Tampereen yliopiston koordinoimassa EL-TRAN-hankkeessa on mallinnettu Suomen sähköenergiajärjestelmän toiminnallisuutta vuosina 2030 ja 2050 neljän eri skenaarion avulla. Skenaarioiden pohjana ovat Suomen sähköenergiajärjestelmän nykyinen rakenne ja jo tiedossa olevat vuoteen 2025 ulottuvat investoinnit muun muassa tuulivoiman tuotantoon.
Vuodelle 2030 laadittiin kolme skenaariota, joissa tutkittiin tuuli- ja aurinkovoiman maltillisen lisäyksen, voimakkaan lisäyksen ilman merkittävää lisäystä energiavarastoihin, sekä voimakkaan lisäyksen ja varastokapasiteetin lisäyksen vaikutuksia järjestelmän toiminnallisuuteen. Vuoden 2050 skenaariossa oletettiin tuulivoiman ja aurinkovoiman tuotannon, sekä energiavarastojen kapasiteetin kaksinkertaistuminen vuoden 2030 voimakkaan kasvun tasosta. Kulutuspuolella tutkittavia muuttujia olivat sähköautojen määrä ja latausstrategiat, kaukolämmön tuotannon vaiheittainen siirtyminen CHP-voimalaitoksilta lämpöpumppuihin ja geotermiseen lämpöön, teollisuuden CHP-tuotannon muutos metsäteollisuuden tuotantorakenteen muuttuessa (ligniinin hyödyntäminen raaka-aineena), teollisuuden sähköistyminen, vedyn tuotanto ja teollisuuden kulutusjoustot.
Energiajärjestelmän toiminnallisuutta arvioitiin residuaalikuorman ja markkinoilta ostettavan/myytävän keskituntitehon ja näiden muutosnopeuksien käyttäytymisellä
Residuaalikuorma on sähkön hetkellisen kokonaiskulutuksen ja vaihtelevalla uusiutuvalla tuotannolla tuotetun tehon erotus. Se kuvaa kuinka paljon järjestelmässä täytyy hetkellisesti tuottaa/rajoittaa tehoa, jotta sähköverkon tuotanto ja kulutus pysyvät tasapainossa. Tämä on tärkeää, koska sähköverkko itsessään ei varastoi energiaa, jolloin toimiakseen hyvin, sähköverkkoon syötetyn tehon on joka hetki oltava yhtä suuri kuin siellä kulutettu teho. Tuotetun ja kulutetun tehon epätasapaino heiluttaa sähköverkon taajuutta, joka aiheuttaa ongelmia verkkoon kytkettyjen sähkölaitteiden toimintaan.
Tutkimuksessa residuaalikuormasta on vähennetty peruskuormaa tuottava ydinvoimatuotanto sekä teollisuuden CHP-laitosten sähköntuotanto. Teollisuuden CHP-laitoksia ajetaan teollisuuden energiatarpeen eikä sähköverkon tilan mukaan. Näin muodostettu residuaalikuorma kuvaa hetkellisen joustavan tuotannon ja kulutuksen tarvetta sähköjärjestelmän tasapainottamiseksi. Malleissa sähkömarkkina on kuvattu ideaalisesti joustavana osajärjestelmänä, jonka toimintaa rajoittaa ainoastaan tehonsiirtokapasiteetti. Käytännössä markkina ei toimi näin. Energiajärjestelmän toiminnallisuuden yhtenä arviointikohteena olikin markkinan toiminnan realistisuus, eli missä määrin mallinnuksen tuottamaa markkinan toimintaa voidaan pitää realistisena.
Simulointitulokset osoittivat miten energiajärjestelmän erilaiset tuotantovaihtoehdot ja kulutuksen muutokset vaikuttavat järjestelmän toiminnallisuuteen
Odotetusti vaihtelevan uusiutuvan tuotannon osuuden kasvu lisää paineita markkinan joustavuuteen. Vaihteleva tuotanto lisää häiriöitä sähköjärjestelmän tehotasapainoon. Kun se samalla syrjäyttää muuta joustavaa tuotantoa järjestelmästä, niin tasapainotus on tehtävä markkinan avulla. Varastot lisäävät järjestelmän joustavuutta, mutta mallinnuksissa osa tästä joustosta tulee markkinan kautta. Sähkön hinnan ollessa halpa, järjestelmä lataa varastoja (esimerkiksi lataamalla lämpövarastoja lämpöpumpuilla tuotetulla lämpöenergialla) ostamalla lisää sähköä markkinoilta. Myynnin tarve kuitenkin vähenee, koska sähkön ollessa kallista, järjestelmä voi hyödyntää ladattuja varastoja. Varastot lisäävät käyttötunteja, jolloin järjestelmän toiminta ei edellytä markkinoiden hyödyntämistä, mutta ne eivät poista, vaan tietyissä tilanteissa jopa lisäävät, markkinaan kohdistuvia jousto- ja kapasiteettitarpeita.
Tärkeä ominaisuus järjestelmän toiminnan kannalta on sekä residuaalikuorman että markkinoilta hankittavan tehon muutosnopeudet
Eri tuotantomuodoilla on rajalliset kapasiteetit, yksittäisten tuotantoyksiköiden toiminta-alueet ja tuotannon muutosnopeudet. Nämä vaikuttavat siihen, miten tuotantokoneisto ja markkina kykenevät vastaamaan nopeisiin tehonmuutoksiin. Uusiutuvan vaihtelevan tuotannon teho voi vaihdella hyvinkin nopeasti, ja vaihtelun vaikutus energiajärjestelmän toimintaan on suoraan verrannollinen näiden tuotantomuotojen suhteellisesta osuudesta kokonaistuotantoon. Kun vaihtelevan tuotannon osuus järjestelmässä kasvaa suureksi, ei voida olettaa, että tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen voidaan hoitaa oman säädettävän tuotannon ja markkinoiden avulla, vaan järjestelmään on lisättävä muita joustavuutta lisääviä komponentteja, esimerkiksi vedyn tuotantoa, varastointia, ja konvertointia takaisin sähköksi.
Analyysin tulokset osoittavat, että energiajärjestelmän kehitystä vahvasti uusiutuvaan vaihtelevaan tuotantoon perustuvaksi ei voida toteuttaa pelkästään uusiutuvan vaihtelevan tuotannon määrää kasvattamalla, vaan samanaikaisesti tulee kehittää muun järjestelmän joustokapasiteettia ja pitää huolta energian riittävyydestä kaikissa tilanteissa
Pyrittäessä eroon polttamalla tuotettavasta energiasta joustavan tuotannon lisääminen on vaikeaa. Joustavan vesivoiman tuotantokapasiteettia Suomessa ei voida nykyisestä juurikaan kasvattaa, ja joustavan ydinvoiman rakentaminen ei ole tällä hetkellä kovin todennäköinen vaihtoehto. Siihen liittyy sekä lainsäädännöllisiä että taloudellisia ongelmia. Pienet modulaariset reaktorit (SMR) saattavat kuitenkin muuttaa tilannetta. Niinpä jousto on hankittava kulutuspuolelta. Vedyn käyttö teollisuudessa ja liikenteessä yhdistettynä vedyn varastointiin mahdollistaa merkittävän lyhyen ajan (tunti – päivä) joustopotentiaalin. Lämpövarastot kytkettynä älykkäästi rakennusten lämmittämiseen tuovat myös joustoa järjestelmään. Myös sähköakuilla voidaan aikaansaada lyhyen aikavälin joustoa nopeaan sähköverkon tasapainon hallintaan. Näillä resursseilla ei kuitenkaan voida kattaa pidempiaikaista, usean päivän – viikkojen, energiavajetta. Sitä varten tarvitaan tarpeen vaatiessa käynnistettävää varavoimakapasiteettia. Jotta investoitavan varavoiman määrä voidaan pitää mahdollisimman pienenä, olisi hyvä, että myös olemassa olevaa perusvoiman ja säädettävän voiman, esimerkiksi CHP-laitokset, tuotantokapasiteettia pystyttäisiin ylläpitämään lisääntyvästä uusiutuvasta tuotannosta huolimatta.
Markkinoiden roolia arvioitaessa tulee ottaa huomioon muiden markkinaan osallistuvien järjestelmien rakenne ja resurssien riittävyys. Jos kaikkien markkinaan osallistuvien maiden tuotantorakenne on hyvin saman tyyppinen, on hyvin mahdollista, että tehovaje- tai ylituotantotilanteet tapahtuvat tietyllä viiveellä koko markkinassa. Tällöin markkinasta ei saada automaattisesti apua alueellisen ongelman ratkaisuun.
Projektipäällikkö Yrjö Majanne esitteli tuloksia EL-TRAN-hankkeen vuorovaikutuspaneelissa 10.5.2021. Loppuvuodesta ilmestyy myös Tomas Björkqvistin, Yrjö Majanteen ja Matti Vilkon kirjoittama artikkeli ”Combining electrification solutions in a national context” professori Pami Aallon toimittamassa kirjassa ”Electrification. Accelerating the Energy Transition” (Academic Press).
Lisätietoja
Projektipäällikkö Yrjö Majanne, yrjo.majanne@tuni.fi, Tampereen yliopisto, 040 198 1168
Yliopistotutkija Tomas Björkqvist, tomas.bjorkqvist@tuni.fi, Tampereen yliopisto, 050 571 3037
Professori Matti Vilkko, matti.vilkko@tuni.fi, Tampereen yliopisto, 040 833 2830
Alunperin julkaistu EL-TRAN hankkeen kirjoituksena.
