Sähköhuolto

Fossiiliset energialähteet

Fossiiliset polttoaineet

Fossiilisiksi polttoaineiksi katsotaan öljy, kivihiili, ruskohiili ja turve. Näistä kivihiili, ruskohiili ja turve ovat samantapaisia kasvikunnan tuotteita, mutta niiden ikäluokka on erilainen. Turve on nuorin ja siksi sen luokittelu fossiiliseksi polttoaineeksi on kyseenalaista. Kuitenkin EU:n mukaan se katsotaan CO2-päästöjä tuottavaksi aivan samoin kuin kivihiili ja ruskohiilikin.

Fossiilisten polttoaineiden osuus maailman kaupallisesta energiantuotannosta on noin 90 %. Loput 10 % on ydinvoimaa ja vesivoimaa. Öljyn osuus maailman energiamarkkinoista on edelleen noin 38 %. Hiilen osuus on 27 % ja maakaasun osuus 25 % markkinoista. Maakaasun osuus kasvaa kuitenkin nopeasti samalla, kun öljyn osuus vähenee, näin fossiiliset polttoaineet säilyvät vielä pitkään tärkeimpänä energialähteenä maailmassa.

Suomessa öljyn osuus on 25 % kokonaisenergiasta ja öljyvoiman osuus on vain 1 - 2 % sähköntuotannosta. Öljyä käytetään pääasiassa vain huippu- ja varavoimalaitosten polttoaineena. Kaasu on toiseksi tärkein fossiilinen energialähde. Sen osuus primäärienergian tuotannosta on noin 11 % ja sähkön tuotannosta noin 8 - 10 %.

Kivihiilen osuus Suomen primäärienergiasta on noin 10 % ja sähkön tuotannosta 17 %. Turpeen osuus primäärienergiasta on 7 % ja sähköntuotannosta noin 8 %. Kivihiili ja turve kattavat näin yhdessä merkittävän osan (24 %) sähköntuotannosta. Muualla maailmassa kivihiili on yleensä tärkein sähköntuotannon polttoaine.

Hiilivoima

Toimintaperiaate

Kivihiiltä voidaan hyödyntää sähköntuotannossa perinteisesti polttamalla höyrykattilassa ja tekemällä höyrystä sähköä höyryturpiinin ja generaattorin avulla. Perinteisissä hiililauhdevoimalaitoksissa tehdään pelkästään sähköä ja lauhduttimessa syntynyt jätelämpö pumpataan jäähdytysveteen.

Lauhdelaitosten hyötysuhde on parhaimmillaan 42 - 44 %. Loput lämmöstä menee savukaasujen mukaan ilmaan tai jäähdytysveteen. Hiililämmitysvoimalaitoksissa tehdään myös kaukolämpöä. Niiden kokonaishyötysuhde on noin 85 % ja mereen ei lämpöä lasketa lainkaan. Suurin osa energiahäviöistä lämmitysvoimalaitoksissa menee savukaasujen mukana ilmaan.

Suomen kaikki suurimmat hiililauhdelaitokset sijaitsevat meren rannalla hiilisatamien yhteydessä. Niitä on esimerkiksi Kotkassa, Inkoossa, Meri-Porissa, Kristiinassa ja Vaasassa. Hiililämmitysvoimalaitoksia on suurimpien kaupunkien Helsingin, Espoon ja Vantaan yhteydessä ja niiden avulla hoidetaan kaupunkien pohjasähkön ja lämmön tuotanto.

Hiilivoiman etuna on sen polttoaineen riittävyys. Hiilen hinta on pysynyt myös vakaana. Hiilen poltossa syntyy kuitenkin aina hiilidioksidia, jonka päästöjä aiotaan jatkossa EU:n piirissä vähentää. Poltossa muodostuu myös pienhiukkasia, typpioksideja ja rikkidioksideja, joita voidaan vähentää savukaasujen puhdistuslaitteissa.

Kustannukset

Hiilivoiman investointikustannukset ovat noin 1000 eur/kW eli noin puolet ydinvoiman kustannuksista. Hiilivoiman pääomakustannukset ovat 30 vuoden pitoajalla ja 5 % laskentakorolla noin 65 eur/kW. Kiinteät käyttökustannukset ovat noin 15 eur/kW. Hiilivoiman kiinteät kustannukset ovat yhteensä noin 80 eur/kWa. Se vastaa noin 6000 tunnin vuotuisella käyttöajalla sähkön hintaan 13 eur/MWh. Käytännössä hiilivoiman käyttöajat jäävät tätä lyhyemmiksi, koska hiilivoimaa tarvitaan lähinnä talvikautena.

Hiilen hinta on noin 7 - 8 eur/MWh, jolloin hiilivoiman polttoainekustannukset ovat 18 - 20 eur/MWh. Muuttuvien käyttökustannukset ovat yhteensä noin 23 - 25 eur/MWh ilman hiilidioksidin päästöoikeuksien ostoa. Jos päästöoikeuksien hinta on 20 eur/tonni, hiilivoiman muuttuvat kustannukset ovat yhteensä noin 35 - 40 eur/MWh. Koska hiilivoima on yleensä Euroopassa viimeisenä käynnistyvä voimala, tuo rajahinta muodostaa samalla pohjan koko Euroopan sähkön markkinahinnalle. Kulutushuippujen aikana hinta määräytyy kuitenkin öljyvoimalaitosten perusteella.

Lämmitysvoimalaitoskäytössä hiilivoimalan hyötysuhde kaksinkertaistuu noin 80 - 90 % tasolle. Tällöin muuttuvat kustannukset puolittuvat ja hiililämmitysvoimalaitoksen muuttuvat kustannukset vaihtelevat välillä 17 - 20 eur/MWh. Tämän vuoksi hiililämmitysvoimalaitoksia kannattaa käyttää lähes aina, kun kaupungissa on vastaava määrä lämpökuormaa.

Tulevaisuudennäkymät

Hiilidioksidipäästöjen puhdistaminen savukaasuista ei vielä nykykeinoin ole kannattavaa. Jokaista tuotettua sähkökilowattituntia kohti vapautuu hiililauhdevoimalassa noin 800 - 900 grammaa hiilidioksidia. Koska EU:ssa on sitouduttu CO2-päästöjen vähentämiseen, perinteisiä hiilivoimalaitoksia ei käytännössä enää rakenneta enää lisää. Sen sijaan hiilivoimaa korvataan lähinnä maakaasun ja biopolttoaineiden avulla.

Hiilivoimalaitosten kehitystyö on keskittynyt viimevuosina erilaisten kaasutus- ja nesteytystekniikoiden kehittelyyn. Kaasuttamalla voidaan kivihiilivoimalaitosten hyötysuhde nostaa 45 %:n tasolle samalla, kun CO2-päästöjä saadaan pienennettyä noin 10 % ja muita päästöjä vieläkin enemmän. Vastaavasti nesteyttämällä kivihiilestä saadaan öljyä, jota voidaan käyttää autojen ja dieselvoimalaitosten polttoaineena.

Turvevoima

Toimintaperiaate

Turvevoimalat ovat toimintaperiaatteeltaan samanlaisia höyryvoimalaitoksia kuin hiilivoimalat. Koska turpeen lämpöarvo on pienempi, tulee turvevoimalaitosten kattiloista suurempia. Turvevoimalan etuna on polttoaineen saatavuus kotimaasta. Turpeessa ei myöskään ole rikkiä, joten siinä mielessä se on puhtaampi polttoaine kuin hiili.

Turvevoiman haittapuolena ovat turpeen saatavuus sateisina kesinä sekä runsaat hiilidioksidi- ja hiukkaspäästöt. Saatavuutta kompensoi sateisina vuosina se, että silloin vesivoimaa tulee tavallista enemmän. Hiukkaspäästöjä voidaan vähentää tehokkaimpien savukaasujen puhdistimien avulla.

Kustannukset

Turvevoimalan kustannukset ovat hyvin samanlaiset hiilivoiman kanssa. Investointikustannuksia kilowattia kohti nostaa laitosten pienempi keskikoko ja käyttökustannuksia nostaa suuremmat hiilidioksidipäästöt. Investointi- ja käyttökustannuksia puolestaan vähentää rikinpoistolaitteiden puuttuminen.

Turpeen hinta määräytyy käytännössä hiilen mukaan, koska monet sisämaan voimalaitokset pystyvät polttamaan sekä haketta, turvetta että kivihiiltä. Jos turvevoiman muuttuvat kustannukset ovat alhaisemmat kuin kivihiilivoimalaitosten, monipolttoainevoimalat siirtyvät turpeen käyttöön. Jos laitokset tuottavat sähköä ja lämpöä, niitä kannattaa käyttää käytännössä aina, kun kaupungissa on riittävästi lämpökuormaa.

Tulevaisuudennäkymät

Turve käsitettään nykyisin fossiiliseksi polttoaineeksi ja turvevoimalaitosten hiilidioksidipäästöt ovat hiilivoimaakin suuremmat. Sen vuoksi uusien turvevoimalaitosten rakentaminen on vähäistä. Sen sijaan turvetta voidaan käyttää lisäpolttoaineena esimerkiksi uusissa biovoimalaitoksissa, jotka tehdään lähes aina monipolttoainelaitoksiksi.

Turve on kriisiaikojen polttoaine, jota riittää Suomessa toimiviin voimalaitoksiin kymmeniksi vuosiksi eteenpäin. Sen vuoksi uudet voimalaitokset kannattaa varustaa kattiloilla, joissa myös turvetta voidaan käyttää varapolttoaineena. Polttoaineiden hinnat vaihtelevat suuresti, eikä koskaan voi tietää, milloin energiakriisi on taas ovella.

Kaasuvoima

Kaasuturpiinilaitokset

Kaasuturpiinivoimala muodostuu kaasuturpiinista ja jätelämpökattilasta. Kaasuturpiinissa on kompressori, polttokammio ja turpiini. Kompressorissa palamisilma puristetaan noin 20 - 25 barin paineeseen ja viedään polttokammioon, jonne syötetään korkeapaineista maakaasua. Palamisen jälkeen noin 1200 - 1500 C asteen lämpöiset savukaasut muutetaan liike-energiaksi kaasuturpiinissa, joka pyörittää usein samalla akselilla olevaa kompressoria ja generaattoria.

Turpiinin jälkeen noin 400 - 500 C asteen lämpöiset savukaasut viedään jätelämpökattilaan, jossa lämmitetään kaukolämpövettä tai kehitettään höyryä. Yleensä sähköä syntyy noin 60 % lämmön määrästä eli rakennusaste on 0,6.

Kombivoimalassa kaasuturpiinista tulevat savukaasut viedään höyrykattilaan, jossa tuotettu höyry viedään höyryturpiiniin. Höyryturpiinin avulla samasta kaasumäärästä saadaan noin 40 - 50 % enemmän sähköä. Samalla lämmöntuotanto pienenee, joten tavanomaisestoa kombivoimalasta saadaan suunnilleen yhtä paljon sähköä ja lämpöä eli rakennusaste on noin 1,0.

Kaasumoottorivoimalaitokset

Kaasumoottorivoimalaitoksen voimakoneena toimii kaasumoottori, joka on toimintaperiaatteiltaan samanlainen kuin autojen turbolla varustettu nelitahtinen Otto-moottori. Ilma puristetaan turbossa noin 3 - 4 barin paineeseen. Turbon jälkeen ilman sekaan syötetään matalapaineista (4 bar) maakaasua. Kaasuseos viedään sylinteriin nelitahtimoottorin imuvaiheen aikana ja sytytetään puristusvaiheen lopussa. Työtahdin aikana savukaasut työntävät mäntää, jossa oleva kiertokanki pyörittää kampiakselia. Kampiakseli pyörittää puolestaan generaattoria, joka kehittää sähköä.

Kaasumoottorivoimalaitosten sähkön ja lämmön suhde on noin 0,9 - 1,0, jolloin ne käyttötaloudellisesti ovat kaasuturpiineita parempia, mutta jäävät hieman kombivoimalaitosten alapuolelle. Kaikkien kaasulämmitysvoimalaitosten kokonaishyötysuhde vaihtelee välillä 80 - 90 %.

Käyttökohteet

Laitosten soveltuvuus eri käyttökohteisiin riippuu sähkön ja lämmön hintasuhteista ja laitosten investointikustannuksista. Pienissä kokoluokissa (alle 50 MW) kaasumoottorit ovat investoinneiltaan halvimpia laitoksia ja suurissa yli 150 MW kokoluokissa kaasuturpiinit ovat halvimpia laitoksia. Kombivoimalat ovat kaikissa kokoluokissa investoinneiltaan kalleimpia kaasuvoimalaitoksia, mutta niiden rakennusaste on yleensä suurissa kokoluokissa korkein.

Kaasumoottorit käynnistyvät noin 5 - 10 minuutissa täyteen tehoonsa. Kaasuturpiinien käynnistys kestää 10 - 15 minuuttia. Kombivoimalan käynnistys on yhtä nopeaa kaasuturpiinin suhteen, mutta höyryn tekeminen ja höyryturpiinin käynnistys kestää 30 - 60 minuuttia. Nopean käynnistymisen ansiosta kaasumoottoreita käytetään myös varavoimasovellutuksissa.

Kustannukset

Kaasuvoimala maksaa noin 100 MW kokoluokassa 400 - 600 eur/kW. Halvimpia (400 -500 eur/kW) ovat kaasuturpiini- ja kaasumoottorivoimalat. Kalliimpia (500 - 600 eur/kW) ovat kombivoimalat. Typpioksidipäästöjen pienentäminen vaikuttaa kustannuksiin nostavasti.

Maakaasun hinta on 20 eur/MWh. Jos laitoksen kokonaishyötysuhde on 90 %, tulee kaasuvoimalan muuttuviksi kustannuksiksi noin 24 - 26 eur/MWh.

Kaasulämmitysvoimalassa syntyy vain noin neljäsosa (200 - 250 g/kWh) hiililauhdevoimalan tai puolet hiililämmitysvoimalan hiilidioksidipäästöistä. Hiilidioksidin päästökauppa lisää kaasuvoiman kustannuksia vain noin 4 eur/MWh, jolloin kaasuvoiman muuttuvat kustannukset ovat noin 28 - 30 eur/MWh. Kaasulämmityslaitokset ovat muuttuvilta kustannuksiltaan selvästi hiililauhdelaitoksia halvempia.

Historiaa

Kaasuvoimalaitosten rakentaminen alkoi Lappeenrannasta vuonna 1974, jolloin ensimmäinen Mertaniemen kaasuvoimala käynnistyi. Mertaniemi 1 on tekniikaltaan kaasuturpiinivoimala ja Mertaniemi 2 on kombivoimala. 90-luvun alussa alettiin rakentaa kaasumoottorikäyttöisiä voimalaitoksia, joita tehtiin pienempiin kaupunkeihin suomalaiseen kaasumoottoritekniikkaan perustuen.

Kaasusta on muodostunut Suomessa lämmitysvoimalaitosten tärkein polttoaine. Kaasuvoimalaitosten etuna ovat pienet savukaasupäästöt, mikä antaa samalla mahdollisuuden rakentaa voimalaitoksia asutuskeskusten läheisyyteen. Lähes kaikissa Etelä-Suomen kaupungeissa Turun seutua lukuun ottamatta on kaasulämmitysvoimalaitoksia.

Kaasuturpiiniperusteisia lämmitysvoimalaitoksia on rakennettu mm. Imatralle, Kouvolaan, Lahteen, Hyvinkäälle, Hämeenlinnaan, Keravalle, Vantaalle ja Espooseen. Kombivoimalaitoksia on Lappeenrannassa, Tampereella, Helsingissä ja Lohjalla. Suurempia kaasumoottorivoimalaitoksia on Järvenpäässä, Lahdessa, Ikaalisessa, Sipoossa, Valkeakoskella ja Haminassa. Lisäksi Suomessa on useita pieniä kaasumoottorivoimalaitoksia, joista pienimmät voivat soveltua myös yhden omakotitalon tarpeisiin.

Tulevaisuudennäkymät

Tulevaisuudessa kaasuvoiman käyttö lisääntyy lähinnä kaasuverkon laajenemisen mukaan. Turun ja Porin seutu tulee saamaan kaasun lähitulevaisuudessa. Lisäksi kaasuvoimalaitoksia rakennetaan yhä pienempiin kohteisiin. Nyt alarajana ovat olleet noin 700 kW kokoiset kaasumoottorivoimalat.

Kehitteillä olevat polttokennovoimalat ja Stirling-moottorit voivat tuoda pienet kaasuvoimalat myös asuntojen keittiöihin. Polttokennovoimalassa kaasun muunto sähköksi tapahtuu kemiallisesti vähän samaan tapaan kuin auton akussa. Katodille syötetään hiili- ja vetyionia ja anodille happi-ioneja, jotka kulkevat elektrodin läpi katodille synnyttäen tasavirtaa. Tasavirta voidaan käyttää suoraan esimerkiksi autoissa (48 V) tai se voidaan muuttaa vaihtovirraksi (230 V) esimerkiksi kotitalouksia varten.

Esimerkiksi VTT:llä on Espoossa kokeiltavana noin 5 kW tehoinen kiinteäoksidikennoihin (SOFC) perustuvia kaasuvoimalaitoksia, jotka voivat tuottaa kotien tarvitseman sähkön ja lämmön. Suurimmissa kokoluokissa polttokennot voivat syrjäyttää kaasuturpiinit ja polttomoottorit voimalaitosten ja autojen voimakoneina.

Polttokennojen etuna on korkeampi hyötysuhde ja typpioksidipäästöjen puuttuminen. Maakaasua käyttävissä kennoissa syntyy reformaattorissa myös hiilidioksidia. Polttoaineiden käytössä trendi on kohti maakaasua ja polttokennosta on kehittymässä puhtain ja tehokkain maakaasua käyttävä voimalakonsepti. Kehitystyö vie tietysti vielä aikaa, mutta jo ensi vuosikymmenellä tullaan näkemään runsaasti kaupallisia pienvoimalasovellutuksia.

Öljyvoimalat

Toimintaperiaatteet

Öljyvoimalat voivat perustua höyry- ja kaasuturpiiniteknologiaan tai dieselmoottoreihin. Höyryvoimalaitokset ovat kalliimpia, mutta niissä olevan polttoaineen laatu voi vaihdella suuresti. Ne voivat käyttää polttoaineena kaikkein raskaimpia pohjaöljyjä (POR 2000) ja niiden hyötysuhde voi olla hieman parempi kuin hiilivoimalaitosten. Usein raskas polttoöljy toimii myös hiilivoimalaitosten varapolttoaineena.

Kaasuturpiinit voivat käyttää polttoaineena ainoastaan kevyitä polttoöljyjä (POK 10) ja niiden hyötysuhde on selvästi huonompi (30 - 40 %) kuin höyryvoimalaitosten tai dieselmoottoreiden hyötysuhde. Kaasuturpiinin polttokammion jälkeen savukaasut johdetaan erittäin kuumina (1300-1500 C) turpiinin siipiin, jossa mahdolliset epäpuhtaudet (Natrium ja Vanadium) aiheuttavat kuumakorroosiota.

Dieselmoottorit voivat käyttää polttoaineena kevyttä ja keskiraskaita polttoöljyjä (POR 380), koska pakoventtiilien lämpötila on epäjatkuvan palamisen ansiosta vain noin 500 - 600 C asteessa. Dieselmoottorien hyötysuhde on 42- 44 % eli samaa luokkaa kuin höyryvoimalaitoksilla.

Käyttökohteet

Öljyvoimalaitosten pääasiallinen käyttökohde on huippu- ja varavoimalaitoksissa, koska niiden pääomakulut ovat edulliset ja ne käynnistyvät nopeasti. Öljylaitoksia käytetään yleensä vain muutamia satoja tunteja vuodessa. Toimessaan valtakunnan verkon tai paikallisten kohteiden reservinä, niitä käytetään vain häiriöiden yhteydessä. Tällöin käyttö jää muutamaan tuntiin vuodessa, joka sekin on lähinnä koekäyttöä.

Varavoimalaitosten tärkeimmät ominaisuudet ovat niiden käynnistysnopeus ja käynnistymisen luotettavuus. Dieselvoimalat voidaan synkronoida sähköverkkoon noin 10 - 30 sekunnissa ja niistä saadaan täysi teho noin 1 - 4 minuutin kuluttua käynnistyskäskystä. Lentokonemoottoriin perustuvat kaasuturpiinien voidaan synkronoida yleensä noin 2 - 5 minuutissa ja niistä saadaan täysi teho 3 - 10 minuutin kuluttua käynnistyskäskystä. Teollisuuskaasuturpiinit käynnistyvät puolestaan noin 10 - 15 minuutissa.

Kustannukset

Kevytöljylaitosten investointikustannukset ovat noin 300 - 400 eur/kW. Kevytöljykäyttöisen dieselvoimalan muuttuvat kustannukset ovat noin 60 - 70 eur/MWh ja kaasuturpiinin 70 - 80 eur/MWh. Kevytöljyvoimalat käynnistyvät vasta, kun sähköpörssin hinta nousee muuttuvien kustannusten tasolle tai kun jokin suuri yksikkö putoaa äkillisesti pois sähköverkosta.

Dieselvoima ja hiilivoima tuottavat samanhintaista sähköä, kun huipunkäyttöaika on noin 1000 tuntia vuodessa. Sitä lyhyemmillä käyttöajoilla dieselvoimala tuottaa halvinta sähköä. Kaasuturpiinien kustannukset ovat varavoimasovellutuksissa samaa luokkaa kuin dieselvoimalaitoksilla.

Tulevaisuudennäkymät

Öljyvoima tulee säilyttämään paikkansa huippu- ja varavoimalaitosten energialähteensä. Huippu- ja varavoimalaitosten osuus sähkökapasiteetista on 20 - 30 %, joka vastaa öljyvoimalaitosten osuutta voimalaitosten maailmanmarkkinoista. Koska öljyvoimalat ovat kuitenkin kalliita käyttää, öljyn osuus sähköenergian tuotannosta jää pieneksi.