2018/06/19

Joustamaton energiantuotanto

Vähäpäästöisintä sähköä?

Tekniikka ja talous -lehti uutisoi juuri Wärtsilän laskelmista, joiden mukaan Suomessa ei kannata rakentaa ydinvoimaa, vaan kaasuvoimaloilla tuettua tuulivoimaa. Artikkelissa todettiin, että

"Tuulivoimavaltaisessa mallissa Suomen hiilidioksidipäästöt olisivat 90 prosenttia pienemmät kuin Fennovoima-vetoisessa ydinvoimamallissa."

Wärtsilän mukaan tämä skenaarioiden päästöero johtuu kaukolämmön sähköistymisestä. Ilmeisesti lämpöpumpuissa on jonkinlainen alkuperäsensori, joka pystyy erottamaan onko sähkö peräisin tuulella vai ydinvoimalan höyryllä pyöritetystä generaattorista eivätkä lämpöpumput suostu toimimaan ydinvoimalla? Energiasektorin osuus Suomen hiilidioksidipäästöistä on tosin vain 74%, joten moinen ero ylipäätään on looginen mahdottomuus. Väitteestä tekee erityisen omituisen se, että kansainvälisen ilmastopaneelin IPCC:n mukaan ydin- ja tuulivoiman päästöt ovat yhtä pienet, kun taas kaasulla tuotetun sähkön päästöt ovat huomattavat, kuten seuraavasta kuvasta nähdään. Miten se skenaario, jossa päästöttömän tukena on päästöllistä tuotantoa voi olla puhtaampi kuin se, jossa on pelkästään päästötöntä tuotanto?


IPCC:n arviot eri sähköntuotannon päästöille eri energiantuotantomuodoilla. Lähde: Climate Gamble



Raportin merkittävänä huomiona on, että sulkemalla ydinvoimalat ilman korvaajia, saadaan päästötöntä sähköä 27% halvemmalla. Tässä on mukana kaasuvoimaloiden tuottama säätösähkö, jota tarvitaan vaihtelevan tuotannon katveiden kattamiseksi. Artikkelin kustannuslaskelmiin en osaa ottaa kantaa, mutta sen sijaan aion tarkastella teho- ja päästönäkökulmaa. Mitä jos Suomessa olisi merkittävästi nykyistä enemmän tuulivoimaa tai ydinvoimaa?

Ydinvoimaskenaario

Ydinvoimaa syytetään joustamattomuudesta ja sitä pidetään yleensä vain perusvoiman lähteenä. Todellisuudessa ydinvoimaa kyllä pystytään säätämään, mutta se ei kannata, koska ydinvoimalan rakentaminen on kallista, mutta käyttäminen hyvin halpaa. Tehoa kannattaa siis tuottaa aina, kun voidaan. Ydinvoimaloita ajetaankin yleensä täydellä teholla kaiken aikaa, lukuunottamatta yleensä kesälle ajoitettavia vuosihuoltoja, jotka kestävät noin kuukauden, mutta voivat olla myös pidempiä. Esim. vuonna 2017 Olkiluoto 2 -voimalan huoltotauko kesti 64 vuorokautta. Jokavuotisten huoltojen avulla ydinvoimalan kapasiteettikerroin pysyy 80-90% tienoilla ja voimala pysyy käyttökelpoisena vuosikymmeniä. Esimerkiksi Loviisan ydinvoimala on ollut käytössä jo 40 vuotta.

Tieto Suomen sähkönkulutuksesta vuoden jokaisena tuntina löytyy Fingridin nettisivulta. Lisäsin oheiseen taulukkoon muutaman avainluvun kahdelta edelliseltä vuodelta:
 

Kulutus (MW) 2016 2017
Maksimi 15105 14273
Keskiarvo 9550 9522
Minimi 5593 5854


Jos Suomessa olisi ydinvoimaloita merkittävästi enemmän kuin nyt, vaikkapa tuon keskimääräisen kulutuksen eli 10 GW verran, niiden kaikkien ajaminen maksimiteholla aiheuttaisi huomattavasti ylituotantoa aikoina jolloin kulutus ei ole huipussaan. Palautetaan kuitenkin mieleen edellä mainitut vuosihuollot. Voidaanko vuosihuollot ajoittaa niin, että ylituotanto vältetään?

Tarkastelin kysymystä hyvin yksinkertaisella tavalla. Oletetaan, että Suomessa on 10 kpl 1 GW ydinvoimaloita. Jokaista niitä ajetaan täydellä teholla ympäri vuoden, lukuunottamatta yhden tai kahden kuukauden yhtäjaksoista huoltojaksoa. Koko vuoden tuotanto ja kulutus näkyvät oheisessa kuvassa. Valtaosan ajasta kulutus on yli 7 GW ja alittaa 6 GW vain hyvin lyhyeksi aikaa.

Suomen todellinen sähkönkulutus ja hypoteettisten ydinvoimalaitosten tuotantoprofiilit vuonna 2017.

Tässä skenaariossa ydinvoimaloiden käyntiajat on valittu silmämääräisesti kulutusprofiilin mukaan, yrittäen välttää ylituotantoa. Kaikki ydinvoimalat ovat käytössä ainoastaan joulu- ja helmikuun välisenä aikana. Muulloin yksi tai useampi voimala on suljettuna, mutta yksikään voimala ei ole suljettuna yli kahta kuukautta. Koko paketin kapasiteettikertoimeksi tulee 84,9%. Seuraavissa kuvissa näkyy vielä tarkempi näkymä eri vuodenajoilta.

Talvi.
Kevät.
Kesä.
Syksy.

Kuvista näkyy, että selvästi valtaosa ydinsähköstä voitaisiin hyödyntää kulutuksen kattamiseen ja vain hyvin vähän jouduttaisiin myymään Suomen ulkopuolelle. Lähempi tarkastelu paljastaa, että 89% kulutuksesta katetaan ydinvoimalla ja vain 0,5% tuotannosta on ylimääräistä. Tarvitaan siis 11% jotain muuta tuotantoa kattamaan vaje. Tämä voitaisiin tuottaa pääasiassa vesivoimalla, jolla on tällä vuosikymmenellä tuotettu 15-20% Suomen kulutuksesta. Näin saavutettaisiin täysin päästötön sähköntuotanto. Tätä tosin rajoittaa vesivoiman maksimiteho, joka on noin 3,1 GW. Sillä ei yksin pystytä kattamaan kaikkein suurimpia piikkejä, joten jotain lisätehoa tarvittaisiin muutamana erityisenä ajankohtana. Kenties jopa Wärtsilän kaasuvoimalalle olisi paikkansa.

Tuulivoimaskenaario

Wärtsilän skenaariossa ydinvoimasta luovuttiin kokonaan ja tilalle laitettiin jokin määrä tuulivoimaa ja kaasua. Tutkitussa skenaariossa tuulivoimaa oli ilmeisesti 4,1 GW, joskin toisessa kohtaa artikkelia mainittiin, että ydinvoiman lisärakentaminen puolittaa mahdollisen tuulivoimakapasiteetin 6,5 gigawattiin. Koska tavoitteena kuitenkin on vähäpäästöinen energiajärjestelmä, unohdetaan raportin kapasiteetit ja tarkastellaan miltä näyttää pääosin päästöttömään tuulivoimaan pohjautuva järjestelmä.

Fingridin sivuilta löytyy myös vuoden 2017 tuntikohtainen tuulivoimatuotanto. Se ei ilmeisesti kata ihan jokaista voimalaa, mutta vuoden maksimaalinen tuntikohtainen tuotanto on kuitenkin lähellä Tuulivoimayhdistyksen arviota asennetusta kapasiteetista. Oletin siis, että vuoden suurin tuntituotanto kertoi mikä oli vuoden 2017 asennettu kapasiteetti ja kokeilin eri tuulivoimamäärien vaikutusta moninkertaistamalla lineaarisesti vuoden 2017 tuotantoprofiilia. Vuoden 2017 asennetuksi tuulivoimakapasiteetiksi sain tuntidatasta 1,6 GW. Kapasiteettikerroin tuntidatasta laskettuna oli 29,3%, mikä on vähemmän kuin Wärtsilän skenaariossa. Suurempi kapasiteettikerroin oletettavasti tekisi tuotannosta tasaisempaa, mutta sen huomioiminen ei onnistu ilman kehittyneempää mallia, jolla voitaisiin huomioida esimerkiksi korkeammalla sijaitseva tasaisempi tuuli. Teen siis tarkastelun mitattuun dataan pohjautuen.

Ensimmäisessä kuvassa on yhteenveto, joka kertoo mikä osuus kulutuksesta katetaan päästöttömällä tuotannolla sekä kuinka iso osa tuotannosta on ylimääräistä eli kulutuksen ylittävää tehoa.


Nähdään, että alle 10 GW kapasiteetilla kaikki tuulisähkö saadaan käytettyä, mutta sen jälkeen ylituotanto alkaa nousta melko lineaarisesti. Kulutukseen hyödynnettävän tuulisähkön osuus taas alkaa saturoitua kapasiteetin kasvaessa. Seuraavissa kuvissa on tarkempi näkymä muutaman skenaarion tuntitehoista talviaikaan.



Tuulivoiman tuottama teho vaihtelee hurjasti, ollen joskus paljon tarvetta suurempaa ja toisina hetkinä taas paljon vähemmän.

Vertailu

Miten ydinvoimaskenaario sitten suhtautuu tuulivoimatapauksiin? Seuraava pysyvyyskäyrä näyttää kuinka paljon varavoimaa vuoden aikana tarvittiin eri tuotantotavoilla. Negatiiviset arvot kuvaavat ylituotantoa.



Nähdään, että aiemman kuvaajan mukaisesti 10 GW tuuliskenaariossa ei käytännössä ole ylituotantoa, mutta 20 GW tapauksessa ylituotanto on jo merkittävästi. 40 GW skenaariossa ylituotantoa oli pahimmillaan 30 GW, mutta leikkasin sen pois kuvasta, jotta kuvan erotuskyky säilyy muualla. Ydinvoimalla varavoiman tarvetta on myös, mutta tehontarve on paljon tasaisempi. Suurimman osan ajasta lisätehoa tarvitaan alle 2 GW, johon riittäisi Suomen vesivoimakapasiteetti. 2-4 GW lisätehoa tarvitaan noin 500 tuntia, joten tähän piikkiin voitaisiin sitten käyttää vaikka kaasuvoimaloita. Kaikissa tuulivoimaskenaarioissa 4 GW ylittäviä varatehoja tarvitaan vähintään 2500 tuntia.

Seuraavissa taulukoissa esitän vielä muutamia avainlukuja numeroina. Ensimmäisessä taulukossa näkyy päästöttömän tuotannon osuus kulutuksesta, lisäenergian suhteellinen tarve, Suomen kulutukseen hyödynnettävä sähkö sekä ylimääräisen tuotannon osuus. Taulukosta nähdään, että suurella tuulivoimakapasiteetilla hyödynnettävä energia alkaa nopeasti laskea ja 40 GW tapauksessa ylituotantoa on jo 43% tuulivoimaloiden tuotosta.


Skenaario Osuus kulutuksesta
(%)
Tuotantovaje
(%)
Hyödynnetty
(%)
Ylituotanto
(%)
Ydinvoima
10 GW
88.7 11.3 99.5 0.54
Tuulivoima
10 GW
30.7 69.3 100.0 0.04
Tuulivoima
20 GW
54.4 45.6 88.4 11.6
Tuulivoima
40 GW
77.1 22.9 57.0 43.0

Seuraavassa taulukossa näkyy tuotetun sähkön absoluuttinen ja suhteellinen arvo. Tässä olen käyttänyt Nord Poolin spot-hintoja vuodelle 2017, pienellä muutoksella. Oletin, että tuotannon ylittäessä kulutuksen, sähkön arvo alkaa laskea lineaarisesti. Kun tuotanto on kaksinkertainen kulutukseen verrattuna, sähkön arvo on nolla. Oletus ei siis perustu mihinkään tieteelliseen tutkimukseen, vaan on puhtaasti oma yksinkertaistukseni. Periaatteessa sähköä voi myydä ulkomaille, mutta esim. Ruotsissa ja Tanskassa on myös mittavasti tuulivoimaa, joten on turvallista olettaa, että niissäkin on melko paljon tuulituotantoa samoihin aikoihin kuin Suomessa. Tällöin ylijäämälle ei ehkä ole kysyntää Suomen rajojen ulkopuolellakaan.

Skenaario Sähkön arvo
(miljardia €)
Sähkön arvo
(€/MWh)
Ydinvoima
10 GW
2.45 33.0
Tuulivoima
10 GW
0.82 31.9
Tuulivoima
20 GW
1.37 26.6
Tuulivoima
40 GW
1.24 12.1

Sähkön arvo on suurinta ydinvoimaskenaariossa, jossa ylijäämä on hyvin vähäistä. Ylijäämää on vielä vähemmän 10 GW tuulivoimaskenaariossa, mutta ilmeisesti tuulivoiman tuotanto ajoittuu halvemmille tunneille jo nykyisessä järjestelmässä. Suuren ylijäämän takia 40 GW  tuulivoimaskenaariossa sähkön arvo on vain 37% ydinvoimaskenaarion arvosta. Arvioimani hintavaikutus saattaa olla liioiteltu, mutta vaihtelevan tuotannon kannibalisaatioilmiö on kuitenkin tiedostettu ongelma. Kuinka paljon kapasiteettia voidaan kasvattaa, jos jokainen uusi tuulivoimala on edellistä vähempiarvoinen?

Kolmannessa taulukossa taas näkyy energiantuotanto ja varaenergian tarve terawattitunteina. Lisäksi siinä näkyy varavoiman päästöt, jos se tuotettaisiin kokonaan kaasuvoimalla, käyttäen alussa esitetyn IPCC-taulukon päästökerrointa.


Skenaario Vuosituotanto
(TWh)
Varavoiman tarve
(TWh)
Kaasuvoiman päästöt (Mt-CO2)
Ydinvoima
10 GW
74.4 9.44 4.6
Tuulivoima
10 GW
25.6 57.77 28.3
Tuulivoima
20 GW
51.3 38.05 18.6
Tuulivoima
40 GW
102.6 19.14 9.4


Ydinvoimaskenaariossa varavoimaa tarvitaan vähiten, minkä vuoksi sen aiheuttamat päästöt ovat puolet siitä mitä 40 GW tuulivoimatapauksessa. Käyttämäni kapasiteettikerroin tuulivoimalle oli kuitenkin pienempi kuin Wärtsilän ennustama. Jos kolmanneksen parempi kapasiteettikerroin vähentäisi varavoiman tarvetta myös kolmanneksen, olisi 40 GW tuuliskenaario kaasuvaravoiman päästö enää 6,2 Mt, mikä on jo lähempänä ydinvoimaa. Tuulivoiman tapauksessa varavoiman maksimaaliset tehot ovat kuitenkin paljon ydinvoimaa suurempia, joten varajärjestelmä tulisi paljon kalliimmaksi kuin ydinvoiman tapauksessa. 3 GW vesivoimakapasiteetti riittäisi huomattavasti paremmin ydinvoimaloiden tueksi kuin voimakkaasti vaihtelevan tuulivoiman, jolloin skenaarioiden päästöero kasvaisi.

Yhteenveto

Sähkötehon pohjakulutus Suomessa on yllättävän suuri ja niin on myös perustehon tarve. Huomattavasti nykyistä enemmän ydinvoimaan nojaava järjestelmä olisi mahdollinen Suomessa yksinkertaisesti ajoittamalla vuotuiset huoltotauot niin, että vältetään ylituotanto. Tuulivoimaan pohjautuvassa järjestelmässä varatuotannon tarve on huomattavasti ydinenergiaa suurempi. Uskon kuitenkin, että myös tuulivoiman hyödyntämistä voitaisiin merkittävästi lisätä hyödyntämällä suuria lämpövarastoja. Merkittävä osa talven sähköstähän kuluu juuri lämmitykseen, jolloin riittävän isoilla lämpövarastoilla olisi monesti mahdollista välttää varavoimalan käynnistäminen. Näitä varastoja voisi toki käyttää myös ydinvoimalla, joten ratkaisu ei kuitenkaan tuo tuulivoimalle ainutlaatuista kilpailuetua.

T&T-lehden artikkelissa oli vielä seuraava kommentti:

"Yhtiö nosti äskettäin sataprosenttisen uusiutuvan energian järjestelmät energiabisneksensä visioksi. Sen mukaan järjestelmän tarvitsema teknologia on jo olemassa, mutta monissa paikoissa joustamaton voimalakapasiteetti hidastaa muutosta uusiutuvaan."

Kaasuvoimaloita kauppaava Wärtsilä on siis sitä mieltä, että ydinvoima hidastaa muutosta kohti järjestelmää, jossa heidän tuotteensa olisi välttämätön. Edellä kuitenkin nähtiin, että merkittävin tarvittava muutos olisi nimenomaan lisätä, ei vähentää, ydinvoiman osuutta energiajärjestelmässä. Jos Wärtsilän haave toteutuu, niin maakaasu integroituu olennaiseksi osaksi järjestelmää ja polttaminen jatkuu hamaan ikuisuuteen. Ilmastonmuutoksen torjumiseksi tavoite ei kuitenkaan ole hieman nykyistä vähäpäästöisempi, vaan täysin päästötön energiantuotanto. Jos Wärtsilä aikoo jatkossakin pitää bisneksensä pyörimässä, niin kenties heidän tulisi muuttaa tuotekehityksensä suuntaa. Vaikkapa kohti pienydinreaktoreita?

1 kommentti:

  1. Erittäin selkeä, looginen ja kattava artikkeli. Itsekin kiinnitin heti huomiota T&T:n jutun kaukolämpökummajaiseen. Ajatus lämpöverkkojen käyttämisestä energiavarastona tosin on ihan raikas.

    Kaukolämpöön liittyy tosin pitkällä aikavälillä ongelmia raskaan infran muodossa.

    Kiitos paljon tästä jutusta, sain paljon mietittävää! :)

    VastaaPoista

Kansallinen luontopalvelus

Pysäyttäviä kokemuksia Kesän aikana Elokapinan Suomen osasto on istunut Mannerheimintiellä ja Senaatintorilla ja vaatinut hallitukselta tiuk...