”Aina jossain tuulee”

”Aina jossain tuulee”

Tuulivoiman tuotanto on hyvin vaihtelevaa. Vaikka tietyllä alueella tuotettaisiin tuulivoimaa keskimäärin ihan mukavasti, lyhytaikaisesti tuotanto voi kuitenkin pudota lähes nollaan (tai peräti pysähtyä kokonaan) ja toisinaan taas tuotanto voi ylittää keskiarvon moninkertaisesti. Näitä tuotannon vaihteluja on vaikea hallita, ja niitä on tasattava joko tuottamalla puuttuva sähkö jollain muulla tavalla tai viemällä ylituotantosähköä muualle. Tuuliolosuhteet ovat kuitenkin luonteeltaan paikallisia, ja jos samaan verkkoon on kytketty useita kaukana toisistaan sijaitsevia tuulivoimaloita, ne voivat tasata toistensa tuotannon vaihteluja. Kun tätä ajatusta jatketaan tarpeeksi pitkälle eli suurennetaan yhtenäisen verkon kokoa kokonaisen mantereen kokoiseksi, päästään ajatukseen siitä, että aina jossain tuulee ja tuulivoiman tuotanto voisi olla aina melko tasaista, jos koko Eurooppa olisi samaa siirtoverkkoa. Voisiko tämä olla mahdollista?

Ennen kuin jatkan tämän pidemmälle, nostan esiin kaksi seikkaa, joiden vuoksi tämän asian tarkastelu on täysin teoreettista ja hyvin spekulatiivista:

  • Sähköntuotannon tasapainottaminen suurella alueella vaatii sähkönsiirtoverkolta hyvin paljon. Olen kuullut, että jopa niin paljon, ettei se nykytekniikalla olisi käytännössä mahdollista. En ole fyysikko tai insinööri enkä osaa arvioida siirtoverkkoon kohdistuvia vaatimuksia tai sitä, olisiko tällainen siirtoverkko edes fysiikan lakien mukaan mahdollinen. Niinpä lähden siitä, että tekniikan rajat tulevat vastaan ja asiaa on järkevää pohtia vain teoreettisesti.
  • Keskitetysti hallittu yhtenäinen sähköntuotantoverkosto, joka on hajautettu moneen eri maahan, on poliittisesti hyvin hankala toteuttaa ja hyvin riskialtis pitää kasassa. Euroopassa tämä voisi onnistua EU-tason päätöksillä ja määräyksillä, mutta mahdollisilla tulevilla kansallisilla konflikteilla tai EU:n poliittisilla kriiseillä voisi olla vakavia haittavaikutuksia sähköturvallisuudelle, jos unionin sähköhuolto perustuisi hajautettuun ja ylikansalliseen tuotanto- ja siirtoverkostoon. Niinpä lähden siitä, että tämä on poliittisesti epärealistinen ja lähinnä vain teoreettinen ajatus.

Edetään siis ajatusleikin muodossa. Oletetaan, että sähkön siirto onnistuu ongelmitta jopa tuhansien kilometrien päähän ja Euroopan toisella laidalla voidaan paikata Euroopan toisen laidan sähköntuotantovajetta. Ja oletetaan, että poliittinen tilanne on optimaalinen ja tällainen tuotanto- ja siirtoverkosto saadaan harmonisesti toteutettua. Tuuleeko siis aina jossain niin paljon, että koko Euroopan sähköntarve voitaisiin kattaa tuulivoimalla?

Ja vielä yksi asia ennen pihvin puraisemista. Olen käyttänyt laskelmissani aineistona Entsoen tietokantaa Actual Generation per Production Type. Tästä tietokannasta olen ladannut tuulisähkön tuntikohtaiset tuotantoluvut vuodelta 2015 kaikista niistä maista, joista tämä aineisto on saatavissa. Näitä maita on 21. Mukana eivät ole kaikki Euroopan maat, eivät edes kaikki EU-maat, joten kaikki laskelmat ovat väistämättä epätarkkoja. Niin ikään arviot tuuliolosuhteista perustuvat tuulisähkön toteutuneeseen tuotantoon eli siihen, miten tuulta on saatu hyödynnettyä nykytekniikalla nykyisissä voimaloissa. Nämä voimalat eivät välttämättä sijaitse alueellisesti edustavissa paikoissa. Tuulivoimatekniikka kehittyy jatkuvasti, ja ensi vuosikymmenellä käytössä voi olla nykyisiä moninkertaisesti tehokkaampia ja huomattavasti korkeampia voimaloita, joilla pystytään hyödyntämään sellaisia ilmavirtoja, jotka nykytekniikalla jäävät hyödyntämättä. Niinpä koko tämä kirjoitus on ymmärrettävä seuraavan kysymyksen kautta: Mitä jos?

Maakohtainen vaihtelu nykytilanteessa

Jos tarkastellaan vuonna 2015 tuulisähkön tuotantoa maittain, havaitaan, että yksittäisissä maissa tuntikohtainen tuotanto vaihtelee erittäin voimakkaasti. Keskimääräinen tuotantominimi on vain 1,9 % mediaanitunnin tuotannosta, ja keskimääräinen alakvartaali on 45,4 % tuotannosta. Tämä tarkoittaa, että keskimäärin joka neljäs tunti tuulivoiman kokonaistuotanto yhdessä maassa on alle 45 % mediaanituotannosta.

Toisaalta maakohtainen vaihtelu riippuu kohtuullisen selvästi tuotantovolyymista: tuntivaihtelun skaalatun keskihajonnan ja keskimääräisen tuntituotannon välinen korrelaatiokerroin on -0,51. Kahden eniten tuulivoimaa tuottavan maan, Saksan ja Espanjan, tuotantominimit ovat 2,4 % ja 4,8 % mediaanista ja alakvartaalit 46,8 % ja 59,1 % mediaanista. Maakohtaisestikin on mahdollista tasata tuulivoiman tuotantoa ihan vain rakentamalla paljon tuotantokapasiteettia ja hajauttamalla se ympäri maata. Mutta jopa Espanjan mittakaavassa vaihtelu on hyvin suurta.

Sähkön lainaaminen naapureilta

Euroopan maat eivät kuitenkaan tälläkään hetkellä ole omavaraisia sähkön suhteen, vaan kaikki maat (joitakin saarivaltioita lukuun ottamatta) tuovat sähköä naapurimaista ja vievät sitä naapurimaihin, ja tällä tavalla tasataan jo nyt sähkönkulutuksen ja -tuotannon välisen erotuksen vaihteluja. Jos kunkin maan tuulivoimakapasiteettiin lasketaan mukaan kapasiteetti kaikista niistä naapurimaista, joihin tällä hetkellä kulkee sähkönsiirtolinjat, ja skaalataan tuotantoluvut saman suuruisiksi (teoreettinen oletus, että joka maassa olisi yhtä suuri kapasiteetti), maakohtainen vaihtelu pienenee jo ihan mukavasti. Tällöin keskimääräinen naapurustokohtainen tuotantominimi on 6,5 % mediaanista ja keskimääräinen alakvartaali 60,3 % mediaanista. Esimerkiksi Saksassa, jolla on paljon naapurimaita, minimi nousee jo 10,7 prosenttiin mediaanista.

Mutta ei tämäkään oikein vielä vakuuta. Jos yksittäinen maa haluaisi varmistaa, että tuulivoimalla voidaan tuottaa kaikki sähkö myös matalan tuotannon aikaan, sen pitäisi rakentaa noin kymmenkertainen ylikapasiteetti mediaanituotantoon nähden. Lisäksi jokaisen naapurimaankin pitäisi rakentaa yhtä suuri ylikapasiteetti, koska tässä laskelmassa oletuksena on, että naapurimaat voivat tasata yhden maan tuotantoa omalla yhtä suurella tuotannollaan. Mediaanitilanteessa tai poikkeuksellisen suotuisassa tuotantotilanteessa syntyisi valtavaa ylikapasiteettia, jota ei saataisi vietyä naapurimaihin, koska niissäkin tuotettaisiin liikaa sähköä.

Maakohtaisen tuotannon pitäisi siis olla pienempää ja kokonaistuotannon paljon hajautetumpaa, eli puhutaan johdannossa mainitusta mantereen laajuisesta tuotanto- ja siirtoverkosta. Tarkastellaan seuraavaksi tällaista teoreettista mallia kolmessa eri skenaariossa. Ensimmäisessä skenaariossa joka maassa on yhtä paljon absoluuttista kapasiteettia. Toisessa skenaariossa kapasiteettia on enemmän niissä maissa, jotka poikkeavat tuuliolosuhteiltaan enemmän keskimääräisestä. Kolmannessa skenaariossa kapasiteetin määrä jakautuu samassa suhteessa kuin nykytilanteessa (mutta kapasiteettia olisi tietenkin paljon nykyistä enemmän).

Jos kaikkialla tuotettaisiin yhtä paljon sähköä

Kuva 1: Tuuliolosuhteiltaan toisistaan poikkeavia alueita Euroopassa

Kuva 1: Tuuliolosuhteiltaan toisistaan poikkeavia alueita Euroopassa

Tuulivoiman tuotantona realisoituvat tuuliolosuhteet tosiaan vaihtelevat eri puolilla Eurooppaa. Kun tarkastellaan eri maiden toteutuneiden tuotantomäärien välisiä korrelaatiokertoimia, voidaan havaita esimerkiksi kuvan 1 kaltaisia tuuliolosuhteiltaan toisistaan poikkeavia alueita. Kuvassa samanväristen maiden tuulivoiman tuotanto korreloi keskenään ja poikkeaa eriväristen maiden tuotannosta. Pohjoisella Itämerellä on yhdenlaiset olosuhteet, eteläisellä Itämerellä ja Keski-Euroopassa yhdenlaiset, Länsi-Euroopassa yhdenlaiset, Etelä-Euroopassa yhdenlaiset ja Tonavan alueen maissa yhdenlaiset. Sveitsi poikkeaa kaikista muista maista, mutta toisaalta Sveitsissä tuotetaan niin vähän tuulivoimaa, että poikkeavuuteen voi olla syynä aineiston niukkuuskin. (Kartassa ovat mukana vain ne maat, joiden aineistoa on ollut käytettävissä. Puuttuvia maita ovat mm. Irlanti, Norja ja Italia sekä osa Balkanin ja Itä-Euroopan maista.)

Oletetaan, että kaikissa tarkastelluissa maissa tuotetaan yhtä paljon tuulivoimaa, eli skaalataan kaikkien maiden tuotanto yhtä suureksi. Oletetaan nyt myös se, että sähkö kulkee ongelmitta ja hävikittä maasta toiseen ja vaikka Euroopan laidalta toiselle. Koko EU:n tasolla tuntivaihtelu pienenee tällöin huomattavasti maakohtaiseen vaihteluun nähden. Tuotantominimi on 19,4 % mediaanista eli kymmenkertainen keskimääräiseen maakohtaiseen tuotantominimiin nähden. Alakvartaali on peräti 73,4 % mediaanista, toisin sanoen keskimäärin joka neljännen tunnin tuotanto on alle 73,4 % mediaanitunnin tuotannosta. Tuntituotantojen jakauma tiivistyy myös yläpäästä, sillä yläkvartaali on 131,9 % mediaanista ja tuotantomaksimi 250,6 % mediaanista. Keskihajonnan suhde keskiarvoon on 0,40 (mitä pienempi tämä suhdeluku on, sitä tasaisempaa tuotanto on, eli pienempi arvo on parempi).

Jos sähköä tuotettaisiin enemmän reuna-alueilla

Kuva 2: Tuotannon painottaminen keskimääräisestä eniten poikkeaviin maihin

Kuva 2: Tuotannon painottaminen keskimääräisestä eniten poikkeaviin maihin

Eri maiden tuuliolosuhteet poikkeavat kuitenkin myös sen suhteen, kuinka paljon tai vähän ne muistuttavat Euroopan keskimääräisiä tuuliolosuhteita. Tätä voidaan tarkastella maakohtaisten tuotantolukujen ja kokonaistuotantolukujen välisillä korrelaatiokertoimilla. Voidaan ajatella, että jos yksittäisen maan tuuliolosuhteet muistuttavat kovasti Euroopan keskimääräisiä tuuliolosuhteita, kyseisen maan tuulivoimatuotannolla on suhteellisesti heikompi kyky tasata muiden maiden tuotannossa tapahtuvaa vaihtelua. Tällöin koko maanosan tuotantoa voitaisiin tasapainottaa tehokkaammin rakentamalla suhteellisesti enemmän kapasiteettia niihin maihin, joissa tuuliolosuhteet poikkeavat enemmän keskimääräisistä.

Kuvassa 2 on esimerkki tällaisesta skenaariosta. Vaaleanvihreiden maiden tuotantokapasiteetti on yksi yksikkö, sitä tummemmissa kaksi yksikköä, sitä tummemmissa neljä yksikköä ja kaikkein tummimmassa (Kreikassa) kahdeksan yksikköä. Ei ehkä ole kovin yllättävää että tässä skenaariossa eniten tuotantoa on reuna-alueilla, sillä järjenkin mukaan keskusalueiden olosuhteet ovat lähimpänä keskimääräisiä.

Kuinka paljon tällainen painottaminen sitten tasaa kokonaistuotantoa? Minimitunnin suhde mediaaniin on 20,8 %, alakvartaalin suhde mediaaniin 78,0 %, yläkvartaalin suhde mediaaniin 125,9 % ja maksimitunnin suhde mediaaniin 248,7 %. Keskihajonnan suhde keskiarvoon on 0,33. Minimituotantoa saataisiin nostettua edelliseen skenaarioon verrattuna 1,4 prosenttiyksikköä, ja muutenkin tuntituotantojen hajonta on pienempi. Etenkin huipputuotantotuntien pitkä häntä on tässä skenaariossa ohuempi. Ylikapasiteettia ei tarvittaisi niin paljon kuin tuottamalla joka maassa yhtä paljon, ja tällöin myös huipputuntien ylituotanto-ongelma olisi pienempi.

Jos sähköä tuotettaisiin nykyisissä suhteissa

Kuva 3: Tuulivoimatuotannon suhteellinen jakautuminen tällä hetkellä

Kuva 3: Tuulivoimatuotannon suhteellinen jakautuminen tällä hetkellä

Edellisen skenaarion tilanne, jossa tuulivoimaa on enemmän Euroopan laidoilla ja ennen kaikkea Kreikassa ja eteläisessä Itä-Euroopassa, poikkeaa kuitenkin hyvin paljon siitä, miten tuulivoiman tuotanto tällä hetkellä on jakautunut. Kuvan 3 luokat ovat kuvan 2 tavoin eksponentaalisia (vaaleimmasta tummimpaan keskimäärin alle 0,5, 1, 2, 4 ja yli 4 GW tunnissa). Väritys on lähes päinvastainen kuin kuvassa 2: eniten tuotantoa on Keski-Euroopassa, vähiten itäisissä reunamaissa. Lähinnä Espanjassa ja Britanniassa tuotanto on siinä määrin runsasta kuin edellisessä skenaariossa.

Miten tämä näkyy hajonnassa? Minimitunnin suhde mediaaniin on 22,8 %, alakvartaalin suhde mediaaniin 73,2 %, yläkvartaalin suhde mediaaniin 139,2 % ja maksimitunnin suhde mediaaniin 265,8 %. Keskihajonnan suhde keskiarvoon on 0,44. Toisin sanoen minimituotanto on edellisiä skenaarioita korkeampi, mutta kaikin muin tavoin hajonta on suurempaa eli huonompaa.

Näistä kolmesta skenaariosta selvästi nähdään, että tuulivoiman alueellisen sijainnin painopisteellä on vaikutusta tuotannon tasaisuuteen. Kaikkein tasaisinta tuotanto on silloin, kun tuotannon painopiste on reuna-alueilla. Tämä kuitenkin poikkeaa kaikkein eniten nykytilanteesta, jossa painopiste on Keski-Euroopassa. Toisaalta reuna-alueiden painottaminen pidentäisi keskimääräisiä siirtomatkoja ja vaatisi siirtoverkolta enemmän. Etenkin Itä- ja Kaakkois-Euroopassa nykytilanteen ja tehokkaasti hajautetun skenaarion välinen ero on huomattava.

Yhteenveto

Kyllä, voidaan sanoa, että aina jossain tuulee. Mutta tuuleeko riittävästi, jotta Eurooppaan voitaisiin rakentaa tuulivoimakapasiteettia siten, että tuulivoiman tuotanto olisi jatkuvasti suhteellisen tasaista? Tämän tarkastelun perusteella tavoite ei nykyisellä voimalatekniikalla olisi saavutettavissa. Tuntikohtainen vaihtelu on jopa maanosan tasolla suurta, ja luotettavan minimitason varmistamiseksi olisi rakennettava merkittävästi ylikapasiteettia, mikä taas johtaisi ylituotanto-ongelmiin merkittävän osan ajasta.

Tasainen sähköntuotanto tuulivoimalla vaikuttaisi joka tapauksessa edellyttävän sitä, että energiaa saadaan varastoitua jollain tavalla. Olemassa olevia tai esitettyjä tekniikoita ovat esimerkiksi veden pumppaaminen vesivoimaloiden varastoaltaisiin, (uusiutuvien) polttoaineiden valmistaminen tuulisähköllä, liike-energian varastoiminen vauhtipyöriin, lämpöenergian pumppaaminen kallioperään ja sähköenergian varastoiminen akkuihin tai kondensaattoreihin. Eri varastointimenetelmien tekninen toteutettavuus, skaalautuvuus, hyötysuhde ja taloudellisuus vaihtelevat. Tällä hetkellä tuulivoiman varastointiin ei isommassa mittakaavassa käytetä oikein mitään menetelmää (vesivoiman varastoaltaat lienevät käytetyin). Jahka hyviä varastointitapoja saadaan laajasti tuotantokäyttöön, voidaan vähitellen päästä eroon tuulivoimaa piinaavasta vaihtelevuudesta ja tuulivoimakapasiteettia saadaan toden teolla lisättyä merkittävästi. Varastoinnilla tasaaminen on myös huomattavasti realistisempi tavoite kuin koko Euroopan laajuisen, reaaliajassa tuotantoa tasaavan siirtoverkon toteuttaminen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *