Sähköhuolto

Uusiutuvat energialähteet

Vesivoima

Toimintaperiaatteet

Vesivoimalassa käytetään hyväksi veden korkeuseron aikaansaamaa liike-energiaa, joka muutetaan generaattorissa sähköenergiaksi. Vesivoimalan patoallasta käytetään samalla veden vuosi- ja vuorokausivarastointiin, jonka avulla energiaa kerätään talteen sateisena aikana ja sähköä tuotetaan silloin, kun sähkön tarve on suurin. Vesivoimaa voidaan käyttää myös nopeaan tehonsäätöön, jonka avulla tuotannon ja kulutuksen tasapainoa (taajuutta) voidaan ylläpitää.

Vesivoimalat ovat ideaalisia sähköntuotantomuotoja. Ainoat ongelmat liittyvät patojen ja altaiden rakentamiseen. Altaiden alle jää luontoa ja veden alle jäävät kasvustot voivat mädäntyessään aiheuttaa metaanipäästöjä. Lisäksi alkuperäinen luonto muuttuu usein soisesta erämaasta tekoaltaaksi

Altaiden takia suurin merkitys paikallisille ihmisille on sillä, että entiset marjamaastot muuttuvat yleensä kalastusvesiksi. Energiataloudelliset hyödyt tulevat sähköenergian tuotannosta ja haitat siitä, että puun kasvu altaiden alle jääneillä alueilla loppuu. Puun kasvun hehtaarisato voi allasalueella olla tuottoarvoltaan suurempi kuin altaan energiataloudellinen hyöty. Siksi altaita on rakennettu lähinnä metsättömille alueille ja soiden päälle.

Kustannukset

Vesivoima on kallista rakentaa, mutta edullista käyttää. Siinä ei kulu polttoaineita eikä sen käyttäminen vaadi runsaasti käyttöhenkilökuntaa. Tärkeintä vesivoiman kilpailukyvylle on investointikustannus vuosituotantoa kohti. Jos sähkön hinta on 30 euroa/MWh, kannattaa vesivoimaa rakentaa, jos sen investoinnit ovat vähemmän kuin 400 eur/MWh vuodessa.

Jos vesivoimaa voidaan käyttää vuorokausisäätöön, sähkön hinta voi nousta talvipäivällä 40 - 50 eur/MWh arvoon. Tällöin vesivoimaan kannattaa sijoittaa 500 - 600 eur/MWh vuosi. Jos vesivoimasta saadaan sähköenergiaa 5000 tunnin huipunkäyttöajalla, tulisi vesivoimalan investointikustannukset olla maksimissaan 2000 - 3000 eur/kW.

Historiaa

Ensimmäinen tunnettu vesivoimala oli ns. Arkkimeden ruuvi, joka tunnettiin jo antiikin aikana. Myöhemmin vesivoimaa käytettiin jauhojen valmistukseen vesimyllyissä. Sen jälkeen keksittiin ottaa käyttöön vesisahat ja vesivoimakäyttöiset kutomot. Kaupungit syntyivät koskien varteen tehtaiden ympärille. Sähkögeneraattorien keksimisen jälkeen tehtaat voitiin sijoittaa vapaasti sinne, missä ihmisetkin ovat.

Valtakunnallinen sähköntuotanto alkoi Suomessa Imatran vesivoimalan rakentamisen jälkeen 1920-luvulla. Imatralta johdettiin ensimmäiset sähkönsiirtolinjat Etelä-Suomeen. Silloin monet arvelivat, että Imatran koskien valjastaminen riittää kattamaan koko Suomen sähköntarpeen vuosikymmeniksi. Imatran voimalaitos kattaa edelleen noin kymmenesosan Suomen vesivoiman tuotannosta.

Imatran kosken jälkeen valjastettiin kaikki muutkin merkittävimmät kosket. Tärkeimpiä vesivoimajokia ovat pohjoisessa Kemijoki ja Oulujoki sekä etelässä Imatran kosket ja Kemijoki. Myös Pohjanmaan suurimmat joet on valjastettu sähköntuotantoon.

Tulevaisuudennäkymät

Lähes kaikki hyvät vesivoimalaitosten paikat Suomessa on jo valmiiksi rakennettu. Jäljellä olevien potentiaalisten voimalapaikkojen avulla on vain pieni merkitys Suomen energiahuollolle. Vesivoiman osuus Suomen ja myös EU:n sähköntuotannosta on noin 14 %. Jatkossa sen osuus pienenee, koska vesivoimaa ei enää rakenneta sähkönkulutuksen kasvun tahdissa teollisuusmaissa.

Vesivoiman osuus maailman sähköntuotannosta on vain noin 7 %. Vesivoimaa rakennetaan kuitenkin maailmalla vielä runsaasti. Suurin osa (n. 80 %) uusista vesivoimalaitoksista rakennetaan tulevaisuudessa kehitysmaihin. Samaan aikaan kuin vesivoiman osuus kehitysmaissa kasvaa, se vähenee kehittyneissä maissa. Näin vesivoima säilyttää asemansa tulevaisuudessa ja sen osuus kasvaa ehkä noin 10 % tasolle maailman sähköntuotannosta.

Tuulivoima

Toimintaperiaate

Tuulivoima käyttää hyväksi ilmavirtauksen liike-energiaa, joka muutetaan sähköksi tuulivoimalan generaattorissa. Tuulivoima on vesivoiman tapaan investoinneiltaan kallista mutta käyttökustannuksiltaan edullista energiaa. Tuulivoiman haittapuolena on, että sitä ei voida varastoida. Siksi tuulivoimasta saadun sähkön hinta jää yleensä alle jatkuvasti tuotetun ns. priimasähkön hinnan. Tuulivoima on puhdasta energiaa. Tuulivoiman ainoa merkittävä ympäristöhaitta on melu.

Tuulivoimaa kehitetään jatkuvasti maailmassa, jonka vuoksi sen investointikustannukset ovat laskeneet koko ajan. Tuulivoimalat ovat kannattavia varsinkin niillä alueilla, joissa keskituulen nopeus on tavallista suurempi. Suomen länsirannikko on ihanteellista tuulivoima-aluetta ja sinne tullaan rakentaman suurin osa Suomen tuulivoimatehosta.

Kustannukset

Tuulivoiman investointikustannukset ovat noin 1000 eur/kW. Jos tuulivoimalan huipunkäyttöaika on 2500 tuntia, tulee investointikustannuksiksi vuosituotantoa kohti noin 400 eur/MWh. Jos pitoaika on 30 vuotta ja laskentakorko 5 % (annuiteetti 6,5 %), saadaan tuulivoimalan pääomakustannuksiksi 26 eur/MWh. Kun tähän lisätään tuulivoiman käyttökustannukset, päädytään arvoon noin 28 - 30 eur/MWh. Tuulivoima alkaa olla jo kannattava investointi Suomenkin oloissa. Lisäksi sen rakentamiseen voi saada merkittävän noin 40 %:n investointituen.

Tuulivoima ei kuitenkaan riitä ainoaksi energialähteeksi, koska se vaatii runsaasti varatehoa ja säätövoimaa. Jos varavoimalana toimii vesivoimala, niin tuulivoimaa kannattaa rakentaa lähes yhtä paljon kuin vesivoimaa on käytettävissä. Saaristossa yleensä tuulivoimalan lisäksi joudutaan investoimaan noin 400 - 500 eur/kW dieselvoimalaan, joka tuottaa sähköä silloin, kun tuulivoimala seisoo. Näin itsenäisen tuulienergialla toimivan järjestelmän kokonaisinvestointi nousee arvoon 1400 - 1500 eur/kW.

Historiaa

Tuulienergian valjastaminen alkoi tuulimyllyjen rakentamisella. Tuulimyllyjä käytettiin alun perin viljan jauhamiseen jauhoiksi. Niitä oli vielä 1800-luvulla lähes joka kylässä. Sähkön yleistyttyä perinteiset tuulimyllyt jäivät pois käytöstä, kun viljaa alettiin jauhaa sähköllä.

Vuoden 1973 energiakriisin jälkeen alkoi tuulivoiman kehitystyö uudelleen sähkön tuotantoon. Silloin alkanut kehitys on jatkunut tähän päivään asti ripeänä ja samalla voimaloiden koot kasvoivat ja yksikköhinnat laskivat. Suurimmat voimalat lähentelevät jo 5 MW kokoluokkaa ja suurimmat tuulipuistot voivat sisältää jopa sata voimalla. Tuulivoimapuistoja ollaan nyt rakentamassa myös merien mannerjalustalle ns. off-shore laitoksina.

Tulevaisuudennäkymät

Valtiovallan tavoitteena on saada vuoteen 2010 mennessä Suomeen yhteensä 500 MW tuulivoimatehoa. Sen vuoksi investointeja tuetaan antamalla tuulivoimahankkeille investointiavustuksia, jotka kattavat 40 % hankkeiden kustannuksista. Tavoitteesta ollaan selvästi jäljessä. Kun tuulivoimalan huipunkäyttöaika Suomessa on noin 2500 tuntia vuodessa, tulee 500 MW tuulivoimatehosta sähköä vain 1250 GWh, joka vastaa noin 1 - 2 % Suomen sähköntarpeesta. Suomi on ottamamassa tuulivoiman tuottajana vasta alkuaskeleita. Tuulivoimalaitosten ja niiden komponenttien myyjinä sen sijaan suomalaiset konepajayritykset ovat maailman huippua.

Maailmassa rakennetaan joka vuosi noin 5000 - 10.000 MW tuulivoimaa. Se vastaa noin 5 - 10 % koko maailman uudesta voimalaitostehosta. Kasvu kiihtyy sitä mukaa kuin tuulivoimalaitosten hinnat laskevat ja fossiilisten polttoaineiden hinnat nousevat. Rakentamista kiihdyttää sen lisäksi runsaat tuulienergian tuotantoon kohdistuvat energia-avustukset ja tuulisähkön takuuhinnat. Tuulivoimalla voidaan tulevaisuudessa tuottaa sama määrä sähköä kuin vesivoimallakin. Tanskassa noin 15 % sähköstä tuotetaan jo nykyisin tuulivoimalla.

Biovoima

Kiinteän polttoaineen laitokset

Tavallisesti bioenergiaa poltetaan ja syntyneestä lämmöstä tehdään höyrykattilassa höyryä. Höyry viedään ensin höyryturpiiniin, josta saadaan generaattorin avulla sähköä. Turpiinin jälkeen matalapaineinen höyry viedään esimerkiksi paperikoneprosessiin tai siitä tehdään kuumaa vettä yhdyskuntien kaukolämpöverkkoihin. Lähes kaikki biovoimalat tuottavat yhtä aikaa sekä lämpöä että sähköä eli ovat ns. yhteistuotantolaitoksia.

Pienimmät höyrykäyttöiset biovoimalat ovat teholtaan noin 3 MW ja suurimmat 200 MW. Niiden heikkous on huono rakennusaste, eli sähkön tuotannon ja lämmöntuotannon suhde on 0,2 - 0,4. Parempaan rakennusasteeseen päästään, kun bioenergia jalostetaan joko nestemäiseen tai kaasumaiseen muotoon.

Bioöljyvoimalat

Nestemäistä bioöljyä voidaan käyttää esimerkiksi dieselmoottoreiden polttoaineena. Niiden rakennusaste on tyypillisesti 0,7 - 1,0 eli kaksinkertainen höyryvoimalaitoksiin verrattuna. Ongelmana on valmistaa sopivan laatuisia bioöljyjä. Yleensä kasvisrasvat esimerkiksi rypsiöljy, oliiviöljy ja palmuöljy soveltuvat dieselvoimalaitosten polttoaineeksi lähes sellaisenaan. Lisäksi niistä voidaan valmistaa esteröityä biodieselöljyä, joka sopii myös autojen moottoreihin.

Tropiikin kasveilla on lisäksi se ominaisuus, että niiden hehtaarisadot ovat kertaluokkaa suuremmat kuin Pohjolan puu- tai ruokokasveilla. Esimerkiksi palmuöljyviljelmä päiväntasaajalla tuottaa hehtaaria kohti noin 4 tonnia lämpöarvoltaan kevyttä polttoöljyä vastaavaa palmuöljyä vuodessa. Vuosittainen hehtaarisato on lämpöarvoltaan noin 40 MWh, josta voidaan dieselmoottorissa valmistaa noin 18 MWh sähköä. Hehtaarin sadolla voisi tuottaa sähkölämmitteisen omakotitalon sähköt pysyvästi.

Jos kaikki Suomen metsät (12 milj. ha) tuottaisivat yhtä tehokkaasti, niin niistä saataisiin sähköä 216 TWh eli 2,5 kertaa koko Suomen sähköntarve. Suomen puun vuosikasvu on noin 70 milj. m3, jonka lämpöarvo on noin 100 TWh. Perinteisissä höyryvoimalaitoksissa poltettaessa puusta saataisiin noin 30 TWh sähköä. Palmuöljyviljelemät ja dieselvoimalat tuottavat hehtaaria kohti laskettuna seitsemänkertaisen määrän sähköä perinteiseen puuvoimaan verrattuna.

Biokaasuvoimalat

Biokaasua muodostuu mädätysprosesseissa jätevesien käsittelylaitoksilla ja kaatopaikoilla. Syntynyt metaanin ja hiilidioksidin seos poltetaan lämpökeskuksissa tai kaasumoottoreissa. Yleensä laitokset ovat pieniä alle 1 MW kokoisia.

Biopolttoaineita voi myös kaasuttaa ja käyttää ottomoottoreissa. Esimerkiksi sodan aikana suuri osa autokannasta kävi puukaasulla. Uusimpien kaasuttimien ansiosta nyt voidaan rakentaa moottorivoimalaitoksia, jotka käyvät biomassasta tehdyllä kaasulla.

Historiaa

Suomi on pitkään ollut johtava maa biovoiman tuotannossa. Biovoima perustuu pääosin metsäteollisuuden jätepuun ja selluteollisuuden jäteliemien hyödyntämiseen höyryvoimalaitoksissa. Jätepuuta ovat oksat, kannot, kuoret ja sahanpuru. Lähes kaikki puuraaka-aine voidaan hyödyntää jalostukseen tai energiaksi.

Perinteinen biovoiman tuotanto on perustunut selluteollisuuden jäteliemien polttamiseen. Selluloosan valmistuksessa noin puolet puun lämpöarvosta poltetaan ja toinen puoli (selluloosa) jalostetaan paperiksi. Selluloosan valmistuksessa syntyy suunnilleen yhtä paljon sähköä, minkä usein samalla tehdasalueella oleva paperikone kuluttaa.

Yhden paperitonnin valmistamiseen kuluu perinteisin menetelmin yksi kivihiilitonni energiaa. Perinteinen sellutehtaan ja paperikoneen muodostama tehdasintegraatti on yleensä lähes omavarainen energiansa suhteen. Mekaanisen massan valmistuksessa jäteliemiä ei synny, joten suunnilleen vastaava määrä energiaa joudutaan ostamaan ulkoa sähkön muodossa.

Tulevaisuudennäkymät

Fossiilisten polttoaineiden energiaverojen ansiosta biovoiman ja -lämmön tuotanto on lisääntynyt 1990-luvun alusta alkaen voimakkaasti. Energiaverot rankaisevat fossiilisia polttoaineita ja tekevät biovoiman houkuttelevaksi lämmön tuotannossa. Jos lämpöä tuotetaan suurempia määriä, kannattaa samalla tuottaa sähköä. Kehitykseen on vaikuttanut myös bioenergian korjuutekniikan kehitys, joka on pitänyt esim. hakkeen hinnan kilpailukykyisenä.

Voidaan hyvinkin ennustaa, että koko maailman sähköntuotannosta tehdään tulevaisuudessa yli 10 % biovoimalla. Jos tämän lisäksi vesivoimaa ja tuulivoimaa kattavat kumpikin noin 10 % sähköntuotannosta, niin maailman sähköntuotannosta voi tulevaisuudessa noin kolmannes perustua uusiutuviin energialähteisiin kuten Suomessa jo nyt 2000-luvun alussa.

Päiväntasaajan molemmin puolin olevat vyöhykkeet voidaan tehdä täysin omavaraiseksi energiantuotannossa pelkästään bioöljyjen viljelyn avulla. Samalla ne voivat tuottaa liikenteen tarvitseman polttoaineensa itse. Esimerkiksi Brasiliassa suuri osa autoista kulkee jo sokeriruosta valmistetun etanolin ja bensiinin seoksella. Bioenergiatekniikan viejänä Suomen teollisuudelle on avautumassa suunnattomat markkinat.