Tuulesta temmattua : miten turvata kriittisiä perusrakenteita muuttuvassa energiajärjestelmässä

Abstract

Tässä pro-gradu-tutkielmassa parannettiin ymmärrystä muuttuvasta ja kompleksisesta sähköjärjestelmästä tuulivoimajärjestelmiin kohdistuvan tutkimuksen kautta. Tavoitteena oli ymmärtää, mitä kriittisten perusrakenteiden turvaamisessa tulisi huomioida lisääntyvän tuulivoimatuotannon ja sähköjärjestelmän muutoksen myötä. Tavoitteena oli myös kuvata, millaisia tai millaista ilmiöitä, rakenteita tai toimijuutta tuulivoimajärjestelmiin liittyy.

Työn teoreettinen viitekehys käsitteli systeemiteoriaa, kriittisiä perusrakenteita sekä niiden kompleksisuutta, resilienssiä ja muutosta koskevaa tutkimusta. Teoreettisessa viitekehyksessä myös kuvattiin energiajärjestelmiä osana kompleksisia, adaptiivisia systeemeitä sekä kriittisiä rakenteita. Tutkimustavoitteita lähestyttiin konstruktiivisesti eli pyrkien ratkaisemaan oikean maailman ongelmia tuottaen viitekehyksenä olevalle tieteelle kontribuutiota. Lopputuloksena esitettiin ratkaisumalleja tuulivoimajärjestelmiä koskien. Tutkimusmenetelminä käytettiin asiantuntijahaastatteluita, systemaattista kirjallisuuskatsausta sekä skenaarioanalyysia.

Tutkimustulosten perusteella tuulivoiman mahdolliset häiriötilanteet liittyvät muun muassa jännite-epätasapainoon, matalaan varautumismaturiteettiin, tietoliikenne- ja tietojärjestelmien haavoittuvuuksiin, muuntajiin liittyviin häiriöihin, ennustemallien epävarmuuksiin, kyberhyökkäyksiin, inertian vähenemiseen sähköjärjestelmässä, älykkäiden sähköverkkojen lisäämiin kyberhaavoittuvuuksiin ja esimerkiksi kriittisiin materiaaleihin liittyviin toimitusketjun haasteisiin. Tutkimuksessa tunnistettiin aineiston pohjalta kolme ratkaisumallia: kyberresilienssi ja sen kehittäminen, sähköteknisesti laadukkaat hallinta-, valvonta- ja ennustuskeinot, sekä organisatorinen kyvykkyys. Skenaarioanalyysin perusteella vakavia häiriötilanteita voi muodostua esimerkiksi kybervaikuttamisen, sähköjärjestelmien häiriöiden sekä ns. pirstaloituneiden uhkatilanteiden kautta. Tulosten mukaan erityisesti organisatorisen kyvykkyyden kehittäminen parantamalla valmiuksia kohdata odottamattomiakin häiriöitä voi ehkäistä, estää tai hillitä kaikenlaisten häiriöiden vaikutuksia.

This Master’s Thesis produced understanding in regard to complex and evolving electricity system via researching wind energy systems. The goal was to understand, what should one consider due to increasing wind energy production and changes in electricity infrastructures. The goal was also to explain, what kind of phenomena, actors or constructs wind power systems hold inside them.

Theoretical part assessed system theory, critical infrastructure and its complexity, resilience, and change. The theoretical part also described energy systems being a part of both complex adaptive systems and critical infrastructure. The research problem was approached with constructive method, trying to solve real life problems while also producing value to scientific community. As a result, solution models were presented. Research methods included expert interviews, a systematic literature review and scenario analyses.

Based on the results, the possible disturbance in terms of wind power systems can result from errors in voltage balance or converters, uncertainties in regard to prediction models, cyberattacks, minimal inertia in electric system, cyber vulnerabilities in smart grids, and, for example supply chain issues in critical materials. Three solution models were identified: cyber resilience, high quality electric system management, and organizational capabilities. According to the scenario analysis, serious disturbances may occur due to, for example, cyber activities, errors in electricity systems or due to so-called spallated dangers. Based on the results, especially by improving organizational readiness and capabilities, one can increase preparedness to all kinds of errors and mitigate effects of all three scenarios.