Pörssisähkö, sähköautot, lämpöpumput ja aurinkosähkö ovat tehneet monista kotitalouksista aiempaa aktiivisempia sähköjärjestelmän osia. Teknologia mahdollistaa jo kulutuksen ajoittamisen, kuormien ohjauksen ja oman tuotannon hyödyntämisen varsin pitkälle.
Silti kotitalouksien energian optimointi ei ole skaalautunut samalla tavalla kuin tekniset mahdollisuudet ovat kehittyneet. Ratkaisuja on paljon, mutta ne ovat hajanaisia, eri valmistajien järjestelmät toimivat erillään ja koko talon yhteinen päätöslogiikka puuttuu usein kokonaan.
Ongelma ei siis ole vain siinä, osataanko yksittäistä laitetta ohjata. Keskeisempi kysymys on, millä arkkitehtuurilla miljoonien kotitalouksien jousto voidaan toteuttaa ilman että jokainen koti rakentaa oman erikoisratkaisunsa.
Yksittäinen kuormanohjaus toimii – kokonaisuus on vaikeampi
Kotitalouden optimointi alkaa helposti yksinkertaisista asioista. Kulutusta siirretään halvoille tunneille, sähköauton latausta ajoitetaan, aurinkosähköä pyritään käyttämään itse ja lämmitystä säädetään hinnan mukaan.
Yksittäisinä toimintoina nämä voivat toimia hyvin. Ongelma syntyy, kun samaan aikaan ohjataan useita suuria kuormia ilman yhteistä tilannekuvaa. Halpa tunti voi vetää auton, lämmityksen ja käyttöveden samaan aikaan päälle, vaikka kokonaisteho tai muu rajoite tekisi tästä huonon ratkaisun.
Opinnäytetyössäni kotitalouksien osallistumisesta sähkönkulutuksen säätöön optimointi näkyi käytännössä usein ajastuksina, yksittäisten laitteiden ohjauksena ja hintaseurantana. Tämä on hyödyllistä, mutta se ei vielä tarkoita koko energiajärjestelmän optimointia.
Yksittäisten kuormien optimointi ja kokonaisuuden optimointi ovat kaksi eri asiaa.
Skaalautumisen ensimmäinen ongelma on kustannuksen ja hyödyn suhde
Kehittynyt kotitalouskohtainen optimointi vaatii helposti mittauksia, ohjauslaitteita, automaatiota ja integraatioita. Jos saavutettava hyöty on joitakin kymmeniä tai satoja euroja vuodessa, itse rakennettu tai vahvasti räätälöity järjestelmä ei ole realistinen ratkaisu suurelle osalle kotitalouksista.
Tämä korostuu siksi, että osa jouston arvosta syntyy muualla kuin yksittäisen kuluttajan sähkölaskussa. Kuormien koordinointi voi vähentää tehopiikkejä, helpottaa paikallisen verkon käyttöä ja tarjota resursseja sähköjärjestelmän joustoon. Jos investointi ja ylläpito jäävät kokonaan kotitaloudelle mutta osa hyödystä syntyy järjestelmätasolla, kannustimet eivät välttämättä kohtaa.
Skaalautuva ratkaisu tarvitsee siis muutakin kuin toimivan algoritmin. Myös kustannusten, hyötyjen ja vastuiden pitää jakautua tavalla, joka tekee osallistumisesta järkevää.
Nykyinen energianhallinta rakentuu helposti erillisistä saarekkeista
Kodissa sähkömittari mittaa kokonaisuutta, lämpöpumpulla on oma ohjauksensa, sähköautolla omansa, invertteri hallitsee aurinkosähköä ja jokin erillinen palvelu seuraa hintaa. Jokainen osa voi olla teknisesti hyvä, mutta niiden välillä ei välttämättä ole yhteistä tietomallia eikä yhteistä päätöslogiikkaa.
Tällöin järjestelmät eivät tiedä toistensa tarpeista, kokonaistehoa ei hallita yhdessä ja optimointi jää osaoptimoinniksi. Sama ongelma näkyy myös silloin, kun jokainen valmistaja tarjoaa oman sovelluksensa ja oman pilvipalvelunsa, mutta mikään niistä ei vastaa koko talon energiajärjestelmästä.
Tätä ongelmaa käsittelen tarkemmin Optimoinnin arkkitehtuuri -sarjassa.
Yhteinen ohjauskanava on tärkeä, mutta ei vielä energianhallintaa
Artikkelia kirjoitettaessa esillä ollut sähkömarkkinalain 65 b §:n muutosta koskeva luonnos oli kiinnostava juuri tästä näkökulmasta. Sen tavoitteena oli edistää markkinapohjaista kuormanohjausta hyödyntämällä olemassa olevaa mittaus- ja Datahub-infrastruktuuria.
Ajatus on tärkeä: jos mittarikannassa on jo mittaus, etäyhteys ja kohteesta riippuen myös kuormanohjausmahdollisuus, kaikkea teknistä infrastruktuuria ei tarvitse rakentaa alusta.
Samalla yhteinen ohjauskanava ratkaisee kuitenkin vain osan ongelmasta. Ulkopuolinen toimija voi pyytää kuormaa päälle tai pois, mutta kanava ei itsessään tiedä, mikä talon kuormista on juuri sillä hetkellä joustava, paljonko tehoa voidaan turvallisesti käyttää tai mitä muita tavoitteita talon sisällä on samaan aikaan.
Toisin sanoen yhteinen ohjauskanava on arvokas infrastruktuuri. Kokonaisoptimointi tarvitsee sen lisäksi paikallisen tilannekuvan ja päätöksenteon.
Tarvitaan vakioitu rajapinta kotitalouden energiajärjestelmään
Luonteva jatko nykyiselle mittaus- ja ohjausinfrastruktuurille olisi vakioitu energianhallinnan rajapinta. Sen ei tarvitse tarkoittaa, että sähkömittari itsessään muuttuu koko kodin älyksi tai optimointipalveluksi.
Mittari tai sen yhteyteen rakennettu standardoitu rajapinta voisi toimia luotettavana lähtöpisteenä, jonka kautta kokonaisteho, ulkopuoliset ohjauspyynnöt ja paikallinen energianhallinta kohtaavat.
Tärkeä ero on tämä: rajapinnan pitäisi välittää muutakin kuin pelkkä päälle/pois-komento. Skaalautuvassa joustossa kiinnostava tieto on esimerkiksi se, paljonko kohde pystyy joustamaan, kuinka nopeasti, kuinka kauan ja millä ehdoilla.
Sähkömittari voi olla solmupiste ilman että siitä tehdään koko energiahubia
Sähkömittarilla on yksi selvä etu: se näkee koko liittymän nettotehon ja kuuluu jo sähköjärjestelmän perusinfrastruktuuriin. Siksi sitä on luontevaa käyttää yhtenä luotettavana rajapintana energianhallinnan ja verkon välillä.
Paikallinen äly voi silti sijaita muualla. Se voi olla kaupallinen HEMS-järjestelmä, auton latauslaite, lämpöpumpun ohjain tai erillinen kotitalouden EnergyHub. Olennaista on, että kokonaisuus pystyy vaihtamaan tietoa standardoidusti.
Näin vältetään kaksi ääripäätä: jokaiseen kotiin ei tarvitse rakentaa täysin omaa integraatioprojektia, mutta kaikkea päätöksentekoa ei myöskään tarvitse siirtää keskitettyyn järjestelmään.
Joustokapasiteetti on hyödyllisempi käsite kuin releen tila
Perinteisessä kuormanohjauksessa ajatellaan helposti binäärisesti: kuorma on päällä tai pois. Energiajärjestelmälle paljon kiinnostavampi kysymys on, kuinka paljon joustoa kohteessa on käytettävissä juuri nyt.
Sähköauto voi esimerkiksi siirtää latausta useita tunteja, lämpöpumppu lyhyemmän ajan ja akku voi tarjota sekä kulutuksen että tuotannon suuntaista joustoa. Näitä ei voi kuvata yhdellä releellä.
Kun jousto kuvataan kapasiteettina, kestoaikana, vasteena ja käyttöehtoina, ulkopuolinen palvelu voi pyytää järjestelmältä resurssia ilman että sen tarvitsee tuntea kodin jokaisen laitteen yksityiskohtia.
Paikallisen energiahubin tehtävä on sovittaa pyynnöt talon todellisuuteen
Paikallinen energianhallinta tietää asioita, joita keskitetty markkinapalvelu ei välttämättä tiedä: auton pitää olla ladattu aamuksi, käyttöveden lämpötila on jo alhainen, lämpöpumpulla on oma käyttörajansa tai pääsulakkeiden kuormitus on lähellä rajaa.
Siksi ulkopuolinen ohjaus ei saisi suoraan syrjäyttää paikallista logiikkaa. Parempi malli on, että ulkopuolinen järjestelmä välittää tavoitteen tai joustopyynnön ja paikallinen energiahubi ratkaisee, voidaanko se toteuttaa ja millä resursseilla.
Tämä vastaa myös HEOMF-ajattelua: mitä korkeammalle kypsyystasolle mennään, sitä tärkeämmäksi muuttuu eri tavoitteiden yhteensovittaminen eikä pelkkä yksittäinen ohjaus.
Kuka maksaa yhteisen infrastruktuurin?
Tämä on yksi vaikeimmista kysymyksistä. Jos kotitalouksien joustosta hyötyvät kuluttajan lisäksi verkkoyhtiöt, markkinatoimijat ja sähköjärjestelmä, koko infrastruktuurin kustannusta ei ole luontevaa jättää yksittäisen kuluttajan omaksi integraatioprojektiksi.
Yksi mahdollinen tapa on kehittää tarvittavia rajapintoja osana mittaus- ja verkkoinfrastruktuurin normaalia uudistamista. Mittareita ja niitä ympäröiviä järjestelmiä uusitaan joka tapauksessa, joten standardointi on huomattavasti helpompi toteuttaa yhteisenä vaatimuksena kuin miljoonina erillisinä jälkiasennuksina.
Tämän päälle markkina voi rakentaa varsinaiset optimointi-, aggregointi- ja kuluttajapalvelut.
Kuluttajan kannalta ratkaisun pitää olla helpompi, ei monimutkaisempi
Skaalautuminen epäonnistuu, jos osallistuminen edellyttää käyttäjältä jatkuvaa hintojen seuraamista, useita sovelluksia ja ymmärrystä jokaisen laitteen integraatiosta. Kuluttajalle hyvä ratkaisu tarkoittaa päinvastaista: vähemmän käsin tehtävää säätöä ja enemmän ennakoitavaa automaatiota.
Samalla ohjauksen pitää olla läpinäkyvää. Käyttäjän on voitava ymmärtää ainakin periaatteellisella tasolla, mitä järjestelmä tekee, miksi se tekee sen ja mitä hyötyä osallistumisesta syntyy.
Vikasietoisuus ja paikallinen toiminta ovat välttämättömiä
Yhteinen infrastruktuuri tuo myös riskejä: tietoturvaa, yksityisyyttä, toimittajariippuvuutta ja kysymyksen siitä, kuinka paljon päätösvaltaa voidaan keskittää ulkopuoliselle palvelulle.
Siksi yksi periaate on mielestäni ehdoton: kodin perustoimintojen pitää jatkua myös silloin, kun ulkoinen optimointi tai tietoliikenneyhteys ei toimi.
Lämmityksen, käyttöveden ja muiden kriittisten toimintojen ei pitäisi riippua jatkuvasta keskitetystä yhteydestä. Paikallinen automaatio säilyttää turvalliset rajat ja toimintakyvyn, kun taas ulkopuolinen palvelu optimoi niiden sisällä.
Mitä pitäisi siis tehdä toisin?
Ratkaisu ei ole lisätä jokaiseen kotiin uusia irrallisia ohjauslaitteita. Skaalautuvampi malli tarvitsee kolme asiaa:
- Vakioidun rajapinnan, jonka kautta mittaus, joustopyynnöt ja paikallinen energianhallinta voivat vaihtaa tietoa.
- Paikallisen päätöksenteon, joka tuntee kodin laitteet, käyttäjän tarpeet ja tekniset rajat.
- Markkinakerroksen, joka pystyy yhdistämään suuren määrän pieniä resursseja sähköjärjestelmän käyttöön ilman että se ohjaa jokaista laitetta suoraan.
Tällöin kotitalouden ei tarvitse olla oma integraatioprojektinsa. Järjestelmä voi silti olla paikallisesti älykäs, vikasietoinen ja kuluttajan hallinnassa.
Skaalautuminen on arkkitehtuurikysymys
Kotitalouksien energian optimointi ei skaalaudu hyvin, jos jokainen laite, valmistaja ja palvelu optimoi omaa osaansa erikseen. Samoin se ei skaalaudu, jos koko integraation kustannus ja ylläpito jäävät yksittäiselle kuluttajalle.
Tarvitaan yhteinen tekninen perusta, jonka päälle eri valmistajat ja palveluntarjoajat voivat rakentaa. Sähkömittari ja nykyinen mittausinfrastruktuuri voivat olla yksi luonteva solmupiste, mutta varsinainen äly ja päätöksenteko voivat sijaita paikallisessa energianhallinnassa.
Tavoite ei siis ole tehdä sähkömittarista kaikkea hoitavaa keskusta. Tavoite on rakentaa rajapinta, jonka kautta mittaus, paikallinen äly ja ulkopuolinen optimointi voivat toimia yhdessä.
Sähkön optimointi -pääsivulta löydät muut aihetta käsittelevät artikkelit ja käytännön esimerkit.