Joustokykyinen vesivoima tasapainottaa sähkömarkkinat

10.06.2024, kello 11:43

Aloitetaan erottamalla toisistaan tuotantokapasiteetti eli asennettu teho [MW] ja energiantuotanto [MWh], eli se, paljonko energiaa todellisuudessa tuotetaan. Vuoden 2022 lopussa tuulivoiman tuotantokapasiteetti oli n. 4 800 MW, joka vastasi 24 % Suomen sähköntuotantokapasiteetista. Tuulivoiman vuosituotanto taas oli 11,5 TWh, mikä oli noin 17 % Suomessa koko vuonna tuotetusta sähköstä. Vastaavasti vesivoiman tuotantokapasiteetti 3 200 MW oli selvästi tuulivoimakapasiteettia pienempi, mutta silti vesivoiman vuosituotanto 13 TWh ylitti tuulivoiman tuotannon. Entä ydinvoima? Ydinvoiman tuotanto on kaikkein tasaisinta. Sen tuotantokapasiteetti [2 800 MW] oli vuonna 2022 tuuli- ja vesivoimaa pienempää, mutta säästä riippumattomana ja jatkuvasti tuotannossa olevana energiamuotona sen tuotantomäärät olivat kaikista suurimmat [ 24 TWh].[1]

Vesivoiman pienempi kapasiteetti ei siis tarkoita, että sillä tuotettavan sähkön määrä olisi vähäinen. Eli vaikka tuulivoiman tuotantokapasiteetti on kaksinkertainen vesivoimaan verrattuna, vesivoimalla pystytään tuottamaan pienemmällä kapasiteetilla enemmän energiaa. Lisäksi vesivoiman vahvuutena on sen säädettävyys. Tuulivoiman tuotanto on täysin sääriippuvaista, vesivoiman kapasiteettia saadaan käyttöön useimmiten silloin, kun sitä eniten tarvitaan - esimerkiksi silloin kun ei tuule. Tuulivoimatuotannon kasvaessa edelleen on selvää, että vesivoiman rinnalle tarvitaan jatkossa uusia ratkaisuja säätövoiman tuottamiseksi. Mutta väite siitä, että vesivoiman säädöllä ei olisi merkitystä, ei pidä paikkaansa.

Energiantuotantokapasiteetti vuonna 2022 (Energiavirasto) ja vuoden 2022 sähköntuotanto (Energiateollisuus). Vuoden 2023 tuotanto: Vesivoima 19,2 % [15 TWh], tuulivoima 18,5 % [14 TWh] ydinvoima 42,0 % [33 TWh]. Kokonaistuotanto 78 TWh.

Säädöllä voidaan tarkoittaa monia eri asioita. Sähkömarkkinat voidaan jakaa useaan osaan, esim. kuva 2 mukaisesti, ja säädöstä puhuttaessa voidaan tarkoittaa niin järjestelmän tasaamista sekuntitasolla kuin vuositasolla.

Sähkömarkkinoiden rakenne (Fingrid)

Johdannaismarkkinoilla käydään kauppaa sähkön hintaan liittyvillä johdannaisilla, mutta jätetään ne tämän tarkastelun ulkopuolelle.

Vuorokausimarkkinoilla käydään kauppaa seuraavalle päivälle, ja vuorokausimarkkinoiden perusteella muodostuu sähkön spot-hinta. Vesivoimaa tarjotaan vuorokausimarkkinoille kuten muutakin tuotantoa ja kulutusta. Vesivoiman tarjontaan vaikuttaa mm. vesitilanne ja tuulivoimaennusteet. Koska laitoksilla kulloinkin käytössä oleva vesimäärä on rajallinen, niin käytettävissä olevaa vesimäärää optimoidaan parhaalla mahdollisella tavalla. Tämän takia päivinä, joille ennustetaan runsasta tuulivoimatuotantoa, voi olla järkevää tarjota vesivoimaa vuorokausimarkkinoille tuuletonta päivää vähemmän. Vesivoimaa myös pyritään tarjoamaan enemmän niille tunneille, joilla kulutus on suurempaa.

Päivänsisäisillä markkinoilla tehdään kauppaa nimensä mukaisesti saman päivän aikana. Järjestelmässä voi olla tapahtunut ennakoimattomia muutoksia esim. kulutuksen, säätilan tai häiriöiden takia, minkä vuoksi vuorokausimarkkinoille tehdyt tarjoukset eivät välttämättä pidäkään enää täysin paikkaansa. Tuulivoimaa voi olla ennustettua enemmän, jokin laitos on vikaantunut tai kulutuksessa on tapahtunut ennakoimaton muutos esim. sähkön hinnan takia. Päivänsisäiset markkinat antavat siis toimijoille mahdollisuuden korjata tuotanto- ja kulutussuunnitelmiaan lähempänä käyttöhetkeä. Vesivoima osallistuu myös päivänsisäisille markkinoille. Koska vesivoimatuotantoa on helppo sekä lisätä että vähentää, voi vesivoima päivänsisäisillä markkinoilla joustaa sekä tuotantoa lisäten että vähentäen.

Yleensä säädöllä tarkoitetaan sähköntuotannon ja kulutuksen tasapainon ylläpitämistä. Sähkön kanssa asiat eivät voi olla vähän sinne päin, vaan sähköä pitää tuottaa joka hetki sama määrä kuin sitä kulutetaan. Tuotannon ja kulutuksen välinen tasapaino näkyy sähköverkon taajuudessa, joka täydessä tasapainossa on tasan 50,0 Hz, ja normaalisti vaihtelu sallitaan 49,9-50,1 Hz välillä. Suuret taajuuspoikkeamat voivat vaurioittaa sähkölaitteita, ja pahimmillaan johtaa laajaan sähkökatkoon.

Sähköjärjestelmän taajuus 28.5.2024 klo 8:30-10:00 (Fingrid)

Säätösähkö- ja reservimarkkinoita käytetään taajuuden ylläpitoon. Näille markkinoille kuuluu useita eri tuotteita, jotka vastaavat kukin hieman eri tarpeeseen taustalla olevien syiden ja tarvittavan aktivointinopeuden mukaan. Molemmat markkinat koostuvat voimalaitoksista, kulutuskohteista ja energiavarastoista, jotka voivat muuttaa tehoaan tarpeen mukaan:

Nopeaa taajuusreserviä (FFR) käytetään suurissa taajuuspoikkeamissa, ja nopea taajuusreservi tulee voida aktivoida sekunnissa estämään sähköjärjestelmän taajuuden liiallista laskua. Vesivoimaa ei tyypillisesti käytetä nopean taajuusreservin lähteenä, vaan se koostuu pääsääntöisesti sähkövarastoista ja kulutuksesta.

Nopean taajuusreservin (FFR) todennettu kapasiteetti vuonna 2022 (Fingrid)

Taajuusohjattua häiriöreserviä (FCR-D) ylläpidetään niin paljon, että yksittäisen vian aiheuttama pysyvä taajuuspoikkeama ei aiheuta merkittävää heilahdusta sähköjärjestelmässä. Taajuusohjattu häiriöreservi aktivoidaan sekunneissa. Taajuusohjattu häiriöreservi on tarkoitettu nopeaan häiriön säätöön, ja se vapautetaan nopeasti seuraavan häiriön varalle aktivoimalla tarjouksia säätösähkömarkkinoilta. Vesivoima, kulutus ja sähkövarastot ovat tyypillisiä taajuusohjattua häiriöreserviä tuottavia teknologioita. Taajuusohjattu käyttöreservi (FCR-N) puolestaan säätää jatkuvasti tehoaan itsenäisesti taajuuden muuttuessa, tavoitteena pitää taajuus sallitulla taajuusalueella. Taajuusohjattu käyttöreservi on käytössä jatkuvasti, ja se pitää pystyä aktivoimaan kolmessa minuutissa. Soveltuvia teknologioita ovat vesivoima, kulutus, sähkövarastot ja lämpövoima.

Taajuusohjatun käyttöreservin (FCR-N) ja häiriöreservin (FCR-D) tuntimarkkinakaupat vuonna 2021 (Fingrid)

Taajuusohjatun häiriö- ja käyttöreservin osalta näkyy hyvin se, miten uudet teknologiat tulevat vesivoiman rinnalle. Taajuusohjatussa häiriöreservin toteutuneissa kaupoissa kulutuksen merkitys on kasvanut ja taajuusohjatussa käyttöreservissä puolestaan sähkövarastot oli vuonna 2021 merkittävin reservin lähde. Nopeaan säätöön liittyvät uudet ratkaisut näkyvät myös vesivoima-alalla, sillä monien laitosten yhteyteen ollaan suunnittelemassa erilaisia sähkövarastoja. Näin myös vesivoiman joustavuutta voidaan kohdistaa optimaalisesti, samalla kun vähennetään vesivoimalaitoksille nopeimmasta säädöstä aiheutuvaa rasitusta.

Automaattinen taajuuden palautusreservi (aFRR) puolestaan pyrkii palauttamaan taajuuden 50 hertsiin säätämällä jatkuvasti voimalaitoksen tai kulutuskohteen ohjetehoa. Ainakin tähän asti automaattista taajuuden palautusreserviä on tuotettu vain vesivoimalla.

Automaattinen taajuuden palautusreservi (aFRR) (Fingrid)

Säätösähkömarkkinoiden (mFRR) avulla hallitaan paitsi tehotasapainoa, myös ylläpidetään järjestelmän käyttövarmuutta normaali- ja häiriötilanteissa. Säätösähkömarkkinoilla voidaan jättää tarjouksia ylössäätöön (tuotannon lisääminen tai kulutuksen vähentäminen) tai alassäätöön (tuotannon vähentäminen tai kulutuksen lisääminen), ja tarjoukset aktivoidaan tarpeen mukaan hintajärjestyksessä. Säätösähkötarjoukset tulee pystyä aktivoimaan 15 min kuluttua niiden tilaamisesta. Säätösähkömarkkinoille soveltuvia teknologioita ovat vesi-, lämpö- ja tuulivoima sekä teollinen kulutus, mutta merkittävin osa säätösähkömarkkinoiden tarjouksista toteutetaan vesivoimalla.

Esimerkiksi säätösähkömarkkinoilla vuonna 2021 vesivoiman toteutuneista kaupoista vesivoimaa on ollut 70 %, ja alassäädön toteutuneista kaupoista 86 % oli vesivoimaa.

Säätösähkömarkkinoiden (mFRR) ylös- ja alassäätökaupat 2021 (Fingrid)

Kuvassa 8 on vesi- ja tuulivoiman tuotanto sekä sähkönkulutus tammikuun ensimmäisellä viikolla jolloin kulutus oli erittäin kylmän pakkasjakson vuoksi suurta. Samaan aikaan tuulivoiman tuotanto oli vain kohtalaista. Kuvasta näkee hyvin sen, miten vesivoimantuotanto (sininen käyrä) mukailee kulutusta (ruskea käyrä). Perjantaina 5.1.2024 sähkönhinnat olivat ennätyskorkeat, ja hinnan ohjaama kulutusjousto näkyy kulutuskäyrässä selvästi. Samaan aikaan myös vesivoimatuotanto joustaa alaspäin. On hyvä muistaa, että isojenkaan akkujen joustokyky ei olisi riittänyt tilanteessa, jossa kylmä sää oli jatkunut jo pidempään, ja jossa kulutus oli suurta vuorokauden ympäri. Ilman vesivoimaa Suomen sähköjärjestelmän tilanne olisi tammikuun alussa näyttänyt hyvin erilaiselta.

Vesi- ja tuulivoiman tuotanto sekä kulutus 3-6.1.2024 (Data: Fingrid)

Vesivoiman tuottamaa säätöä onkin määrän ja hinnan puolesta vaikea korvata muilla teknologioilla. Esimerkiksi vuonna 2021 tehdyn laskelman mukaan Oulujoen yhden tunnin vesivoimalla tuotetun säädön korvaaminen olisi maksanut 200 miljoonaa euroa, ja koko vuorokauden säädön korvaaminen lähes 5 miljardia euroa. Eli tuodaan uudet teknologiat vesivoiman rinnalle, mutta ei lähdetä vähentämään nykyisiä, toimivia ratkaisuja.

Kirjoittaja on Energiateollisuus ry:n vesivoima-asiantuntija.

#sähkömarkkinat #vesivoima

Jaa artikkeli: