Mitä kun ei tuule?

Tämä on vastaus Oras Tynkkysen blogille ”Mitä kun ei tuule?”

Tynkkyseltä kysytään usein hänen puhuessa energiasta: ”mitä tehdään silloin, kun ei tuule?”

Tynkkynen vastaa:

Tuuli- ja aurinkovoimankin vaihtelu on pienempi pulma kuin äkkiseltään saattaisi luulla. Tuulta ja paistetta osataan ennakoida nykyään varsin hyvin, joten vaihteluihin pystytään varautumaan.

Ennen kuin jatketaan, pohditaan hetki, mitä kysyjä on tässä ajatellut. Onko hän

1. ollut huolissaan sähkön riittävyydestä silloin, kun uusiutuvat eivät tuota
2. ihmetteleekö hän miten vaihtelevatuottoisella uusiutuvalla voidaan korvata kaikki fossiiliset energiamuodot

Vaihtoehdot 1 ja 2 voidaan muotoilla toisin:

1. miten maksimoidaan uusiutuvan energian osuus
2. miten fossiilienergiasta päästään eroon

Tynkkysen blogia ovat jo monet ehtineet kommentoimaan mm. täällä, mutta tehdään nyt vielä yksi arvio. Näistä tulee helposti liian pitkiä, koska yhteen lyhyeenkin tekstiin mahtuu paljon käsitteitä ja väitteitä, joiden perusteellinen avaaminen vaatii pitkän vastineen. Aikaakin perusteellisuuteen menee mutta hektisessä nettikeskustelussa pitäisi reagoida nopeasti, mielellän heti. Kirjoitan kuitenkin mieluummin kattavasti ja sellaisia artikkeleita, jotka kestävät aikaa.

Bioenergialla voidaan periaatteessa tuottaa sähköä silloin, kun halutaan.

Voidaan periaatteessa, voidaanko käytännössä? Me tiedämme kokemuksesta, että Suomessakin tuulivoiman teho painuu toisinaan pariin prosenttiin kapasiteetista. Alla on pysyvyyskäyrä Suomen tuulivoiman tehosta viimeisen vuoden ajalta, eli elokuun 2016 lopusta elokuun 2017 loppuun.

Kuva 1. Suomen tuulisähkön pysyvyyskäyrä.

Kuvasta (aukeaa isompana klikkaamalla) nähdään esim. että tuulivoiman teho on alle 10% (140 MW, keltainen apuviiva) asennetusta tehosta kaikkiaan 1746 tuntia eli 2½ kuukautta vuodessa. Äärimmäinen tilanne, alle 2% (28 MW, valkoinen apuviiva) ilmenee 147 tuntia, kuusi vuorokautta vuodessa. Se ei ole paljon, mutta myös näinä aikoina sähköverkkoon tarvitaan kysyntää vastaava teho, joka voi talvisin olla lähellä 15000 MW. Tavalla tai toisella verkon on kyettävä sopeutumaan tuulivoiman vaihteluun, joka on alle kahdesta prosentista lähes sataan prosenttiin asennetusta tehosta.

Huomataan siis, että koko tuulivoiman teho on voitava tuottaa jotenkin toisin silloin kun ei tuule. Periaatteessa se voidaan tehdä bioenergialla, mutta pitääkö meidän rakentaa kokonaan uusi biovoimalaitoskanta tuulettomia aikoja varten? Sellaista kapasiteettia ei ennestään ole olemassa.

Viime vuonna Suomessa tuotettiin sähköstä tuulella 3,8 prosenttia. Samaan aikaan naapurissa Ruotsissa osuus oli 11,4, Romaniassa 12,5, Portugalissa 24,7 ja Tanskassa jo 36,8 prosenttia. Jos siis kymmenkertaistaisimme tuulisähkön osuuden, pääsisimme aikanaan suunnilleen samalle tasolle, jonka kanssa Tanska pärjää jo nykyään.

Tynkkysen mainitsema 3,8 % on Suomen keskitehosta n. 350 MW (punainen apuviiva), mikä asettuu pysyvyyskäyrän keskivaiheille. Se on tuulen keskimääräinen teho.

Mutta verrataan siis Suomea Tanskaan. Tanskassa sähköä tuotetaan tuulivoiman lisäksi hiilellä ja maakaasulla. Otetaan Tanskan tilastosta tuuli- ja fossiilisähkön teho vuodelta 2016 ja piirretään niistä pistekaavio, jossa vaaka-akselilla on fossiiliteho ja pystyakselilla tuuliteho. Mikäli Tanska pystyisi vähentämään fossiilituotantoa tuulen avulla, sen pitäisi näkyä tässä kaaviossa.

Kuva 2. Tanskan tuuli- ja fossiilisähkö, pistekaavio.

Pistejoukosta nähdään, että fossiilisähkön huipputeho on tuulisella säällä on pienempi kuin tuulettomalla, mutta korrelaatio muuten on vähäinen ja pistejoukko on satunnainen.

Piirretään toinen kaavio, jossa verrataan tuulivoiman tehoa sähkön vientiin ja tuontiin Tanskan rajojen yli.

Kuva 3. Tanskan tuulisähkö ja tuonti/vienti, pistekaavio.

Tässä on selvä korrelaatio. Kun tuulisähköä tuotetaan 4000 MW Tanska vie sähköä 2000 MW. Vastaavasti kun ei tuule yhtään, tanska tuo sähköä 2000 MW. Hajontaa on tässäkin kuvassa, mutta viennin ja tuonnin vaihteluväli on jokseenkin sama kuin tuulisähkön maksimiteho, joten Tanska siis hoitaa tuotannon tasaamisen lähes kokonaan tuonnin ja viennin avulla.

Voidaan todeta, että ”Tanska pärjää” tuulivoiman kanssa naapureidensa Saksan, Ruotsin ja Norjan avulla. Tanskan sähkönkulutus on pieni verrattuna naapurimaihin ja siksi Tanska voi tehdä näin. Lienee itsestään selvää, että kaikki maat eivät voi toimia samalla tavalla.

Suomessa kymmenkertainen tuulisähkön määrä tarkoittaisi 15000 MW huipputehoa. Suhteutettuna Tanskan käytäntöön siitä vietäisiin ulos 7500 MW. Tuulettomina aikoina tuotaisiin 7500 MW. Meillä ei ole noin paljon siirtolinjoja muihin maihin. Lisäksi, kun meillä tuulee, tuulee todennäköisesti Ruotsissakin, joten mahtuuko ylimäärä sinnekään? Vastaavasti kun meillä ei tuule, Ruotsissakaan ei välttämättä tuule, joten onko sieltä saatavissa se 7500 MW?

Ensinnäkin tuulivoimaloita kannattaa rakentaa eri puolille maata – ja vähän merellekin. Näin koko maan tasolla saadaan varmemmin tuotettua sähköä, vaikka jossain olisikin hetkellisesti tuuletonta.

Toiseksi laaja sähkömarkkina ja hyvät siirtoyhteydet auttavat ratkaisevasti. Jos Suomessa tuulee jollain hetkellä vähemmän, ehkä Ruotsissa tuulee vastaavasti enemmän. Jos Suomessa paukkupakkaset nostavat kulutuksen tappiinsa, ehkä Baltian puolella sattuu olemaan lauhempaa.

Kartassa nähdään nykyiset ja suunnitellut tuulivoimalat Suomessa.

Kuva 4. Suomen tuulivoimalat kartalla, 2014.

Voimalat on jo nyt hajautettu melko hyvin, joten tehon vaihtelu on se mikä jo alussa todettiin. Tässä vielä Suomen tuulisähkön tuotanto yhden kuukauden ajalta.

Kuva 5. Tuulivoiman tuotanto Suomessa, elokuu 2017.

Onko Pohjoismaiden alueelle hajauttaminen riittävä ratkaisu? Piirretään kaavioon tuulivoiman suhteelliset tehot Tanskasta, Norjasta, Ruotsista, Virosta ja Suomesta.

Kuva 6. Tuulivoiman vaihtelu pohjoismaissa, elokuu 2017.

Suhteellinen teho saadaan jakamalla hetkittäinen teho asennetulla teholla. Näin voidaan paremmin verrata tuuliolosuhteita sellaisten maiden välillä, jossa tuulivoiman asennettu teho on hyvin erisuuruinen. Kuvassa 6 on käytetty liukuvaa 12 tunnin keskiarvoa, koska muuten käyristä tulee liian syheröisiä eikä kuvasta saa mitään selvää. Kuvien 5 ja 6 ajanjakso on sama, elokuu 2017.

Alueen laajentaminen toki vähentää vaihtelua, mutta se on silti edelleen 6..58 %. Jos otetaan alueeksi koko Eurooppa, vaihtelu näyttää tältä.

Kuva 7. Tuulivoiman vaihtelu Euroopassa, elo- syyskuu 217.

Kuvassa 7 tuulivoima on hajautettu koko Euroopan alueelle. Silti tehon vaihtelu on suurta. Käytännössä näin laajalle alueelle hajauttaminen vaatisi nykyiseen verrattuna moninkertaisen määrän siirtoyhteyksiä.

Yksi maa on syytä nostaa erikseen esiin: Irlanti. Saarella tuotetaan sähköstä tuulella jo 27 prosenttia, vaikka siirtoyhteydet muualle ovat olleet vaatimattomia eikä maalla ole merkittäviä määriä vesivoimaa. Jos Irlanti on selvinnyt tuulen vaihtelusta näissä oloissa, eiköhän se onnistu myös Suomelta tulevaisuudessa.

Verrataan siis Suomea Irlantiin. Irlannin sähköntuotantoa pääsee tarkastelemaan tällä sivustolla. Otetaan sieltä kuva, jossa on sähkön kulutus ja tuulisähkön tuotanto viimeisen 30 vuorokauden ajalta.

Kuva 8. Irlannin sähkönkulutus ja tuulivoiman tuotanto, elo- syyskuu 2017.

Nähdään, että kulutuksen vuorokausivaihtelu on 2500…5000 MW. Tuulivoiman teho on kuukauden aikana vaihdellut nollasta 2500 megawattiin. Tästä kuvasta ei nähdä, miten Irlanti on samana ajanjaksona ”selvinnyt tuulen vaihtelusta”, mutta se voidaan päätellä seuraavasta kuvasta.

Kuva 9. Irlannin sähköntuotannon primäärienergianlähteet, elo- syysku 2017.

Tuulen osuus on siis ollut 19 %, hiilen 10 % ja maakaasun 67 %. Toisin sanoen, Irlanti selviää tuulen vaihtelusta polttamalla fossiilisia polttoaineita sen mukaan, kuinka paljon sähköä tuulen lisäksi tarvitaan. Tätäkö Tynkkynen pitää tavoittelemisen arvoisena asiana? Koska tuulisähkö Irlannissa toisinaan käy lähes nollassa, Irlanti tulee säilymään riippuvaisena fossiilisähköstä, rakensipa se tuulivoimaa miten paljon tahansa. Fossiilituotantoa pitää olla käytettävissä koko kulutuksen huipputehoa vastaava määrä, koska toisinaan tuulen teho painuu lähelle nollaa.

Kun tämän tästä nähdään uutisia siitä, miten tuulivoima on halvinta sähköä, niissä on aina tarkasteltu pelkästään tuulisähkön tuotantokustannuksia. Kuten Irlannin esimerkki osoittaa, tuotantokustannus on vasta puolet koko tarinasta. Irlanti joutuu ylläpitämään tuulivoiman vaihtelun vuoksi myös täyden tehon fossiilikapasiteettia. Jos tämä säätövoimateho lasketaan mukaan tuulivoiman kustannuksiin, se ei enää ole halpaa, eikä ilmastoneutraaliakaan.

Sama dilemma pätee yhtä lailla aurinkosähköön. Vaikka aurinkosähkö olisi ilmaista, tulee kustannuksia kaikista niistä järjestelyistä, joilla varmistetaan sähkön saanti aurinkosähkön tuotannonvaihtelusta huolimatta.

Ilmiö on hyvin nähtävissä myös ja etenkin Saksassa. Alla olevasta kuvasta nähdään eri sähköntuotantomuotojen asennettu teho Saksassa.

Kuva 10. Saksan sähköntuotantokapasiteetti, 2002-2017.

Huomataan, että 15 vuotta sitten maassa ollut tuuli+aurinkovoimakapasiteettia juuri ollenkaan. Nyt sitä on yhtä paljon kuin fossiilikapasiteettia. Fossiili+ydinvoimakapasiteettia on kuitenkin täsmälleen sama määrä kuin 15 vuotta sitten. Tämä johtuu siitä, että tuuli+aurinkovoima eivät kykene korvaamaan perinteisiä tuotantomuotoja, ainoastaan vähentämään niiden käyttötarvetta jonkin verran. Voidaan sanoa, että uusiutuvat tuottavat energiaa mutta eivät tehoa. Verkossa pitää olla kulutusta vastaava teho käytettävissä ja siksi Saksa on säilyttänyt fossiili+ydinkapasiteetin, vaikka on samaan aikaan rakentanut toisen mokoman tuuli+aurinkokapasiteettia. Itse asiassa, koska Saksassa on nyt vähemmän ydinvoimakapasiteettia kuin 15 vuotta sitten, fossiilikapasiteettia on vastaavasti enemmän. Näinkö Tynkkynen ajatteli, että asia on hyvä hoitaa?

Neljänneksi sähköä voidaan varastoida silloin, kun sitä on ylen määrin saatavilla – ja purkaa vastaavasti silloin, kun tarve on suurin. Tekniikoista tutuimpia ovat akut.

Akut ovat kyllä tutuimpia, mutta sähköverkon mittakaavassa mahdollisuutta akkuvarastointiin ei ole näköpiirissä. Akut ovat paitsi kalliita, toistaiseksi riippuvaisia ainakin litiumista ja koboltista. Litiumin riittävyydestä kirjoitin aiemmin, mutta ilmeisesti koboltin saatavuus on suurempi pullonkaula. Tuulettomat jaksot voivat kestää päiväkausia, joten tarvittava akkukapasiteetti ylittää kaikki mahdollisuuden rajat.

Koeteltu ratkaisu on myös pumppuvoimala. Laitos varastoi sähköä veden muodossa: vähäisen kysynnän aikana vettä pumpataan ylös, runsaan kysynnän aikana vastaavasti vapautetaan alas ja näin tuotetaan sähköä.

Pumppuvoimala on koeteltu ratkaisu ja idea on yksinkertainen. Ikään kuin ”ladattava” vesivoimala, jossa vettä voidaan pumpata ala-altaasta yläaltaaseen ja muuttaa energia takaisin sähköksi laskemalla vesi alas vesiturbiinin läpi. Näitä on rakennettukin useisiin maihin, jossa ne on tehty geologisesti sopiviin paikkoihin. Tarvittavat vesialtaat ovat valtavan kokoisia, eikä niitä yksinkertaisesti mahdu riittävästi mihinkään. Ei ole olemassa lähimainkaan riittävästi sellaisia geologisia muodostelmia, joihin pumppuvoimaloita voitaisiin rakentaa. Esimerkiksi Tanskan on täysin mahdotonta rakentaa pumppuvoimaloita, koska maassa ei korkeuseroja juuri ole. Tuulettomat jaksot voivat kestää päiväkausia, joten tarvittava pumppuvoimalakapasiteetti on järjettömän kokoinen.

Wikipediassa on luettelo maailman pumppuvoimaloista. Koko Euroopassa on pumppuvoimaa n. 18000 MW. Tehon lisäksi oleellinen tieto on kapasiteetti, eli kuinka paljon energiaa näihin voidaan varastoida. Se tieto Wikipedian artikkelista puuttuu. Pumppuvoimaloita käytetään tyypillisesti vuorokauden sisäiseen säätöön, eli joidenkin minuuttien, korkeintaan tuntien kulutushuippujen tasaamiseen.

Pohjoismaista korkeuserojen puolesta Norjaan voisi rakentaa paljonkin pumppuvoimaa, mutta mihin? Useimmissa Norjan vesivoimaloissa on yläallas, mutta ei ala-allasta, koska voimalat laskevat jokiin. Suoraan mereen laskevat vesivoimalat voisi muuttaa pumppuvoimaloiksi, mutta silloin jouduttaisiin pumppaamaan yläaltaaseen suolaista merivettä, mikä ei luonnon kannalta ole hyvä asia. Periaatteessa Norja voisi padota joitakin vuonoja ja rakentaa näin muodostuviin altaisiin pumppuvoimaloita. Minkä vuonon Norja olisi valmis uhraamaan?

Tynkkynen mainitsee yhtenä ratkaisuna kysyntäjouston. Sitä ei ole toteutettu vielä missään. Kuinka paljon sitä voidaan tehdä ja kuinka nopeasti, sitä ei tiedetä. Meillä teollisuus kuluttaa joka tapauksessa suuren osan sähköstä, ja rohkenen epäillä teollisuuden halukkuutta ajaa tuotantoaan alas ja ylös tuulisuuden mukaan. Koska tuulettomat jaksot voivat kestää päiväkausia…

Kuva 11. Saksan sähköntuotanto, viikko 11 vuonna 2014.

Kuva 11 esittää sähköntuotannon Saksassa yhden viikon ajalta. Arkipäivät ovat olleen tuulettomia. Oli ratkaisu tuulettomia aikoja varten mikä hyvänsä, sen on kyettävä paikkaamaan tuulen jättämää vajetta pitkiä aikoja. Päiväkausia vähintään.

Yhteenveto

Alussa esitin kysymyksen, kumpi on tavoitteena:

1. miten maksimoidaan uusiutuvan energian osuus
2. miten fossiilienergiasta päästään eroon

Tynkkysen kirjoituksesta päätellen hän vastaa kysymykseen 1, jolloin hän on vastauksessaan täysin oikeassa: Meillä on keinot paikata tuulivoiman vaihtelun aiheuttamat tehovajeet ilman, että sähköverkon käytettävyys siitä kärsii. Irlanti on tehnyt juuri näin. Itse olen etsimässä vastausta kysymykseen 2, jolloin Tynkkyset ratkaisut eivät päde.

Vuonna 2015 kirjoitin Antero Vartialle otsikolla:

Vihreiden etu ei ole kenenkään etu

Tähän hän vastasi videolla:

Myös Vartia on oikeassa siinä, että kuluttajan ei tarvitse olla huolissaan uusiutuvien lisääntymisestä, kyllä töpselistä tulee sähköä jatkossakin ja valotkin kyllä palavat.

Kumpikaan, Tynkkynen tai Vartia, eivät ole vastanneet kysymykseen:

Miten me vaihtelevatuottoisen uusiutuvan energian avulla lopetamme fossiilisten polttoaineiden käytön?

Sehän on kuitenkin tavoitteena. Vai onko?

Usein sanotaan, että tuulivoiman rakentaminen on ”askel oikeaan suuntaan”. Päästäänkö tällä tiellä perille? Jos mielimme Kuuhun, lähdemmekö liikkeelle lentokoneella ja toteamme, että se on askel oikeaan suuntaan? Alkumatka menee hyvin, pääsemme kilometri kilometrin perään lähemmäs kuuta, mutta pääsemmekö perille? Joudumme kenties palaamaan takaisin, rakentamaan kuitenkin sen raketin ja lähtemään uudelleen matkaan.

Sähköntuotannossa sen raketin nimi on ydinenergia. Lentokoneillekin on toki käyttöä, ja pääasia että nyt rakennetaan edes niitä, mutta vain niihin luottamalla matkanteko katkeaa ennen kuin kunnolla alkaakaan.

Suomessa sähköntuotanto on kuitenkin hyvällä mallilla ja sähkömme lukeutuu Euroopan puhtaimpiin, ollen selvästi puhtaampaa kuin vaikkapa Tanskassa ja Saksassa.