Omatuotannon vaikutus kiinteistön sähköverkkoon -hanke
Teksti: Marko Ylinen
Minun (Marko Ylinen SAMK) sekä kollegani Aki Kortetmäen (TAMK) on tarkoitus selvittää hankkeessa paikallisen omatuotannon (esim. aurinkosähkö) ominaisuuksia ja tarpeita pienkiinteistön sähköverkon näkökulmista yhdessä uusien järjestelmien, kuten sähköauton latauksen, erilaisten lämpöpumppujen ja kotiakkujen kanssa.
Selvitämme ja pyrimme huomioimaan edellä mainituille järjestelmille asetettuja uusia vaatimuksia. Vaatimuksia on mm. kokonaisenergiatehokkuuteen, mitoitukseen, asentamiseen, käyttöönottoon ja kuormien sekä tuotannon ohjaamiseen liittyvissä asioissa. Tarkoituksena on myös tunnistaa mahdollisia kipupisteitä edellä mainituissa asioissa.
Suomessa olevia pienkiinteistöjä on rakennettu usealla eri vuosikymmenellä. Ympäristöministeriön Pitkän aikavälin korjausrakentamisen strategian (YM 2020) sekä Tilastokeskuksen mukaan Suomessa on noin 1,2 miljoonaa omakoti- ja paritaloasuntoa (STAT 2021). Näissä asunnoissa olevien pääsulakkeiden koko on tyypillisesti 25 A tai 35 A. Kuvassa 1 on nähtävissä omakotitalojen ja paritalojen kerrosala valmistumisen mukaan eri vuosikymmeninä.
Kuva 1. omakotitalojen ja paritalojen kerrosala valmistumisen mukaan eri vuosikymmeninä. (STAT 2021)
Eri vuosikymmenillä valmistettujen keskusten kokoonpano kuitenkin voi vaihdella suuresti jo pelkän mekaanisen rakenteen puolesta. Tarkempi tutkiminen vaatisi luonnollisesti paljon aikaa. Kuvassa 2 on nähtävissä 1950-luvun sähkökeskus ja sen oikealla puolella nähdään saman kokoluokan malli vuodelta 2022. Monien lähteiden mukaan kiinteistön sähköjärjestelmien elinkaari on noin 30-40 vuotta, mutta se ei automaattisesti tarkoita sitä, että määräysten mukaan keskus olisi vaihdettava tuossa iässä. Hyvin pidetyllä ja huolletulla laitteistolla voi olla hyvinkin pitkä elinikä. Tämän voin todeta omista sähkölaitteiston käytön johtaja kohteistakin, kunnossapito lisää elinikää.
Kuva 2. Keskusmalli 1950 (Marko Ylinen) Kuva 3. Keskus vuodelta 2022 IP30 Pointer. (www.utu.eu)
Muutamalta keskusvalmistajalta tehdyn lyhyen kyselyn perusteella, tällä hetkellä myytävistä pienkiinteistöjen keskuksista suuri osa on 35A tai suurempia keskuksia. Aikaisemmin ei kuitenkaan näin ole ollut, vaan nykyisin myydään suurempia keskuksia samankokoisiin kohteisiin kuin ennen. Keskusten suurenemisen syytä ei ole tieteellisesti todettu, mutta on oletettavaa, että lähtöjen määrä kasvaa kuormien määrän lisääntyessä ja automaation kasvaessa myös pienkohteissa.
Keskusten sisäisten johtimien kannalta tämä tarkoittaa siitä, että tyypillisesti 25A keskus voidaan valmistaa kuparisilla 6mm2 johtimilla ja sitä isommat 10mm2 (SFS-EN 61439-1). Näin ei aina kuitenkaan valmistajien toimesta tehdä, vaan tuotannollista syistä 25A keskus voidaan tehdä myös samoilla johtimilla kuin isommat. Toisaalta taas vanhemmissa kiinteistöissä ja niiden keskuksissa on usein tehty muutoksia, vanhat keskukset voi olla hyvinkin täynnä johtimia ja lämpöhäviöt voi muodostua suureksi. Vanhan pinta keskus on voitu asentaa saneerauksessa uppona ja lämpöhäviöt ovat pienentyneet entisestään. Edellisistä johtuen on johtimien kuormitettavuus vähentynyt.
Näyttää kuitenkin siltä, että vaikka suurempia keskuksia myydään, ei se automaattisesti tarkoita suurempaa liittymään. Keskusten nimellisvirrat on yleisesti noin 25A (rivitalot), 40A ja 63A (omakoti-/paritalot). Liittymien pääsulakkeet pääsääntöisesti olleet 3x25A, joissa tapauksissa 3x35A. Tässä on varmasti verkkoyhtiökohtaisia eroja riippuen hinnoittelu perusteistakin.
Joulukuun 2021 pakkajakson aikana avasimme parikin Facebook keskustelua eri ryhmissä. Keskusteluissa saatiin kymmeniä vastauksia, joissa oli käyttäjillä palaneet pääsulakkeita kokoluokassa 25-35A. Yhteistä ongelmille oli se, että pakkasen noustessa pienkiinteistöt alkoivat tarvita enemmän sähkötehoa lämmitykseen. Toinen haasteiden aiheuttaja oli kuormanhallinnan puuttuminen, tai se oli asennettu väärin järjestelmään. Kolmas ongelma oli ilmeinen vinokuorma kiinteistössä, eli kuormia ei oltu järjestelty tasaisesti kiinteistön sähköverkkoon.
Nykyisin, kun varsinkin 1-vaiheiset ilmalämpöpumput ja vesi-ilmalämpöpumput ovat yleistyneet, ongelmaksi on tullut myös päävarokkeiden palamisia tai jopa muuntamotasolla sulakkeiden palamisia pakkaskautena. Usein L1 vaihe on kuormitetuin sähköverkon sekä kiinteistön tasolla.
Suositeltavaa olisi asentaa aina 3-vaiheinen vesi-ilmalämpöpumppu tai maalämpöpumppu siten, että siinä on oma kuormanhallinta (virtamuuntajat pääkeskuksessa), jolloin esimerkiksi kiukaan kytkeminen päälle pudottaa pumpun ottamaa sähkötehoa. Tapauskohtaisesti kannattaa harkita myös liittymän koon kasvattamista, mutta on kuormitukset tasattava ja selvitettävä ammattilaisella onko kuormanhallinnalla mahdollista päästä pienimillä sulakkeilla ja säästää liittymäkustanukissa turvallisesti. Sähköautojen kotilataus tulee lisääntymään ja voi aiheuttaa lisää harmia, jos kuormanhallintaa ei ole hoidettu vaan auto lataa sillä teholla, joka sille on asetettu (omakotikäytössä usein jopa 11kW).
On totta, että tuota kuormanhallintaa pitäisi pystyä keskitetysti hoitamaan, kun on omaa tuotantoa ja erilaista omaa kulutusta nykyisin ja tulevaisuudessa aina vaan enemmän. Tähän haasteeseen on hyvä käyttää automaatiota tai jotain sovelluksia, järjestelmien kokonaishallinaan. Usein päästää kokoluokkaa pienemällä liittymällä. Tätä voi myös hyödyntää optimaaliseen omantuotannon hyötykäyttöön sekä pitämään kuormituksen pääsulakkeiden sallimissa rajoissa.
Tosin ei kuormanhallinnan puuttuminen automaattisesti tarkoita, etteikö kaikki olisi kunnossa. Osa kiinteistöjen omistajista kertoo sulakkeiden kestävän hyvin, kun hieman miettii sekä seuraa, mitä kuormia pitää päällä. Jos mennään saunaa, ei sitä autoa ladata. Silti on järkevää tehdä automaattitoimintoja ja seurantaa, jotka suojaavat kiinteistöä. Sitä järjestelmää voi käyttää joku muukin.
Ei pidä myöskään mieltää, että pelkästään sähköauton lataus aiheuttaisi pääsulakkeiden palamisen. TAMKin kysyntäjousto-hankkeessa tutkittiin erilaisten kuormien aiheuttamia huipputehoja sähköverkolle. Raportissa todetaan, että kovilla pakkasilla maalämpö- ja ilmavesilämpö-lämmitteisissä kiinteistöissä sähkötehon tarve kasvaa merkittävästi. Tarve johtuu yksinkertaisesti siitä, että maaperästä tai ilmasta ei kovalla pakkasella välttämättä saada tarpeeksi lämpöä, ja se on tehtävä sähkövastuksella. Lisäksi runsas lämpimän käyttöveden tarve voi lisätä hetkellisesti lämpöpumpun sähkövastusten tarvetta. Monesti tämä tarve ajoittuu samalle ajankohdalle saunomisen kanssa, jolloin liittymän tehontarve voi hetkellisesti nousta hyvinkin korkeaksi ilman tehojen hallintaa. Toisaalta kaksoistarifilla varustetuissa kiinteistöissä yösähkön mennessä päälle, syntyy piikki sähköenergia tarpeessa, joka voi ääriolosuhteissa aiheuttaa pääsulakkeen palamisen. (TAMK 2015, s 30-31). Syy pääsulakkeen palamiseen oli siis muutos kokonaistarpeessa, sekä sen hallitsemattomuudessa.
Osa keskustelijoista oli tekemässä kiinteistön sähköverkkoon muutoksia ja parannuksia. Osan mielestä oli ihan normaalia, että sulake palaa ja se vaihdetaan uuteen uudelleen ja uudelle. ”Paras pitää sulakkeita saatavilla, ei olla nähty syytä nostaa kokoa”. Olen samaa mieltä siitä, että koon nostaminen ei henkilökohtaisella tasolla, saati kansantaloudellisesti ole se ensimmäinen konsti. Sulakkeen palaminen kerran on normaalia, toisen kerran epänormaalia ja viimeistään kolmannella kerralla selvitetään, missä vika.
Kirjoituksessa aikaisemmin mainittiin, että meillä on usealta vuosi kymmeneltä kiinteistöjä. Oletetaan, että talo on vaikka 1980-luvulta, ja rakennettu sen ajan määräysten mukaan öljylämmityksellä. Myöhemmin tehtiin aurinkosähkö toisella urakoitsijalla, ja maalämpöjärjestelmä toisella. Lisäksi ostettiin vielä sähköauto, jolle asennettiin latauslaite (11kW). Kävi vielä niin kivasti, että autotallin nurkalla oli 16A kolmivaihepistorasia. Riitti, kun ostettiin latauslaite, joka oli saatavissa valmiilla kolmivaihepistokkeella. Säästyttiin sähköasentajan palkkiolta. Kukaan ei vain huomioinut miten se kokonaisuus toimii. Soveltuuko se kiinteistön sähköverkko tähän? 1980-luvulla rakennetun kiinteistön sähköverkko ei ilman kokonaistarkastelua ole sopiva tuohon käyttöön. Vakuutusyhtiökin voi vaatia suojeluohjeessaan tiettyjä tarkasteluja sähköauton lataukseen, vaikka sen pistotulpalla tässä tapauksessa kytkettiin.
Toki voit olla kanssamme eri mieltä sulakkeiden palamisesta, mutta siinä tapauksessa toivomme, että luet ensin selvityksen ” Kolmen lapsen kuolemaan johtanut mökkipalo Kittilän Levillä 12.4.2019” selvityksen. Jos et koko juttua kerkeä lukemaan, niin lue edes otsikko, katso kuvat ja lue kohta ” Yksi pääsulakkeista oli palanut lukuisia kertoja viiden päivän loman aikana”. Toivottavasti tämä herättää ajatuksia ja toimenpiteitä, jos niille on tarvetta.
Olemme tunnistaneet ainakin yhden mahdollisen riskitekijän keskuksissa. Kuvan 4 tapauksessa perustilanteeseen on lisätty 5 kWp:n aurinkopaneelijärjestelmä. Invertteri on kytketty suoraan mittauskeskukseen omien johdonsuojakatkaisijoiden suojaamana, kuten monesti tehdään. Nousujohto (Mittauskeskus - Ryhmäkeskus), sekä mahdollisesti keskuksen komponentit vaiheessa L2 ylikuormittuvat. Tilanteen todennäköisyyttä lisää se, että kyseessä on aktiivinen kuluttaja, joka haluaa ajoittaa sähkön käyttöään huipputuotannon ajankohdille. Tässä tilanteessa ei ole kuitenkaan tarkasteltu kiinteistön sähköjärjestelmää kokonaisuutena. Tämän seurauksena pääsulakkeiden mukaan mitoitettu nousujohto ylikuormittuu ilman, että pääsulakkeiden tai aurinkopaneelijärjestelmän johdonsuojakatkaisijoiden nimellisvirta ylittyy. Myös mittauskeskuksen keskuskomponenttien nimellisvirrat saattavat ylittyä.
Kuva 4. Aurinkosähköjärjestelmä mittauskeskuksessa (Aki Kortetmäki)
Kuva 5. Aurinkosähköjärjestelmä mittauskeskuksessa (Aki Kortetmäki)
Olemme havainneet keskusteluissa myös järjestelmän, jossa 25A liittymään on kytketty 17kWp aurinkosähköjärjestelmä verkkoyhtiön luvalla, ja kiinteistössä on lisäksi sähköauton lataus. Oletetaan aurinkosähkötuotannon olevan maksimissaan 17 kW, ja sähköauton latauksen tehon 11 kW. Lisättäessä nämä kuvan 4 tapaukseen, saadaan nousukaapeliin jopa 47,4 A virta. Mikäli nousukaapeli on 6mm2 kaapeli, tai johdotus olisi keskuksen kiskojen välissä 6mm2 johdoilla tehtynä, on kaapelissa melkoinen ylikuorma. Kuvan 4 ja 5 kytkentöjä meillä on tarkoitus testata käytännössä, sekä simuloida tilannetta keskuksia ylikuormittamalla.
Kannattaa kuitenkin muistaa, että kaikki järjestelmät ovat turvallisia käyttää, kun ne on suunniteltu, asennettu, käyttöönotettu sekä tarkastettu ja kunnossapidetty valitsevien määräysten mukaisesti ammattilaisten toimesta. Eli muistetaan toteuttaa ja käyttää järjestelmiä edellä mainitulla tavalla, jolloin niitä on turvallista käyttää.