Säätösähköä pumppaamalla

21.03.2024, kello 14:10

Pumppuvoimalaitos on ikivanha keksintö. Ensimmäiset pumppuvoimalaitokset rakennettiin jo 1890-luvulla Sveitsiin, Itävaltaan ja Italiaan. Suomessa suuren kokoluokan pumppuvoimalaitosta suunniteltiin ensimmäisen kerran Jyväskylän seudulle vuonna 1975. Tavoitteena oli peräti 500 megawatin tehoinen laitos. Fortumin edeltäjän Imatran Voiman aloittama suunnittelutyö roikkui yhtiön takinliepeissä aina vuoteen 1997 asti, jonka jälkeen yhtiö ilmoitti luopuvansa siitä.

Pumppuvoimalaitos hyödyntää sähkön hintavaihteluita. Kun sähkö on halpaa, pumppaavat sähköpumput vettä varastoaltaisiin. Kun sähkö on kallista, johdetaan vesi varastoaltaista turpiinin läpi, jolloin generaattorit tuottavat sähköä. Mitä suurempia sähkön hintaerot ovat, sitä kannattavampaa on käyttää laitosta.

Pumppaamisessa käytettävät sähköpumput kuluttavat yleensä enemmän sähköä kuin mitä laitos tuottaa. Laitoksen taloudellinen kannattavuus syntyy siitä, että laitos tuottaa sähköä vain kalliin sähkön aikana. Pumppuvoimalaitos on samalla energiavarasto.

Viimeisten vuosien aikana sähkön hintavaihtelut ovat yleistyneet — ja syventyneet — sähkömarkkinoilla. Lähes kaikki uudet markkinoille ilmaantuvat voimalaitokset ovat tuuli- ja aurinkovoimalaitoksia. Niiden toimintaa on vaikea ennustaa. Juuri sääriippuvaiset laitokset lisäävät ja voimistavat sähkön hintavaihteluita — ja lisäävät säätösähkön kysyntää, jolloin myös pumppuvoimalaitoksen kilpailukyky paranee.

— Pumppuvoimalaitos kykenee reagoimaan nopeasti sähkönkäytön muutoksiin, kuten muutkin vesivoimalaitokset. Sähköä laitos tuottaa muutamassa minuutissa sen jälkeen, kun vettä päästetään turpiiniin, kertoo Energiateollisuus ry:n vesivoima-asiantuntija Marja Rankila.

Juuri nopea reaktioherkkyys on lisännyt mielenkiintoa pumppuvoimaa kohtaan Euroopan unionissa ja Suomessa. Säätilat muuttuvat nopeasti ja arvaamattomasti.

— Sääriippuvainen sähköntuotanto kasvaa ja samalla kasvavat säätövoiman kysyntä ja joustojen tarve. Pumppuvoimalaitoksen tuottamalla sähköllä voidaan vastata säätösähkön kysyntään, Rankila toteaa.

Rankila muistuttaa, että pumppuvoimalaitos on ennen kaikkea energiavarasto. Pumppuvoimalaitoksen varastoaltaan vedellä voidaan tuottaa kokonaisen vuorokauden tai peräti kokonaisen viikon sähköt.

— Pumppuvoimalaitos kykenee paikkailemaan pidempiä tuulettomia jaksoja. Samaan eivät kulutusjoustot tai akut kykene. Lähitulevaisuudessa tarjolla ei ole muita vaihtoehtoisia sähkön varastointimuotoja, jotka pystyisivät samaan.

Tähän asti perinteiset vesivoimalaitokset ovat tuottaneet suurimman osan sähkömarkkinoilla tarvittavasta säätösähköstä. Uusien vesivoimalaitosten rakentaminen Suomeen on kuitenkin haastavaa. Euroopassa ja Suomessa parhaat vesivoimakohteet on jo rakennettu tai suojeltu eikä uusi vesivoimalaitoksia haluta rakentaa ympäristösyistä.

Rankila muistuttaa, että olemassa olevien suurimpien laitosten tehonkorotukset on tällä erää jo tehty. Merkittäviä määriä uutta vesivoimalaitostehoa ei enää ole tarjolla ennen seuraavia peruskunnostuksia.

— Pumppuvoimalaitos on seuraava vaihtoehto. Sen rakentamisessa voidaan hyödyntää vesivoimaosaamista.

— Pumppuvoimalaitos on tehokas tapa vastata säätösähkön kysyntään. Muut tavat varastoida sähköä eivät tarjoa varastokapasiteettia niin pitkäksi aikaa kuin pumppuvoimalaitos, toteaa Energiateollisuus ry:n vesivoima-asiantuntija Marja Rankila. Kuva: Pekka Hannila.

Korkeuserojen käyttäjä

Pumppuvoimalaitos hyödyntää korkeuseroja. Mitä korkeammalla varastoallas sijaitsee, sitä suuremmalla voimalla vesi rynnistää alhaalla odottavan turpiinin syleilyyn. Toisaalta sähköä tarvitaan silloin enemmän mitä korkeammalle turpiinin läpi virrannut vesi on pumpattava.

Suomeen suunniteltiin vielä pari vuotta sitten pumppuvoimalaitosta, jonka putouskorkeus olisi ollut huikeat 1400 metriä. Pyhäsalmelle kaavaillun laitoksen putouskorkeus olisi ollut suurin Euroopassa. Vanhaan kaivokseen ideoidun laitoksen rakentaminen osoittautui kuitenkin liian kalliiksi. Nyt hanke on peruttu.

Tällä hetkellä Kemijoki Oy, Pohjolan Voima ja Suomen Voima suunnittelevat pumppuvoimalaitosten rakentamista. Kaikki hankkeet sijoittuvat Kemijärvelle.

— Kemijoki ja Kemijärvi ovat voimakkaasti säännösteltyjä. Siksi alue sopii hyvin pumppuvoimalaitoksille, jolloin laitosten aiheuttamat ympäristövaikutukset jäävät pieniksi, Rankila kertoo.

Valtakunnallista kartoitusta pumppuvoimalaitosten potentiaalista Suomessa ei ole tehty.

— Pumppuvoimalaitos on tunnettua tekniikkaa: se on pitkäikäinen ja edullinen käyttää. Itse laitoksen rakentaminen on suurin kustannuserä. Turpiineja ja pumppuja sen sijaan saa sarjavalmisteisena kaupasta, Rankila kertoo.

— Sitä paitsi yhteen pumppuvoimalaitokseen on mahdollisuus asentaa useita turpiineita, jolloin laitoksella voidaan tuottaa samanaikaisesti sähköä, kun pumput pumppaavat vettä altaisiin.

Energiakriisi kasvatti mielenkiintoa

Energiakriisi ja sota Ukrainassa lisäsivät mielenkiintoa eurooppalaista vesivoimaa ja pumppuvoimaa kohtaan. EU-komission raportti “Hydropower and Pumped Hydropower Storage in the European Union” korostaa kaikenlaisen vesivoiman merkitystä sähköverkkojen vakauden, energian varastoinnin ja säätämiseen soveltuvan sähköntuotannon näkökulmasta.

— Kestävän vesivoiman käytöllä voidaan saavuttaa hyvä tasapaino sähköntuotannon, ekosysteemeihin kohdistuvien vaikutusten ja yhteiskunnallisten hyötyjen välillä. Tämä tukee vihreän kehityksen ohjelman tavoitteiden saavuttamista ja vesienkäytön säätelyä, EU-komissio toteaa raportissaan.

Vesivoima on yhä maailman yleisin tapa tuottaa sähköä uusiutuvalla energialla. Tällä hetkellä maailman vesivoimalaitosten yhteenlaskettu teho on 1 397 000 megawattia. Laitosten vuotuinen sähkösaalis on yli 4 400 terawattituntia — 55 kertaa koko Suomen vuosittaisen sähkönkäytön. Euroopan unionin alueella vesivoimalaitokset tuottavat sähköä noin 360 terawattituntia vuodessa.

Pumppuvoimalaitokset hyödyntävät vettä, mutta niitä ei aina luokitella vesivoimalaitoksiksi. Pumppuvoimalaitos on pikemminkin energiavarasto. Yleensä pumppuvoimalaitokset eivät näy sähköntuotantotilastoissa, koska laitokset käyttävät enemmän sähköä kuin mitä ne tuottavat.

Maailmalla toimii 270 pumppuvoimalaitosta. Niiden yhteenlaskettu teho on 175 000 megawattia. Pumppuvoimalaitosten osuus kaikesta maailman energiavarastokapasiteetista on peräti 90 prosenttia.

Euroopassa on 160 pumppuvoimalaitosta, jotka tuottavat sähköä 55 000 megawatin teholla. Laitoksista 140 kappaletta sijaitsee EU-maissa. Niiden yhteenlaskettu teho on 45 000 megawattia.

Kemijoki Oy:n suunnittelema pumppuvoimalaitos käyttää Kemijärveä alavarastona. Kuva: Kemijoki Oy.

Lisää kestävyyttä modernisoinneilla

Uusia vesivoimalaitoksia ei rakenneta enää laajamittaisesti EU-maissa. Tästä huolimatta vesivoimalaitoksia voidaan kehittää ympäristön kannalta kestävillä tavoilla, EU-komissio muistuttaa. Vesivoimalaitosten modernisointi ja niiden tehokas integrointi muihin tuotantomuotoihin vähentävät laitosten aiheuttamia ympäristöhaittoja.

— Laitosten rakenteita voidaan piilottaa, laitoksiin voidaan yhdistää akkuja ja generaattoreista voidaan kerätä hukkalämpöjä, komissio toteaa raportissaan.

— Ilmastonmuutoksen torjunta, veden kasvava kysyntä ja joustava energiankäyttö edellyttävät monikäyttöisiä sähkö- ja vesivarastoja. Euroopan vesivoima-alan osaaminen on yhä parasta maailmassa, vaikka Kiina on kirimässä rinnalle. Vesivoimaosaamisen avulla voidaan vahvistaa EU:n kilpailukykyä, komissio visioi.

Raportti muistuttaa, että vesivoimasektorilla on useita vahvuuksia muihin uusiutuviin energialähteisiin verrattuna. Vesivoimalaitteiden rakentamisessa ei esimerkiksi käytetä harvinaisia ja kriittisiä materiaaleja.

— Vesivoimalaitosten tekoaltaiden yhteyteen voidaan rakentaa veden ja energian varastointiin liittyviä toimintoja tai kastelua ja palontorjuntaa hyödyntäviä järjestelmiä. Niistä on apua tulvien torjunnassa ja kuivuuden lievittämisessä.

EU-komissio laskee, että Euroopan unionin alueen vesivoimalaitosten modernisointi nostaisi laitosten sähkösaalista noin kahdeksalla prosentilla. Energiaksi muutettuna tämä tarkoittaa 30 terawattitunnin vuotuista lisäystä. Eurooppalaisten vesivoimalaitosten keski-ikä on noin 45 vuotta, joten modernisoinnille olisi muutenkin tilausta.

Laitosten tuotanto kasvaa, jos esimerkiksi patoja korotetaan. Samalla kasvaa varastointikapasiteetti. Varastoaltaiden ja patojen vuotojen hallinnan parantaminen on EU-komission mielestä myös toteuttamisen arvoinen idea.

Laitokset tarvitsevat toimiakseen vettä — entä jos vesiä ei ole tulevaisuudessa käytettävissä yhtä paljon kuin nyt? Jos pitkät kuivat kaudet yleistyvät, kärsii siitä myös vesivoimatuotanto.

— Virtausten parempi hallinta ja sääennusteiden parempi hyödyntäminen auttavat, komissio toteaa.

Pitkän aikavälin ennusteiden mukaan veden määrä Euroopan unionin eteläisten maiden vesistöissä vähenee 20–30 prosentilla, mutta voi kasvaa pohjoisissa jäsenmaissa jopa 20 prosentilla.

Paljonko pumppuvoimaa Eurooppaan?

Rakennetaanko Eurooppaan lisää pumppuvoimalaitoksia? Viimeisten 20 vuoden aikana uusia pumppuvoimalaitoksia on otettu käyttöön 98 kappaletta eri puolilla EU-aluetta. Niiden yhteenlaskettu teho on 14 005 megawattia.

Arvioiden mukaan uusia pumppuvoimalaitoksia otetaan EU:n alueella käyttöön 4000 megawattia vuoteen 2030 mennessä ja 75 000 megawattia vuoteen 2050 mennessä. Ennusteisiin liittyy kuitenkin epävarmuuksia etenkin silloin, jos laitosten rakentamisen oletetaan tapahtuvan puhtaasti markkinaehtoisesti.

Kohteet ovat erilaisia. Ensin rakennetaan halvimmat kohteet, mutta tulevan ympäristösäätelyn kehittymistä on hankala ennustaa. Tämä tarkoittaa sitä, että maankäyttöä, luonnon monimuotoisuuden säilyttämistä tai väestön asuinoloja koskevien säädösten muutokset voivat asettaa uusia reunaehtoja pumppuvoimalaitoksien rakentamiselle.

Muitakin hyötyjä kuin sähkö

Pumppuvoimalaitokset tarvitsevat tuekseen vesivaraston. Se voi olla järvi, luonnonsyvänne tai kaupunkien hulevesien johtamiseen käytetty pidätysallas — aina ei tarvitse louhia tai rakentaa uutta. Pelkästään Ranskassa sijaitsevien pienten järvien tai olemassa olevien tekoaltaiden energiapotentiaaliksi on laskettu 33 000 megawattituntia. Altaisiin ja järviin voidaan yhdistää uusia altaita. Lisäksi veteen voi varastoida aurinkopaneelien tuottamaa lämpöä, jota voi käyttää kaukolämpöverkoissa.

— Etelä-Euroopassa tarvitaan pikaisesti uusia tekoaltaita tulvien, kuivuuden ja maastopalojen torjuntaan. Samalla altaiden yhteyteen voidaan rakentaa pumppuvoimalaitoksia.

Jokivoimalaitoksista ja pumppuvoimalaitoksista saatavalla sähköllä voidaan tuottaa myös vetyä etenkin silloin, kun sähkön hinta painuu markkinoilla nollaan. Akkujakin pumppuvoimalaitoksen sähköllä voidaan ladata.

— Patoaltaisiin ja patopinnoille voidaan sijoittaa kelluvia aurinkovoimalaitoksia, EU-komissio ideoi.

#Vesitalous #vesivoima

Jaa artikkeli: