Pörssisähkön energian hinta vaihtelee voimakkaasti sähköntuotannon ja kulutuksen tasapainon mukaan. Tarkemmin sanottuna hinta määräytyy tunneittain riittävään sähköntuotantoon vaadittavan kalleimman tuotantomuodon mukaan. Tähän vaikuttaa globaalisti niin tuotannossa kuin kulutuksessa tapahtuvat äkilliset suuret muutokset. Näitä muutoksia tasaamalla voidaan tasoittaa myös hinnanmuodostusta. Koska tuotantoa on vaikeaa, hyvin kallista tai jopa mahdotonta lisätä äkillisesti määräänsä enempää, on kulutuksen pienentäminen kulutushuippujen aikaan usein ainoa vaihtoehto. Tätä kutsutaan kysyntäjoustoksi. Kysyntäjousto voidaan jakaa karkeasti ”omaehtoiseen”, pörssihinnan ohjaamaan kulutustottumusten muokkaamiseen sekä keskitetysti ohjattuun ”pakotettuun” kulutuksen vähentämiseen. Molemmilla on oma paikkansa sähkömarkkinoilla, mutta jälkimmäistä voidaan tietyin ehdoin kutsua virtuaalivoimalaitokseksi.
Kuvassa 1 esitetään Suomen alueen vuorokausimarkkinoiden yhden yksittäisen tunnin tuotanto- ja kulutustarjoukset. Vaaka-akselilla on teho (MW) ja pystyakselilla on energian hinta (eur/MWh). Koska kyseessä on yhden tunnin mittainen jakso, voidaan vaaka-akseliksi sanoa myös tunnin aikainen energia (MWh) tai näin laskettu tunnin keskiteho (MWh/h) lukuarvon ollessa tässä tapauksessa sama. Sininen käyrä kuvaa tuotantotarjouksia ja punainen kulutustarjouksia. Pystykatkoviivoilla rajattu alue kuvaa kulutuksen määrän jouston vaikutusmahdollisuuksia hintaan. Käyrien leikkauspiste kertoo energian hinnan kyseisen tunnin aikana. Käyrien yläpuolelle piirretyillä aaltosulkeilla on merkitty tuotannon maksimikapasiteetin (sininen pystysuora viiva) ja kulutuksen minimin (punainen laskeva käyrä) välinen erotus kyseisen tunnin aikana. Tämä marginaali antaa sähköverkolle vakautta ja toimintavarmuutta. Jos marginaali on hyvin pieni (kuten tässä kuvassa on) ja verkossa tai tuotannossa tapahtuu joku odottamaton vika, saattaa helposti koko verkon toiminta vaarantua.
Graafiin on siis koottu kyseiselle tunnille annetut tarjoukset niin suurten kuluttajien lupaamista sähköenergian ostohinnoista sekä tuottajien lupaamista myyntihinnoista. Jokainen myyjä ja ostaja on määritellyt myös tarvitsemansa tai tuottamansa sähköenergian (tai keskitehon) määrän kyseiselle tunnille. Näin koottu monimutkainen tieto on järjestetty suuruusjärjestykseen siten että on saatu kyseiset käyrät aikaan. Tuotantokäyrässä vasemmalla näkyvä pitkä vaakasuora osuus negatiivisella tuotantohinnalla kuvaa perustuotantoa, mitä on hyvin vaikea kytkeä pois kyseisen tunnin aikana. Nollahinnan jälkeen tuotantokustannukset alkavat nousta mitä suurempaa keskitehoa vaaditaan tai tarjotaan. Ostotarjousten puolella taas pörssihinnoitteluun sovittu maksimi 4000 € / MWh (pienkuluttajahintoina tutumpi 4 € / kWh) tarjotaan ja merkitään vähintään tarvittavalle tunnin energialle tai keskiteholle. Siitä siis oltaisiin tarvittaessa valmiita maksamaan jopa asetettu maksimihinta. Graafissa esitetty jousto-osuus keskitehosta muodostuu siis ns. vapaaehtoisista tai ehdollisista kuormista, mistä ei olla valmiita maksamaan niin paljoa. Osa kuormista on jopa sellaisia, että niitä ollaan valmiita kytkemään vasta hätätilanteessa päälle, eli jos energian hinta on negatiivinen.
Kysyntäjoustoa voidaan toteuttaa monelle eri tavalla.
Omaehtoista kysyntäjoustoa on yksittäisen kuluttajan oma päätös siirtää kulutusta pois kalliilta tunnilta halvemmille tunneille. Tämä tyypillisesti on alla olevan kuvan mukaista ”Load shifting” eli kuormituksen siirtoa pois huippukuormitushetkeltä pienemmän kuormituksen ajalle. Tämä koostuu tavallaan kahdesta eri osasta, mitkä on kuvassa myös eritelty huipun leikkaamisena (Peak clipping) sekä laaksojen täyttämisenä (Valley filling).
Kuvassa nähdään myös, kuinka strateginen kuormitusten kasvaminen vaikuttaa tasaisesti koko käyrän nousuna kaikkina aikoina. Vastaavasti energiatehokkuuden parantamisella saadaan kuormitusten tehoa laskettua tasaisesti koko ajalta.
Toinen kysyntäjoustotyyppi on keskitetysti ohjattu – joko sähköyhtiön tai jonkun kolmannen osapuolen toimesta – kuormien päälle tai pois kytkentä. Tällä voidaan keskitetysti hoitaa erikseen edellä mainittuja kuorman huipputehon leikkauksia tai vajaakuormituksen täydentämisiä. Näiden ohjausten määräävänä tekijänä voidaan käyttää myös suoraan verkon taajuutta, joka pyrkii kasvamaan mikäli tuotantoa on enemmän kuin kulutusta ja laskemaan mikäli kulutusta on enemmän kuin tuotantoa. Tämä on helppo ymmärtää, vaikka polkupyörällä tasaisella polkemisvoimalla
saavuttaessa ylämäkeen tai alamäkeen. Vauhti hidastuu tai kiihtyy kuormituksen muuttuessa tasaisella vauhdin ylläpitämiseen vaadittavan polkuvoiman (tai -tehon) yli tai alle. Sama ilmiö tapahtuu sähköverkon kaikissa pyörivissä generaattoreissa.
Sähköverkon tasapainottamiseen käytettävää keskitettyä kysyntäjoustoa – tai mahdollista virtuaalivoimalaitosta – voidaan aidosti käyttää vain silloin, kun tietyn ennalta tiedossa olevan tehon verran kuormitusta voidaan todellisuudessa saada tarpeen vaatiessa pois verkosta (tai toisissa tilanteissa ”ylimääräistä kuormitusta” saada verkkoon lisää). Tämän takia tämän tyyppinen kysyntäjousto tulee helpommin toteutumaan suurten ja keskisuurten sähkön kuluttajien (tyypillisesti suurten ja keskisuurten yritysten) toimesta. Pienkuluttajien irti kytkettäviä kuormituksia niputtamalla voidaan mahdollisesti muodostaa myös virtuaalivoimalaitoksia, mutta tässä ennalta sovitun kuormituksen muutoksen toteutuminen voi olla haastavampaa luvata ja toteuttaa käytännössä.
Miksi kysyntäjoustoa
Aikaisemmin sähkön hinta on seurannut pääosin kulutusta; kun päivällä kulutusta on enemmän, on hinta ollut kalliimpi. Yöllä vastaavasti kulutuksen ollessa pientä on hinta ollut myös huomattavasti pienempi. Tuulivoiman voimakkaan lisääntymisen myötä hinnan voimakkaammaksi määrittelijäksi onkin noussut tuulen mukaan vaihteleva tuotanto; tuulivoiman saatavuuden ollessa korkeimmillaan on hinta huomattavasti matalampi, mutta vähätuulisina jaksoina sähköenergian hinta on noussut välillä huomattavan korkeaksi. Tästä voidaan huomata, että perinteisen sähköntuotantomallin mukaisia säätövoiman lähteitä tarvitaan edelleen, osittain jopa huomattavasti enemmän kuin aikaisemmin. Ennen säätöä on tarvittu tasaamaan kulutuksen vaihteluita, mutta nyt säätöä tarvitaan tämän lisäksi tasaamaan yhä kasvavaa tuulivoimatuotannon vaihtelua.
Edellä mainittujen sääriippuvaisten tuotantomuotojen, kuten tuuli- ja aurinkosähkön, voimakas kasvu vaatii siis sähköverkon vakaana pitämiseen entistä voimakkaampia joustoja. Erilaiset energiavarastot ovat tietysti yksi, ja osittain välttämätönkin, ratkaisu. Kuitenkin tuotannon vaihtelut voivat olla niin suuria ja osin pitkäkestoisia, että riittävän kokoisten energiavarastojen hankkiminen on vielä joko teknisesti tai taloudellisesti hyvin haastavaa tai lähes mahdotonta. Siksi tarvitaan ääri tilanteita tasapainottamaan kysyntäjoustoa.
Kuvan 5 käyrässä nähdään Suomessa vuoden 2020 toteutuneen sähkön pörssihinnan histogrammi sekä ennuste vastaavasta hinnoittelusta vuodelle 2050. Alla olevassa käyrästössä nähdään jo vastaavan suuntainen muutos vain 4 vuoden erolla toisiinsa; vuosilta 2018 ja 2022 toteutuneiden
sähköpörssihintojen vertailuna. Molemmissa käyrästöissä nähdään, että sekä 2018 että 2020 kalliita tuntihintoja oli hyvin vähän. Ylemmässä graafissa vaaka-asteikkona on prosentit vuoden tunneista. Alemmassa graafissa idea on täysin sama, mutta asteikkona nähdään vuoden tuntien lukemat. Voidaan siis sanoa, että näissä molemmissa vuosien 2018 ja 2020 kalliita tuntihintoja oli reilusti alle 5 % vuoden tunneista. Vastaavasti kovin halpoja hintoja on myös molemmissa vain noin 5 % tai alle. Varsinkin vuoden 2018 hintojen histogrammissa nähdään pitkä tasainen osuus, mikä tarkoittaa että suurimman osan vuodesta hinta on ollut kohtalaisen tasainen. Vuoden 2020 käyrä on myös kohtalaisen tasainen pitkältä osalta. Vuoden 2022 käyrä sen sijaan ylittää monelta kohdin jopa vuoden 2050 ennusteen. Tämä kyseinen vuosi olikin monilta osin hyvin poikkeuksellinen, mutta näyttää myös, että kasvava epävarmuus sähkömarkkinoilla ja sähkön saatavuudessa aiheuttaa huomattavan suuria heilahteluja sähkön hintaan. Käyrästä puuttuu lähes kokonaan vaakasuora osuus, toisaalta hinta on ollut joitakin tunteja jopa hieman negatiivinen.
Yksittäinen kuluttaja hyötyy suoraan rahallisesti siirtämällä omaehtoisesti omaa kulutustaan pois kalleilta tunneilta, mikäli mahdollista. Myös sähköverkon toimintavarmuus hyötyy näistä hinnan säästön ehdoilla tapahtuvista omaehtoisista siirroista. Kulutuksen siirtyessä halvimmille tunneille myös hyödyttää sähköverkon tasapainoa. Mitä suurempi sähkön kuluttaja sen enemmän ja varmemmin omilla kuormituksillaan voi osallistua myös suoraan sähkömarkkinoilla toimiviin erilaisiin verkon tasapainotusta tukeviin keskitetysti hallittuihin kysyntäjoustotuotteisiin.
