Ydinvoima, tuulivoima ja tuontiriippuvuus

Ydinvoima, tuulivoima ja tuontiriippuvuus

Tarkastelin jokin aika sitten sähköntuotannon kehitystä Euroopassa vuosina 1990–2014 ja etenkin sitä, miten fossiilisähkön määrä ja osuus kyseisenä aikana muuttuivat. Totesin, että vuositasolla tuulivoima ei lisää yksittäisen maan riippuvuutta tuontisähköstä; ydinvoima keskimäärin vähentää tuontiriippuvuutta jonkin verran, kun taas vesivoima lisää sitä. Tietenkään vuositason tarkastelu ei kerro koko totuutta, koska sekä sähkön tuotanto että kulutus muuttuvat joka hetki. (Lisäksi yksittäisessä maassa voidaan rakentaa vaikka kuinka paljon ylikapasiteettia, jos niin halutaan, ja saavuttaa tuontiriippumattomuus myös vaihtelevissa tuotanto-oloissa. Se tosin voi lisätä vientiriippuvuutta tai tuotannon nopean säätämisen tarvetta.) Ydinvoima ja fossiilisähkö ovat helpoimmin hallittavissa, vesivoimakin niin kauan kuin varastoaltaissa on paljon vettä, mutta etenkin aurinko- ja tuulivoima vaihtelevat paljon sääolosuhteiden mukaan. Niinpä eri tuotantomuotojen vaikutusta tuontiriippuvuuteen voidaan järkevämmin tarkastella vuosiaineiston sijaan esimerkiksi tuntiaineistosta.

Lähestyn aihetta kahden esimerkkivaltion kautta. Toisena esimerkkinä on Tanska, joka tuottaa noin puolet sähköstään tuulivoimalla. Toisena esimerkkinä on Slovakia, joka tuottaa sähköä vuositasolla suurin piirtein yhtä paljon kuin Tanska, mutta jossa noin puolet sähköstä tuotetaan ydinvoimalla. (Vertailun vuoksi todettakoon, että Suomen sähköntuotanto on hieman suurempi kuin Tanskan ja Slovakian tuotanto yhteensä.) Maat ovat pinta-alan ja väestön osalta kutakuinkin saman kokoiset, ja kummassakin maassa siirretään jatkuvasti paljon sähköä rajojen yli naapurivaltioihin tai päin vastoin. Tuntikohtaisten sähköntuotanto- ja siirtotaulukoiden lähteenä olen käyttänyt Entsoen tietokantoja Actual Generation Per Production Type ja Cross-Border Physical Flows vuodelta 2015. Tietokannoista puuttuu joitakin yksittäisiä tuntirivejä, Slovakialta hieman enemmän kuin Tanskalta. Slovakian osalta käytettävissä on 8391:n ja Tanskan 8639 tunnin tiedot (yhteensä vuodessa on 8760 tuntia). Puuttuvat rivit aiheuttavat jonkin verran harhaa eräisiin tilastollisiin tunnuslukuihin, mutta koska puuttuvien rivien määrä on kokonaisuudessaan melko pieni, tulosten yleinen luotettavuus ei tämän harhan vuoksi oleellisesti heikkene. Seuraavassa tarkastelussa käytetyt luvut perustuvat vain saatavilla oleviin tuntiriveihin, joten todelliset tuotantomäärät ovat hieman tarkastelun lukuja suurempia. Korjauskertoimia ei siis ole käytetty.

Sähkön tuotanto ja nettotuonti Tanskassa

Kuva 1: Tuulivoiman tuntituotanto Tanskassa 2015

Kuva 1: Tuulivoiman tuntituotanto Tanskassa 2015

Vuonna 2015 Tanskassa tuotettiin 27 360 GWh sähköä. Tästä tuulivoimalla tuotettiin 48,6 %, fossiilisilla polttoaineilla 42,2 %, jätteenpoltolla 5,6 %, aurinkovoimalla 2,2 % ja biomassalla 1,4 %. Vuoden aikana nettotuonti oli 23,2 % suhteessa omaan kokonaistuotantoon. Nettona sähköä tuotiin Norjasta ja Ruotsista ja vietiin Saksaan.

Kuva 2: Tuulivoiman tuntituotanto Tanskassa 2015, osuus kokonaistuotannosta

Kuva 2: Tuulivoiman tuntituotanto Tanskassa 2015, osuus kokonaistuotannosta

Kuva 1 esittää tuulivoiman tuotantotuntien jakaumaa. Tanskassa on tuhansia tuulivoimaloita, joiden teho vaihtelee sadoista kilowateista peräti kahdeksaan megawattiin, mutta samanaikaisesti huipputeholla käy kerrallaan vain pieni osa voimaloista. Niinpä vähäisen tuotannon tunnit ovat huomattavasti yleisempiä kuin runsaan tuotannon tunnit. Toisaalta tuulivoiman osuus kaikesta samanaikaisesti tuotetusta sähköstä (kuva 2) painottuu jakauman yläpäähän: on suhteellisesti tavallisempaa, että tuulivoima tuottaa keskimääräistä suuremman osuuden kaikesta sähköstä.

Kuva 3: Fossiilisähkön tuntituotanto Tanskassa 2015, osuus kokonaistuotannosta

Kuva 3: Fossiilisähkön tuntituotanto Tanskassa 2015, osuus kokonaistuotannosta

Vastaavasti toisen suuren tuotantomuodon eli fossiilisten polttoaineiden suhteellisen osuuden jakauma on melko lailla päinvastainen: fossiilisia polttoaineita käytetään tavallisesti keskimääräistä vähemmän (kuva 3). Kuvien 2 ja 3 perusteella voidaan tehdä sellainen valistunut arvaus, että Tanskassa hyödynnetään tuulivoimaa niin paljon kuin sitä käytössä olevasta voimalakapasiteetista irti saadaan ja fossiilisten polttoaineiden käyttöä lisätään lähinnä silloin, kun tuulivoimaa saadaan vähemmän.

Aineistosta voidaan myös laskea eri tuotantomuotojen ja eri tuonti- ja vientisuuntien välisiä korrelaatioita. Positiivinen korrelaatio kahden muuttujan välillä tarkoittaa, että niiden arvot saman tunnin aikana ovat usein yhdessä korkeammat tai yhdessä matalammat. Vastaavasti jos jonkin muuttujan tuntikohtainen arvo on korkea, usein sen kanssa negatiivisesti korreloivan muuttujan arvo on samalla tunnilla matala. Kun verrataan eri tuotantomuotojen ja nettotuonnin välistä korrelaatiota, voidaan päätellä, mitkä tuotantomuodot vaikuttavat voimakkaimmin tuonnin ja viennin määrään.

Tuulivoiman ja nettotuonnin korrelaatiokerroin on -0,81, mikä on hyvin voimakas korrelaatio. Tulkinta on se, että kun tuulivoimaa tuotetaan vähän, nettotuonti on suurempaa. Fossiilisähkön ja nettotuonnin korrelaatio on -0,14 eli varsin heikko: suurempi määrä fossiilisähköä vähentää tuontia, mutta ei kovin selvästi. Maakohtaisessa tuonnissa tuulivoimalla on negatiivinen korrelaatio Norjasta (-0,68) ja Ruotsista (-0,63), mutta positiivinen Saksasta (0,25) tuonnin kanssa. Tulkinta on se, että kun Tanskassa saadaan vähän tuulivoimaa, sähkön tuonti Norjasta ja Ruotsista on runsaampaa, kun taas Saksasta tuonti on runsaampaa silloin, kun tuulivoimaa tuotetaan paljon (myös Saksassa tuotetaan paljon tuulivoimaa, ja voidaan olettaa, että kun tuuli on suotuisa Tanskassa, se on sitä Saksassakin). Maakohtaisessa viennissä taasen tuulivoimalla on positiivinen korrelaatio Norjaan (0,54) ja Ruotsiin (0,47), mutta negatiivinen Saksaan (-0,42) viennin kanssa; kun Tanskassa tuotetaan paljon tuulivoimaa, sitä viedään Norjaan ja Ruotsiin, mutta kun Tanskassa ei saada tuotettua tuulivoimaa, ei sitä saada tuotettua Saksassakaan, ja Tanskasta on vietävä sähköä Saksaan (se ei välttämättä ole Tanskassa tuotettua fossiilisähköä, vaan se voi olla myös Norjasta ja Ruotsista tuotua sähköä läpikulkumatkalla Saksaan).

Fossiilisähkön ja tuulivoiman korrelaatiokerroin on vain -0,15 eli paljon pienempi kuin tuulivoiman ja nettotuonnin. Toisin sanoen Tanska säätelee tuulivoiman vaihtelevuutta ennen kaikkea tuonnilla ja viennillä ja vähäisemmässä määrin fossiilisilla polttoaineilla. Koska Norja tuottaa yli 95 % sähköstään vesivoimalla ja Ruotsi yli 40 % vesivoimalla ja yli 40 % ydinvoimalla, Tanskan tuonti näistä maista on pääsääntöisesti muuta kuin fossiilisähköä.

Kuva 4: Tuulisähkön tuntituotannon muutokset Tanskassa 2015

Kuva 4: Tuulisähkön tuntituotannon muutokset Tanskassa 2015

Tuulivoimalla on siis hyvin voimakas korrelaatio tuonnin ja viennin kanssa, mutta kuinka suurta on toisaalta tuulivoiman ja toisaalta nettotuonnin tuntikohtainen vaihtelu? Tätä voidaan tarkastella esimerkiksi peräkkäisten tuntien välisten erotusten jakaumalla. Kuvasta 4 nähdään, että suurin osa tuulivoiman tuntivaihteluista on pieniä (puolet tuntivaihteluista on välillä [-72, +74] MW ja tuntivaihtelun keskihajonta on 154,7 MW; keskimääräinen tuntituotanto on 1 540 MW). Muutamat yksittäiset tuntivaihtelut ovat kuitenkin gigawattiluokkaa.

Kuva 5: Sähkön nettotuonnin tuntimuutokset Tanskassa 2015

Kuva 5: Sähkön nettotuonnin tuntimuutokset Tanskassa 2015

Nettotuonnin tuntivaihtelu on lähes kaksinkertainen tuulisähkön tuotannon tuntivaihteluun verrattuna. Puolet nettotuonnin tuntivaihtelusta on välillä [-136, +122] MW, tuntivaihtelun keskihajonta on 225,6 MW ja nettotuonnin keskiarvo 734 MW. Vertailun vuoksi mainittakoon, että fossiilisähkön tuntivaihtelusta puolet on välillä [-66, +57] MW (keskihajonta 163,8 MW, tuntituotannon keskiarvo 1 337 MW) ja sähkön kokonaistuotannon tuntivaihtelusta puolet on välillä [-126, +114] (keskihajonta 231,3 MW, tuntituotannon keskiarvo 3 167 MW). Nettotuonti siis vaihtelee suurin piirtein yhtä paljon kuin sähkön kokonaistuotanto, mutta voimakkaammin kuin tuulivoiman tai fossiilisähkön tuotanto. Lineaarisella regressioyhtälöllä tarkasteltuna tuulivoima vaikuttaa selvästi muita tuotantomuotoja voimakkaammin nettotuontiin, mutta on ilmeistä, että myös kulutuksen vaihtelu (jota tässä ei ole huomioitu) vaikuttaa tuntikohtaisiin muutoksiin nettotuonnissa (eri sähköntuotantomuodot selittävät noin 75 % nettotuonnin vaihtelusta).

Vielä voidaan tarkastella sitä, kuinka usein tuotannon suunta muuttuu eli laskeva tuotanto kääntyy nousuun ja nouseva tuotanto laskuun. Tuulivoiman kohdalla tuotannon suunta muuttuu vuoden aineistossamme 2 281 kertaa, ja lasku tai nousu kestää keskimäärin 3,79 tuntia. Nettotuonnin kohdalla suunta muuttuu 2 852 kertaa, ja lasku tai nousu kestää keskimäärin 3,03 tuntia. Fossiilisähköllä vastaavat luvut ovat 3 081 ja 2,80 ja kokonaistuotannolla 2 396 ja 3,61. Sekä fossiilisähkön tuotantoa että nettotuontia vaihdellaan siis Tanskassa enemmän kuin tuulivoiman vaihtelu edellyttäisi.

Sähkön tuotanto ja nettotuonti Slovakiassa

Kuva 6: Ydinvoiman tuntituotanto Slovakiassa 2015

Kuva 6: Ydinvoiman tuntituotanto Slovakiassa 2015

Vuonna 2015 Slovakiassa tuotettiin 26 311 GWh sähköä. Tästä ydinvoimalla tuotettiin 55,1 %, vesivoimalla 15,7 %, fossiilisilla polttoaineilla 12,6 %, aurinkovoimalla 1,9 %, biomassalla 1,7 %, muulla uusiutuvalla energialla 1,0 % ja tässä tilastossa tarkemmin määrittämättömillä muilla lähteillä 11,9 %. Vuoden aikana nettotuonti oli 8,4 % suhteessa omaan kokonaistuotantoon. Nettona sähköä tuotiin Tšekistä ja Puolasta ja vietiin Unkariin ja Ukrainaan.

Kuva 7: Ydinvoiman tuntituotanto Slovakiassa 2015, osuus kokonaistuotannosta

Kuva 7: Ydinvoiman tuntituotanto Slovakiassa 2015, osuus kokonaistuotannosta

Kuva 6 esittää ydinvoiman tuotantotuntien jakaumaa. Jakaumasta näkee selvästi, miten ydinvoiman tuotanto poikkeaa tuulivoiman tuotannosta (vrt. kuva 1). Ydinvoimaloita on vähän, niiden teho on suuri, ja yleensä niitä käytetään joko suunnilleen täydellä teholla tai sitten ne on pysäytetty. Slovakiassa on tällä hetkellä käytössä neljä kutakuinkin yhtä suurta ydinreaktoria, ja kuten kuvasta 6 nähdään, yleensä joko kaikki neljä reaktoria ovat käytössä yhtä aikaa tai yksi reaktoreista on pysäytettynä. Koska käynnissä olevan reaktorin teho on melko vakio, ydinvoiman osuus kokonaistuotannosta vaihtelee tasaisesti sen mukaan, kuinka paljon sähköä muilla tuotantomuodoilla tuotetaan (kuva 7).

Slovakiassa minkään yksittäisen tuotantomuodon korrelaatio nettotuonnin kanssa ei ole niin voimakas kuin Tanskassa. Ydinvoima korreloi voimakkaimmin (-0,35), mutta vesivoiman korrelaatio on samaa luokkaa (-0,30). Fossiilisähkön korrelaatio on lähes olematon (-0,06). Maakohtaista tuontia ja vientiä tarkasteltaessa havaitaan vähäinen positiivinen korrelaatio ydinvoiman ja Unkariin ja Ukrainaan tapahtuvan viennin välillä (0,29 ja 0,23) ja vielä vähäisempi negatiivinen korrelaatio ydinvoiman ja Ukrainasta ja Tšekistä tapahtuvan tuonnin välillä (-0,11 ja -0,09). Tämä tarkoittaa sitä, että kun Slovakian kaikki ydinreaktorit ovat käytössä, sähköä viedään Unkariin ja Ukrainaan, mutta kun yksi reaktoreista on sammutettuna, sähköä tuodaan Ukrainasta ja Tšekistä. Vesivoiman tuotannolla on negatiivinen korrelaatio Puolasta ja Tšekistä tuonnin kanssa (-0,40 ja -0,27), mutta myös Ukrainaan ja Unkariin suuntautuvan viennin kanssa vesivoima korreloi negatiivisesti (-0,24, -0,17).

Tuotantomuotojen väliset korrelaatiokertoimet eivät myöskään ole suuria. Ydinvoimalla ja fossiilisähköllä on kohtalainen positiivinen korrelaatio (0,41), eli kun ydinvoimaa tuotetaan enemmän, myös fossiilisähköä tuotetaan enemmän. Ydinvoiman ja vesivoiman korrelaatio taas on lievästi negatiivinen (-0,20). Vesivoiman ja fossiilisähkön korrelaatio on kutakuinkin merkityksetön (0,08). Yhteenvetona voidaan sanoa, että jos Slovakian on korvattava ydinvoiman tuotantoa sammutustilanteen aikana, sitä korvataan ennen kaikkea tuonnilla sekä jossain määrin vesivoimalla.

Kuva 8: Ydinvoiman tuntituotannon muutokset Slovakiassa 2015

Kuva 8: Ydinvoiman tuntituotannon muutokset Slovakiassa 2015

Ydinvoiman tuntivaihtelut ovat hyvin pieniä (kuva 8). Puolet tuntivaihteluista mahtuu välille [-2, +2] MW, ja tuntivaihtelujen keskihajonta on 11,8 MW. Suurin tuotannon lasku tunnissa on 318 MW ja suurin nousu 147 MW. Keskimääräinen tuntituotanto on 1 726 MW. Slovakiassa ydinvoiman tuotannon tuntivaihtelut ovat siis noin viidestoistaosa Tanskan tuulivoiman tuntivaihteluista.

Kuva 9: Sähkön nettotuonnin tuntimuutokset Slovakiassa 2015

Kuva 9: Sähkön nettotuonnin tuntimuutokset Slovakiassa 2015

Nettotuonnin tuntivaihtelut ovat suurempia kuin ydinvoiman. Puolet tuntivaihteluista mahtuu välille [-62, 54] MW, ja tuntivaihtelujen keskihajonta on 105,6 MW. Tämä on noin puolet Tanskan nettotuonnin tuntivaihtelusta, mutta toisaalta Tanskan nettotuonti on keskimäärin 734 MW tunnissa ja Slovakian vain 264 MW. Suhteessa nettotuonnin määrään Slovakian nettotuonnin tuntivaihtelut ovat jopa voimakkaampia kuin Tanskassa. Slovakian sähkön kokonaistuotannon tuntivaihteluista puolet mahtuu välille [-44, 40] MW, keskihajonta on 104,1 MW ja kokonaistuotannon keskiarvo 3 136 MW. Lineaarisella regressioyhtälöllä tarkasteltuna ydinvoima vaikuttaa selvimmin nettotuontia vähentävästi, mutta toisaalta kaikki tuotantomuodot selittävät vain noin 35 % kaikesta nettotuonnin vaihtelusta eli selvästi vähemmän kuin Tanskassa. Slovakiassa sähköntuotanto on siis Tanskaa tasaisempaa ja kulutuksessa tapahtuviin muutoksiin vastataan ensisijaisesti tuonnin ja viennin muutoksilla.

Lopuksi voidaan tarkastella tuotannon suunnan muuttumisia myös Slovakian kohdalla. Ydinvoiman tuotannon suunta muuttui vuodessa 3 592 kertaa, ja yhtämittainen lasku tai nousu kesti keskimäärin 2,34 tuntia. Edellä kuitenkin todettiin, että ydinvoiman tuntimuutokset ovat erittäin pieniä, joten tiheällä suunnanmuutoksella ei ole juuri vaikutusta tuotetun sähkön määrään. Sähkön kokonaistuotannon suunta muuttui 3 219 kertaa ja keskimäärin 2,61 tunnin välein. Nettotuonnin suunta muuttui 3 801 kertaa ja keskimäärin 2,21 tunnin välein. Slovakiassa sekä nettotuonnin että tuotannon suunta muuttuu siis useammin kuin Tanskassa.

Yhteenveto

Kun vertaillaan kahden pienen eurooppalaisen valtion sähköntuotantoa ja sähkön tuontia ja vientiä, voidaan tehdä seuraavia havaintoja. On hyvä huomata, että nämä havainnot on tehty yksittäistapauksista. Useampien maiden vertailu saattaa johtaa toisenlaisiin havaintoihin. Suurissa maissa sähkön tuotanto ja nettotuonti voivat poiketa oleellisesti pienistä maista. Seuraavat havainnot perustuvat tilanteeseen, jossa yksittäisen maan sähköstä noin puolet tuotetaan tuulivoimalla tai ydinvoimalla ja loput muilla tuotantomuodoilla (fossiilisilla polttoaineilla, vesivoimalla, biomassalla, aurinkovoimalla ym.).

  • Suuressa mittakaavassa tuulivoiman tuotannon tuntivaihtelut ovat noin viisitoistakertaisia ydinvoiman tuotannon tuntivaihteluihin verrattuna. Vain murto-osa tuulivoimalakapasiteetista on yleensä samanaikaisesti tuotantokäytössä.
  • Tuulivoiman tuotanto nousee ja laskee hitaammin kuin sähkön kulutus, nettotuonti tai kokonaistuotanto. Ydinvoiman tuotanto pysyy kaiken aikaa kutakuinkin samansuuruisena lukuun ottamatta laitosten alas- ja ylösajoja.
  • Tuulivoimalla on voimakas korrelaatio tuonnin ja viennin kanssa: kun tuulivoimaa tuotetaan paljon, sitä viedään ulkomaille, ja kun tuulivoimaa tuotetaan vähän, paikataan puuttuvaa tuotantoa tuonnilla. Ydinvoimalla on vastaava korrelaatio lievempänä.
  • Ydinvoiman tasainen tuotanto ei poista runsaan tuonnin ja viennin tarvetta, mutta se voi puolittaa tuonnin ja viennin lyhytaikaisten vaihtelujen voimakkuuden.
  • Riippumatta siitä, onko yksittäisen maan pääasiallinen sähköntuotantomuoto tuulivoima vai ydinvoima, nettotuonnin lyhytaikaiset vaihtelut ovat pääasiallisen sähköntuotantomuodon lyhytaikaisia vaihteluita voimakkaampia. Kulutus vaihtelee tuotantoa voimakkaammin, ja yksittäisen pienen maan on joka tapauksessa tasattava nopeita kulutusvaihteluita runsaalla tuonnilla ja viennillä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *