa kuormittaa tietyn rajan yli.

Sen sijaan käyttäjän ei ole mielekästä laskea joka päivä itse, mille varteille kaikki kuormat pitäisi sijoittaa suhteessa hintaan, aurinkotuotantoon, lämpötilaan ja toisiinsa.

Hyvän energianhallinnan työnjako on siksi selkeä: käyttäjä määrittää tavoitteet ja hyväksyttävät rajat, järjestelmä tekee toistuvat ajoitus- ja yhteensovituspäätökset niiden sisällä.

Mitä “energiakeskus” tässä sarjassa tarkoittaa?

Energiakeskus ei tässä tarkoita tiettyä laitetta tai kaupallista tuotetta. Se on tapa mallintaa kotitaloutta järjestelmänä.

Tässä mallissa:

• energia voi tulla useasta lähteestä ja kulkea useaan suuntaan
• osa kulutuksesta on siirrettävissä ajassa
• lämpö ja sähkö voivat toimia eri tavoin energiavarastoina
• hetkellinen kokonaisteho on oma rajoitteensa
• yksittäisten laitteiden tavoitteet pitää sovittaa yhteen järjestelmätasolla

Tärkein muutos ajattelussa on tämä: ohjauksen kohde ei ole enää vain yksittäinen laite, vaan koko järjestelmän tila.

Seuraavaksi tarvitaan mittaus

Järjestelmätason ohjaus ei onnistu, ellei järjestelmä tiedä mitä talossa tapahtuu. Seuraava kysymys on siksi käytännöllinen: mitä pitää mitata, millä tarkkuudella ja kuinka tuoretta tiedon pitää olla?

Osa 3: Mittaus – ilman tätä mikään muu ei toimi käsittelee sitä, miten energiakeskuksesta muodostetaan ohjauksen tarvitsema tilannekuva.