Miten sähköjärjestelmä toimii?

6.2.2015

Sähköjärjestelmän on pysyttävä joka hetki tasapainossa. On monimutkaisen palapelin tulosta, missä ja millaisia määriä Suomessa tuotetaan ja kulutetaan sähköä.

Sähkönsaanti on muuttunut yhä tärkeämmäksi edellytykseksi arkiselle elämällemme. Ilman sähköä autoon ei saa polttoainetta eikä kaupasta ruokaa, eivätkä matkapuhelimet tai verkkoyhteydetkään toimi. Vähänkin laajempi häiriö sähkön saannissa uhkaa siirtää meidät vuosikymmeniä ajassa taaksepäin – viimeistään kun vara-akut ovat tyhjentyneet ja aggregaattien polttoaine on loppunut.

Havainnekuva sähkön siirrosta kantaverkosta kotitalouksiin. Lähde: Sanomalehti Karjalainen

Sähköenergiaa on suhteellisen helppo siirtää pitkiäkin matkoja, mutta sitä on hankala varastoida. Sen vuoksi sähköjärjestelmän keskeinen piirre on, että sähköä tuotetaan ja kulutetaan joka hetki yhtä paljon.

Sähköjärjestelmän on oltava koko ajan tasapainossa kuin vaaka, jonka molemmissa kupeissa on saman verran painoa. Tasapaino säilyy, vaikka tuo paino lisääntyisi hyvinkin suureksi – kunhan huolehditaan siitä, että molempien kuppien paino lisääntyy samanaikaisesti. Ja jos jommankumman kupin paino kevenee, myös toista on vastaavasti kevennettävä.

Liian suuret kertamuutokset ovat vaikeita hallita, joten painon – eli sähköverkossa kuorman – lisääminen tai vähentäminen on järkevintä tehdä pienin askelin. Iso heilahdus suuntaan tai toiseen, esimerkiksi kokonaisen tuotantoyksikön tai verkkoalueen äkillinen pimeneminen, uhkaa järjestelmän tasapainoa.

Taajuus kertoo tasapainosta

Mega, giga ja tera

Jännitettä, tehoa ja energian määriä kuvaavat luvut jäävät helposti abstraktioiksi, joiden merkitystä on vaikea hahmottaa.

Watti (W) on tehon ja wattitunti (Wh) energian yksikkö.

Kilowatin eli 1 000 watin teho vastaa tyypillistä sähkölämmitintä, joka kuluttaa tunnissa kilowattitunnin (kWh) energiaa. Sähköyhtiöt laskuttavat kuluttajille myymänsä sähköenergian kilowattitunteina.

Megawattitunti eli 1 000 kWh on sähkön tukkuhinnan yksikkö esimerkiksi pohjoismaisessa sähköpörssissä. Tyypillinen omakotitalossa asuva nelihenkinen perhe kuluttaa vuodessa vähän alle 20 MWh sähköä. VR:n moderni sähköveturi toimii jatkuvalla 5 MW:n teholla eli kuluttaa matkalla Vaasaan tai Kuopioon tuon omakotitalon vuosikulutuksen verran.

Gigawatti (GW) on tuhat megawattia eli miljoona kilowattia. Loviisan ydinvoimalan kahden reaktorin yhteenlaskettu teho on noin yksi GW ja aikanaan valmistuvan Olkiluoto 3:n teho on noin 1,6 GW. Suomen vesivoimaloiden yhteenlaskettu teho on noin 3 GW. Suomen tarvitsema teho on suurimmillaan 15 gigawattia.

Terawatti (TW) on tuhat gigawattia eli miljoona megawattia. Terawattia käytetään Suomessa lähinnä terawattitunteina (TWh) tuotetun ja kulutetun sähkön määriä kuvaamassa. Esimerkiksi Helsingin kokonaissähkönkulutus oli vuonna 2013 4,5 TWh. Koko maan sähkönkulutus oli samana vuonna 83,9 TWh eli reilut 15 MWh asukasta kohti.

 

Sähkön tuotanto ja jakelu eriytettiin toisistaan Pohjoismaissa jo 1990-luvun puolivälissä, eivätkä sähkön tuottajat enää saa omistaa edes osuuksia siirtoyhtiöistä. Sähkön tuotanto on siten vapaasti kilpailtua liiketoimintaa, jossa sähkön käyttäjä voi ostaa sähköenergiansa haluamaltaan myyjältä.

Koska rinnakkaisten sähkönsiirtoverkkojen rakentaminen ei ole taloudellisesti järkevää, sähkön siirto on jätetty yhteiskunnan vahvasti sääntelemäksi alueelliseksi monopoliksi. Sen seurauksena käyttäjät maksavat sähkön myyjälle sähköenergiasta erikseen ja alueelliselle jakeluverkkoyhtiölleen vastaavan energiamäärän siirrosta.

Suomen sähköverkko on jakaantunut Fingrid Oyj:n ylläpitämään kantaverkkoon sekä paikallisiin jakeluverkkoihin, joita operoivat jakeluyhtiöt. 14000 kilometrin pituinen kantaverkko on järjestelmän selkäranka ja rakennettu mahdollisimman vikasietoiseksi ja säähäiriöitä kestäväksi. Siihen on kytketty suurin osa sähkön tuottajista ja tukkuostajista, ja myös kansainväliset siirtolinjat.

Kantaverkkoa operoiva Fingrid valvoo ja ylläpitää sähköjärjestelmän tasapainoa, mihin sillä on käytössään erilaisia työkaluja. Tasapainon mittarina on taajuus, jolla verkossa kiertävä vaihtovirta vaihtaa suuntaansa, ja johon koko sähköjärjestelmä kuluttajien laitteita myöten on synkronoitu.

Suomessa sähköverkon taajuus on 50 Hz eli virta vaihtaa suuntaansa 50 kertaa sekunnissa. Jos sähköä tuotetaan kulutukseen nähden liian vähän, taajuus alkaa laskea, ja jos sähköä tuotetaan liikaa, taajuus alkaa kasvaa. Järjestelmältä sallittu taajuuden muutos on erittäin pieni, prosentin kymmenyksiä, sillä isot heilahdukset häiritsisivät erilaisten laitteiden toimintaa.

Ennakointia ja joustoa

Kemijoki Oy:n Taivalkosken voimalaitos tuottaa tyypillisenä vuonna 529 GWh eli noin puoli TWh energiaa. Helsingin vuotuisen energiantarpeen tyydyttämiseen tarvittaisiin yhteensä seitsemän Taivalkosken kokoista laitosta.

Sähköjärjestelmän tasapainoa ylläpidetään säätövoimalla, jonka on pystyttävä reagoimaan kulutuksen muutoksiin jopa sekunneissa. Tarkoitukseen kelpaa parhaiten vesivoima, jota tuotetaan varastoaltaisiin kerätyllä vedellä.

Jo hyvin pienet taajuusmuutokset laukaisevat automaattisen säätömekanismin, joka lisää tai vähentää veden juoksutusta voimalaitosten turbiineihin. Näin järjestelmä pysyy tasapainossa sekuntien, minuuttien ja jopa tuntien tasolla, kunhan vaihtelu ei ylitä käytettävissä olevan vesivoiman määrää.

Sähkön kulutus vaihtelee kuitenkin voimakkaasti vuodenajan ja vuorokaudenajan mukaan, ja kokonaisvaihtelu ylittää vesivoiman mahdollistaman säätövaran. Maan tehontarve on suurimmillaan liki 15 000 megawattia (MW), mutta se ylittää 14 000 MW vain muutaman kymmenen tunnin ajan vuodessa. Vastaavasti tehontarve on puolet vuodesta alle 10 000 MW:n, mutta alle 8 000 MW:n lukemiin pudotaan vain muutamina kesäisinä viikkoina.

Kulutus on suurimmillaan kylmänä talviaamuna, jolloin lämmitykseen kuluu energiaa, liikenne on vilkkaimmillaan, kaupat aukeavat ja teollisuuden pyörät käynnistyvät. Pienimmillään valtakunnan sähkönkulutus on kesäisinä lomaviikkoina.

Iso palapeli

Sähkön matka tuotantolaitokselta käyttäjälle

Katso infograafi Suur-Savon Sähkön ja Järvi-Suomen Energian verkkosivuilta

 

Vastatakseen kulutuksen vaihteluihin sähköjärjestelmä joustaa muillakin mekanismeilla kuin vesivoimalaitosten patoluukkuja säätämällä. Käytettävissä olevia keinoja ovat sähkön tuonti ja vienti, kuormituksen leikkaaminen, yö- ja kausisähkön edullisempi hinnoittelu sekä erilaiset vaihtoehtoiset varavoimalat.

Sähkön tuottamiseen ja tuontiin liittyvissä päätöksissä tärkeimpänä lähtökohtana ovat aikaisempina vuosina saatu historiatieto päivittäisestä ja tuntikohtaisesta sähkön kulutuksesta sekä pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla kysynnän ja tarjonnan perusteella muodostuva sähkön päivä- ja tuntihinta. Järjestelmän ennakoimis- ja joustamismekanismit ovat erittäin monen muuttujan yhtälö sekä teknisen toteutuksen että hinnoittelun osalta.

Suomen sähköenergiasta yli neljännes tuotetaan ydinvoimaloissa. Kuvassa Teollisuuden Voiman Olkiluoto 1 ja 2 yksiköt.

Suomessa sähköntuotannon rungon muodostavat ydinvoimalat sekä sähköä tuottavat kaukolämpölaitokset ja teollisuuden voimalat, joiden käynnistäminen ja alasajo on hidasta. Niiden käyttäminen säätövoimana ei ole monestakaan syystä järkevää.

Ydinvoimalat ovat taloudellisimmillaan jauhaessaan sähköä tasaisella teholla. Kaukolämpölaitokset ja teollisuuden voimalat toimivat puolestaan lämmöntarpeen ohjaamina, ja sähköä syntyy voimalaitoksen niin sanottua rakennusastetta vastaava määrä. Toki näilläkin on erilaisia keinoja tuottaa tarvittaessa lisäsähköenergiaa.

Pohjoismaissa varastoaltaisiin kootun vesivoiman osuus on merkittävästi suurempi. Sen vuoksi erityisesti pohjoismaisten sähkömarkkinoiden tuoma jousto on meille tärkeää. Teoriassa sähköä voidaan tuoda myös Virosta ja Venäjältä, mutta huippukulutuksen tilanteissa se ei aina ole mahdollista.

Markkinat tuovat joustoa

Sähköenergian tuottajat myyvät tuotantonsa joko suoraan sähkönmyyntiyhtiöille tai pohjoismaisen energiapörssi Nord Poolin kautta, jonne kotimaisetkin tuottajat tarjoavat seuraavan päivän tuotantoaan tietyillä hinnoilla tietyille tunneille, ja josta ostajat varaavat itselleen tarvitsemansa sähkön.

Sähkön jakelijat eli kanta- ja jakeluverkkoyhtiöt ainoastaan siirtävät sähköenergiaa verkostoissaan. Käytännössä hekin joutuvat hiukan ostamaan sähköenergiaa omien siirtohäviöidensä kattamiseksi.

Sähköä tuotetaan ja kulutetaan joka hetki yhtä paljon

 

Noin 30 % valtakunnassa käytettävästä sähköstä toimitetaan pitkäaikaisin sopimuksin ja noin 70 % ostetaan Nord Poolin kautta. Pörssissä toimivat ostajat ovat joko paljon energiaa tarvitsevia toimijoita, kuten teollisuusyrityksiä, tai sähkönmyyntiyhtiöitä, jotka hankkivat sähköä pienkuluttaja-asiakkailleen.

Pörssihinta määräytyy tuntikohtaisesti myynti- ja ostotarjousten kohtaamispisteessä, jossa tarjolla on riittävästi tuotantoa vastaamaan kysyntää. Sähköpörssin käytettävissä on myös normaalin raaka-ainepörssin tapaan rahoitusinstrumentteja, joilla toimijat voivat suojautua pitemmällä aikavälillä hintaheilahteluja ja muita riskejä vastaan.

Lue lisää

Varmuuden vuoksi -verkkolehti:

Sähkön jakeluverkot vahvistuvat

Kemijoki Oy:n verkkosivut:

Vesivoiman yksiköt

Vesivoiman tuotanto

Säätövoima

 

Suuremmat sähköenergian kuluttajat joutuvat tässä kaupankäynnissä ennustamaan mahdollisimman tarkasti kuluttamaksi aikomansa energian määrän, sillä jos suuren kuluttajan ennuste ei osukaan kohdalleen ja käytetyn energian määrä poikkeaa merkittävästi sitä varten varatusta energiamäärästä, siitä aiheutuu merkittäviä kuluja sähköenergian myyjälle.

Sähkömarkkinaosapuolet – eli sähköenergian myyjät, tuottajat ja pohjoismainen sähköpörssi – joutuvat lopulta tasaamaan aiemmin toimitettavaksi sovitun ja todellisuudessa kulutetun sähköenergian määrät keskinäisellä kaupankäynnillään, jonka säännöt on tarkoin määritelty.

Riittävätkö tehoreservit?

Kantaverkon haltijan tavoitteena on säilyttää erityistilanteita varten riittävän suuri säätövara molempiin suuntiin. Kun käytettävissä oleva säätövoima alkaa käydä vähiin kulutuksen yllättäen kasvaessa, aletaan käynnistää Fingridin kaasuturbiinilaitoksia, joiden yhteinen teho on 1 000 MW. Ne on tarkoitettu alle 15 minuutin käyttöön, ja niiden avulla on tarkoitus ostaa aikaa lisäsähkön hankkimiseksi markkinoilta.

Jos tämäkään ei riitä tasapainon saavuttamiseksi, sähköä on mahdollista hankkia energiaviraston tehoreservijärjestelmästä, jossa valtio tukee yksityisten toimijoiden ylläpitämiä varalla olevia voimalaitoksia ja sähkönkulutuksen joustoon kykeneviä, tarvittaessa lyhyessä ajassa irti kytkettäviä kulutuskohteita. Tällä hetkellä 365 MW:n tehoreservi koostuu pelkistä voimalaitoksista.

Jos häiriöt kasautuvat

Huoltovarmuuskeskuksen voimajärjestelmäasiamies Petri Nieminen pitää käytettävissä olevaa kotimaista tehoreserviä turhan pienenä kokonaiskulutukseen nähden. Varavoiman vähyys korostuu nykyisessä tilanteessa, jossa Suomi on energian tuonnista riippuvainen.

Nieminen muistuttaa, että vaikka koko kotimainen tuotanto olisi normaalisti käynnissä, 15 000 MW:n huippukulutuksen aikoina tuontienergiaa tarvitaan 2 500 MW. Tilanne johtuu osittain Olkiluodon kolmannen ydinvoimalan myöhästymisestä.

”Kansainvälisten siirtoyhteyksien kapasiteetti on 5 000 MW eli periaatteessa riittävä. Kuitenkin tilanne, jossa huippukulutukseen liittyisivät tuontirajoitukset naapurimaista ja jossa puolet ydinvoimaloista olisi poissa pelistä teknisistä syistä, johtaisi energian käytön rajoittamiseen”, Nieminen kuvaa.

”Ensin sähkönjakelua kierrätettäisiin ja sitten alettaisiin sulkea erilaisia energiaa käyttäviä kohteita. Toki siihenkin tilanteeseen on mietitty valmiit tavat toimia, mutta miellyttävää se ei ole kenellekään.”

Tuontiriippuvuutta pahentaa entisestään, että varalla ollutta lauhdevoimaa katoaa markkinoilta. Markkinaehtoisuus ja huoltovarmuus lyövät tässä asiassa toisiaan korville.

”Isoa voimalaa ei kannata pitää yllä vain muutamia huippukulutuksen viikkoja varten vuodessa. Meidän pitäisi ensimmäiseksi miettiä, miten saisimme katkaistua kierteen, jossa varalaitoksia suljetaan. Samoin pitää etsiä muita tapoja, kuten energiansäästöä, joilla parantaa huoltovarmuutta.”

 

Suomi ja naapurimaat

Sähköntuotannon rakenne eroaa merkittävästi Suomen, Ruotsin ja Norjan välillä. Norjan tuottama – ja kuluttama – sähkö on lähes kokonaan isoihin altaisiin tukeutuvaa vesivoimaa, joten erillistä säätövoimaa ei tarvita. Ruotsissakin vesivoiman osuus on noin puolet, mutta Suomen 220 vesivoimalaitosta, yhteiseltä teholtaan noin 3 100 MW, tuottavat vuodesta riippuen vain 10-20 prosenttia maan sähköntarpeesta.

Suomalaiselle sähköntuotannolle on ominaista energianlähteiden monipuolisuus, ydinvoiman suuri osuus sekä lämmön ja sähkön yhteistuotannon suuri määrä. Reilu neljännes Suomessa tuotetusta energiasta on jo nyt ydinvoimaa. Olkiluodon kolmannen yksikön valmistuttua ydinvoiman osuus lähestyy puolta.

Pohjoismaisen sähköpörssin eli Nord Poolin yhtenä perusideana oli yhdistää suomalaisten isojen ydin- ja lämpövoimalaitosten ja pohjoismaisen vesivoiman vahvuudet yhteisellä markkina-alueella, jolloin koko alueella saavutettaisiin hyvä säädettävyys ja samalla käytettävissä olisi mahdollisimman edullisesti tuotettua energiaa myös kuivina vuosina.

Valitettavasti kansainvälisten siirtolinjojen pullonkaulat ovat estäneet ajatuksen toteutumisen täydessä mitassaan. Huippukulutuksen aikana sähkö maksaa Suomessa edelleenkin enemmän kuin naapurimaissa.

 

Jussi-Pekka Aukia

 

 
 

 

 

 

Jaa artikkeli