Lämmitys ja liikenne sähköistyvät - energiajärjestelmän mallinnuksella kohti parempia kulutusvalintoja ja poliittisia päätöksiä

Artikkelit
Juha Kiviluoma,
Nelli Putkonen,
Laura Sokka

Tulevaisuuden energiajärjestelmä on rakenteeltaan täysin nykyisestä poikkeava: vaihteleva tuuleen ja aurinkoon perustuva sähköntuotanto sekä lämmityksen ja liikkumisen sähköistyminen tarvitsevat kumppanikseen joustoja, varastoja ja uusia siirtoyhteyksiä. Tätä uudenlaista järjestelmää kuvaa termi sektori-integraatio, kytkeytynyt energiajärjestelmä. Myös kuluttajat ovat sähköautojensa ja talojensa kautta osa tätä järjestelmää. Muuttuva tilanne on suuri mahdollisuus ilmastonmuutoksen torjunnan vaatimien päästövähennysten kannalta. Samalla se on merkittävä haaste poliittisten päätösten ja myös kuluttajien valintojen kannalta. Energiajärjestelmätutkimus etsii parhaita vastauksia erilaisiin skenaarioihin.

Poliittisten päättäjien on saatava tietoa, millaiset investointiyhdistelmät ovat kustannustehokkaimpia tai miten varmistetaan energiaturvallisuus. Kuluttaja puolestaan pohtii, miten muutokset näkyvät arjessa tai mitä valintoja on mahdollista ja kannattavaa tehdä. Vastaukset voivat olla monimutkaisia ja tilanteesta riippuvia. Mallinnuksen kannalta monimutkaisemman ja suurempia epävarmuuksia sisältävän järjestelmän simulointiin vaaditaan lisääntyvää tarkkuutta, tehokkuutta ja joustavuutta sekä lisäksi laadukasta dataa. 

VTT:n johtava tutkija Juha Kiviluoma ottaa esimerkiksi sähköautojen joustavan latauksen mahdollisuudet vaikuttaa suurten akkuvarastojen tarpeeseen Suomessa. 

”Tällöin on tunnettava muun muassa eri teknologioiden rajoitteet, kuluttajien käyttäytyminen, niiden vaihtelu ja esitettävä ne riittävän tarkasti ajan ja paikan suhteen mallissa. Koska tarkkuutta rajoittaa tietokoneen laskentakapasiteetti, jokaista käyttäjää tai autoa ei voi mallintaa erikseen, vaan on tehtävä yksinkertaistuksia. Liika tarkkuuden karsiminen kuitenkin syö tulosten luotettavuutta. Ongelmaa voidaan ratkaista mallin kyvyllä kohdentaa laskentatarkkuutta sekä hyvällä matemaattisella muotoilulla. Myös koneiden ratkaisukapasiteetti lisääntyy jatkuvasti. Tarkkuuden lisäksi on tärkeää, että monta sektoria - tässä tapauksessa sähköntuotanto ja liikenne - pystytään optimoimaan samanaikaisesti. Etu on, jos malli itsessään ei rajoita valittavia sektoreita tai niiden kytkentätapoja, vaan malliin on mahdollista lisätä esimerkiksi uusia kiinnostavia teknologioita puuttumatta sen perusrakenteeseen”, Kiviluoma kertoo.

“Viimeisimmässä EU:n rahoittamassa mallikehitysprojektissamme Spinessa kehitimme yhteistyössä muiden yliopistojen ja tutkimusorganisaatioiden kanssa optimointimallin nimeltään SpineOpt, joka kykenee paitsi optimoimaan monta sektoria yhtäaikaisesti, myös joustavasti muokkaamaan laskennan tarkkuutta siellä, missä tarvitaan tarkinta mallinnusta. Tärkeä arvo mallikehityksessä meille on myös avoimuus, ja siksi malli on kehitetty avoimena lähdekoodilla ja lisenssivapaalla ohjelmointikielellä tutkijoiden ja mallintajien käyttöön”, projektipäällikkönä toiminut Kiviluoma sanoo.

Luotettavimmat arviot saadaan mallintamalla useita vaihtoehtoisia kehityskulkuja ja niiden yhteisvaikutuksia

Toinen tärkeä tekijä tulevaisuuden energiajärjestelmien mallinnuksessa on datamäärän ja skenaarioiden hallinta. Jos esimerkiksi tutkitaan talojen lämmityksen ohjauksen vaikutusta kaukolämmön hintaan, tarvitaan dataa useista lähteistä - vaikkapa talotietokannoista ja lämpötila-aikasarjoja ilmastomalleista. Lisäksi tarvitaan useita tulevaisuuteen liittyviä oletuksia, jotka sisältävät epävarmuuksia: muun muassa teknologioiden hinnat, markkinoiden kehitys tai ihmisten valmius investoida ohjausteknologiaan.

Parhaimmillaan skenaariotyöskentely saadaan automatisoitua, jolloin vaihtoehtoja voidaan huomioida enemmän. ”Yleensä mallinnusprojekteissa keskitytään vain itse malliin ja optimointiin, mutta Spine-projektissa halusimme luoda ratkaisuja myös tähän datan ja skenaarioiden hallinnan ongelmaan. Kehitimme työkalun nimeltä Spine Toolbox, jonka isoin etu on se, että sitä voi käyttää erilaisten mallien ja jopa eri alojen tarpeisiin. Ja tietysti se on myös avoin käyttää”, Kiviluoma summaa.

Mitä tulee alussa mainittuun sektori-integraatioon, mallinnuksilla on esimerkiksi osoitettu, ettei vaihtelevan sähköntuotannon lisääntyminen aiheuta ylitsepääsemättömiä ongelmia tai massiivisia investointikustannuksia järjestelmälle. 

”Jos sähköjärjestelmässä on riittävästi joustavuutta, niin tuuli- ja aurinkovoima voivat tehokkaasti vähentää päästöjä myös muilla energiankulutussektoreilla”, kertoo Kiviluoma.
 

Jaa
Juha Kiviluoma

Juha Kiviluoma

Principal Scientist
Laura Sokka

Laura Sokka

Senior Scientist
Toimialat