Energia & ilmastonmuutos

Saksassa ja Ranskassa ydinvoimaa käytetään jatkuvasti energiatuotannon kuormanseurantaan. Kuva: iStock

Ydinvoima keskellä energiamarkkinoiden murrosta

Sitkeästi elävän myytin mukaan ydinvoima soveltuu vain sähkön tasaiseen tuotantoon. Ydinvoimalla voi kuitenkin tehdä myös kuormanseurantaa eli reagoida joustavasti kysynnän vaihteluihin.

Aiemmassa kirjoituksessani esittelin sähkömarkkinoita ja mahdollista tulevaa tilannetta sähköverkossa, mikäli aurinko- ja tuulivoiman tuotantomäärät kasvavat merkittävästi nykyisestä ja muodostavat yhä suuremman osan sähköntuotannon peruskuormasta. Jos ja kun tällainen ilmaston vaihteluista riippuvainen sähköntuotanto kasvaa, lisääntyy myös tarve joustavalle tuotantokapasiteetille eli niin sanotulle kuormanseurannalle.

Eniten kuormanseurantaan on käytetty vesivoimaa, jos sitä suinkin on saatavilla, tai polttamiseen perustuvaa sähköntuotantoa, esimerkiksi maakaasuturbiineita. Maakaasun ja muiden polttoaineiden polton tulisi kuitenkin nopeasti loppua tai ainakin radikaalisti vähentyä, mikäli aiomme päästä päästötavoitteisiimme ja hidastaa ilmastonmuutosta.

Entä ydinvoima?

Sähköverkossa kysynnän ja tuotannon täytyy vastata toisiaan joka hetki varsin tarkasti. Ydinvoimasta liikkuu sitkeästi myytti, että se soveltuu vain peruskuorman tasaiseen tuotantoon. Tästä jotkut tekevät johtopäätöksen, että ydinvoima ei sopisi samaan sähköjärjestelmään vaihtelevatuottoisen tuuli- tai aurinkoenergian kanssa.

Päätelmässä on kaksi virheolettamaa. Ensinnäkin siinä on kummallinen ”herra ja orja” -asetelma. Eli vaihtelevasti tuottavien uusiutuvien ongelma – vaihteleva tuotto – vieritetään tavallaan muiden energialähteiden ongelmaksi. Tuuli ja aurinko ovat ikään kuin herroja ja muut ovat orjia, jotka palvelevat niitä ja maksavat illan päätteeksi kaikkien laskun.

Tämä johtaa myös omituiseen jatkoajatukseen, johon olen törmännyt esimerkiksi jutellessani Greenpeacen edustajan kanssa. Hän näki, että vaihtelevatuottoisen tuulivoiman seuraksi sähköverkkoon kannattaa ottaa mieluummin lisää vaihtelevaa tuulivoimaa, kuin luotettavaa perusvoimaa tuottava ydinvoimala. Kuitenkin mitä enemmän vaihtelevaa sähköntuotantoa on, sitä kalliimpaa on verkon pitäminen toimintakykyisenä.

Alla olevat kuvat havainnollistavat tilannetta. Molemmissa tuotetaan karkeasti sama määrä energiaa kahden viikon aikana. Ydinvoiman ja tuulivoiman yhdistelmä tuottaa sähköä varsin vakaalla teholla, mutta pelkällä tuulivoimalla tuotetun sähköntuotannon teho vaihtelee yhden ja jopa yhdeksän gigawatin välillä. Tämänkaltaisen tuotantoprofiilin sovittaminen teollisuuden, kauppojen, palveluiden ja kotitalouksien kulutukseen on merkittävästi mutkikkaampaa verrattuna tasaisempaan tuotantoon.

Kuva 1: Ydinvoiman ja tuulivoiman yhteenlaskettu tuotanto kolmen minuutin resoluutiolla 2019 lokakuun kahdelta ensimmäiseltä viikolta. Teho vaihtelee karkeasti kolmen ja neljän gigawatin välillä, ja vaihtelu johtuu pääosin tuulivoiman tuotannon heilahteluista.

 

Kuva 2: Karkeasti sama energiamäärä kuin kuva 1:ssä tuotettuna pelkällä tuulivoimalla, eli tuulivoiman tuotanto on kerrottu kuudella. Kuva on esimerkinomainen, sillä todellisuudessa tuotanto jakautuisi hieman tasaisemmin, koska tuulivoimaloita sijoittuisi enemmän eri puolelle Suomea.

 

Ydinvoimalla voi tehdä kuormanseurantaa

Toinen virheolettama koskee ydinvoiman joustamattomuutta. Ydinvoimalla voidaan kyllä tehdä kuormanseurantaa, ja esimerkiksi Saksassa ja Ranskassa näin toimitaan jatkuvasti. Ranskassa on jo vuosikymmeniä tuotettu ydinvoimalla noin 75 prosenttia maan sähköstä, ja osa reaktoreista on ajettu alas viikonloppuisin, kun kysyntä pienenee.

Tällä on toki kustannuksensa, eli ydinvoimaloilla tuotetun sähkön keskihinta nousee, mikäli laitos välillä suljetaan tai sitä ajetaan vajaalla teholla osa ajasta. Laitoksen juoksevat kustannukset kuitenkin jatkuvat silloinkin, eikä ydinpolttoaineen säästyminen ole merkittävä kustannussäästö. Jos katsoo Ranskan varsin alhaisia sähkönhintoja kuluttajille, tämä lisäkustannus vaikuttaa silti suhteellisen maltilliselta. Lisäksi Ranskan sähköntuotanto on teollistuneiden maiden vähäpäästöisimpiä.

Euroopassa ydinvoimalat kuitenkin luvitetaan jo alkujaan joko perusvoiman tuottajaksi tai kuormanseurantaa tekeväksi, ja tämän muuttaminen jälkikäteen ei ole ihan yksinkertaista. Esimerkiksi Suomessa laitokset toimivat perusvoiman tuottajina, kun taas Ranskassa ja Saksassa ne on usein lisensoitu tekemään kuormanseurantaa.

Uusien, kolmannen sukupolven ydinreaktorien, kuten Olkiluodossa käynnistyvä EPR ja Hanhikiven niemelle tuleva VVER1200, kuormanseurantaominaisuudet ovat vanhemman sukupolven reaktoreita vielä huomattavasti paremmat.

Pientä ja ketterää

Ketterään kuormanseurantaan on kiinnitetty erityisen paljon huomiota uusia, paljon julkista keskustelua Suomessakin herättäneitä pienreaktoreita kehittäessä, ja kokonsakin puolesta ne soveltuvat nopeisiin tehonvaihteluihin hyvin. Esimerkiksi amerikkalaisen miniydinvoimaloita suunnittelevan yhtiön NuScalen reaktoreissa on normaalin reaktorin säätösauvojen avulla tehdyn tehonsäädön lisäksi mahdollisuus ohijuoksuttaa (eng. turbine bypass) höyryä ennen kuin se menee turbiiniin tuottamaan sähköä. Tällä menetelmällä turbiinin sähköntuotantoa voidaan säädellä hyvinkin nopeasti ja ketterästi. Se, mitä ohijuoksutetulle höyrylle tapahtuu, riippuu muun muassa laitoksen suunnittelusta. Höyry voidaan kenties syöttää kaukolämpöverkkoon, tai sitten se voidaan laskea ”harakoille”.

"Joustavuuden tarve on jo kasvanut, kun vaihtelevatuottoisten tuuli- ja aurinkovoiman tuotanto on lisääntynyt."

Joissakin kehitteillä olevissa sulasuolareaktoreissa, kuten brittiläisen Moltexin ja kanadalaisen Terrestrial Energyn reaktorit, suunnitellaan puolestaan reaktorin tuottaman korkean lämmön osittaista varastoimista sulaan suolaan. Tämä on sama menetelmä, joka on käytössä esimerkiksi keskittävissä aurinkovoimaloissa. Sulasta suolasta energiaa voidaan ottaa käyttöön korkeamman sähkönkysynnän aikana. Tämä mahdollistaa joustavan kuormanseurannan ilman tuotannon menetystä, ja siten kustannuksetkin pysyvät maltillisempina.

Kuva 3: Joustavaa kuormanseurantaa on alustavasti mallinnettu esimerkiksi New Englandin alueen sähköverkossa Yhdysvalloissa. Mallissa lisättiin uusiutuvien tutkimuslaboratorio NRELin vuoden 2034 High renewable & low cost gas -skenaarioon (eli paljon tuulta ja aurinkoa sekä halpaa kaasua sisältävään laskelmaan) noin kymmenen prosentin osuus tällaista joustavaa ydinvoimaa. Ympyröitynä on lisätty joustava ydinvoimakapasiteetti. Lähde: LucidCatalyst Ltd.

 

Kuva 4. Joustavan ydinvoiman lisäämisen seuraukset tuotetulle energialle. Kuten huomataan, joustava ydinvoima korvaa lähes kaiken maakaasun tuotannon, ja sen mukana maakaasun ilmastopäästöt. Uusiutuvat tuottavat sen mitä aiemminkin. Lähde: LucidCatalyst Ltd.

Onko kuormanseurannalla arvoa?

Jos jokin sähköntuotantotapa ei tuotantoaan pienentämällä voi leikata kustannuksiaan, ei tuotantoa tietenkään ole taloudellisesti järkevää supistaa. Poikkeuksen muodostaa vain tilanne, jossa tuotetun sähkön hinta muuttuu negatiiviseksi eli tuottaja joutuu maksamaan sähkön tuottamisesta verkkoon.

Siksi esimerkiksi tuulivoimalla, aurinkoenergialla tai ydinvoimalla ei sähköntuotannossa ole mahdollista saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä, vaikka sähköä tuotettaisiin vähemmän kuin olisi mahdollista. Jos tarvetta tälle kuitenkin on, pitäisi tällä tarpeella olla myös jonkinlainen arvo markkinoilla.

Joustavuuden tarve on jo kasvanut, kun vaihtelevatuottoisten tuuli- ja aurinkovoiman tuotanto on lisääntynyt. Antelias tukipolitiikka on suosinut niitä, ja tämän myötä myös teknologia on halventunut. Jotkin maat ovat ottaneet käyttöön erilaisia kapasiteettimarkkinoita, joissa nopeassa valmiudessa oleville kaasu- tai hiilivoimalaitoksille maksetaan joustovalmiudesta, vaikka ne eivät tuottaisi sähköä.

Kun näidenkin polttolaitosten taival lähestyy päätepistettään, kenties jatkossa myös joitain ydinvoimalaitoksia tai pienreaktoreita voidaan käyttää kuormanseurantaan. Ne voisivat lisätä sähköntuotantoaan tarpeen mukaan ainakin jonkin verran. Voi myös olla, että osa niiden tuotannosta voidaan ohjata johonkin muuhun hyödylliseen, kuten lämpövarastoon tai vaikka puhtaan vedyn tuotantoon. Tämä kaikki pienentää joustavuuden aiheuttamia kustannuksia.

Osin ratkaisematon kysymys on, kuka joustotarpeen aiheuttaman lisäkustannuksen lopulta maksaa ja millä perusteella. Reilussa tilanteessa maksajana toimii kustannuksen aiheuttaja, mutta sen löytäminen ja määrittäminen ei välttämättä ole aina ihan yksinkertaista.


 

Energia & ilmastonmuutos

Energia & ilmastonmuutos

Suomi tarvitsee lisää puhdasta sähköntuotantoa

Pelkästään sähköautojen yleistyminen lisää tulevaisuudessa Suomen sähköntarvetta vähintään Hanhikivi 1 -voimalaitoksen vuosituotannon verran. Puhtaan energiantuotannon kysyntää vauhdittaa myös tuontisähkön käytön vähentyminen.

Energia & ilmastonmuutos

Puhdasta vetyä ydinvoimalla

Vety on paitsi maailman yleisin alkuaine myös potentiaalinen päästöttömän energian varastoija.

Energia & ilmastonmuutos

Ilmastonmuutos veti Rauli Partasen mukaan energiakeskusteluun

Energia-asiantuntija ja -kirjailija Rauli Partanen on havainnut, että julkinen puhe ydinvoimasta rohkaisee sen kannattajat esiin. Hän on vuosia puhunut ja kirjoittanut ilmasto- ja energia-asioista kantaa ottavasti.

Energia & ilmastonmuutos

Ilmastonmuutoksen pysäyttämisen pitkä tie

Päästöjen kasvu pitää pysäyttää, jotta ilmastonmuutoksen kiihtyminen hidastuisi, mutta se ei vielä pysäytä ilmastonmuutosta. Mitä kaikkea pitäisi tapahtua, jotta hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä olisi sopiva ihmiskunnalle?