Simo Mäenpää
EteVä-pilotti-hankkeessa on tarkasteltu erilaisia energian varastointiin liittyviä ratkaisuja, sivuvirroista saatavien energian tai materiaalin hyödyntämisen mahdollisuuksia sekä yrityksien välisien synergioiden hyödyntämistä energiantuotannossa. Näiden ratkaisujen taloudellinen kannattavuus on vahvasti riippuvainen tulevaisuudessa vallitsevasta energian hinnasta.
Energiajärjestelmä on muutoksessa, joten lopulta energian hinta määräytyy rakentuvan järjestelmän aiheuttamien ehtojen mukaan. Hankkeen aikana kirjoittaja sai erään ajatuksen, jonka avulla tulevaisuudessa vallitsevia ehtoja voidaan muuttaa kuluttajan kannalta edullisempaan suuntaan. Kirjoituksessa esitellään lyhyesti hybridituulivoimalan toiminta sekä ratkaisun merkittävyys tulevan järjestelmän näkökulmasta.
Fingrid ennakoi, että tuulivoiman osuus energiantuotannossa kasvaa merkittävissä määrin tulevaisuuden Suomessa. Sähkönkulutuksen ennakoidaan nykyiseen verrattuna olevan myöskin huomattavasti aikaisempaa suurempaa. Sähköntuotannon arvioidaan kasvavan kulutusta suuremmaksi, jolloin Suomi muuttuu sähkön nettotuojasta nettoviejäksi. (Fingrid 2022). Tuulivoimayhdistyksen tiedotteessa kerrotaan Suomessa tuulivoimalla tuotetun sähkön osuuden olleen kulutuksesta 9,3 % vuonna 2021 ja tämän osuuden nousevan 25 %:n vuoteen 2025 mennessä (Tuulivoimayhdistys, 2022a). Sähköntuotannossa käynnissä oleva muutos näyttää etenevän tällä hetkellä nopeasti. Tästä aiheutuu useita muutoksia, joista osa on sellaisia, jotka vaikuttavat meidän kaikkien arkeen. Esimerkiksi kuvassa 1 on hahmoteltu kuvitettu muutos maisemaan tuulivoimaloiden määrän kasvaessa.
Suuri määrä tuulivoimaa, suuri heilunta sähköntuotannossa
Tuulivoimayhdistyksen mukaan marraskuussa 2022 oli uusia maatuulivoimalahankkeita julkaistu 52 920 MW:n tehoa vastaava määrä (Tuulivoimayhdistys 2022b). Kuvitellaan, että rakennettavat tuulivoimalat vastaisivat keskimääräiseltään teholtaan vuonna 2021 rakennettuja tuulivoimaloita. Tuulivoimayhdistyksen mukaan vuonna 2021 rakennettiin kaikkiaan 141 tuulivoimalaa, joiden yhteenlaskettu teho oli 671 MW (Tuulivoimayhdistys 2022a). Tästä tiedosta voimme laskea keskimääräisen tehon, joka olisi tällöin 4,75 MW. Aikaisemmin tehdyllä oletuksella voimme tällöin laskea uusia tuulivoimaloita olevan Suomessa rakenteilla 11 000 voimalan verran lähitulevaisuudessa.
Eklundin (2011) raportissa esitetystä kaavasta voimme havaita, että tuuliturbiinin tehoon vaikuttaa vahvimmin tuulen nopeus. Tuulivoiman tuotanto vaihtelee tästä johtuen voimakkaasti tuulisuuden mukaan, kuten kuviosta 1 voimme havaita. Tuulivoiman tuotannon lisärakentaminen muuttaa voimantuotannon sellaiseksi, että ajoittain sähköä tuotetaan enemmän kuin sitä kulutetaan ja toisina hetkinä taas tuotannosta on pulaa tarpeeseen nähden. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan energian varastointia.
Energian varastointi on ratkaisu tuotannon vaihteluun
Sähköenergiaa voidaan varastoida sähkön muodossa tai energia voidaan muuttaa sähköä helpommin varastoitavaan muotoon. Pumppuvoimalaitoksessa sähköenergiaa varastoidaan potentiaalienergian muotoon eli vettä siirretään ala-altaasta yläaltaaseen, jolloin veteen varastoituu potentiaalienergiaa. Varastoituvan energian määrä on pumppuvoimalaitoksessa riippuvainen massasta ja sen pudotuskorkeudesta.
Tuulivoimaloiden mastoa ja sen tarjoamaa korkeutta voidaan käyttää energiavarastona kuvan 2 mukaisesti. Tuulivoimalan maston leveys ja rakenteellinen lujuus asettavat rajoituksia yläaltaan kokoon. Olen arvioinut, että altaan koko voisi olla 100 m^3, jolloin varastoitavaa massaa on 100 t. Arvio perustuu altaan kokoon sekä painoon. Pudotuskorkeus tälle massalle on noin 150 m. Tällöin voimme laskea varastoitavan energian määrän käyttäen putoamiskiihtyvyytenä 9,81 m/ s^2, joka on hieman Suomessa vallitsevaa putoamiskiihtyvyyttä pienempi luku, mutta yleisesti käytetty vakio. Edellä esitettyjen lukujen avulla saamme laskettua yhden tuulivoimalan varaston olevan noin 40,88 kWh. Varastossa olevalla turbiinin ja pumpun yhdistelmällä on vielä olemassa oma hyötysuhteensa, joten sähköä varastointiin tarvitaan potentiaalienergiaa suurempi määrä, ja vastaavasti varastosta saadaan sähköä hieman tätä pienempi määrä.
Hybridituulivoimalan merkitys energiavarastona
Pyhäsalmen kaivokseen on suunnitteilla pumppuvoimalaitos. Laatikainen (2019) kertoo Tekniikka ja talous -lehdessä, että suunniteltu varaston kapasiteetti olisi 530 MWh. Hyötysuhteeksi sähköstä takaisin sähköksi on arvioitu 77 % (Laatikainen 2019). Pyhäsalmen pumppuvoimalaitokseen verrattuna yhden hybridituulivoimalan varastointikyky näyttää vaatimattomalta, mutta jos oletetaan kaikkien suunnitteilla olevien tuulivoimaloiden olevan hybridituulivoimaloita, muuttuu ajatus mielenkiintoiseksi. Tällöin voimme laskea varastointikykyä olevan 450 MWh, joka on jo lähes Pyhäsalmen pumppuvoimalaitokseen verrannollinen luku.
Hybridituulivoimaloiden lukumäärä on suuri, ja koska ne sisältävät etäohjatun venttiilin sekä muun koneiston, voidaan ratkaisun avulla ohjata tuotetun tehon määrää joustavammin verrattuna yhteen suureen pumppuvoimalaitokseen. Tehon ohjauksessa voidaan huomioida mm. verkkoyhteyksien tuomat pullonkaulat sähköverkossa tai lyhyessä ajassa voidaan kasvattaa tai vähentää koko verkon tehoa erittäin suurissa määrin. Varastojen rakentaminen voidaan toteuttaa kustannustehokkaasti, jos hybridituulivoimalasta tulee yleinen ratkaisu ja toteutus tehdään sarjatuotantona toteutetuista komponenteista. Lisäksi hybridituulivoimala vähentää pumppuvoimaloiden rakentamisen tarvetta, jolloin näiden rakentamisesta aiheutuvat haitat vähenevät.
Tuulivoimaloiden määrän nopea kasvu on aikaisemmin esitettyjen lähteiden perusteella vallitseva tosiasia Suomessa. Energian varastointiin tarvitaan useita erialaisia ratkaisuja, joiden avulla tuleva rakentuva energiajärjestelmämme toimii luotettavasti ja kustannustehokkaasti tarjoten kuluttajille vakaata ja edullista energiaa erittäin vähäpäästöisellä tavalla.
Lähteet
Eklund, E. 2011. Jokamiehen opas pientuulivoiman käyttöön. Tampereella tuulee -projekti. Raportti. Saatavilla: https://www.motiva.fi/files/6010/Joka_miehen_opas_pientuulivoiman_kayttoon.pdf Viitattu 15.3.2023.
Fingrid. 2022. Fingridin sähköjärjestelmävisio 2022 – tulevaisuuden järjestelmän skenaarioluonnokset. Raportti. Saatavilla: fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/tiedotteet/ajankohtaista/fingrid_sahkojarjestelmavisio_2022_skenaarioluonnokset-final-korjattu-29.8.pdf. Viitattu 13.3.2023.
Fingrid. 2023. Tuulivoiman tuotanto. Saatavilla: https://www.fingrid.fi/sahkomarkkinainformaatio/tuulivoiman-tuotanto/. Viitattu 15.3.2023.
Laatikainen, T. 2019. Jopa 193 GWh sähköä vuodessa – Pyhäsalmen pumppuvoimalaa ajettaisiin vain kalliin sähkön aikana: ”Suomen suurin”. Tekniikka ja talous. Saatavilla: https://www.tekniikkatalous.fi/uutiset/tt/cb096a2c-f840-48a8-a0bc-e43ffac0cb2e. Viitattu 15.3.2023.
Laitila, A. 2023. Kirjoitusta varten piirretty kuvasarja.
Tuulivoimayhdistys. 2022a. Tuulivoimatilastot 2021: Tuulivoiman rakentamisessa takana ennätyksellinen vuosi. Tiedote. Saatavilla: https://tuulivoimayhdistys.fi/ajankohtaista/tiedotteet/tuulivoimatilastot-2021-tuulivoiman-rakentamisessa-takana-ennatyksellinen-vuosi. Viitattu 13.3.2023.
Tuulivoimayhdistys. 2022b. Suunnittelussa olevat hankkeet. Saatavilla: https://tuulivoimayhdistys.fi/tuulivoima-suomessa/sunnittelussa-olevat-hankkeet. Viitattu 15.3.2022.
Simo Mäenpää
TKI-asiantuntija
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 040 648 2160
