Johdanto
Uusiutuvat energiantuotantomuodot ovat yleistyneet voimakkaasti viime vuosina. Niiden käytön lisääminen pohjautuu osin Pariisin ilmastosopimukseen määritelmiin, sekä tarpeeseen irtautua fossiilisista polttoaineista. Asialla on toki myös maailmantalouteen liittyviä poliittisia ajureita. Uusiutuvien energiantuotantomuotojen, kuten aurinkosähkö ja tuulivoima, tuotos perustuu vallitsevaan ilmanalaan. Ilmanala voi vaihdella nopeastikin ja se aiheuttaa tarpeen tasapainottaa sähköverkkoa, koska sähköverkossa tuotannon ja kulutuksen tulee olla jokaisena ajankohtana mahdollisimman hyvin tasapainossa (Letcher, 2016). Sähköverkkoa tasapainotetaan erilaisilla energiavarastoilla, joista tässä artikkelissa keskitytään energiavarasto tyypeistä yleisimmin käytettyyn, eli pumppuvoimalaan. Pumppuvoimalat ovat globaalisti merkittävin suuren kokoluokan sähköenergian varastointimenetelmä, kuten kuvasta 1 ilmenee. Pumppuvoimalat ovat saavuttaneet valta-asemansa suurimpana energiavarastona, niiden yksinkertaisen rakenteen ja kustannustehokkuutensa ansiosta (EERA, 2016).
Uusiutuvan energian haasteet
Uusiutuvien energialähteiden, kuten tuulivoimaloiden ja aurinkovoimaloiden, lisääntyminen on jo aiheuttanut sähkönsiirtoverkollemme haasteita. Uusiutuvien energialähteiden sähköntuotanto on voimakkaasti sidoksissa vallitsevaan ilmanalaan, jolle nopeat säänvaihtelut ovat tyypillisiä. Säätyyppien muutokset voivat aiheuttaa myös pitkäkestoista ongelmaa. Tällainen tuotannon häiriötila voi olla esimerkiksi talven tuuleton pakkasjakso, joka aiheuttaa tuulivoima puistoille negatiivisen tuotoksen. Tuulivoimalat eivät tuota mitään, mutta lapojen lämmitysvastuksien tulee saada sähköä, jotta lavat eivät pääse jäätymään. Tästä johtuen sähköverkon säätäminen on ennennäkemättömissä haasteissa. Haasteita ilmenee varsinkin inertian (taajuustasapaino) kanssa. Sähköverkon inertia on aikaisemmin saavutettu raskasmassaisten tahtigeneraattorien kautta.
Nyt kun uusiutuvat energialähteet ovat jo merkittävässä asemassa Suomen sähköntuotannossa, niin sähköverkon inertia heikkenee uusiutuvien tuotantomuotojen funktiona ja sitä joudutaan lisäämään joko keinotekoisesti tai käynnistämällä inertiaa tuottavaa tuotantoa (kuten vesi- tai pumppuvoimala). Vaikka tuulivoimalassa on suuria tahtigeneraattoreita sähköä tuottamassa, ei niiden inertiaa kyetä vielä siirtämään sähköverkkoon. Tuulivoimala pyörii vaihtelevalla nopeudella kulloiseenkin tuulen voimakkuuteen perustuen. Tämä tuotos ajetaan sähköverkkoon taajuusmuuttajien kautta. Taajuusmuuttajien kehityskaari on siltä osin vielä vaillinainen, että ne eivät kykene siirtämään tahtigeneraattorin tuottamaa inertiaa sähköverkkoon (Laatikainen, 2017).
Edellä mainittujen haasteiden vuoksi, sähköverkkoon tulee rakentaa energiavarastoja, jotka kykenevät sekä nopeaan sähköverkon säätöön että suureen kapasiteettiin. Maailmalla suuren suosion saavuttanut tekniikka – pumppuvoimala – soveltuukin sekä nopeaan sähköverkon säätämiseen että suureen kapasiteettiin. Suomessa ei siis ole vielä yhtään toiminnassa olevaa pumppuvoimalaa. Nyt kuitenkin Suomen ensimmäinen pumppuvoimala on lähempänä toteutumista, kuin koskaan aikaisemmin. Kyseinen pumppuvoimala on suunnitteluvaiheessa ja se on tarkoitus rakentaa Pyhäsalmen kaivokseen. Valmistuessaan se olisi maailman ”korkein” kaivokseen rakennettu pumppuvoimala. EPV ilmoittaa myös, että pumppuvoimala olisi maailman ensimmäinen kaivokseen rakennettu voimala. Pumppuvoimalaitoksen rakentaminen 1445m syvään kaivokseen onkin merkittävä hanke ja se on herättänyt, ansaitusti, kansainvälistä kiinnostusta (EPV, 2023).
Pumppuvoimaloita
Pumppuvoimaloita on tutkittu maailmalla laajasti. Tässä case-esimerkkinä käytetystä Pyhäsalmen voimalasta tutkimus on vielä vähäistä, johtuen hankkeen varhaisesta vaiheesta.
Kuvasta 2 esitetään pumppuvoimalaitoksen perusrakenne. Sen tekniikka on hyvin tunnettua ja vähäistä huoltoa vaativaa. Tyypillisesti, tällaiset pumppuvoimalat kykenevät tuottamaan sähköä verkkoon sekunneissa sähköverkon niin vaatiessa. Käytännössä kuitenkin käynnistysajat ovat kuitenkin minuutista viiteen minuuttiin välillä, mikäli tuotanto käynnistetään täydestä seisokista käsin (Alami, 2020; Alanärä, 2020)
Pumppuvoimalat voidaan sijoittaa joko joen, meren tai muun vesistön yhteyteen. Tällaiset voimalat ovat avoimen- tai vapaankierron voimaloita. Case-esimerkissä kerrotaan Pyhäsalmen kaivokseen suunniteltavasta voimalasta, joka olisi veden kierroltaan täysin suljettu ja pääosin maan sisään, käytöstä poistettuun kaivokseen, sijoittuva (Ramula, 2021).
Maanalainen pumppuvoimalaitos on yksi tutkimuksessa paljon huomiota saanut ja toteutustavaltaan tuore laitostyyppi. Rakenteeltaan voimalatyyppi eroaa vapaan kierron voimaloihin nähden merkittävästi: Maanalaisen voimalan alempi allas sijaitsee onkalossa, joka voi olla luonnon tai ihmisen muovaama, esim. kaivos. Ylempi allas on maanpinnan tasolla. Voimalasta saatava tuotettu energiamäärä on suoraan verrannollinen altaiden väliseen korkeuseroon. Korkeuseroa rajoittavana tekijänä on yleisesti laitetoimittajien tuotteilleen määrittelemät nostokorkeus rajoitukset. Altaiden korkeusero voi olla jopa yli 1000m, kuitenkin tyypillisimmillään 300m tai vähemmän. Voimalaa puoltavia tekijöitä on mm. vähäiset ympäristövaikutukset, maisemalliset tekijät, suljettu ja valvottu veden kierto, ei tarvetta vesistön läheisyydelle. Laitosta puoltavana tekijänä nähdään myös laitoksen suuret tekniset tuotantolaitteistot, jotka ovat pääosin maan alla näkymättömissä (EERA, 2016). Pumppuvoimalat vaativat merkittäviä korkeuseroja toimiakseen. Tämä onkin yksi keskeinen tekijä liittyen siihen, miksi Suomeen ei aikaisemmin ole rakennettu pumppuvoimaloita. Suomalaisten vesivoimaloiden pudotuskorkeudet ovat tyypillisesti 5-30 metriä (Alanärä, 2020).
Pumppuvoimalan maanalaista voimalatyyppi ei kuitenkaan ole taloudellisesti kannattavaa rakentaa paikkaan, jossa jouduttaisiin ensin louhimaan laitoksen vaatima tilavuus kiven sisään. Tutkijat ovatkin yksimielinen siitä, että kaivokseen sijoitettava pumppuvoimala voisi olla kannattava(Hester & Harrison, 2018). Pumppuvoimaloissa pudotuskorkeus tulisi olla reilusti enemmän, johtuen pudotuskorkeuden tarjoamasta tuotantotehosta. Pyhäsalmen pumppuvoimalassa pudotuskorkeus tulisi olemaan 1400m, sellaisenaan se olisi maailmanennätys pudotuskorkeudessa mitattuna. Pumppuvoimalan kapasiteetti on myös verrannollinen yläaltaan kokoon ja kokonaisvesimäärään. Voimalan teho riippuu toki myös asennettujen turbiinien tehosta ja määrästä. Turbiineja asennetaan yleisesti useita rinnakkain, jotta tehoa saadaan riittävästi, yleisesti useita megawattitunteja (EPV, 2023).
Vesivoima on jo vanha keksintö, jota on osattu hyödyntää 1880- luvulta lähtien, eli pumppuvoimalan tekniikka on osoitettu varmatoimiseksi. Ensimmäiset pumppuvoimalat valmistuivat 1890-luvulla Alpeille, Sveitsiin ja Italiaan, paikallisen tuotantoteollisuuden tarpeisiin (Letcher, 2016). Vesivoimalla toimiva pumppuvoimala kykenee reagoimaan nopeasti verkon vaihteluihin, toisin kuin prosessilaitos, kuten ydinvoimala. Pumppuvoimaloiden elinkaari on pitkä, 50-100 vuotta, mikä tarjoaa merkittävää etua muihin energianvarastointitapoihin verrattuna sähkövarauksellisia akkuja (Blakers et al., 2021).
Pyhäsalmen kaivos ja pumppuvoimala projekti
Pyhäsalmen kaivos (Kuvassa 3) on ollut jo vuosia uutisissa erinäisistä kaivokseen suunnitelluista hankkeista, milloin kaivokseen on suunniteltu kasvien kasvatusta keinovalolla, milloin yrityspuistoa(YLE Uutiset, 2016, 2019, 2022). Nyt kaivoksesta on kiinnostunut EPV Energia Oy (jäljempänä EPV), joka tunnetaan merkittävänä uusiutuvien energiantuotantomuotojen rakentajana. Parhaiten EPV tunnetaan tuulivoimapuistoistaan. EPV on, liiketoimintansa luonteesta johtuen, kiinnostunut sähköverkon säätämisestä ja toisaalta myös tasaisen sähköntuotannon mahdollistamisesta. Tätä taustaa vasten he ovat päätyneet käynnistämään suunnittelun Pyhäsalmen kaivokseen sijoittuvasta pumppuvoimalasta. EPV on saanut TEM:tä (Työ- ja elinkeinoministeriö) 26,3M€ investointitukea hankkeen valmistelua varten. Myönnetty investointituki vastaa noin 21% osuutta koko hankkeen 125,3M€ kokonaiskustannusarviosta (EPV, 2023; TEM, 2021). Hankeen muut tärkeimmät luvut esitetty taulukossa 1 alla.
Pyhäjärven energiavarasto käyttää yleistä tekniikkaa, jota käytetään yli 96 prosentissa energiavarastoista. Suunnitelmia Pyhäsalmen energiavarastosta tukevat sen pitkä käyttöikä, koko (7 tuntia) sekä vesialtaan tilavuus (162 000 m3). Lisäksi sillä on erinomainen hyötysuhde (77 %), pienet käyttökustannukset ja vähäinen tarve huolto- ja korvausinvestoinneille. VTT:n tutkimusten mukaan tällainen laitos voi tuottaa potentiaalisia tuloja jopa noin 9,5 miljoonaa euroa vuodessa 75 MW:n varastokapasiteetilla (Pyhäjärven Callio, 2023).
| Pyhäsalmen energiavarasto Lukuina |
|---|
| Teho 75 MW / Kapasiteetti 530MWh |
| Tuotantoaika 7 tuntia (latauksen purkaus) |
| Veden pumppaaminen takaisin yläaltaaseen 9 tuntia (lataus) |
| Arvioidut rakennuskustannukset 125 miljoona euroa v. 2022. Arvioidut kustannusten nousun vaikutus projektin hintaan olisi noin 10-20 prosenttia |
| Työ- ja elinkeinoministeriö myöntämät investointituet hankkeelle vuonna 2021, 26,3 miljoonaa euroa |
| Rakennusaikainen työvoimatarve noin 600 henkilötyövuotta ja käynnistyttyään laitos työllistäisi noin 5 – 20 henkilöä |
Pyhäsalmen pumppuvoimala toimisi energiavarastona, ikään kuin suurena akkuna. Voimala tulisi olemaan ympäristöystävällinen ja vesikierroltaan suljettu. Projektin kokonaisuuteen kuuluu yksinkertaistettuna ylä- ja alavesialtaat, sekä alavesialtaan yhteyteen rakennettava vesivoimayksikkö. Tämä energiavarasto kykenee reagoimaan huomattavan nopeasti ja huomattavan suurella volyymilla tuotannon ja kulutuksen välisen epäsuhdan vaihteluihin. Toimintaperiaate on, että matalan sähkönhinnan aikaan vettä pumpataan yläaltaaseen varastoon ja korkean sähkönhinnan aikaan sitä ajetaan yläaltaasta turbiinin läpi alamman altaaseen. Mikäli kysyntä on suurta tuotannon ollessa vähäistä, sähköä tuotetaan kuten perinteisessä vesivoimalaitoksessa. Prosessissa käytettävä vesi puhdistetaan ja on suljetussa kierrossa, joten se ei joudu tai sotke luonnon omaa veden kiertoa (EPV, 2023; Sula, 2022)
Johtopäätökset
Sähköverkko tarvitsee huomattavan määrän säätövoimaa ja energiavarastoja, joihin pumppuvoimala soveltuisi mainiosti sen ominaisuuksista johtuen: varmatoiminen, pitkäikäinen ja vain vähäistä huoltoa vaativa, sekä nopeasti reagoiva että, kapasiteetiltaan merkittävä.
Suomessa on ollut yleisesti ottaen aika stabiili sähköntuotannon ja kulutuskulttuuri. Tästä johtuen ei ollut kiinnostusta tai tarvetta aikaisemmin rakentaa pumppuvoimaloita energiavarastoksi, ennen uusiutuvien tuotantolähteiden yleistymistä. Hankkeita on suunniteltu joitakin, mutta niiden investoinnin takaisinmaksuaika ei ole puoltanut hankkeeseen ryhtymistä (Ramula, 2021). Uusiutuvien energialähteiden voimakas esiinmarssi ja niiden osaltaan aiheuttamat sähköverkon tasapainohäiriöt, sekä sähkönhinnan voimakas heiluminen talven 2022/-23 aikana ovat osaltaan lisännyt hankkeen kiinnostavuutta.
Pumppuvoimalaitoksen sijoittaminen kaivokseen on sekä jo louhittujen kaivostilojen uusiokäyttöä että tuotantotaloudellisesti ajateltuna erinomainen vaihtoehto. Kaivosalueella on jo tarvittava infrastruktuuri valmiina, kuten tieverkostot, sähköverkon kytkentäpiste ja rakennuskantaa tulevaa pumppuvoimalaitosta palvelemaan. Maisemalliset arvot lienevät myös merkittävä laitosta puoltava tekijä. Myös Pyhäsalmen hankkeen luontovaikutukset ovat hallittavissa, koska voimalan vesikierto on suljettu. Kaiken edellä mainitun lisäksi Suomi tarvitsee lisää cleantech- yrityksiä, ja jo olemassa oleville yrityksille lisää liiketoimintamahdollisuuksia, jotta vientitoimintaa saataisiin kasvatettua.
Pioneerityönä suoritettava voimalan rakentaminen kaivokseen tullee tarjoamaan tietotaitoa, josta ollaan maailmalla kiinnostuneita. Pyhäsalmen suunnittelussa oleva pumppuvoimala onkin herättänyt laajaa kansainvälistä kiinnostusta. Tämä voisi tarjota merkittävää vientipotentiaalia sekä alan suunnitteluyrityksille että muille toimijoille, kuten EPV:lle.
Tämä artikkeli on opiskelijatyönä tehty Fysikaalinen energiavarastointi -kurssin puitteissa ja se liittyy Energiavarastoinnin ylimpään AMK-tutkintoon. Kolmen artikkelin sarjaan kuuluvat myös Matalan inertian tilanteiden välttäminen – Vesivoimakoneet synkronikompensaattoreina, http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023060752728, sekä Ylikriittinen hiilidioksidi energiantuotannossa, http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023062257938.
