Yhteistyöllä innovaatioita vesivoiman säätökykyyn – uusimpana maailman kehittynein turbiinisäätäjä

PVO-Vesivoiman käynnissäpidon asiantuntija Tommi Hansen-Haug on ollut turbiinisäätäjän kehitystyössä mukana alusta asti, vuodesta 2018. Ympäristö on ehtinyt jo tänä aikana muuttumaan: sään mukaan vaihteleva energiantuotanto on lisääntynyt, perusvoimaa tuottava Olkiluoto 3 on saatu mukaan sähköjärjestelmään ja kantaverkkoyhtiö Fingrid on lisännyt vaatimuksia voimalaitosten säätöteknisille ominaisuuksille. Kriteeristö määrittää voivatko vesivoimalaitokset osallistua sähkömarkkinoilla taajusohjattuihin reservimarkkinoihin, joille vesivoima tarjoaa nopeaa säätökykyä tasapainottamaan sähköjärjestelmää.

Innovaation myötä turbiinin laitteiston liikettä pystytään säätämään yhä älykkäämmin ja tarkemmin. Uusi turbiinisäätäjä onkin välttämätön kehitysaskel vakaasti ja varmasti toimivalle säätövoimalle.

Maailman kehittynein turbiinisäätäjä vesivoimalle

Sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapainosta kertoo sähköjärjestelmän taajuus, jonka tulee pysyä koko ajan mahdollisimman lähellä 50 hertsiä. Käytännössä se tarkoittaa, että kun kysyntä laskee tai kasvaa, tuotantoa pitää pystyä säätämään, jotta se vastaa joka hetki toisiaan. Kun sään mukaan vaihtelevan energian määrä sähköjärjestelmässä kasvaa, energiavarastoja hyödyntävä vesivoima toimii kriittisenä säätövoimana. Voimaloiden kannalta se tarkoittaa, että turbiinien käyttö ei pysy koko ajan samana, vaan Kaplan-turbiinin siipikulmia ja johtopyörän asentoa säädetään tuotannon aikana jatkuvasti.

Turbiinisäätäjä on yhdistelmä laitteistoa ja ohjelmistoa, joka hyödyntää koneoppimista ennustamaan tulevaa säädön tarvetta. Turbiinisäätäjällä ohjataan hydrauliikkaa, joka liikuttaa vesivoimalan turbiinia. Kaplan-turbiinissa liikkuvat juoksupyörän siivet ja johtopyörän solukkeet. Tavoitteena on liikuttaa koneistoa sähköverkon taajuuden mukaan siten, että taajuuden laskiessa koneistoa avataan, jolloin teho nousee ja taajuuden laskiessa tehdään vastakkainen liike. Kun liikkeet tehdään optimaalisesti, säästetään turbiinia säädön aiheuttamalta kulumiselta.

Tässä uusi turbiinisäätäjä on tällä hetkellä maailman kehittynein. Se täyttää Fingridin tiukentuneet vaatimukset säädön stabiilisuudesta, lineaarisuudesta ja nopeudesta.  Samalla säätäjän tarkkuus riittää tulevaisuudenkin tarpeisiin, joissa säätöjen rytmi voi jopa kiristyä. 

Uuden turbiinisäätäjän aiemmat versiot ovat jo käytössä lähes kaikilla PVO-Vesivoiman omilla voimalaitoksilla Iijoella, Kokemäenjoella ja Kemijoella. Säätäjiä on käytössä yhteensä 15 kappaletta. Uusin, patentoitava versio turbiinisäätäjästä on testausvaiheessa. Sen on tarkoitus korvata vanhemmat versiot portaittain. 

Oma kehitystyö kunniaan – vesivoimaa modernisoidaan yhteistyössä

Automaation kehittäminen toi Hansen-Haugin alun perin töihin PVO-Vesivoimalle. Vesivoiman automaatio ei ole uusi asia – Pohjolan Voiman vesivoimaloihin automaatiojärjestelmät on tuotu 70-luvulla. Niitä on kuitenkin jatkuvasti parannettu ja tekniikkaa vaihdettu uudempaan. Uusien innovaatioiden ja kehitysprojektien tekeminen ja käyttöönotto vaatii, että automaatiojärjestelmiä ohjelmoidaan, eli tehdään niistä älykkäämpiä.

Tommi Hansen-Haugin työtä on ideoida kumppaneiden ja kollegojen kanssa, miten tätä kaikkea voidaan kehittää. Esimerkiksi yhteistyössä tehty voimaloiden yhteisen toiminnanhallintajärjestelmän kehitystyö aloitettiin vuonna 2019 ja järjestelmä otettiin käyttöön kesällä 2022. Sitäkin on jo ehditty parantelemaan.

PVO-Vesivoiman innovaatiot syntyvät tarpeeseen. Yhtiön asiantuntijat esimerkiksi ideoivat kasuunin käyttöä vesivoiman pilarikorjaustöissä, eli uudenlaisen korjaustavan, jonka avulla aiemmin sukellustyönä tehdyt betonirakenteiden korjaukset voidaan tehdä kasuunin suojaamana kuivissa olosuhteissa. Tämä lisää työturvallisuutta, nopeuttaa työtä ja säästää kustannuksia sekä vähentää vesivoimalaitosten tuotantopysäytykset muutamaan tuntiin.

Myös yhteistyöllä on suuri merkitys vesivoiman kehittämisessä. Yhteistyössä UPM:n ja Honeywellin kanssa PVO-Vesivoiman Iijoen voimalaitoksille räätälöitiin jokisäätöautomatiikka. Sen avulla joen viittä voimalaa voidaan ajaa kokonaisuutena, ja vastata näin tarkasti tuotannon tarpeisiin. Lisäksi Kemijoen Isohaaran voimalaitokselle kehitetään autopilottijärjestelmää Caverionin kanssa.

Nyt patenttihakemusvaiheessa olevan turbiinisäätäjän kehitystyö Oulun Yliopiston kanssa käynnistyi vuonna 2017. Työ alkoi voimalaitosmallinnuksesta, ja laajeni lopulta uuden innovaation kehittämiseksi yliopistotutkijan, dynaamisten prosessi- ja energiajärjestelmien dosentti István Selekin johdolla. Mukana on ollut myös väitöskirjaa aiheesta tekevä Joni Vasara.

Tommi Hansen-Haug kannustaakin yrityksiä etsimään aktiivisesti yhteistyö- ja tuotekehitysmahdollisuuksia yliopistojen kanssa. Uuden yhteistyökumppanin perehdyttäminen ottaa oman aikansa, mutta on palkitsevaa, kun huippuosaajien kyvykkyyttä pääsee täysimittaisesti hyödyntämään. Vielä nykyään Hansen-Haug tekee itse kaikki räätälöinnit, joita vaaditaan, että säätäjä voidaan sovittaa voimalaitosautomaatioon. Säätäjän koodi oli alkuvaiheessa myös hänen käsialaansa, mutta se on ulkoistettu jo kumppaneille.

Turbiinisäätäjän innovaatio on melko harvinainen, sillä vesivoimayhtiöt harvemmin enää investoivat omaan tuotekehitykseen. Työn tavoitteena oli kehittää vesivoiman säätäjä, joka on parempi kuin saatavilla olleet tuotteet. Ja siinä myös onnistuttiin. Nyt muuttuvaan toimintaympäristöön voidaan vastata entistä paremmin tulevaisuudessakin.

Pääkuvassa vasemmalla Tommi Hansen-Haug ja oikealla István Selek. Kuva: Kai Tirkkonen.