Ilmastokestävät sähkön siirto-, jakeluverkot ja -palvelut

Sähkökaapeleiden romahtaminen aiheuttaa tilapäistä virranmenetystä käyttäjille ja aiheuttaa lisäkorjauksia sähköntuottajille. Myrskyt voivat vahingoittaa voimalinjoja ja aiheuttaa siten sähkökatkoksia ja sähkökatkoja suorien tai epäsuorien iskujen (esim. puiden putoamisen) kautta. Lisäksi myrskyt voivat lisätä salamoiden välähdyksiä, mikä on toinen syy sähkökatkoksiin voimajohtojen vaurioitumisen kautta. Puiden putoaminen, joka johtuu useista tekijöistä, kuten voimakkaista tuulista, veden kertymisestä maaperään (mikä johtaa helpompiin juuriin), lumen kertymisestä tai valaistuksesta, voi olla sama tulos. Se, missä määrin sademäärät ja tuulimyrskyt aiheuttavat puiden putoamista, riippuu kuitenkin kyseisten puiden iästä ja ympärysmitasta. Lumen kertyminen ja sitä seuraava kertyminen voimansiirto- ja jakelulinjoille, erityisesti kun kosteus on korkea ja lämpötila noin 0 °C (ns. märkä lumi), voi aiheuttaa voimalinjojen rikkoutumista ja suurjännitteisten voimansiirtotornien romahtamista.

Maanalainen kaapelointi mahdollistaa sähkön siirto- ja jakeluverkkojen mukauttamisen ilmastonmuutokseen, koska se suojaa infrastruktuurin keskeistä osaa edellä mainituilta ilmastonmuutoksen vaikutuksilta. Maanalaisen kaapeloinnin asennuksessa käytetään kolmea pääasiallista tekniikkaa: Kaapeleiden sijoittaminen betonivahvisteisiin kaukaloihin, kaapeleiden sijoittaminen maanalaisiin tunneleihin tai kaapeleiden hautaaminen suoraan.

Asentamalla kaapelointi maan alle voidaan välttää suurin osa epäsuotuisista sääolosuhteista, joita perinteiset siirtoinfrastruktuurit altistuvat maanpäällisille järjestelmille. Tämä viittaa suurelta osin sademäärään ja myrskyihin. Maanalainen kaapelointi voi lieventää tarvetta tehdä lisää ja useammin investointeja siirtoinfrastruktuurin ylläpitoon ja korjauksiin. Odotettavissa oleviin hyötyihin kuuluu turvallisempi energiansaanti ja vähemmän säähän liittyviä sähkökatkoksia sekä kustannussäästöjen saavuttaminen pitkällä aikavälillä huollon ja korjausten vähenemisen ansiosta.

Myrskyt eivät ole ainoa sähköverkkoihin vaikuttava ilmastoon liittyvä vaara. Erittäin korkeat ympäristön lämpötilat, kuten helleaaltojen aikana esiintyvät lämpötilat, uhkaavat siirtoa ja jakautumista, koska ne voivat aiheuttaa linjojen särkymistä; niiden maalta poistumisen rajoittaminen voi olla vaarallista suurelle yleisölle. Sagging voi myös johtaa kosketuksiin puiden ja muiden rakenteiden kanssa, mikä voi johtaa sähköiskuihin tai tulipaloihin. Useimmissa Euroopan maissa on säädetty vähimmäisetäisyyden ylläpitämisestä voimajohtojen ja maan tai rakenteiden välillä sen varmistamiseksi, että mahdolliset sähköiskut tai tulipalot vältetään. Korkeammat ympäristön lämpötilat edellyttävät, että ilmajohtojen läpi kulkevaa sähkövirtaa on vähennettävä laitteiden ylikuumenemisen estämiseksi. Lämpimämmät voimajohdot voivat myös johtaa tehokkuuden heikkenemiseen (alentamiseen). Nämä vaikutukset lisäävät onnettomuuksien, sähkökatkosten ja porrastettujen verkkohäiriöiden riskiä, millä on kielteisiä vaikutuksia yleishyödyllisten laitosten kannattavuuteen ja asianomaisen väestön hyvinvointiin. Näitä vaikutuksia pahentaa sähkön kysynnän kasvu, joka johtuu myös ilmastoinnin käytön lisääntymisestä. Sopeutumisvaihtoehtoja näiden vaikutusten käsittelemiseksi ovat muun muassa seuraavat:

• korkeampien voimajohtopylväiden asentaminen,
• Asennetaan johtimia, joiden toimintarajat ovat kuumemmat, tai käytetään ”matalapaineisia” johtimia.
• Uusien ilmajohtoreittien mitoituslämpötilan nostaminen on erityisen kustannustehokas vaihtoehto, jonka saavuttaminen nostaisi tyypillisesti puupylväiden mitoituskorkeutta 0,5 metrillä.
• Kehitetään ohjelmistotyökalu ilmajohtojen luokitusten optimoimiseksi.

Jos kyseessä on ohjelmiston optimointi, kaikki tämän luokan vaihtoehdot sisältävät infrastruktuurien asentamisen tai muuttamisen maassa, kaupungeissa, teollisuudessa, maaseudulla ja luonnonalueilla. Sidosryhmien vuorovaikutus paikallistasolla (maanomistajien, paikallisviranomaisten ja suuren yleisön kanssa) asennettujen/parannettujen verkkojen reiteillä on näin ollen ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan varmistaa sosiaalinen hyväksyttävyys ja infrastruktuurien oikea-aikainen ja kustannustehokas käyttöönotto. Maanalaisten kaapeleiden osalta koordinointi muiden kaapelointiyksiköiden kanssa voi vähentää taloudellisia kustannuksia ja minimoida paikallisyhteisöille aiheutuvat haitat rajoittamalla kaivamistoimien keston minimiin.

Maanalainen kaapelointi on riippuvainen oikean teknologian saatavuudesta ja asennukseen, seurantaan ja hallintaan liittyvästä osaamisesta. Yhteistyö muiden maanalaisten kaapelointiyksiköiden, kuten televiestintäyritysten, kanssa auttaa minimoimaan populaatioiden häiriöt kaivutoimintojen avulla, ja kaivutoimintojen kustannusten jakaminen vähentää kullekin yksikölle aiheutuvia kustannuksia. Vaikka maanalaiset kaapelointijärjestelmät voivat altistua uusille ilmastoriskeille, jotka johtuvat erityisesti tulvista ja maanvyörymiin liittyvistä maaperän liikkeistä, tähän asti nämä riskit ovat olleet hypoteettisia. Muusta rakennus- tai kunnossapitotoiminnasta johtuva louhinta on keskeinen riski asennettujen maanalaisten kaapeleiden vahingoittumisesta. Tätä riskiä voidaan pienentää soveltamalla digitalisointi- ja paikkatietoteknologiaa maanalaisiin kaapeleihin, jotta kaivukoneille voidaan tiedottaa maanalaisten kaapeleiden sijainnista.

Suuri ero maanalaisten ja ilmakaapeleiden välillä on tapa, jolla sähköeristys tarjotaan. Ylhäällä olevat kaapelit on eristetty niitä ympäröivällä ilmalla, joka on halvin ja yksinkertaisin saatavilla oleva eristysratkaisu. Maanalaiset kaapelit on eristettävä, jotta vältetään tehohäviöt ja sähköiskuriskit, jotka johtuvat suorasta kosketuksesta maaperään. Eristyksen tuottama sähkövastus tuottaa lämpöä ja siten siirtohäviöitä. Tämä edellyttää suurempia ja/tai useita kaapeleita häviöiden kompensoimiseksi ja jäähdytysjärjestelmää (pakollinen ilmanvaihto, vesi tai kaasut) lämmön poistamiseksi. Maanalaiset kaapelit on haudattava juoksuhautoihin, suojattava tahattomilta vaurioilta ja niihin on päästävä helposti käsiksi, kun huoltoa tarvitaan. Kaiken kaikkiaan tämä johtaa siihen, että maanalaisia kaapeleita käytetään enemmän kuin maanpäällisiä kaapeleita asennuksen aikana, vaikka maankäyttö ja niiden aiheuttamat visuaaliset vaikutukset ovat hautautumisen jälkeen huomattavasti pienemmät.

Maanalaisten kaapeleiden huolto on paljon monimutkaisempaa ja kalliimpaa kuin ilmakaapeleiden: ”Jos 400 kV:n maanalaisessa kaapelissa ilmenee vika, se on keskimäärin poissa käytöstä 25 kertaa pidempään kuin 400 kV:n ilmajohdot. Tämä johtuu pääasiassa pitkästä ajasta paikantaa, kaivaa ja suorittaa teknisesti liittyvät korjaukset. Myös nämä huollot ja korjaukset maksavat huomattavasti enemmän” (National Grid, 2015).

Lisäksi maankäyttöön liittyy teknisiä rajoituksia maanalaisille radoille ominaisten kaapeleiden läheisyydessä. Sen lisäksi, että on tarpeen varata joitakin maa-alueita, jotta varmistetaan pääsy linjoille kunnossapitoa varten, on myös rajoituksia puiden ja pensasaitojen istuttamiselle kaapeleiden päälle tai 3 metrin säteelle kaapeli kaivannosta kasvillisuuden tunkeutumisen estämiseksi. Puun juuret voivat tunkeutua kaapelin täyttötilaan, mikä puolestaan voi vaikuttaa kaapelin luokitukseen tai jopa aiheuttaa fyysisiä vaurioita kaapelille. Samoin ilmajohtojen osalta puiden kasvua hillitään ja valvotaan ilmajohtojen johtimien alla tai etäisyyksillä, joilla puut voivat pudota linjoille. Turvallisuussyistä myös koneiden tai erityisen korkeiden ajoneuvojen, kuten maatalouslaitteiden, korkeutta rajoitetaan ilmajohtojen läheisyydessä. Kaupunkialueilla maakaapeleihin käytettävä maapinta-ala on huomattavasti suurempi kuin vastaavaksi mitoitettuun ilmajohtoon vaadittava pinta-ala. Kaapelit on perinteisesti reititetty teiden alle, jotta maata ei vähennettäisi vaihtoehtoisista käyttötarkoituksista. Vikatutkinnan ja korjausten aikaiset liikennehäiriöt voivat kuitenkin olla merkittäviä. Jos kaapelit asennetaan maaseudulle suoraan hautaamalla, syväviljelylaitteiden käyttöä rajoitetaan vahinkoriskin välttämiseksi. Korkeajännitekaapeleiden hautaaminen on myös monimutkaisempaa kuin kaasu- ja vesiputkien asentaminen. Lisäksi maanalaiset yhteislahdet, jotka ovat betonivuorattuja ja leveämpiä kuin itse juoksuhaudot, on rakennettava 500–1 000 metrin välein.

Ilmakaapeleiden ilmastokestävyyden kannalta tulevien paikallisten ilmasto-olosuhteiden tarkka tuntemus korkealla resoluutiolla on ratkaisevan tärkeää tarvittavien toimien suunnittelemiseksi. Selvä etu saada tarkimmat skenaariot ilmakaapeleille liittyy sen ymmärtämiseen, missä määrin ne voivat edelleen olla kelvollinen vaihtoehto. Jos äärimmäisten tapahtumien ennustetaan vaikuttavan merkittävästi alueisiin, joilla maanpäällisiä kaapeliverkkoja asennetaan tai suunnitellaan, voidaan harkita siirtymistä maanalaiseen kaapelointiin. Vähemmän äärimmäisissäkin olosuhteissa niiden reittien tunnistaminen, jotka ovat tulevaisuudessa vähiten alttiita edellä mainituille yleiskaapeloinnin uhkille, voi auttaa suunnittelemaan tulevaa verkon kehittämistä.

Suorien tulevien ilmastovaikutusten lisäksi on tärkeää saada tietoa tulevista markkinaolosuhteista, joissa siirtoverkonhaltijat ja jakeluverkonhaltijat toimivat sekä maanalaisissa että maanpäällisissä verkoissa.

Yleisesti ottaen maanalaisten kaapelien käyttökustannukset ovat suunnilleen samat kuin ilmakaapeleiden (National Grid, 2015). Maanalaisten linjojen rakentamiseen liittyvät pääomakustannukset ovat kuitenkin paljon korkeammat kuin ilmakaapeleiden kustannukset. Alonso ja Greenwell (2013) raportoivat 4–14 kertaa korkeammista maanalaisten kaapeleiden rakennuskustannuksista Wisconsinin julkisen palvelun komission vuonna 2011 tekemän tutkimuksen perusteella. Todelliset kustannukset riippuvat kuitenkin kaapelireitin geologisista ja maantieteellisistä ominaisuuksista, asennustavasta (tunnelin asennuskustannukset ovat suuremmat kuin suora hautaaminen), linjan siirtokapasiteetista sekä maanalaisten kaapelien eristämiseen ja jäähdyttämiseen valituista vaihtoehdoista.

Pylvään korkeuden nostaminen on suhteellisen edullista: Yhdistyneen kuningaskunnan ilmajohtoja koskevassa tapaustutkimuksessa todettiin, että 0,5 metriä korkeampien puisten ilmapylväiden hankintakustannukset riippuvat alkuperäisen pylvään korkeudesta, mutta ne voivat olla jopa noin 10 puntaa (11 euroa) pylvästä kohti.

Ilmakaapeleiden osalta pylväiden enimmäiskorkeutta ja vähimmäisetäisyyttä maasta säännellään kunkin EU-maan erityisillä kansallisilla normeilla.

Maanpäällisten tai maanalaisten voimajohtojen rakentaminen on kansallisten lupamääräysten alaista, kuten mikä tahansa muu merkittävä infrastruktuuri. Lupamenettelyssä on otettava huomioon useita erityisiä ympäristöhaittoja. Maaseudulla on arvioitava kasviston ja eläimistön häiriöt, maankäyttö ja arkeologiset kohteet. Tässä suhteessa ilmajohdot ovat yleensä vähemmän häiritseviä kuin maanalaiset kaapelit ja aiheuttavat vähemmän häiriöitä. Erityistapauksissa maanalaisilla kaapeleilla voi kuitenkin olla merkittävä myönteinen vaikutus joihinkin uhanalaisiin lajeihin. ne voivat esimerkiksi vähentää voimajohtotörmäyksistä johtuvaa kuolleisuutta muuttaja- tai lintupopulaatioissa (Bernardino et al., 2018). Sekä kaupunki- että maaseutuympäristössä maa-alueiden häiriöt ovat suurempia maanalaisia kaapeleita asennettaessa kuin ilmajohtotorneja rakennettaessa. Maanalaisessa kaapelissa, johon asennetaan kaksi kaapelia vaihetta kohden, louhitun maa-aineksen määrä on noin 14 kertaa suurempi kuin vastaavalla ilmajohtoreitillä. Kasvillisuus on raivattava juoksuhautoja pitkin ja niiden viereen, jotta ajoneuvot voidaan rakentaa ja niihin voidaan päästä käsiksi.

Toteutusaika vaihtelee paikallisten maantieteellisten ja geologisten olosuhteiden sekä käytetyn asennusmenetelmän mukaan. Maanalaisilla kaapeleilla se on kuitenkin huomattavasti pidempi kuin ilmakaapeleilla.

Kaapelit, olivatpa ne maanpäällisiä tai maanalaisia, on yleensä suunniteltu toimimaan 60 vuotta. Yhdistyneessä kuningaskunnassa tehdyssä tapaustutkimuksessa todetaan, että ilmajohtoja tukevien puupylväiden odotettu käyttöikä on vertailukelpoinen: 40-60 vuotta.