Energiamurroksen myötä sähköjärjestelmä puhdistuu, mutta vaihtelevan sääriippuvaisen tuotannon voimakkaan kasvun myötä sähkön tuotannon ja kulutuksen välisen tasapainon ylläpidosta tulee yhä haastavampaa. Sen sijaan, että tuulivoima vaihteluineen lisää haasteita, voisi se myös edesauttaa tehotasapainon ylläpitoa osallistumalla reservimarkkinoille. Reservimarkkinat tarjoavat tuulivoimalle hyviä ansaintamahdollisuuksia.
Sähkön kulutuksen ja tuotannon välinen tehotasapaino ilmenee sähköjärjestelmän taajuudesta. Sen reaaliaikainen hallinta on kantaverkkoyhtiöiden, Suomessa Fingrid Oyj:n vastuulla. Fingrid käyttää tehotasapainon hallintaan erilaisia reservituotteita, joita se hankkii ylläpitämiltään markkinapaikoilta. Reservit ovat säätökykyistä sähkön tuotantoa, kulutuskohteita ja sähkövarastoja. Reservimarkkinoille osallistuminen on vapaaehtoista, ja reservitoimittaja määrittelee itse säädöstä haluamansa korvauksen. Reservimarkkinat ovat pääosin kapasiteettimarkkinoita, eli korvauksen saa varallaolosta huolimatta siitä, käytetäänkö säätökykyä vai ei. Osassa reservituotteita myös säädön aiheuttamat muutokset tuotetun energian määrässä korvataan.
Tuulivoimatuotanto on tekniseltä säätökyvyltään erinomaista, mutta toistaiseksi tuulivoiman osallistuminen reservimarkkinoille on ollut erittäin vähäistä Suomessa ja monissa muissa maissa. Lisääntynyt tarjonta tehostaisi markkinoiden toimintaa ja laskisi sähköjärjestelmän tehotasapainon hallinnasta kaikille sähköjärjestelmän käyttäjille aiheutuvia kustannuksia. Ilman tuulivoiman mukana oloa sähköjärjestelmän tehotasapainon ylläpidosta tulee myös ajoittain erittäin hankalaa, esimerkiksi, kun erittäin tuulisina hetkinä perinteistä säätävää vesi- ja lämpövoimatuotantoa on vähemmän saatavilla. Tuulivoimalle soveltuisi erityisesti tuotantotehon vähentäminen eli sähköjärjestelmän näkökulmasta alassäätö, koska se ei vaadi jatkuvaa tuotantotehon rajaamista. Tilanteissa, joissa tuulivoiman tuotantotehoa on rajoitettu esimerkiksi matalien sähkön vuorokausimarkkinahintojen vuoksi, tuulivoimalla olisi myös ylössäätökykyä.
Suomessa käytössä olevat reservituotteet
ERI RESERVITUOTTEIDEN KAPASITEETTIKORVAUSTEN VUODEN 2021 KESKIHINNAT JA TUULIVOIMAN OSALLISTUMISMAHDOLLISUUDET KUHUNKIN TUOTTEESEEN.
Pohjoismaisessa sähköjärjestelmässä (Suomi, Ruotsi, Norja ja Itä-Tanska) on käytössä yhdessä määritetyt reservituotteet, koska tehotasapainon hallinta tapahtuu yhteistyössä pohjoismaisten kantaverkkoyhtiöiden kesken. Pohjoismaisen tason lisäksi reservituotteille ja reservien hankinnalle on eurooppalaiset reunaehdot ja Euroopan laajuisia markkinoita kehitetään parhaillaan.
Nopea taajuusreservi
Nopeaa taajuusreserviä (Fast Frequency Reserve, FFR) käytetään pienen inertian tilanteiden hallintaan. Inertia tarkoittaa sähköjärjestelmän pyöriviin massoihin varastoituneen liike-energian tuomaa kykyä vastustaa muutoksia taajuudessa. Tarvittava nopean taajuusreservin määrä riippuu sähköjärjestelmän inertian määrästä ja suurimman yksittäisen mahdollisen vian (mitoittava vika) suuruudesta.
Fingrid hankkii nopeaa taajuusreserviä tuntikohtaisesti edellispäivänä. Nopean taajuusreservin hankintamäärä riippuu sähköjärjestelmän inertiasta, ja sitä tarvitaan vain osalle vuoden tunneista. Hankintatarve painottuu kevät-, kesä- ja syyskuukausina hetkiin, jolloin inertian määrä on pienimmillään.
Nopeassa taajuusreservissä reservikohteelta vaaditaan erittäin nopeaa, mutta lyhytkestoista ylössäätöä eli voimalaitoksilta tuotannon lisäämistä tai kulutuskohteilta kuorman irtikytkentää. Reservitoimittaja saa valita haluamansa aktivointivaihtoehdon: 49,7 Hz ja 1,3 s, 49,6 Hz ja 1,0 s tai 49,5 Hz ja 0,7 s. Reservin tulee aktivoitua täysmääräisesti annetussa ajassa ja kyetä uuteen aktivointiin 15 minuutin kuluessa edellisestä aktivoinnista. Aktivointi tapahtuu automaattisesti paikallisen taajuusmittauksen perusteella.
Suuntaajakytkettynä generaattorina tuuliturbiini voi hyödyntää tehoelektroniikan hyvää ohjattavuutta ja tuottaa hetkellisesti nopean taajuusreservin vaatiman säätövasteen ilman jatkuvaa tuotannon rajaamista. Tällä niin sanotulla synteettisellä inertialla tuotetaan hetkellinen tehonlisäys, jonka jälkeen seuraa generaattorin nimellispyörimisnopeuden palauttaminen eli hetkellinen tuotantotehon lasku lähtötasoa alemmalle tasolle. Nopeassa taajuusreservissä hyväksytään tällainen palautuminen tietyin reunaehdoin.
Nopea taajuusreservi soveltuu siksikin erinomaisesti tuulivoimalle, koska hankintatarpeet ovat tyypillisesti suurimmillaan tuulisina ajankohtina. Tällöin sähköjärjestelmän inertia on matala suuntaajakytketyn tuotannon runsaan määrän vuoksi, mikä nostaa nopean taajuusreservin tarvetta.
Taajuusohjattu käyttöreservi
Taajuusohjattua käyttöreserviä (Frequency Containment Reserve for Normal Operation, FCR-N) käytetään jatkuvaan sähköjärjestelmän taajuuden hallintaan. Se pyrkii pitämään taajuuden normaalialueella 49,9 – 50,1 Hz. Taajuusohjattu käyttöreservi on symmetrinen tuote, eli reservikohteen on kyettävä sekä ylös- että alassäätöön. Reservin tulee aktivoitua täysimääräisesti kolmessa minuutissa askelmaisessa 0,1 Hz taajuusmuutoksessa. Aktivoituminen tapahtuu automaattisesti paikallisen taajuusmittauksen perusteella. Aktivointi on lineaarinen taajuuspoikkeaman suhteen, eli aktivoituva reservimäärä on sitä suurempi mitä suurempi taajuuspoikkeama on.
Tuulivoiman on teknisesti mahdollista osallistua taajuusohjattuun käyttöreserviin, mutta tämä vaatisi jatkuvaa tuotantotehon rajaamista, jotta ylössäätökykyä olisi saatavilla. Taajuusohjatussa käyttöreservissä reservin aktivoitumisen aiheuttama energiamäärä jää melko pieneksi, koska ylössäätö- ja alassäätöenergia kumoavat toisensa, mutta tuulivoiman tapauksessa vaadittava jatkuva tuotantotehon rajaus voi johtaa suuriinkin vajauksiin energiatuotannossa.
Taajuusohjattu häiriöreservi
Taajuusohjattua häiriöreserviä (Frequency Containment Reserve for Disturbances, FCR-D) käytetään taajuushäiriöiden hallintaan. Vuoden 2022 alusta Pohjoismaissa alettiin hankkimaan taajuusohjatusta häiriöreservistä myös erillistä alassäätötuotetta, jolla varaudutaan ylitaajuushäiriöihin. Puolet reservistä aktivoituu viidessä sekunnissa ja loput 30 sekunnissa askelmaisessa taajuusmuutoksessa 49,5 Hz:iin tai 50,5 Hz:iin. Aktivoituminen tapahtuu automaattisesti ja lineaarisesti kuten taajuusohjatussa käyttöreservissä.
Taajuusohjatussa häiriöreservissä erityisesti alassäätötuote on tuulivoimalle soveltuva, koska reservin ylläpitoa varten ei tarvitse jatkuvasti rajata tuotantotehoa ja reservin aktivoitumiset ovat tyypillisesti lyhytkestoisia ja harvinaisia eivätkä siten vaikuta energian tuotantoon merkittävästi.
Automaattinen taajuuden palautusreservi
Automaattinen taajuuden palautusreservin (Automatic Frequency Restoration Reserve, aFRR) on keskitetysti ohjattu, automaattisesti aktivoituva reservituote. Sen aktivointi perustuu pohjoismaisen sähköjärjestelmän taajuuspoikkeamaan ja tapahtuu kantaverkkoyhtiön 10 sekunnin välein lähettämän tehonmuutospyyntösignaalin perusteella. Tehonmuutoksen tulee alkaa 30 sekunnin kuluessa ja olla täysimääräisesti aktivoitunut viiden minuutin kuluttua signaalin lähetyksestä. Tehonmuutospyyntö on joko 0 MW (eli reserviä ei tarvitse aktivoida lainkaan) tai enimmillään myyty reservikapasiteetti.
Automaattinen taajuuden palautusreservi on jaettu erilliseen ylössäätö- ja alassäätötuotteeseen. Kapasiteettikorvauksen lisäksi toimittaja saa energiakorvauksen säädöstä aiheutuneista reservienergioista. Ylössäätökapasiteetin energiakorvauksen hinta määräytyy säätösähkömarkkinoiden ylössäätöhinnan mukaan ja vastaavasti alassäätökapasiteetin energiakorvauksen hinta säätösähkömarkkinoiden alassäätöhinnan mukaan. Aktivoituneet reservienergiat korjataan taseselvityksessä, jolloin niistä ei aiheudu tasevirhettä reservikohteen tasevastaavalle.
Tuulivoimalle soveltuisi erityisesti automaattisen taajuuden palautusreservin alassäätötuote, koska kuten muissakin alassäätösuunnan tuotteissa, siihen osallistumiseen ei vaadita jatkuvaa tuotantotehon rajausta. Hankaloittava tekijä voi kuitenkin olla tällä hetkellä käytössä oleva energiakäsittely, koska reservitoimittaja ei voi itse vaikuttaa reservienergian hintaan. Tuulivoiman tapauksessa polttoainekustannuksista ei kerry säästöä kuten esimerkiksi lämpövoiman tapauksessa, joten tuulivoimalle lähinnä negatiiviset energiakorvauksen hinnat olisivat houkuttelevia. Automaattiseen taajuuden palautusreserviin on kuitenkin tulossa vuonna 2024 yhteiseurooppalaiset energiamarkkinat, joilla reservitoimittaja määrittelee itse hinnan myös energialle ja reservi aktivoidaan energiahintojen mukaisessa hintajärjestyksessä.
Manuaalinen taajuuden palautusreservi (säätösähkö- ja säätökapasiteettimarkkinat)
Manuaalinen taajuuden palautusreservi (Manual Frequency Restoration Reserve, mFRR) on reservituote, jossa reservitoimittaja tekee manuaalisen säätötoimenpiteen 15 minuutin kuluessa Fingridiltä tulevasta tilauksesta. Säätösähkömarkkinat ovat reaaliaikainen energiamarkkinapaikka, jonne reservitoimittajat voivat antaa ylös- ja alassäätötarjouksia manuaalisesta taajuuden palautusreservistä. Korvauksen saa, jos säätötarjous käytetään, ja kallein käytetty säätötarjous määrittää säätöhinnan kaikille käytetyille säätötarjouksille.
Säätökapasiteettimarkkinoilla tarkoitetaan erillisiä tarjouskilpailuja, joilla Fingrid varmistaa, että sillä on käytettävissä riittävästi säätötarjouksia säätösähkömarkkinoilla. Säätökapasiteettimarkkinoilla reservitoimittaja sitoutuu etukäteen jättämään säätötarjouksia säätösähkömarkkinoille ja saa tästä kapasiteettikorvauksen. Säätökapasiteettimarkkinat käydään toistaiseksi viikkotasolla toimituspäivää edeltävän viikon lopulla, mutta suunnitteilla on uudistaa ne toimituspäivää edeltävän vuorokauden aamuna käytäviksi tuntikohtaisiksi tarjouskilpailuiksi.
Tuulivoima soveltuu erityisesti säätösähkömarkkinoilla alassäätöön ja se onkin toistaiseksi ainoa reservituote, johon tuulivoima Suomessa osallistuu. Tuulivoima voisi tarjota myös ylössäätöä, jos tuotantoa on rajattu. Tuulivoiman osallistumismahdollisuudet säätökapasiteettimarkkinoille tulevat paranemaan suunnitteilla olevan markkinasääntöjen uudistuksen myötä, kun säätökapasiteetin tarjoamiseen tulee jatkossa sitoutua edellisviikon sijasta edellispäivänä.
Miten edetä?
Pohjoismaisilla kantaverkkoyhtiöillä on toistaiseksi vain vähän käytännön kokemuksia tuulivoimalaitosten osallistumisesta reservimarkkinoille, mutta Fingrid osallistuu mielellään asian selvittämiseen. Tekninen toteutus kannattaa selvittää turbiinitoimittajan ja säätäjävalmistajan kanssa. Fingridiin kannattaa olla yhteydessä, jos haluaa lisätietoa reservimarkkinoille osallistumisesta. Lisäksi kannattaa selvittää, ettei sopimuspuolella (esim. PPA-sopimukset) ole esteitä säätökäytölle ja huomioida tämä mahdollisissa uusissa sopimuksissa.