32 Δ horisont 2/2012

EnergeetikaTÕNU LEHTLA

Paljud riigid reklaamivad tarkvõrke kui võimalust saavutadaenergeetiline sõltumatus ning lahendada keskkonnakaitse,globaalse soojenemise ja energia varustuskindluse probleeme.

CORB

IS /

SCA

NPI

X

horisont 2/2012 Δ 33

Tarkvõrk (ingl smart grid) on moodsattehnoloogiat kasutav elektrivõrk. Tark-võrgu visioon näeb ette praeguse elekt-rivõrgu täiustamist moodsa energia-tehnoloogiaga ning digitaalsete info-,mõõte- ja juhtimissüsteemide integree-rimist elektrivõrguga. Tarkvõrk ühen-dab elektritootjad, -edastajad, -arvelda-jad, -tarbijad ja seadmeteenindajadelektri- ja andmesidevõrgu kaudu üht-sesse süsteemi, tagades nende kõigivahel kahesuunalise digitaalse andme-side ning kahesuunalise energiavoo.Tänu sellele saab rakendada energiaulatuslikku hajatootmist, optimeeridaenergiakasutust, vähendada kulusidning suurendada töökindlust ja energiaostu-müügitehingute läbipaistvust. Kõiksee toimub eeldusel, et massiline info-tehnoloogia rakendamine ei too kaasatäiendavaid riske. Seetõttu on tarkvõr-gu loomise üks põhiprobleeme küber-turbe tagamine.

MastaabidTarkvõrgu ideede elluviimist saab alus-tada üksikust majapidamisest, ettevõt-test, ülikoolilinnakust, mandrist eraldi-asuvast saarest või suvalisest muustenergeetiliselt või geograafiliselt ise-seisvast majandusüksusest. Tarkvõrkvõib hõlmata kogu riiki või selle osi,kuid tarkvõrk võib laiuda ka üle mitmekontinendi. Sõltuvalt ulatusest on tark-võrgule leitud ka vastavad nimed alatesmikrotarkvõrgust kuni supertarkvõr-guni välja. Näiteks Euroopa supertark-võrgu kohati utoopiline idee näeb etteühendada üheks tervikuks Põhjamere,Balti mere ja Biskaia lahe äärsete mere-tuuleparkide ning ka Vahemere kal-laste, sealhulgas Põhja-Aafrika ja Lähis-Ida päikeseenergia ressursid (joonis 1).

Tarkvõrgu olemusTarkvõrkude olemuse selgitamist alus-tatakse põhimõttemudelist. Siinkohalon kirjeldatud Ameerika Ühendriikideenergeetikaministeeriumi juures asuvariikliku standardiseerimise ja tehno-loogiainstituudi koostatud tarkvõrgupõhimõttemudelit (joonis 2). See näitabja kirjeldab peamiste huvirühmade võiärivalduste vastastoimeid. Elektri toot-mise, edastamise, jaotamise, salvestamise,juhtimise, muundamise, teenindamiseja turustamisega seotud tervikvaldkondon jaotatud seitsmeks valduseks. Kunamoodsas ühiskonnas on elekter kasutu-sel igas tehases, ettevõttes, äri- ja büroo-hoones, kodu- ja talumajapidamises,siis võib ette kujutada, et tarkvõrgumudel haarab kogu meie elutegevust.

Euroopa põhimõttemudel erinebPõhja-Ameerika omast peamiselt sellepoolest, et kliendivaldus on jaotatudkolme ossa ning eraldi on välja toodudtööstusklientide ja hajaressursside val-dused, teisalt vaadeldakse elektri edas-tus- ja jaotusvõrke ühtse tervikuna.

Tarkvõrk toimib iseorganiseeruvahajusjuhtimissüsteemi (avatud turu) põhi-mõttel, kus turuosalised saavad digi-taalsete andmesidekanalite kaudu infot

tulevik–otsapidi tarkvõrkude küljes

Tarkvõrk on moodsattehnoloogiat kasutavelektrivõrk.

Tarkvõrgu ideede elluviimist saab alustadaüksikust majapidamisest,ettevõttest, ülikooli-linnakust või suvalisestmuust iseseisvast majandusüksusest.

Supertarkvõrgu peamised energiavood

1

süsteemi võimsusbilansi järgi kujunevaenergiahinna kohta ja kohandavad vas-tavalt sellele oma käitumismudelit.Hajutatud turuosaliste (tarkvõrgu teo-liste) „isiklikest” huvidest lähtuv käitu-mine on kasulik kogu süsteemile, sta-biliseerides nii energia turuhinda kuika võimsusbilanssi. Protsessi tulemu-sena jõutakse ka teatud energiatarbi-mise ja majandusliku optimumini, mison kasulik ühiskonnale tervikuna. Tark-võrgu iseärasus on see, et enamik turu-osalisi on automaadid.

Tarkvõrgu teolised Tarkvõrgu kõikides valdustes tegutse-vad nii firmad, inimesed kui ka auto-maadid, kes võtavad vastu otsuseidenergia tootmise, tarbimise, energia-voogude reguleerimise, ostu-müügi,teenuste ja paljude muude toimingutekohta. Neid tegutsejaid (ingl actor) võikseesti keeles nimetada teolisteks, andestänaseks unustusse vajuvale sõnale uuetähenduse. Tarkvõrgu olulisi, eri funkt-siooniga teolisi, on kokku ligikaudu 50.Mõned kliendivalduse teolised on näi-datud joonisel 3.

Arukalt toimivat ja iseseisvalt otsu-seid vastu võtvat automaati nimeta-takse tänapäeval intelligentseks elekt-roonikaseadmeks ja ka intelligentseksagendiks. Viimane jälgib pidevalt omaandurite ja andmesidekanalite kaudukeskkonda (antud juhul elektrivõrku jaselle tehnilisi näitajaid, nagu pinget,voolu, võimsust jne) ning turuvalduseskujunevat hinda. Intelligentne agent

KAA

REL

TAM

RE

34 Δ horisont 2/2012

Tarkvõrgu lihtsustatud põhimõttemudelid2

Tarkvõrk toimib iseorganiseeruva hajus-juhtimissüsteemi põhi-mõttel, kus turuosalisedsaavad infot süsteemivõimsusbilansi järgikujuneva energiahinnakohta ning kohandavadvastavalt sellele oma käitumismudelit.

esindab oma valdajat, näiteks maja-omanikku, ja tema energiakasutusegaseotud soove, mis on vastava program-mi näol salvestatud agendi mällu.Keskkonnaolude, näiteks elektri turu-hinna muutumisel, võtab agent vastuotsuse energiatarbimise jätkamise, kat-kestamise või reguleerimise kohta.Seega saab agenti rakendada energia-tarbimise ja sellega seotud kulude opti-meerimiseks.

Intelligentse agendi funktsioonid sõl-tuvad sellest, missuguse objektiga on

see seotud. Agent võib esindada maja-või korteriomanikku, võib kuuluda võr-gust energiat laadiva elektriauto juurdevõi esindada hajaelektrijaama. Seegakuuluvad agendid paljude tarkvõrguteoliste juurde ja on nende esindajadvõrguga suhtlemisel. Sellel põhimõttelloodud energiahaldussüsteemi nime-tatakse nõudluskajaks (ingl demandresponse).

Moodne kodumajapidamine hõlmabüha enam nutikaid kodumasinaid, mil-le kasutusaegu ning talitlusviise saabeelnevalt programmeerida. Nende juht-seadmed ehk intelligentsed agendidhakkavad tulevikus arvestama tarkvõr-gust saadavaid signaale, mis iseloomus-tavad nii võrgu lubatavaid piirkoor-musi kui ka elektri reaalajahinda võr-gus. Nii saavad nutikad masinad opti-meerida omaniku energiakulusid jatoetada oma tegevusega elektrivõrgutalitlust.

Koduõuele üles seatud elektrituulikvõi maja katusele paigutatud päikese-paneel võib toota elektrit kohapeal tar-bimiseks, salvestamiseks akudesse võielektrivõrku. Viimasel juhul läheb seeüldisesse kasutusse ning toodetud elekt-ri eest arveldatakse vastavalt elektri-turu hinnale.

Sama kehtib ka tööstusettevõtetelekuuluvate väikeelektrijaamade kohta.Kuigi nende efektiivsus on reeglina suur-jaamade omast väiksem, on nende eeli-seks väiksemad edastuskaod ning või-malus toota elektrit ja soojust koos. Vii-mastel aastatel on just elektri ja soojusekoostootmine muutumas üha populaar-semaks. Kasutusele on tulnud väikesedkoostootmisjaamad võimsusega 10–100kilovatti ja ka mikrojaamad, millevõimsused algavad mõnesajast vatist.

Olulisemad teolisedKliendivalduse puhul on oluline rääkidaelekterküttest, mis hõlmab otsekütte-süsteeme, kuhu kuuluvad nii põranda-küttekaablid, elektriradiaatorid, -kon-vektorid, -kerised, infrapunakiirguridkui ka elektritoitega soojuspumbad.Kuna hoonete konstruktsioon on kül-lalt suure soojusmahtuvusega ning va-jadusel võib hoonesse lisada spetsiaal-selt valmistatud soojussalvesteid, saabelekterküttekoormust kasutada tark-võrgus paindlikult. Koormus ühenda-takse võrku elektritarbimise miinimu-mi ajal ning lülitatakse tippkoormuseajaks välja. Energia ja kulutuste opti-meerimise nimel tulevad üha enamkasutusse ka soojussalvestitega külmu-tus- ja kliimaseadmed.

KAA

REL

TAM

RE

horisont 2/2012 Δ 35

Tarkvõrkude idee esilekerimine ja populaarsusekasv viimastel aastatel on seotud mitmeteasjaoludega. Ühelt poolt muutub energia kättesaadavus maailmas inimesele üha eba-kindlamaks. Seda kinnitab näiteks toornaftahinna suur kõikumine ja ühtlasi kasvamine viimastel aastakümnetel. 2008. aastal jõudishind senise maksimumini – barrel toornaftatmaksis 150 dollarit, 2011. aastal kõikus barrelihind 90 ja 120 dollari vahel. Teisalt on ägene-nud võitlus keskkonnasaaste vähendamise eestja fossiilkütuste kasvava põletamise vastu.

Mõlemad põhjused on tekitanud vajaduserakendada taastuvaid või alternatiivseid ener-giaallikaid, milleks on päike, tuul, bioenergia ja maasoojus. Kuna viimased nõuavad võrguenergiavoo stabiliseerimiseks, varustuskind-luse ja võimsusbilansi hoidmiseks suure võim-susega ning paindlikku regulaatorit, siis on tekkinud idee kasutada reguleerimiseks elektrivõrgu hajutatud ressursse. See idee ongisaanud koondnimetuse tarkvõrk.

Ameerika kogemusAmeerika Ühendriikide energiapoliitika lähtubpeamiselt vajadusest tagada energia paremvarustuskindlus ja sõltumatus araabia naftarii-kidest. USA energeetikaministeerium on iseloo-mustanud viimaseid aastakümneid võitlusenaAmeerika energeetilise sõltumatuse eest.

1973. aasta araabia maade õliembargo kat-kestas õlivoo araabia maadest lääneriikidesse,põhjustades turul naftatoodete defitsiidi. Selletulemusena tekkisid pikad järjekorrad tankla-tes ning kütuse hind turul tõusis. See oli esi-mene kord, kui ilmnes selgelt lääneriikide, eritiUSA sõltuvus imporditavast toornaftast. Ühtlasioli see esimene hoiatus ameeriklastele, et nafta-sõltuvuse eest tuleb maksta kõrget hinda.

Toornafta barreli hinna muutumine

1979. aasta Iraani revolutsioon katkestastaas õlivoo araabia maadest läänemaailma.Ühtlasi oli see teine suur hoiatus ameeriklaste-le, et rohkem tuleb mõelda oma energeetilisesõltumatuse peale. Pärsia lahe sõda 1991. aas-tal toimus selle nimel, et maailma ühed suure-mad naftavarud Kuveidis ei langeks täielikultIraagi diktaatori Sadam Husseini võimu alla.Pärast sõda tehti katseid vähendada USA sõltu-vust araabia naftast, kuid selge poliitilise tahtepuudumise tõttu need katsed ebaõnnestusid.Seega polnud ka Lahesõda ameeriklastele veellõplik õppetund.

12. septembril 2001, päev pärast terrori-rünnakuid Maailma Kaubanduskeskuse kaksiktornidele, seisis USA ees raske valik: kas jätkata üha suuremas mahus araabiamaade õli tarbimist ning pühenduda üha enamsõdadele ning võitlusele terrorismiga või leidaalternatiivsed energeetilised lahendused araabia maade õlile.

Euroopa eesmärgid Ameerika Ühendriikide järel teine suuremenergiatarbija maailmas on Euroopa Liit. Kui2010. aasta andmete järgi tarbis USA keskmi-selt 19,15 miljonit barrelit toornaftat päevas,siis Euroopa Liit 13,73 miljonit barrelit. Euroopa

Energiapoliitika poliitiline taust

Moodne elektritarbimisel põhinev tarkvõrku lülitatud nutikas kodu

Liidu energiapoliitika on keskendunud kesk-konnasaaste ja õhku paisatavate kasvuhoone-gaaside koguste vähendamisele. Probleemilahendusena nähakse samuti taastuvaid energiaallikaid ja nendega kaasnevaid tarkvõrke.2007. aasta 20/20/20 plaani kohaselt tuleksEuroopas aastaks 2020: • vähendada 20 protsendi võrra kasvu-

hoonegaaside eraldamist atmosfääri; • suurendada taastuvenergia osakaalu

elektritootmises 20 protsendini;• suurendada energiatõhusust 20 protsendi

võrra ehk samade tarbimisfunktsioonide säilimisel säästa energiat.

Euroopa järgmised suured eesmärgid energia-süsteemide arendamisel on seatud aastaks2050, mil atmosfääri paisatavate kasvuhoone-gaaside kogused peaks tänasega võrreldesvähenema 80 protsenti. Selle kava peaminesisu on süsinikku sisaldavate kütuste kasuta-mise oluline vähenemine ehk dekarboni-seerimine. Energia lõppkasutuses suurenebelektrienergia osakaal tänasega võrreldes ligikaks korda ning jõuab 2050. aastaks umbes 40 protsendini kogu tarbitavast energiast. Eesmärgi saavutamiseks on kavas investeeridaenergiasüsteemi uuendamisse triljon ehk miljon miljonit eurot. ●

Oluliseks tarkvõrkude komponen-diks peetakse veel elektriautot või kahübriidautot, mis tulevikus peaks ühaenam välja vahetama sisepõlemismoo-toriga auto. Tarkvõrgu seisukohalt tule-vad arvesse need elektriautod, mis lüli-tatakse elektrivõrku periooditi. Kunaautode summaarne energiatarbiminemoodustab umbes kolmandiku moodsaühiskonna energia kogutarbimisest,siis oodatakse ka elektriautode suurtmõju tuleviku elektrivarustussüsteemi-le. 100 000 elektriauto mõju elektrisüs-teemile võiks võrrelda 200 megavatisetippkoormus-elektrijaamaga. Umbes nii

KAA

REL

TAM

RE

KAA

REL

TAM

RE

36 Δ horisont 2/2012

Kliendivaldus ja teolised3

suur võiks olla ka Eestis igapäevaseltkasutatavate elektriautode arv. Elektri-auto abil saaks siluda koormuse loh-kusid ja tippusid. Akude laadiminetoimuks öösiti, mil elektrivõrgu koor-mus on väike. Lühiajaliste koormustip-pude korral võiksid elektriautod tööta-da ka generaatoritena ning turuhindaalla suruda. Loomulikult tuleb selleksluua elektriauto toimimiseks vajalikinfrastruktuur ning energiaarveldus- jamaksesüsteem.

Kõik kliendivaldusesse kuuluvadosavaldused või ka üksikseadmed jamasinad on varustatud tarkmõõteriis-tadega. Need mõõdavad nii aktiiv- jareaktiivvõimsust kui ka summaarsetvõi perioodilist energiatarvet, analüüsi-vad, prognoosivad või optimeerivadenergiatarbimist, andes omanikule

energiatarbimise kohta teavet ja soovi-tusi edaspidiseks toimimiseks.

Tarkmõõteriistal on kahepoolneandmesidesüsteem, mis võimaldab saa-da näiteks perioodiliselt energiahinna-infot ning saata energiamüüjale and-meid tarbitud energia kohta. Info, midatarkmõõteriistadega kogutakse, on pal-ju mahukam kui seni igakuiselt saadavteave tarbija summaarse energiatar-bimise kohta.

Nutika kodu energiamõõteriistadehulka kuuluvad elektri-, gaasi-, soojuse-,veehulga- ja muud tarkmõõteriistad,mis võimaldavad mõõta ning salves-tada nii võimsuse kui ka energiatarbeajadiagramme. Energiasüsteemi tark-mõõteriistad moodustavad koos andme-sidesüsteemiga moodsa raalmõõtmistetaristu.

Üks võimalik koduse elektritarbi-mise ööpäevadiagramm on näidatudjoonisel 4. Registreeritud on minutikeskmine võimsus. Privaatsuse seisuko-halt on oluline teada, et koormusdia-gramm annab üsna palju teavet kliendielutegevuse ja tarbimisharjumustekohta. Seega annab tarkmõõteriistadekasutamine võimaluse kliendi jälgimi-seks ning toob endaga kaasa nii füüsi-lisi, psüühilisi, finantsilisi kui reputat-siooniriske. Need on probleemid, misvajavad lahendamist koos tarkvõrkudeküberturve tagamisega.

Elektriajamiga käitatavad masinadTööstuses on sääraseid palju, eriti suurtemasside teisaldamiseks ja tõstmiseks.Need masinad muundavad elektriener-

KAA

REL

TAM

RE

giat mehaaniliseks liikumiseks, kusjuu-res energia salvestub kas potentsiaalsevõi kineetilise energiana. Nii ühe kuiteise energia võib teatud tingimustelmuundada tagasi elektriks. Näiteksvõimsad sadamakraanad genereerivadmerekonteinerite langetamisel kuni 15protsenti tarbitavast energiast elektri-võrku tagasi. Tarkvõrkude kasutusele-võtu puhul on ka see energia positiiv-selt rakendatav ning selle genereerijasaab õiglast tasu.

Alajaamad ja GPSElektrivõrkude moderniseerimise ükspakilisemaid ülesandeid on uue apara-tuuri ja tarkmõõtesüsteemide rakenda-mine alajaamades. See puudutab nii

ANDMELÜÜS – teenindusettevõtte omandusesolev liitumispunkti paigutatud seade, millekaudu edastatakse, mõõdetakse ja müüakseenergiat.

MIS ON MIS

?

horisont 2/2012 Δ 37

edastusvõrgu kui ka jaotusvõrgu alajaa-mu. Mõõte- ja juhtimisinfo edastami-seks kasutatakse tarkvõrgu standardileIEC 61850 vastavat digitaalset andme-sidet. Kuna elektrivõrk laiub väga suu-rel territooriumil ja vahemaad selle eriosade vahel võivad ulatuda tuhande-tesse kilomeetritesse, siis on kiiretoi-meliste mõõtmiste korral kriitilisedsuurused andmeedastuskiirus ja mõõt-miste sünkroonsus. Viimane tagataksetänu satelliitsidele ja ülitäpsetele aato-mikelladele. Samu satelliite ja täpsetajamõõtmist kasutatakse ka globaalsepositsioneerimissüsteemi GPS puhul.Elektri tarkvõrkude puhul võimaldabglobaalne positsioneerimissüsteem luuavõrkude automaatse geograafilise info-

TÕNU LEHTLA (1947) on lõpetanud TallinnaPolütehnilise Instituudi elektriajamite ja tööstus-seadmete automatiseerimise erialal 1970. TallinnaTehnikaülikooli energeetikateaduskonna dekaan ja robotitehnika õppetooli juhataja, professor 1992.Tehnikakandidaat 1976. On avaldanud elektri-ajamite, muundustehnika ja tööstusautomaatika alalüle saja teadusliku ja õppemetoodilise töö.

AUTORIST

süsteemi (GIS), mis salvestab kõik võr-gus toimuvad sündmused koos toimu-mise asukoha geograafiliste koordinaa-tidega. Nii muutub oluliselt lihtsamakska kliendikutsete või rikete teeninda-mine.

Täna on väga raske ennustada, mis-sugused on elektrivarustus ja tarkvõr-gud kahekümne või kolmekümne aastapärast. Igal juhul on oluline nendearengusse panustatud tarkus ehk intel-lektuaalne ressurss, mistõttu tarkvõrkevõib käsitleda ka energiavaldkonnalähiaastakümnete moodsa tehnoloogiaplatsdarmina. ●

☺horisontTO

OM

AS

PÄÄ

SUKE

Kodune ööpäevane elektritarbimine4

KAA

REL

TAM

RE