Toimisiko Lokka ja Porttipahta pumppuvoimalana?

Sattui silmiini artikkeli otsikolla Tuulienergian varastointiin olisi tarjolla helppo ratkaisu.

Ingeressi kertoo idean:

”Ylimääräisen tuuli­energian aikana pumpataan ­vettä Porttipahdasta Lokkaan ja ­otetaan energia talteen ­tuulettomina ­aikoina yläaltaasta virtaavasta ­vedestä generaattorin avulla”, kirjoittaa tien- ja vesirakennusinsinööri Markku Isoaho.

Kuva: Luettelo Suomen sadasta suurimmasta järvestä

Ajatus Lokan ja Porttipahdan käyttämisestä pumppuvoimalan ylä- ja ala-altaana ei ole uusi. Muistan kuulleeni ideasta jo vuosia sitten, mutten ole sitä sen kummemmin miettinyt. Pumppuvoimala itsessään on kaikkein kustannustehokkain menetelmä sähköenergian varastointiin ja ainoa, mikä toistaiseksi on ollut mahdollista skaalata teolliseen mittakaavaan. Niitä on maailmalla useita kymmeniä, ehkä satoja.

Pumppuvoimalan idea on yksinkertainen. Halvan sähkön aikana pumpataan vettä ala-altaasta yläaltaaseen. Kalliin sähkön aikana vastaavasti lasketaan vettä turbiinin läpi päinvastaiseen suuntaan. Systeemin hyötysuhde on kohtalaisen hyvä, 70-80 %. Alla havainnollinen video pumppuvoimalan toiminnasta.

Suomessa on vähän, jos ollenkaan tähän tarkoitukseen sopivia geologisia muodostelmia. Voisiko Lokka ja Porttipahta olla sopiva paikka? Lasketaanpa siis, millainen energiamäärä tähän olisi mahdollista varastoida ja arvioidaan sitten, onko se ratkaisu tuulienergian varastointiin vai ei. Pumppuvoimalalle, samoin kuin tavalliselle vesivoimalalle, edullista olisi mahdollisimman iso korkeusero, jolloin tarvittava vesimäärä on mahdollisimman pieni. Suomessa on tyydyttävä Suomen maaston pieniin korkeuseroihin.

Käytetään Wikipediasta löytyviä lähtötietoja. Tarvitsemme altaiden pinta-alat ja pintojen korkeudet merenpinnasta.

	Lokka	Porttipahta
Pinta-ala:	300	150	km²
Pinnankorkeus:	240-245	234-245	m

Virtaussuunta on Lokasta Porttipahtaan. Altaiden pinnankorkeudet ovat ylimmillään tasoissa, mutta Porttipahdan alavesipinta voi olla kuusi metriä alempana kuin Lokan.

Ajatellaan lähtötilanne, jossa Lokka on täynnä ja Porttipahta tyhjä. Pinnat ovat silloin 245 m ja 234 m, korkeuseroa on 11 metriä.

Molempien altaiden pinta-ala vaihtelee huomattavasti pinnankorkeuden mukaan, koska rannat ovat loivia. Käytetään esimerkissä altaiden keskimääräisiä pinta-aloja. Suuruusluokkatarkastelussa tämä tarkkuus riittää hyvin. Koska Lokan pinta-ala on kaksi kertaa suurempi kuin Porttipahdan, nousee Porttipahdan pinta kahdella metrillä, kun valutetaan yksi metri vettä Lokasta. Käytetään tässä esimerkissä korkeuseroa välillä 11 ja 5 metriä. Keskimääräinen pinnankorkeusero on kahdeksan metriä.

Kun Lokan pinta laskee kaksi metriä, Porttipahdan pinta nousee neljä metriä, jolloin ollaan saavutettu alaraja, viiden metrin pinnankorkeusero.

Potentiaalienergia lasketaan kaavasta E = mgh, jossa m on (veden) massa, g on Maan painovoiman kiihtyvyys ja h on korkeusero.

Kahden metrin paksuisen vesikerroksen tilavuus Lokassa on 600.000.000 m² ja sen massa saman verran tonneissa. Nyt voidaankin sijoittaa luvut kaavaan ja laskea.

E = 600.000.000 t x 9,82 m/s² x 8 m = 16203 GJ = 47100 GJ ~ 13000 MWh

Ei ihan mitätön määrä, mutta ei kovin suurikaan. Se vastaa koko Suomen noin tunnin talviajan sähkönkulutusta. Olkiluoto 3 tuottaa saman verran kahdeksassa tunnissa. Kaikki Suomen tuulivoimalat täysillä pyöriessään tuottavat sen suunnilleen neljässä tunnissa.

Varastoidun energiamäärän lisäksi ratkaisevaa on voimalasta saatava teho. Katsotaanpa, kuinka paljon virtaamaa tarvittaisiin, jos systeemistä otettaisiin 100 MW tehoa.

Koska korkeuseroa on käytettävissä aika vähän, tarvitaan virtaamaa vastaavasti paljon. 13000 MWh kapasiteettia voidaan 100 MW purkaa teholla viisi ja puoli vuorokautta. Sinä aikana turbiinin läpi pitää laskea koko tuo 600 miljoonaa kuutiota vettä. Keskimääräisenä sekuntivirtaamana se tekee 1273 m³/s. Tämä esimerkiksi yli kolme kertaa enemmän kuin Kemijoen virtaama.

Lokka ja Porttipahta ovat yhteydessä toisiinsa suluttoman, kymmenen kilometrin mittaisen Vuotson kanavan kautta. Kanavan leveys on n. 40 metriä ja siinä on 1,5 metrin syväyksellä merkitty veneväylä. Jos kanavan syvyys olisi 2 metriä, sen poikkipinta-ala olisi 80 m². Jotta sitä pitkin saataisiin virtaamaksi 1273 m³/s, tarvittaisiin virtausnopeudeksi 1273 m³/s / 80 m² = 16 metriä sekunnissa, mikä vastannee jo vuolasta koskea.

Jotta kahden vesialtaan välille voidaan rakentaa vesivoimala, pitää eri korkuiset vedet olla melko lähellä toisiaan. Vuotson kanava ei tarkoitukseen kelpaa, ellei sitä pengerretä koko matkalta siten, että veden korkeus kanavassa Porttipahdan rannalla on sama kuin Lokassa. Melko varmasti kanavaa pitäisi myös leventää melkoisesti, jotta vaadittu vesimäärä mahtuu siinä virtaamaan.

Laskelmissa ei ole huomioitu hyötysuhdetta. Pumppuvoimalan täyden syklin (lataus-purku) hyötysuhde on välillä 70%–80%. Todellinen kapasiteetti jäisi n. 10000 megawattiin. Tietenkin altaiden korkeuserosta voitaisiin hyödyntää enemmänkin kuin tässä esimerkissä käytetty noin puolet, mutta mitä pienemmäksi korkeusero menee, sen vähemmän energiaa samasta vesimäärästä saadaan.

Yhteenveto

Lokan ja Porttipahdan tekoaltaista voidaan rakentaa pumppuvoimala, teknistä estettä sille ei ole. Voimalan varastointikapasiteetiksi saataisiin noin 10000 MWh. Rakentaminen vaatisi massiivisia maansiirtotöitä, altaita yhdistävän kanavan pengerrystä, tai vaihtoehtoisesti tunnelin kaivamista altaiden välille. Systeemin maksimitehoa rajoittaa pienestä korkeuserosta johtuva suuri virtaana ja sen vaatima suuriläpimittainen kanava/kanavat/tunnelit. Kohtuudella voidaan tavoitella muutamien kymmenien tai ehkä sadan megawatin tehoa.

Paikallisten olosuhteiden lisäksi ratkaisuun vaikuttavat kyseiseen vesistöön liittyvät, jo olemassa olevat vesivoimalat, sekä paikalliset vesiolosuhteet. Miten mahdollinen pumppuvoimala vaikuttaisi vesivoimaloihin ja lumen sulamisvesien valumiin? Jos altaiden koko tilavuus tarvittaisiin sulamisvesien hallintaan, se vähentäisi pumppuvoimalan käytettävyyttä.

Kuten alussa todettiin, idea Lokan ja Porttipahdan käyttämisestä pumppuvoimalan altaina on keksitty jo kauan sitten, ja ehkä hyvästä syystä unohdettu silloinkin. Sekä voimalan teoreettinen sähkön varastointikapasiteetti että teho olisivat jokseenkin merkityksettömiä koko Suomen sähköverkon kannalta, ja mitätön olemassa olevien vesivoimaloiden säätökykyyn verrattuna. Helppoa ja tehokasta ratkaisua sähkön varastointiin pumppuvoimalalla Suomen olosuhteissa ei ole olemassa.

Sähkövarastolla voi joka tapauksessa sen koosta riippumatta tehdä rahaa lataamalla varastoa halvalla sähköllä ja myymällä kalliimmalla. Jos esim. ladataan 100 MW teholla viiden tunnin ajan kun sähkö maksaa 10 €/MWh saadaan talteen 500 MWh hintaan 5000 €. Kun 500 MWh myydään hintaan 50 €/MWh, saadaan 25000 € ja tehdään voittoa 20000 €. Jos tällaisia syklejä on vuodessa vaikka 200 kpl, saadaan vuosituotoksi neljä miljoonaan euroa. Lokka-Porttioahta -voimalan taloudellinen tarkastelu edellyttäisi luonnollisesti tarkempaa analyysiä, jossa pitää ottaa huomioon mm. sähkövero, sähköliittymän ja siirron hinta sekä voimalan kunnossapito-, pääoma ja muut kulut. Tarkemmat talouslaskelmat jätän jonkun muun tehtäväksi. Sähkön suuret hintavaihtelut ovat todennäköisesti tulleet jäädäkseen, joten varastoille saattaa kyllä löytyy kannattavuutta.