Kotitalouksien energian optimointi tutkimuksen valossa – ja miksi kaikkien ei tarvitse optimoida

Kotitalouksien energian optimointi on noussut viime vuosina nopeasti esiin. Taustalla on useita samanaikaisia muutoksia energiajärjestelmässä:

• pörssisähkön yleistyminen
• aurinkosähkön nopea kasvu
• sähköautojen lataus
• kotiautomaatio ja IoT-järjestelmät

Yhä useammasta kotitaloudesta on tullut pieni energiajärjestelmä, jossa yhdistyvät energiankulutus, energiantuotanto ja energian varastointi.

Samalla myös tutkimus kotitalouksien energian optimoinnista on kasvanut nopeasti. Demand response -ratkaisut, kotitalouksien energianhallintajärjestelmät (HEMS) sekä energy hub -mallit ovat aktiivisia tutkimusalueita.

Kun tätä tutkimuskenttää tarkastelee kokonaisuutena, esiin nousee kuitenkin kiinnostava havainto: suuri osa tutkimuksesta keskittyy optimointialgoritmeihin ja yksittäisten laitteiden ohjaukseen, kun taas kotitalouden energiajärjestelmän kokonaisarkkitehtuuriin on kiinnitetty vähemmän huomiota.

Tämä herättää keskeisen kysymyksen:

onko energian optimointi kaikille kotitalouksille yhtä relevanttia – vai riippuuko sen hyöty kotitalouden energiajärjestelmän rakenteesta?

Kotitalouksien energian optimointia koskeva tutkimus

Kotitalouksien energian optimointia koskeva tutkimus voidaan karkeasti jakaa kolmeen päälinjaan.

Demand response

Demand response -tutkimus tarkastelee sähkönkulutuksen siirtämistä ajankohtiin, jolloin sähkö on halvempaa tai sähköjärjestelmä on vähemmän kuormittunut.

Tyypillisiä joustavia kuormia ovat esimerkiksi:

• sähkölämmitys
• lämminvesivaraajat
• sähköauton lataus

Monissa tutkimuksissa kulutuksen ajoituksella saavutetaan noin 5–20 % kustannussäästöjä joustavasta kuormasta. Demand response toimii siis hyvin yksittäisten kuormien optimointiin, mutta tutkimus keskittyy usein tiettyyn laitteeseen tai kuormaan, ei koko kotitalouden energiajärjestelmään.

Aurinkosähkö ja kotitalousakut

Toinen merkittävä tutkimusalue liittyy aurinkosähkön ja kotitalousakkujen optimointiin.

Tutkimuksissa tarkastellaan esimerkiksi:

• aurinkosähkön omakulutuksen maksimointia
• akkujen lataus- ja purkustrategioita
• sähköautojen käyttöä energian varastona

Optimointi tehdään usein matemaattisilla malleilla, jotka minimoivat energiakustannuksen tai maksimoivat aurinkosähkön hyödyntämisen.

Haasteena on kuitenkin se, että monet tutkimukset perustuvat simuloituun dataan ja ideaalisiin ohjausmahdollisuuksiin. Todellisissa kotitalouksissa järjestelmät ovat usein huomattavasti monimutkaisempia ja laitteet toimivat eri valmistajien järjestelmissä.

HEMS-järjestelmät

Kolmas tutkimuslinja liittyy kotitalouksien energianhallintajärjestelmiin (Home Energy Management System, HEMS).

HEMS-tutkimus tarkastelee esimerkiksi:

• mittausjärjestelmiä
• IoT-laitteita
• kommunikaatioprotokollia
• optimointialgoritmeja

Tyypillinen HEMS-arkkitehtuuri sisältää useita kerroksia:

• mittauskerros
• kommunikaatiokerros
• ohjauskerros
• sovelluskerros

Nämä tutkimukset keskittyvät usein IT-arkkitehtuuriin ja ohjausalgoritmeihin, eivät niinkään kotitalouden energiajärjestelmän kokonaisuuteen.

Optimointi nähdään usein algoritmiongelmana

Kun näitä tutkimuslinjoja tarkastellaan yhdessä, niissä esiintyy usein yhteinen lähtökohta: energian optimointi nähdään ennen kaikkea algoritmisena optimointiongelmana.

Tutkimusasetelma näyttää usein tältä:

input
→ sähkön hinta
→ säädata

algoritmi
→ optimointimalli

output
→ kulutuksen ajoitus

Tämä lähestymistapa toimii hyvin tutkimusympäristössä. Todellisissa kotitalouksissa energiajärjestelmät ovat kuitenkin usein monimutkaisempia kuin yksittäinen optimointimalli olettaa.

Kotitalous energiajärjestelmänä

Monessa kotitaloudessa on jo useita energiakomponentteja:

• lämpöpumppu
• aurinkopaneelit
• sähköauto
• kotitalousakku
• lämminvesivaraaja

Lisäksi järjestelmään kuuluu usein:

• mittausjärjestelmiä
• automaatiota
• pilvipalveluja
• käyttöliittymiä

Jos nämä toimivat erillisinä järjestelminä, syntyy helposti tilanne, jossa jokainen laite optimoi omaa toimintaansa itsenäisesti.

Esimerkiksi:

• sähköauton laturi optimoi latauksen
• lämpöpumppu optimoi lämmityksen
• akku optimoi latauksen
• invertteri optimoi tuotannon

Mutta järjestelmät eivät välttämättä kommunikoi keskenään.

Tällöin syntyy tilanne, jossa tapahtuu paikallista optimointia ilman järjestelmätason optimointia.

Kohti järjestelmätason tarkastelua

Energy hub -tutkimus on yksi askel kohti järjestelmätason tarkastelua. Energy hub -malleissa yhdistetään esimerkiksi:

• sähkö
• lämpö
• energiavarastot
• energiantuotanto

Näissä malleissa kotitaloutta tarkastellaan useiden energiavirtojen kokonaisuutena.

Silti myös näissä tutkimuksissa fokus on usein edelleen optimointialgoritmeissa, ei kotitalouden energiajärjestelmän rakenteessa tai kehityspolussa.

HEOMF – kotitalouksien energian optimoinnin kypsyysmalli

Kotitalouksien energiajärjestelmiä voidaan tarkastella myös kypsyysmallin (maturity model) näkökulmasta.

Kypsyysmallit kuvaavat järjestelmien kehityspolkuja yksinkertaisista ratkaisuista kohti kehittyneempiä ja integroidumpia toimintatapoja. Samantyyppisiä malleja on käytetty esimerkiksi ohjelmistokehityksessä, digitalisaatiossa ja teollisuuden automaatiossa.

Tätä näkökulmaa soveltamalla voidaan tarkastella myös kotitalouksien energiajärjestelmiä.

Home Energy Optimization Maturity Framework (HEOMF) kuvaa kotitalouksien energian optimoinnin kehityspolkua viiden kypsyystason kautta.

HEOMF-taso	Kuvaus
Taso 0	Ei optimointia. Energiankäyttö on pääosin staattista ja perustuu laitteiden paikalliseen säätöön.
Taso 1	Manuaalinen tai yksinkertainen ajastus, usein sähkön hinnan mukaan. Käyttäjä siirtää kulutusta esimerkiksi halvemmille tunneille.
Taso 2	Mitattu ja ohjattava energiajärjestelmä. Kotitaloudessa on mittaus, perusautomaatio ja rajattuja ohjausmahdollisuuksia yksittäisiin laitteisiin.
Taso 3	Orkestroitu järjestelmäoptimointi. Useita energiakomponentteja ohjataan koordinoidusti ennusteiden, rajoitteiden ja tavoitteiden perusteella.
Taso 4	Markkina- ja verkko-osallistuva kotitalous. Kotitalous voi osallistua joustomarkkinoille esimerkiksi aggregaation, reservipalvelujen tai V2G-ratkaisujen kautta.

HEOMF kuvaa sitä, kuinka kotitalouksien kyky optimoida energiankäyttöä kasvaa energiajärjestelmän monimutkaistuessa ja integraation lisääntyessä.

HEOMF ja kotitalouksien erilaisuus

HEOMF auttaa tarkastelemaan myös sitä, kuinka erilaiset kotitaloudet sijoittuvat energian optimoinnin näkökulmasta eri tasoille.

Esimerkiksi:

Kotitaloustyyppi	Tyypillinen HEOMF-taso
kerrostalo ilman merkittäviä sähkökuormia	0
kaukolämpötalo	0–1
sähkölämmitys	1–2
lämpöpumppu + sähköauto	2–3
aurinkosähkö + akku + sähköauto	3–4

Monille kotitalouksille taso 0 tai 1 voi olla täysin riittävä. Jos kotitaloudessa ei ole merkittäviä joustavia kuormia tai energiavarastoja, optimoinnin potentiaali voi olla rajallinen.

Tällöin energian optimointi voi lisätä järjestelmän monimutkaisuutta enemmän kuin se tuottaa todellista hyötyä.

HEOMF kehityspolkuna

HEOMF voidaan nähdä kotitalouksien energiajärjestelmien kehityspolkuna.

Kotitaloudet siirtyvät tasolta toiselle yleensä teknologisten investointien kautta, kuten:

• lämpöpumpun käyttöönotto
• aurinkosähköjärjestelmä
• sähköauto
• kotitalousakku
• energianhallintajärjestelmä

Jokainen uusi komponentti lisää energiajärjestelmän joustoa mutta samalla myös järjestelmän monimutkaisuutta.

Tässä vaiheessa optimointi muuttuu vähitellen yksittäisten laitteiden ohjauksesta järjestelmätason orkestroinniksi.

Kotitalous osana energiajärjestelmää

Korkeimmilla kypsyystasoilla kotitaloudet voivat toimia aktiivisina osina energiajärjestelmää.

Kotitalous voi esimerkiksi:

• tarjota joustoa sähköjärjestelmälle
• osallistua reservimarkkinoille aggregaation kautta
• toimia energiavarastona sähköauton tai kotitalousakun avulla

Tällöin kotitaloudesta tulee osa hajautettua energiajärjestelmää.

Lopuksi: ehkä tärkein kysymys

Kun energian optimoinnista puhutaan, keskustelu keskittyy usein siihen, miten optimointi tehdään.

Ehkä vielä tärkeämpi kysymys on kuitenkin:

kannattaako optimointia tehdä ollenkaan.

Jos optimointia tehdään kotitalouksissa, joissa siitä on vain vähän hyötyä, syntyy helposti turhaa monimutkaisuutta.

Jos taas optimointi kohdistuu kotitalouksiin, joissa on paljon joustoa – kuten sähköautoja, lämpöpumppuja ja aurinkosähköä – vaikutus voi olla merkittävä.

HEOMF:n keskeinen ajatus on yksinkertainen:

kaikkien ei tarvitse optimoida kaikkea.

Mutta niissä kotitalouksissa, joissa energiajärjestelmä monimutkaistuu, optimointi muuttuu väistämättä yksittäisten laitteiden ohjauksesta koko energiajärjestelmän orkestroinniksi.

Ja juuri siellä seuraavat suuret kehitysaskeleet todennäköisesti tapahtuvat.