Järvet ovat merkittäviä energiavarastoja – Oulujärvi akkujen aatelia

Vesivoima tuuli­voiman mahdollistajana

”Vesivoima on säätövoiman ’Rolls-Royce’, jota ilman tuulivoiman tuotannon lisääminen ei meillä ole mahdollista”, totesi kantaverkkoyhtiö Fingrid Oy:n toimitusjohtaja Jukka Ruusunen vuonna 2020. Paljon puhutaan myös akuista kysyntäjouston rinnalla, ja siitä, että akut voivat olla osa ratkaisua sähköjärjestelmän tasapainottamisessa.

Tärkeä asia ymmärtää sähköjärjestelmästä on se, että sen tulee aina olla tasapainossa. Tasapainoa sähköjärjestelmässä mitataan järjestelmän taajuudella, jonka tulisi olla pohjoismaisessa sähköverkossa 50 +/- 0,1 Hz. Mikäli taajuus poikkeaa 50 hertsistä alkaa erilaiset automaattiset prosessit palauttamaan taajuutta takaisin kohti 50 hertsin oletusarvoa. Mikäli taajuus poikkeaa huomattavasti 50 hertsin oletusarvosta eivätkä automaattiset reservit, tai markkinoilta saatavat muu säätö riitä, alkaa viimeisenä keinona automaattinen kulutuksen tai tuotannon, riippuen taajuusvirheen suunnasta, irtikytkeminen palauttamaan sähköjärjestelmä, toivon mukaan, tasapainoon.

Tässä kohtaa on hyvä kerrata myös kaksi olennaista käsitettä – megawatti (MW) sekä megawattitunti (MWh). Tehon yksikkö on watti (W), ja miljoona wattia on 1 megawatti (MW). Teho on sähköjärjestelmän vaatima energiamäärä millä tahansa hetkellä, hetkellisesti. Energian yksikkö on wattitunti (Wh), ja miljoona wattituntia eli 1 megawattituntia (MWh)) on puolestaan tietyn ajan (tunnin, vuorokauden, vuoden) sisällä vaaditun tehon keskiarvo. Kotitalouksissa usein käytetty kilowatti on tuhat wattia - lisäksi gigawatti on miljardi wattia ja terawatti on biljoona wattia.

Vesivoima, akut ja kysyntäjousto jouston eli säätövoiman lähteinä

Häiriötilanteessa, esimerkiksi kun iso kansainvälinen siirtoyhteys vikaantuu tai tulee häiriöitä isoon kulutuskeskittymään tai tuotantolaitokseen, on kiire saada sähköjärjestelmä tasapainotettua tuotannon ja kulutuksen suhteen yhtä suureksi. Häiriötilanteessa tarvitaankin nopeaa tehonmuutosta – akkua ja kysyntäjoustoa nopeampaa reserviä ei ole. Jos, tai oikeastaan kun, häiriö pitkittyy varttia pidemmäksi, ei nopeus enää olekaan valttia, vaan tärkeämmäksi muuttuu tehonmuutoksen pysyvyys.

Tarkkaa tietoa siitä kuinka paljon akkukapasiteettia Suomessa on hyödynnettävissä sähköjärjestelmän tarpeisiin ei kuitenkaan ole. Fingridin mukaan taajuusohjattua käyttöreserviä tarjotaan tällä hetkellä noin 43 megawatilla akuista ja vesivoimalla noin 163 megawattia. Samasta lähteestä voi myös lukea, että häiriöreserviä, jota tarvitaan isommassa taajuusmuutoksessa, löytyy vesivoimaloista yli 600 megawattia, kun akuista saa edelleen vain noin 43 megawattia. Vesivoimaa on Suomessa kaiken kaikkiaan 3 190 MW. Reservejä tuotetaan myös muilla voimalaitoksilla sekä tietyissä kulutuskohteissa.

Tyypillisesti akkujärjestelmät tarjoavat turvaa omistajilleen sähköverkossa tapahtuvilta häiriöltä, eikä niitä ole suunniteltu toimimaan sähköjärjestelmän kanssa rinnakkain. Modernit akkujärjestelmät voivat muuna aikana tarjota sähköjärjestelmälle joustoa, mikä hyödyttää tietenkin sähköjärjestelmää ja tuo tuloja akun omistajalle. Esimerkkinä tästä on Fortumin ja Carunan yhteinen akkujärjestelmä Inkoossa.

Tyypillinen akkujärjestelmä tarjoaa maksimaalisesti tunnin verran tehoa, mutta jos akut ovat täyteen ladattuja, ne eivät voi ottaa enää sähköä vastaan, ja käänteisesti, kun akku on tyhjä, ei se anna enää energiaa. Suomessa vesistöissä on paljon vesivoiman tarpeisiin hyödynnettyjä järviä eli toisin sanoen akuiksikin vertautuvia järviä, on runsaasti. Jokijärjestelmässä, kuten Oulujoki, jokaisen voimalan yläpuolella on allas, joka voi toimia myös akkuna ja vesistön isot järvet toimivat koko joen suuruisina akkuina. Lupaehdot ja tekniset sekä vapaaehtoiset rajoitteet yläaltaiden ja järvien käytössä rajoittavat vesivoiman joustokykyä, silti vesivoimaloiden joustokyky muihin vaihtoehtoihin verrattuna on vielä ylivoimainen.

Kysyntäjousto, jossa sähkön kulutusta siirretään, tai hetkellisesti lopetetaan kokonaan, voidaan toki myös käyttää. Jos vaikka kodin lämminvesivaraaja on muutaman minuutin poissa päältä, se ei vaikuta siihen, että saako asukas lämmintä vettä aamulla suihkussa. Jos kysyntäjoustoa tarvitaan liikaa, alkaa se näkymään ihmisen arjessa, ja varsinkin, jos se ei ole vapaaehtoista. Vapaaehtoiset kysyntäjoustoratkaisut kuten esimerkiksi Fortum Spring, jossa jouston omistaja saa hyötyä tarjoamalla joustokykyään sähkömarkkinoille ovat kustannustehokas joustonlähde lyhytkestoiselle joustolle.

Oulujoen vesistön merkitys – kuinka iso akku Oulujoki ja Oulujärvi yhdessä olisivat?

Oulujoki yksin on viimeisen 10 vuoden keskiarvona tuottanut vuosittain 2 304 756 MWh eli 2,3 TWh energiaa. Vuonna 2020 Suomessa sähköä käytettiin 81 TWh ja Oulujoki (2,7 TWh) yhdessä Emäjoen (0,5 TWh) kanssa tuottivat sähköä 3,2 TWh, eli noin 4 % Suomen viimevuoden sähkönkulutuksesta.

Kuinka iso akku Oulujoki ja Oulujärvi yhdessä sitten olisivat? Tämä onkin visainen kysymys. Jo pelkästään yhden järven laskeminen akuksi on hankalaa. Oulujärven lupaehdoissa järven alimmaksi pinnaksi on määritelty talvella 120,50 metriä ja korkein sallittu pinta on kesällä 123,20 metriä. Oulujärven keskimääräinen vuosivaihtelu on kuitenkin vain noin 1,07 metriä kevään alimman ja kesän korkeimman pinnan välillä.

Kuinka paljon yksi senttimetri järvessä on sähköä?

Oulujärven ”allaskerroin”, joka kertoo kuinka iso juoksutus Oulujoessa aiheuttaa yhden senttimetrin muutoksen järven pinnassa, on noin 100 kuutiota vettä sekunnissa yhden vuorokauden aikana. Vuorokauden ajan virtaava 100 m3/s on 8 640 000 kuutiometriä vettä Oulujärveen tai -järvestä, ja siis vaikuttaa yhden senttimetrin verran järven pintaan.

Oulujoen yläjuoksulla Jylhämän voimalaitoksella 100 m3/s virtaama tuottaa noin 10-12 MW sähköä. Voimalaitoksen huipputeho on 500 m3/s virtaamalla 55 MW. Jos vuorokauden verran ajaa 100 m3/s virtaamaa saadaan keskimäärin 250 MWh energiaa Jylhämän voimalaitoksella. Tämä vesi jatkaa matkaansa kohti Perämerta ja tuottaa koko jokiosuudella energiaa valuessaan jokaisen voimalaitoksen turbiinien läpi. Oulun Energian Merikosken voimalaitoksen läpäistyään yhden senttimetrin pinnanlasku Oulujärvessä on tuottanut energiaa päivän aikana 2 483 MWh.

Oulujärvi akkujen aatelia

Oulujärven keskimääräinen noin 1,07 metrin vuosivaihtelu kevään alimman ja kesän korkeimman pinnan välillä onkin ”akun lataamista” noin 265 642 MWh tai 266 GWh verran. Keväällä tulovirtaamat lumen sulamisvesistä johtuen ovat kuitenkin niin suuret, että samalla kun ”akkua” ladataan sulamisvedet tuottavat edelleen sähköäkin. Oulujoki tuottaa vuoden aikana huomattavasti enemmän sähköä kuin mitä kevään ja kesän järven pinnan nousulla saadaan aikaiseksi. Aina kun sataa tai yläpuolisilta jokiosuuksilta valuu vettä Oulujärveen, tämäkin vesi tuottaa sähköä.

Suomessa suurimmat akkuprojektit ovat kooltaan noin 30-35 MW, ja kaikki sähkö, jonka ne luovuttavat, on ensiksi valmistettu jossain voimalaitoksessa. Akut eivät tuota energiaa, ne siirtävät sitä yhdestä ajanjaksosta akkua lataamalla toiseen kun akkua puretaan. Akut puolustavat paikkaansa, kuten todettua, nopeilla muutoksillaan. Vesivoimala on hieman hitaampi, mutta se on silti sähköjärjestelmän säädön selkäranka sekä perustuotantoa tuottava puhdas sähkön tuotantomuoto.

Paljonko maksaisi yhden tunnin Oulujoen vesivoiman säädön korvaaminen akuilla?

Jos Oulujoen noin 400 MW suuruinen tehonsäätö tehtäisiin akulla (yön pieniltä virtaamilta päivän suuriin virtaamiin), tämän akun hinta olisi noin 200 miljoonaa euroa. Tämä akku tuottaisi tuon 400MW yhden tunnin ajan ollen sen jälkeen taas lataamista vailla.

Mikäli energia minkä Oulujoki tuottaa vuorokauden aikana ajamalla tasaista 450 kuution virtaamaa korvattaisiin akuilla, maksaisi akut, joita tarvittaisiin 1 118kpl, noin 5 miljardia euroa (oletuksella että 10 MW/10MWh akun investointikustannus on 5 miljoonaa euroa). Laskelmat eivät ota huomioon akkuihin ensiksi ladattavan sähkön kustannusta tai akkujen luovuttaman sähkön tuottoa.

Vesivoimalat ovat hyvällä huolenpidolla ja säännöllisillä peruskorjauksilla pitkäikäisiä. Oulujoen vanhimmat vesivoimalaitokset Jylhämä ja Pyhäkoski valmistuivat vuonna 1951. Imatran vesivoimalaitos kytkettiin sähköverkkoon 1929. Tuulivoimalan eliniäksi lasketaan 25, uusissa jopa yli 30 vuotta. Puretun tuulivoimalan paikalle voidaan toki rakentaa uusi voimala, mutta yleensä se tarkoittaa myös uusien betoniperustusten rakentamista. Akkujen elinikä, teknologiasta hieman riippuen, voi kestää 5 000–10 000 lataus-/purkusykliä. Mikäli akkua ladattaisiin ja purettaisiin kaksi kertaa vuorokaudessa tasapainoittamaan energian kulutusta, olisi akun elinikä hieman alle 14 vuotta. Akkuja voidaan hyvin hyödyntää vaikka vesivoimalan rinnalla, jolloin saadaan molemmista niiden parhaat ominaisuudet esiin. Kuten Fortumin ja Borlänge Energin omistama Ruotsissa oleva Forshuvudin vesivoimala (teho 44MW), jonka rinnalla toimii 5MW/6,2MWh-akkuyksikkö. Akulla voidaan tehdä nopea säätö ja voimalaitos takaa pitkäkestoisen energian rinnalle. 

Tätä kirjoitettaessa on ollut erittäin helteinen ja aurinkoinen ajanjakso, tuulta ei kuitenkaan juuri ole ollut. Uskon, että kun syksy tulee, jälleen pilvet peittää taivaan ja tuulet yltyy. Kysyntä ja tuotanto pitää edelleen tasapainottaa joka hetki, joka sekunti. Kysyntäjoustokin on hyvä tapa saattaa tasapaino tuotannon ja kulutuksen välille, kunhan se on vapaaehtoista. Sähköjärjestelmän tulee nyt ja tulevaisuudessa palvella sähköä kuluttavia asiakkaita ja täyttää kulutustarpeet joka hetki.