Akkuteknologioiden hyödyntäminen datakeskuksien taajuusreservitoiminnan kehittämisessä

Abstract

Opinnäytetyössä tarkastellaan erilaisia datakeskusympäristöissä esiintyviä akkutyyppejä, varavoimajärjestelmien toimintaa sekä niiden hyödyntämis- ja kehitysmahdollisuuksia pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla lanseeratun nopean taajuusreserviin liityttäessä.

Työn myötä löydettiin varteenotettavia vaihtoehtoja datakeskuksissa yleisille litiumioniakuille, joiden raaka-aineiden louhinta on ekologisesti kuormittavaa ja tuotantoketjut ovat keskittyneet huoltovarmuuden näkökulmasta geopoliittisesti haastaville alueille, mikä korostaa vaihtoehtoisten akkuteknologioiden kehityksen tarvetta. Datakeskuksien teknisten ominaisuuksien kehityskohteita katselmoitiin akkuteknologioiden sekä nopean taajuusreservitoiminnan näkökulmasta. Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Granlund Oy, joka on Pohjoismaiden suurin datakeskuksien suunnitteluun ja konsultointiin erikoistunut asiantuntijayritys.

Työssä tutkittiin nopean taajuusreservin merkitystä ja tarvetta valtakunnallisissa sähköverkoissa sekä reservikohteiden teknisiä vaatimuksia taajuusreservitoiminnassa. Datakeskuksien toimintaperiaatteita varavoimajärjestelmien ja niihin liitettyjen akustojen toimintaa käsitellään normaalien käyttötilanteiden sekä nopean taajuusreservin aktivointisyklien näkökulmasta. Keskeisiä datakeskuksien energiavarastoina hyödynnettäviä akkuteknologioita käsiteltiin teknisiltä ominaisuuksiltaan. Työssä käsitellään myös nykyisten sekä lähitulevaisuudessa mahdollisesti yleistyvien akkuteknologioiden soveltuvuutta datakeskuksien käyttövarmuuden ja taajuusreservitoiminnan kehittämisessä.

Opinnäytetyön lopputuloksena on kattava tekninen katsaus suuren teholuokan akkuteknologioihin sekä yksityiskohtainen kuvaus nopean taajuusreservin toiminnasta. Johtopäätöksinä löydettiin varteenotettavia vaihtoehtoja litiumioniakuille lähitulevaisuudessa teollisissa sähköenergiavarastoissa sekä kehityskohtia datakeskuksien varavoimajärjestelmien toiminnasta nopeassa taajuusreservissä.

The objective of this thesis was to examine the various battery technologies utilized in data center milieus, their functionality as part of their backup power systems and their combined potential in utilization and improvement of operations within the fast frequency reserve of the Nordic electricity markets.

The study highlighted the importance of fast frequency reserve products in stabilizing national electrical grids and outlines the technical requirements for participation. It examined backup power systems both in normal operations and during fast frequency reserve activation cycles. The thesis looked into the technical properties of some of the more prevalent battery types in data centers. It also investigated the potential utilitarian capabilities of existing and future battery technologies in the improvement of fast frequency operations and the general dependability of the electrical infrastructure of data centers.

The findings of the thesis are an extensive technical overview of high-power battery storage technologies and a detailed description of the function of fast frequency reserves, ultimately identifying potential alternatives for lithium-ion batteries as well as improvements in the fast frequency reserve operations of data centers.