Kvanttori osallistui syksyllä 2023 RESPONSE -hankkeen toiseen hackathoniin. Hackathonin aikana kehitimme Turun Yo-kylään ja Ranskan Dijoniin kokeilukäyttöön tulevan energianhallintajärjestelmän käyttöliittymän. Tässä blogissa käsittelemme, mitä energianhallintajärjestelmällä pyritään saavuttamaan, miten se toimii, kuinka paljon järjestelmällä voi konkreettisesti säästää kiinteistöjen energiankulutuksessa, sekä hieman taustoja hackathon-projektille.
Hackathonin tausta
EU:n vihreän kehityksen ohjelmassa EU-tasolla sitoudutaan energiatehokkuuden parantamiseen 11,7 % vuoteen 2030 mennessä. Myös uusiutuvan energian käyttöä on sitouduttu lisämään vuodelle 2030 asetettuna sitovana vähimmäistavoitteena nykyisen 32 %:n sijasta 42,5 %.
Vihreän kehityksen ohjelmassa keskeisessä osassa on myös rakennusten energiankäytön parantaminen. Euroopan komissio pyrkii vähintään kaksinkertaistamaan perusparannusten määrän seuraavan kymmenen vuoden aikana, jotta rakennusten energia- ja resurssitehokkuutta voidaan nostaa paremmaksi.
Tarvittavat parannukset voidaan saavuttaa erilaisilla yksittäisillä toimenpiteillä, joita ovat esimerkiksi eristeiden asentaminen, vanhojen ikkunoiden tai ovien vaihtaminen, lämmitysjärjestelmien parantaminen tai aurinkopaneelien asentaminen.
RESPONSE on osa European Horizon 2020 -tutkimus- ja innovaatio-ohjelmaa, ja pyrkii tuottamaan ekologisia ratkaisuja tulevaisuuden kaupunkeja varten. Hankkeen ytimessä on niin sanottujen positiivisten energiakortteleiden (PED) luonti. Positiiviset energiakorttelit ovat kaupunkialueita tai rakennusryhmiä, jotka tuottavat nettonollana kasvihuonepäästöjä, sekä sähköä ylijäämänä uusituvan energian lähteillä. Ylijäämäsähköä voidaan jakaa kortteleiden ulkopuolelle, mikä nostaa uusiutuvan energian käyttöä ja vähentää riippuvuutta fossiilipolttoaineista. Kehittämämme energianhallintajärjestelmä on osa tätä hanketta, ja on saanut rahoitusta avustussopimuksen nro 957751 mukaisesti. RESPONSE -projektin aikana kehitettyjä järjestelmiä on tarkoitus ottaa käyttöön Suomen Turussa ja Dijonissa Ranskassa.
Mikä ihmeen energianhallintajärjestelmä?
Energianhallintajärjestelmä (eng. EMS/EnMS - Energy Management System) on työkalu, jolla ohjataan organisaatioita tehokkaampaan energiankäyttöön. Siihen kuuluu erilaisia systeemejä ja prosesseja. Vaikkakin hackathonissa kehitettyä digitaalista järjestelmää kutsutaan nimellä EMS, energianhallintajärjestelmät eivät pelkästään viittaa digitaalisiin järjestelmiin, vaan pikemminkin energianhallinnan kokonaisuuksiin, joihin myös digitaaliset järjestelmät sisältyvät mukaan. [6-8]
Rahan säästäminen ei ole ainut motivaattori energianhallintajärjestelmän toteuttamiselle. Esimerkiksi neljän vuoden välein pakollisesti suoritettava energiakatselmus pakottaa tietyn kokoluokan yritykset raportoimaan oman energiankulutuksensa, jolloin energianhallintajärjestelmä voi osoittautua käteväksi työkaluksi raporttien tekemiseen ja säästötoimien kuvaamiseen.
Mitä hyötyä digitaalisista energianhallintajärjestelmistä on?
Seuraamalla ja hallinnoimalla energian käyttöä, varastointia ja tuottoa rakennuksissa, digitaaliset energianhallintajärjestelmät voivat säästää merkittävästi energiaa, vähentää kasvihuonepäästöjä ja pienentää ilmastonmuutoksen aiheuttamia haittoja.
Järjestelmillä voidaan myös helposti liittää uusiutuvan energian lähteitä, kuten aurinkopaneeleja, sähköverkkoon. Energiantuotannosta voidaan tehdä kestävämpää ja fossiilisiin polttoaineisiin perustuvaa energiantuotantoa voidaan vähentää. Sekä ympäristö, että kiinteistöjen omistajien lompakot kiittävät.
Viimeisenä hyötynä digitaalisissa energianhallintasysteemeissä on niiden luoma rakennuksen energiasysteemin turvallisuus ja luotettavuus. Rakennus voi pysyä toiminassa, vaikka sen ulkopuolisissa energianlähteissä olisi häiriöitä.
Mitä hackathonin aikana toteutetulla järjestelmällä voi tehdä?
RESPONSE-projektin aikana kehitetty EMS on vähän niin kuin kiinteistöjen energianhallintaan liittyvien laitteiden komentokeskus. Se pystyy esimerkiksi ohjailemaan aurinkopaneeleita ja energian varastointia sääennusteiden mukaan. Tuotettua energiaa pystytään myös myymään ja ostamaan sähköverkosta dynaamisesti kysynnän mukaan.
Raportointi
Kaikki järjestelmään liitetyt laitteet tuottavat jatkuvasti mittausdataa. Esimerkiksi aurinkopaneelien tuottamat wattimäärät ja eri laitteisiin käytetty energia mitataan ja mittatulokset tallennetaan tietokantaan. Raportteja on helppo luoda niitä tarvittaessa; käyttöliittymästä käsin tämä tapahtuu muutamaa nappia painamalla.
Laitteiden hallinta
Järjestelmämme on esimerkiksi liitetty BESS-järjestelmään (Battery Energy Storage System), jolla voidaan hallinnoida milloin energiaa ladataan varastoon ja milloin sitä syötetään käytettäväksi kiinteistöön. Varsinkin kun uusiutuvan energian lähteet kuten aurinkopaneelit yleistyvät kiinteistöissä, laitteiden tuottaman energian ohjaaminen oikeaan aikaan ja paikkaan muodostuu todelliseksi ongelmaksi.
Hälyttäminen
Järjestelmämme pystyy hälyttämään, jos jokin sensori tai laite ei ole tuottanut mittaustietoja tietyllä aikavälillä. Näin voidaan tunnistaa vialliset laitteet hyvin nopeasti ja korjata tilanne.
Pelillistäminen
Varsinkin kiinteistöt, jossa rakennuksen käyttäjät itse eivät ole vastuussa energiankulutuksesta, saattavat kokea epätehokkuutta energiankäytössä. Jos sinun ei pidä itse maksaa kiinteistön sähkölaskuja, sähkön säästäminen ei ole niin iso huolenaihe.
Hackathonin aikana pyrimme pureutumaan ongelmaan pelillistämisen kautta. Käytännössä järjestelmämme hallinnoijat voivat luoda erilaisia kilpailuja järjestelmään kuuluvien kiinteistöjen välille. Kilpailun tavoitteena voi olla esimerkiksi energiankulutuksen vähentäminen 10% viime viikkoon verrattuna. Energian säästämisen pelillistäminen tarjoaa hauskan motivaattorin energiankulutuksen vähentämistä varten niille, jotka eivät muute suoraan koe energian tuhlauksen negatiivisia puolia.
Miten hackathonin aikana kehitetty järjestelmä toimii pellin alla?
Hackathonin aikana kehitetyn käyttöliittymän ja muiden rajapintojen, sekä laitteiden välissä toimii Uuden energian tutkimuskeskuksen kehittämä ja ylläpitämä EMS-taustajärjestelmä.
Laitehallinnan keskiössä on Ferroamp EnergyHub -invertteri, joka mahdollistaa kiinteistön laitteiden (aurinkopaneelit, lämpöpumput, sensorit, akut) hallinnoimisen yhtenä kokonaisuutena.
Lisäksi EMS hakee jatkuvasti tietoa kolmannen osapuolen rajapinnoista. Esimerkiksi sääennusteet ja sähkön hinta ovat tärkeitä järjestelmän suorittamille optimoinneille.
Voiko energianhallinnalla oikeasti säästää rahassa ja energiankäytössä?
Yhden tutkimuksen mukaan teollis-, kaupallis- ja laitoskonteksteissa, EMS-järjestelmien säätelemällä valaistuksella pystyi säästämään jopa 39.5% keskimäärin valaistukseen käytetystä sähköstä. LVI- ja muilla laitteilla säästöjä saatiin noin 14.07% ja 16.66% vastaavasti. [2]
Toisessa tutkimuksessa Öckerön jäähallissa, Ruotsissa, energianhallintajärjestelmän ohjaama BESS-systeemi johti 12 %:n kustannussäästöön sähköverkosta ostetulle sähkölle, 21 %:n tehohuipun vähennykseen ja kolmen tunnin päivittäiseen taajuusreserviin. [1]
Toinen aurinkopaneeleja hallinnoivaan energianhallintasysteemiin pureutuva tutkimus esitti, että PSO-pohjaisella enegianhallintastrategialla pystyttiin saavuttamaan 16,08% säästöt verrattuna tavanomaiseen energianhallintaan ilman sofistikoituja algoritmeja. [3]
Ainakin siis tutkimukseen perustuvista esimerkeistä voidaan nähdä, että laadukkaalla energianhallintajärjestelmällä voidaan päästä kiinni merkittäviin säästöihin ja parannuksiin kiinteistön energiankulutuksessa ja tuotetun energian käytön optimoinnissa.
Minua kiinnostaisi digitaalisen energianhallintajärjestelmän hankkiminen omaan kiinteistööni. Mistä tällaisen saa?
Ainakin tämän blogin kirjoitushetkellä valmiita ratkaisuja digitaalisten energianhallintajärjestelmien piirissä ei ole juuri lainkaan. Jos digitaalisen järjestelmän hankkiminen koetaan tärkeäksi, sinulla on kuitenkin muutama vaihtoehto:
- Voit teetättää juuri sinun omiin tarkoituksiisi räätälöidyn järjestelmän. Tässä voivat auttaa monet suomessa toimivat ohjelmistotalot. Tästä voit esimerkiksi varata ajan meidän ilmaiselle konsultaatiolle.
- Voit hypätä mukaan projekteihin, joissa valmiita järjestelmiä kehitetään. Esimerkiksi meillä Kvanttorilla on tällainen projekti käynnissä ja otamme kumppaneiksi tähän mieluusti kiinteistöjä omistavia tai energian tuotantoon ja seuraamiseen tehtyjen laitteiden valmistajia. Valmiin järjestelmän käyttöönotto on paljon edullisempaa kuin täysin räätälöidyn järjestelmän kehittäminen.
Viimeisenä mainittakoon, että energiansäästöhankkeisiin voidaan hakea helposti myös tukirahoitusta. Tällöin saat uuden energianhallintajärjestelmän hyödyt ilman sen kehittämisestä ja käyttöönotosta koituvia kustannuksia. Esimerkiksi Business Finland tarjoaa energiatuki -rahoitusta. Jos etsit järjestelmäsi kehittämiseen apua ulkopuoliselta ohjelmistotalolta, kannattaa heiltä kysyä myös apua rahoituksen hankkimiseen.
Tulevaisuuden näkymät ja loppusanat
EU-tavoitteet, energiapula ja lisääntyvä uusiutuvan energian tarve kasvattavat tarvetta energianhallintajärjestelmille tulevaisuudessa entisestään. Digitaalisilla järjestelmillä voidaan optimoida laitteistoa ja varsinkin aurinkovoiman yleistyessä, ohjata aurinkotuotetun energian virtaamista kiinteistössä ja sen jakamista kiinteistön ulkopuolelle, parantaen energiatehokkuutta. Toimiva energianhallintajärjestelmä tuo organisaatiollesi helposti suuria kustannussäästöjä, vähentää organisaatiosi kiinteistöjen riippuvuutta sähköverkon toiminnasta ja varmistaa myös sen, että pystytte noudattamaan uusia energiankulutukseen liittyviä lainsäädäntöjä. Jos jokin jäi vielä mietityttämään ota rohkeasti meihin yhteyttä, sekä tule juttelemaan aiheesta lisää!
Lähteet
[1] H. Shafique, L. B. Tjernberg, D.-E. Archer, and S. Wingstedt, “Energy Management System (EMS) of Battery Energy Storage System (BESS) – Providing Ancillary Services,” in 2021 IEEE Madrid PowerTech, Jun. 2021, pp. 1–6. doi: 10.1109/PowerTech46648.2021.9494781.’
[2] D. Lee and C.-C. Cheng, “Energy savings by energy management systems: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 56, pp. 760–777, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.rser.2015.11.067.
[3] R. K. Bonthu, H. Pham, R. P. Aguilera, and Q. P. Ha, “Minimization of building energy cost by optimally managing PV and battery energy storage systems,” in 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sydney, Australia: IEEE, Aug. 2017, pp. 1–6. doi: 10.1109/ICEMS.2017.8056442.
[4] “REPowerEU.” Accessed: May 16, 2024. [Online]. Available: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/repowereu-affordable-secure-and-sustainable-energy-europe_en
[5] “Delivering the European Green Deal - European Commission.” Accessed: May 16, 2024. [Online]. Available: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/delivering-european-green-deal_en
[6] “What is Energy Management? | IBM.” Accessed: May 16, 2024. [Online]. Available: https://www.ibm.com/topics/energy-management
[7] “ISO 50001 Energianhallinta,” SFS. Accessed: May 17, 2024. [Online]. Available: https://sfs.fi/standardeista/tutustu-standardeihin/suositut-standardit/iso-50001-energianhallinta/
[8] “ISO - ISO 50001 — Energy management,” ISO. Accessed: May 16, 2024. [Online]. Available: https://www.iso.org/iso-50001-energy-management.html
The EMS talked about in this blog is part of a project that has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 957751. This blog reflects only the author’s views, and EC is not liable for any use that may be made of the information contained therein.
