TkT Matti Kataja: Pumppuvoimalaitokset

Kati Nordlund: Sähkön varastointimenetelmät, Pitkäaikaisvarastot

Pitkäaikaisvarastolla tarkoitetaan energiavarastoa, johon voi varastoida tarpeeksi energiaa vastaamaan usean tunnin, parin päivän tai pidemmänkin ajanjakson energiatarpeeseen…

Pumppuvoimalaitos

Varastoon voi säilöä niin paljon energiaa kuin ylempään varastoaltaaseen mahtuu. Teoriassa energiaa voisi varastoida jopa päivien tarpeeseen, jos ylempi allas on riittävän suuri, eikä kuluttajia ole paljon. Tällainen tilanne on syrjäisissä asutuksissa, joita ei ole liitetty suurempaan sähköverkkoon. Yleensä varastokapasiteetti riittää hyvin muutaman tunnin huippukulutukseen vastaamiseen. Pumppuvoimalaitoksen hyötysuhde on kokonaisuudessaan noin 75 % , kun kaikki häviöt huomioidaan. Häviöt johtuvat pumppauksessa sekä varastoa purettaessa turbiinissa tapahtuvista häviöistä sekä osin haihtuvasta vesimäärästä.

Veden elektrolyysi

Vetykaasu on pakattava paineistettuihin säiliöihin, jotka voivat purkautua räjähdysmäisesti, tai jäähdytettävä 20 K:n lämpötilaan, jossa vety on nestettä. Vety on erittäin helposti syttyvä kaasu. Paineistetut säiliöt soveltuvat pienten määrien varastoihin. Jäähdytys on erittäin energiaintensiivistä. Kolmas tapa on varastoida vety metallihybrideihin. Tämä perustuu metallien ja metalliyhdisteiden kykyyn sitoa vetyä kemiallisesti. Tuloksena on kestävä varasto, jota voi huoletta siirtää. Sopivia ovat mm. lantaaninikkeli (LaNi) ja rautatitaani (FeTi). Päästöjen kannalta vety on erinomainen polttoaine, sillä ainoa palamistuote on vesi.

Pumppuvoimalaitos

Pumppuvoimalaitos on tarkoitettu tuotetun sähköenergian väliaikaiseen varastointiin jonkin väliaineen potentiaalienergian muodossa. Pumpattava väliaine on yleensä makea vesi, mutta sen tilalla voi olla esimerkiksi ilma. Veden käyttö on kuitenkin yleisintä ja pumppulaitokset sijaitsevatkin usein tavallisen vesivoimalaitoksen yhteydessä tai lähettyvillä, missä ne toteuttavat sähköntuotannossaan säännöstelyvoimalaitoksen tuotantotapaa. Pumppuvoimalaitokset tulevat lähiaikoina yleistymään, sillä säätövoimaa tarvitaan yhä enemmän. Vaikka pumppuvoimalaitos tuottaa sähköä esimerkiksi vedestä, ei sitä tule sekoittaa vesivoimalaitokseen. Energian säilymislaki ilmaisee selvemmin sen, miksei pumppuvoimalaitos voi tuottaa sähköä: Veden varastointiin varastoaltaisiin kuluu enemmän sähköä kuin mitä siitä saadaan purettaessa tuotettua. Hyötysuhde on kuitenkin useimmissa laitoksissa noin 80 %. Pumppulaitoksen sähköntuotto on siis negatiivinen eikä sitä lasketa mukaan esimerkiksi valtioiden energiantuotantolukuihin.

Vesipumppulaitokset muodostavat ylivoimaisesti merkittävimmän ryhmän energiaa väliaikaisesti varastoivista laitoksista. Esimerkiksi Euroopassa niiden osuus on tällä hetkellä (2018) noin 99 % sähköverkkoon kytkettyjen energiavarastojen kapasiteetista.

Säätövoimaa

Säätövoiman tarkoitus

Pumppuvoimalaitos osallistuu sähköverkon energian säätämiseen, sillä verkossa tulee tuotetun ja kulutetun sähkön määrät olla samat. Kun kysyntä kasvaa, tulisi sähköntuotannossa lisätä sähkön määrää, ja päinvastoin. Sähkön kulutus voi vaihdella suuresti vuodenaikojen ja vuorokauden aikojen mukaan. Kun tätä tapahtuu säännöllisesti, joudutaan järjestämään perusvoimantuotannon tueksi lisävoimaa. Jos lisävoima hankitaan vesivoimalla, tulee yhä useampi vesiturbiini käynnistää tuottamaan sähköä kysynnän kasvaessa.

Uusiutuvat energianlähteet tarvitsevat tuekseen myös säätövoimaa. Kun tuulee vähän, ei tuulivoimasta saada tarvittavaa määrää sähköä ja sen vaje on korvattava muilla energianlähteillä. Tuulivoimalla taas ei voi kompensoida esimerkiksi kuivuudesta johtuvaa vesivoiman vajetta, jos samaan aikaan ei tuule. Monissa maissa sähkön perustuotantoon käytetään esimerkiksi vesivoimaa, ydinvoimaa ja kivihiilivoimaa, jotta yhteiskunnan sähkönkulutuksen perustaso olisi turvattu. Säätövoimalla katetaan sitten hetkittäiset kulutushuiput, jos sen rahkeet riittävät siihen, tai hankitaan sähköä tuomalla sitä naapurimaasta.

Ekonomia

Vesivoimalaitoksen suuriin varastoaltaisiin voidaan varastoida paljonkin vettä. Varastoaltaan suuri koko mahdollistaa säännöstelyvoimalaitoksilla veden säätelyä kuukausien tai jopa vuosien päähän. Toisaalta jokivoimalaitoksissa ei patoaltaaseen mahdu kuin tuntien tai muutamien viikkojen sääntelyn vesimäärä…Pumppuvoimalaitos kannattaa rahallisesti , jos sähkön markkinahinta noudattaa kysynnän ja tarjonnan periaatteita…

Luokittelu

Pumppulaitokset voidaan luokitella pumpattavan aineen mukaan. Yleisimmin laitokset pumppaavat vettä, jonka käsittely on perinteisellä tavalla helppoa. Näitä voidaan kutsua vesipumppulaitoksiksi… Myös maakaasun paineistaminen toimisi samalla tavalla. Sitä voidaan polttaa, kun kaasusta tuotetaan sähköä. Näitä laitoksia kutsutaan ilmapumppuvoimalaitoksiksi…

Toteutustapoja

Kahden altaan perinteinen toteutumistapa.

Joki pumppuvoimalaitoksessa

Osa pumppuvoimalaitoksista on hybridilaitoksia. Ne tuottavat vesivoimaa joen virtauksista, mutta ne kykenevät myös pumppaamaan vettä patoaltaaseensa. Voimalan tulee siksi sijaita laajan järven äärellä, jotta ala-altaassa vettä riittäisi tähän tarkoitukseen tarpeeksi paljon.

Kehittelyssä olevia muita ratkaisuja

Meri toisena altaana

Japanissa on vuodesta 1999 toteutettu tapaa, jossa merivesi pumpataan vuorilta 150 metrin korkeudella sijaitseviin patoaltaisiin. Valtameri toimii tässä ratkaisussa ala-altaana. Alankomaissa suunnitellaan toteutusta, jossa saaren keskelle padotaan noin 50 metriä syvä allas, joka toimii ala-altaana ja valtameret yläaltaana.

Luolat ja kaivokset ala-altaina

Luolia ja kaivoksia on ehdotettu käytettäväksi pumppuvoimaloina. Kaivokset voivat olla yli tuhat metriä syviä, jolloin jo altaiden suuri korkeusero antaa suuren potentiaalienergian. Suuri korkeusero mahdollistaa pienempien vesimäärien käytön, joten altaista tulee edullisempia rakentaa. Yhtään tällaista voimalaa ei vielä ole olemassa.

Ilmapumppuvoimalaitos

Laitoksessa pumpataan ilmaa tiiviiseen säiliöön, jossa ilmanpaine kasvaa pumppauksen aikana. Kun säiliöstä halutaan ottaa sähköenergiaa, puhaltaa paineistettu ilma ulos kaasuturbiinin läpi tuottaen sähköenergiaa. Tällainen ilmapumppuvoimalaitos on vuodesta 1978 asti Saksassa toiminut Huntfortin ilmapumppuvoimalaitos.

Puristetun ilman hyväksikäyttö

Jos vesi pumpataan säiliöön tai kallioluolaan, jossa on veden yläpuolella ilmatasku, voidaan paineilmalla työntää vettä vesiturbiinien läpi. Jos paineistettu säiliö sijaitsee lisäksi korkealla, on sen vaikutus kahtalainen. Vielä ei ole yhtään tällaista voimalaa toiminnassa.

Meriveden hydrostaattinen paine

Jos säiliö sijaitsee merenpinnan alapuolella, voidaan säiliöön pumpata ilmaa, joka syrjäyttää tankissa olevan meriveden. Kun sitten ha vuoteen 2025 mennessälutaan tuottaa sähköä, avataan säiliön ilmareikä ja päästetään merivesi tankkiin vesiturbiinien kautta. Vielä ei ole yhtään tällaista voimalaa toiminnassa.

Pumppuvoimalat

Vuonna 2014 Yhdysvaltain energiahallinto (US Department of Energy ) luetteli 41 valtiossa olevan yli 300 vesipumppuvoimalaitosta, joiden yhteiskapasiteetti oli 142 GW. Vuodesta 2016 vuoteen 2020 on suunnitteilla tai rakennettu yli 100 uutta vesipumppuvoimalaa yhteisteholla 74 GW. Tähän säilyy osa Kiinan suunnitelmasta kasvattaa sen pumppulaitoksien kapasiteettia 100 GW vuoteen 2025 mennessä. Myös Euroopassa suunnitellaan 27 GW verran lisää pumppuvoimaloita vuoteen 2020 mennessä.

Suomessa ainoa vesipumppuvoimala on Posiolla ja Kemijärvellä sijaitseva yhdistelmävoimala Jumiskon voimalaitos, jota tukee pieni pumppuasema.

Pyhäsalmen kaivoksessa aiotaan tuottaa sähköä maan alla. ”Vastaavaa ei ole missään muualla.” Tulevaisuus sitten odottaa laitoksen valmistumista.