Sähkö tulee töpselistä – ajatuksia töpselin takaa
Kehityspäällikkönä ja diplomi-insinöörinä uskon teknologian kehittämiseen ja kehittymiseen. Uskon, että sähköä ja lämpöä tehdään tulevaisuudessa eri tuotantopaletilla kuin tällä hetkellä, emmekä vielä aavista kaikkia kehitystrendejä edes 10 vuoden päähän.
Toisaalta on olemassa eteen tulevia ongelmia, joiden teknisiä reunaehtoja, fysiikan lakeja, emme pysty kumoamaan. Yksi niistä on merkittävä sähkön varastointi talvikaudelle. Lähivuodet on kuitenkin oltava realisteja ja pidettävä kiinteistöt lämpiminä ja sähköiset toiminnot yllä niillä keinoilla, mitä nyt on käytettävissä.
Keräsin numerodataa, jota analysoimalla ainakin itse vakuutuin siitä, että nykyjärjestelmän mitoitukset eivät kestä suuria, yllättäviä alasajoja. Järjestelmä on myös monitahoisempi kuin kaukaa katsoen voisi kuvitella.
Varsinkin talvella puhutaan paljon sähkön riittävyydestä. Suomen sähkön kulutuksen huippukulutus eli enimmillään yhtaikaa tarvittu teho on ollut 15 100 MW, josta Suomessa tuotettiin 10 800 MW ja tuontia oli 4 300 MW. Tuotannon huippukapasiteetti Suomessa on luokkaa 13 500 MW, joten ilman tuontisähköä emme pärjää kylmimpinä pakkaspäivinä.
Myös sähköautot edellyttävät yhä enemmän sähköntuotantoa
Sähköautot lisääntyvät koko ajan Suomen teillä. Ne pienentävät liikenteen päästöjä, mutta toisaalta lisäävät sähkön kulutusta. Ennen koronaviruksen aikaa oli nähtävissä, että lataus lisääntyi viikosta viikkoon koko ajan, oli kesä tai talvi. Tasaiseen, läpi vuoden tarvittavaan kysyntään on helpompi vastata esimerkiksi tuulivoimalla kuin talvikauden kysyntään lämmityksessä. Näen sähköautot kuitenkin ylivoimaisesti parhaana keinona vähentää öljyn käyttöä sekä pienentää liikenteen fossiilisia päästöjä.
Bensiinin käyttö Suomessa oli 2018 noin 1,9 miljardia litraa, eli noin 1,9 miljoonaa kuutiota, jonka energiasisältö on noin 19 000 GWh. Bensamoottorin hyötysuhde on noin 25-30 %, joten korvaamalla bensamoottorit sähköautoilla, joiden hyötysuhde on noin 90 %, tarvittaisiin 19 000*25%/90% = 5 300 GWh sähköä vuodessa.
Dieselin käyttö oli 3,1 miljardia litraa ja dieselin hyötysuhteella (35 %) sähköistykseen tarvittaisiin 12 000 GWh sähköä. Kevyttä polttoöljyä käytettiin 1,9 miljardia litraa, josta 2/3 työkoneiden polttoaineiksi ja 1/3 lämmitykseen. Työkoneiden korvaaminen vaatisi 5 000 GWh sähköä.
Yhteensä liikennepolttoaineiden korvaaminen sähköllä vaatisi siis 22 300 GWh sähköä, siis noin neljänneksen nykyisestä sähkön kulutuksesta ja kolmanneksen nykyisestä sähkön vuosittaisesta tuotannosta. Jos akkuja ladattaisiin puolet ajasta, tarvittaisiin lisää tehoa sähkön tuotantoon 5 000 MW.
Lasken, että liikenteen sähköistäminen vaatisi vähintäänkin 10 000 MW uutta tuulivoimaa ja merkittävän määrän uutta säätösähkön tuotantoa.
Säätösähkön tarve kasvaa sitä mukaa, kun säästä riippuvan tuulivoiman tuotanto kasvaa. Sähkön kulutuksen ja tuotannon on vastattava joka hetki toisiaan. Tämä ongelma voi hoitua akkuteknologian kehityksen edetessä, mutta vielä sitä ei ole arjessa ratkaistu. Sähköinen autoilu tulee kuitenkin tukemaan tuulivoimaa kulutusta (akkujen latausta) säätämällä, sillä säätösähkönä pääasiassa toimivaa vesivoimaa ei voi merkittävästi rakentaa lisää.
Lukuvertailuna voisi mainita, että tulevan Olkiluoto 3 -ydinvoimalaitoksen nettosähkötehoksi on ilmoitettu 1600 MW.
Kaukolämmön yhteistuotanto on merkittävin sähköntuotantomuoto varsinkin talvella
Tampereen Sähkölaitos on Suomen kolmanneksi suurin kaukolämmön myyjä ja yksi suurimmista uusiutuvan energian hyödyntäjistä. Yli 90 % Tampereen keskustan rakennuksista lämpenee energiatehokkaasti ja ympäristöystävällisesti kaukolämmöllä. Kaukolämpöä riittää kovimmillakin pakkaspäivillä.
Alan yleinen mitoitusperuste on, että tuotantokapasiteettia tulee mitoituspakkasella olla vähintään niin paljon, että se riittää lämmittämään kaukolämpöverkon, vaikka suurin tuotantolaitos (voimalaitos) vikaantuisi. Tampereella mitoituspakkanen on -29 astetta, jolloin suurin lämmöntarve on noin 900 MW ja tuotantokapasiteettia on yli 1100 MW.
Yhteistuotanto (CHP) on tuotantomuoto, jossa samassa prosessissa tuotetaan samanaikaisesti sähköä ja lämpöä. Tampereella yhteistuotantolaitoksia ovat sekä Lielahden että Naistenlahden voimalaitokset ja Tammervoima. Sähköä tuotetaan myös erillistuotannossa, esimerkiksi ydinvoimalla, tuulivoimalla ja aurinkovoimalla. Kaukolämmön erillistuotantolaitoksia ovat puolestaan lämpölaitokset, kuten Hervannan hakelämpölaitos ja Sarankulman pellettilämpölaitos. Yhteistuotannon hyötysuhde on kuitenkin korkeampi kuin erillistuotannon, sillä tuotannossa käytettyjen polttoaineiden energiasisältöä voidaan käyttää tehokkaammin hyödyksi.
Suomessa sähkön ja lämmön yhteistuotanto on merkittävin sähköntuotantomuoto. Vuonna 2019 sähköntuotannosta 17 prosenttia tuotettiin yhteistuotannolla. Suomessa kaukolämmön ja sähkön yhteistuotannon kapasiteetti on 5 800 MW sähköä ja 23 500 MW lämpöä.
Kaukolämmön tuottajat tuottivat 2018 Suomessa sähköä 11 500 GWh ja 33 500 GWh lämpöä. Jos kaukolämmön yhteistuotanto-osuus korvattaisiin esimerkiksi maalämmöllä, tarvittaisiin 20 700 GWh uutta korvaavaa sähköntuotantoa. (Katso kaavio alla) Tämän lisäksi kaukolämmön erillistuotantoa, jonka määrä on 9 000 GWh, korvaamaan tarvittaisiin 3 000 GWh sähköä täydelle kulutukselle mitoitetuille lämpöpumpuille. Lämpöpumput kun tarvitsevat sähköä toimiakseen.
Suomen sähkön kokonaiskäyttö on noin 86 000 GWh ja tuotanto 66 000 GWh, tuontia on noin 20 000 GWh. Jos kaukolämmön yhteistuotannosta luovuttaisiin, pitäisi sähköä tuottaa lisää 23 700 GWh.
Punainen viiva merkitsee lisää kulutusta, eli se lisää sähköntuotannon tarvetta. Vaaka-akseli kuvaa vuotta.
Miten sähköjärjestelmä muuttuisi, jos kaukolämpö korvattaisiin maalämpöpumpuilla?
Jos lämmöntuotannon kapasiteetista 20 % olisi vara- ja häiriöreserviä, olisi kaukolämmön teho Suomessa mitoituspakkasella 18 800 MW. Yhteistuotantokapasiteetti mitoitetaan yleensä puoleen huippukapasiteetista, jolloin huippukapasiteettia pelkkään lämmön tuotantoon olisi noin 9 400 MW.
Yksittäisissä kiinteistöissä maalämpö mitoitetaan usein 75 % kulutuskohteen huippulämmöntarpeesta. Jos maalämpö on 25 % alimitoitettu, tällöin ylimääräinen lämmöntarve tehdään kiinteistössä suoralla sähkölämmityksellä, joka rasittaa sähkön tuotantoa kolminkertaisesti lämpöpumppuun nähden. Tämä tarkoittaisi tämä noin 4 700 MW sähkötehon lisätarvetta kovimmilla pakkasilla, jotta lämpöpumppujen alimitoituksen aiheuttama suora sähkölämmitys korvataan.
Lisäksi pakkaspäivänä (0.. -15 astetta) tarvittaisiin 1 570 MW lisää sähkön tuotantoa, jos myös kaukolämmön erillistuotantolaitokset päätettäisiin vaihtaa yksittäisiin maalämpöpumppuihin.
Lisäksi tarvittaisiin yhteistuotantolaitosten lämmöntuotantotehoa 9 400 MW korvaavaa tehoa maalämmössä 3130 MW ulkolämpötilan ollessa plussalla. Yhteensä uutta tehoa sähköntuotantoon tarvittaisiin 4 700 + 1570 + 3130 = 9400 MW eli lähes yhtä paljon kuin huippupakkaspäivänä tuotetaan tällä hetkellä Suomessa.
Anteeksi teoreettisuuteni
Tämä tarkastelu jää valitettavasti teoreettiseksi useammastakin syystä.
Ensinnäkin Suomen kaupunkien keskustoissa ei ole riittävää maapinta-alaa rakentaa maalämpöjärjestelmiä siten, että maaperän lämpö riittäisi kaikkien kiinteistöjen lämmitykseen.
Toiseksi sähköjärjestelmään muodostuisi talvituotannon ongelma, jota ei järkevästi ja ympäristöystävällisesti pystytä vielä ratkaisemaan. Perinteisestä hiililauhdesähköstä on luovuttu ja seuraava talvisähkön tuottaja on kaukolämmön yhteistuotanto. Riski sähkön loppumisesta huippupakkasten aikana kasvaa.
Kolmanneksi valtio ei ole valmis luopumaan veromiljardeistaan, joita se saa nykyjärjestelmästä.
Kirjoittaja Timo Heinonen toimii kehityspäällikkönä Tampereen Sähkölaitoksen energian tuotannossa.