Vesivoiman merkitys Suomen energiajärjestelmälle ÅF-CONSULT OY

Transkriptio

1 Vesivoiman merkitys Suomen energiajärjestelmälle ÅF-CONSULT OY

2 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Mikä on vesivoiman rooli energiajärjestelmässä? Vesivoima tuottaa merkittävästi päästötöntä joustavuutta sähköjärjestelmään. Rooli järjestelmää tasapainottavana tuotantomuotona todennäköisesti korostuu vielä nykyisestä säästä riippuvaisen tuotannon lisääntyessä ja sähköjärjestelmän muuttuessa. Työssä selvitettiin vesivoiman roolia sähköjärjestelmässä tänä päivänä sekä tulevaisuudessa, tarkemmin vuonna Lisäksi tarkasteltiin mahdollisuuksia tuottaa sähköjärjestelmän jousto muilla tavoin kuin vesivoimalla, kiinnittäen huomioita paitsi kustannustehokkuuteen myös ympäristövaikutuksiin. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 2

3 1. Sähköjärjestelmän toimintaperiaatteet 2. Vesivoima tänään 3. Sähköjärjestelmä tänään ja vuonna Yhteenveto ja johtopäätökset VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 3

4 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Sähköjärjestelmän toimintaperiaatteet VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 4

5 SÄHKÖJÄRJESTELMÄN TOIMINTAPERIAATTEET Suomen sähköjärjestelmä Suomen fyysinen sähköjärjestelmä on osa Pohjoismaista sähköjärjestelmää. Suomen sähköntuotanto koostuu vesivoimasta, ydinvoimasta, sähkön- ja lämmön yhteistuotantolaitoksista, lauhdevoimasta, tuulivoimasta ja toistaiseksi vähäisestä määrästä aurinkovoimaa. Myös sähkön tuonti on merkittävässä osassa sähkön tarjontaa. MWh/h NETTOTUONTI ERILLINEN LÄMPÖVOIMA TUULIVOIMA VESIVOIMA KAUKOLÄMPÖVOIMA TEOLLISUUSVOIMA YDINVOIMA Sähköntuotannon ja nettotuonnin toteutunut profiili viikolla 40 vuonna VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 5

6 SÄHKÖJÄRJESTELMÄN TOIMINTAPERIAATTEET Sähköjärjestelmän on oltava tasapainossa Sähkön kulutuksen ja tuotannon tulee olla joka hetki tasapainossa. Sähkön kysyntä vaihtelee vuodenajasta, viikonpäivästä ja vuorokauden ajasta riippuen. Sähköjärjestelmän tulee pystyä vastaamaan sähkön kysynnän ja säästä riippuvan tuotannon vaihteluihin. Toiset teknologiat tuovat järjestelmään runsaasti energiantuotantokapasiteettia ja volyymia, kun taas toiset teknologiat nopeaa reagointikykyä äkillisiin muutoksiin. Vesivoimalla voidaan tarjota näistä molempia. Myös sähkön tuonnilla vastataan merkittävissä määrin vaihtelevaan kysyntään. MWh/h Viikon tunti Vk 1 Vk 5 Vk 28 Vk 40 Suomen tyypillisiä sähkön kulutusprofiileita eri vuodenaikoina vuonna Lisäksi on esitetty viikko, jolla esiintyi vuoden 2017 sähkön huippukulutus MW. (data.fingrid.fi) VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 6

7 SÄHKÖJÄRJESTELMÄN TOIMINTAPERIAATTEET Vesivoima joustaa kaikilla aikajänteille Teho Jouston luonne Energia Säätävää tehoa tarvitaan vastaamaan sekunti- ja minuuttitasojen muutoksiin. Säätävää energiaa puolestaan tarvitaan minuuttitasolta vuorokauden ja jopa vuositason säätöä vasten Vauhtipyörät Sähköautot Akut Kysyntäjousto Kaasumoottorit- ja turbiinit Vesivoima kykenee monipuoliseen joustoon, reaaliaikaisesta joustosta pitkän aikavälin joustoon. MW MW Power-to-gas (P2G) Lämpövoima Pumppuvoima Vesivoima Jouston aikajänne Sähkönkulutus esimerkkivuorokauden aikana tunnin ja kolmen minuutin resoluutiolla esitettynä (data.fingrid.fi). Sekunti Minuutti Tunti Päivä Viikko Kuukausi Vuosi Nopeus ja kesto, jolla kukin teknologia voi tuottaa joustoa sähköjärjestelmään. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 7

8 SÄHKÖJÄRJESTELMÄN TOIMINTAPERIAATTEET Sähkömarkkinat tuovat tehokkuutta ja ympäristöhyötyjä Suomi on osa pohjoismaisia tukkusähkömarkkinoita. Sähkön hinta määräytyy kysynnän ja tarjonnan tasapainon perusteella tunneittain tällä yhteisellä markkinalla. Sähkömarkkina jakautuu eri markkinapaikkoihin. Fingridin ylläpitämät reservimarkkinat tasaavat kulutusta ja tuotantoa jatkuvasti lähes reaaliajassa ylläpitäen sähköjärjestelmän vakautta. Volyymi kasvaa Vuorokausimarkkina Päivän sisäinen markkina Reservimarkkinat Reagointinopeus kasvaa Markkinamalli ohjaa vesivoimatuottajia kohdentamaan tarjonnan tunneille, jolloin sillä on eniten tarvetta. Tämä pienentää kuluttajan maksamaa sähkönhintaa. Vesivoimatuotannon joustavuus tarkoittaa kuluttajan näkökulmasta edullisempaa sähköä, koska tuotantoa voidaan siirtää alhaisen kysynnän tunneilta suuremman kysynnän tunneille. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 8

9 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Vesivoima tänään VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 9

10 VESIVOIMA TÄNÄÄN Vesivoima on yksi vesistöjemme tarjoamista palveluista Vesivarat tarjoavat meille monenlaisia palveluita: vesistöt tuottavat ravintoa ja virkistystä käyttäjilleen, maataloudelle kastelu- sekä juomavettä, teollisuudelle raaka-ainetta sekä lauhdevettä ja lisäksi vesivoimalaitosten kautta sähköä. Vesistöjen käytössä pyritään kestävään ja ekotehokkaaseen hyödyntämiseen. Niiden käyttöä säädellään luonnonympäristön ja vesistön tarjoamien palveluiden suojelemiseksi. Vesivoimaa säädellään vesilain mukaisilla luvilla. Vesivoiman tuottamia muita hyötyjä ovat mm. tulvariskien hallinta, vesiliikenteen mahdollistaminen, virkistyskäytön edut, vedenhankinta. Säännöstelyn pääasiallinen tarkoitus suhteutettuna säännösteltyjen järvien lukumäärään. Säännöstelyllä voi olla yhtäaikaisesti useita tavoitteita. (SYKE, 2016) VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 10

11 VESIVOIMA TÄNÄÄN Hajautettu tuotanto lisää toimitusvarmuutta Suomessa on nykyisin yli 220 vesivoimalaitosta, joiden yhteenlaskettu teho on noin 3100 MW. Säätöön kykenevää vesivoimaa on n MW. Vesivoiman keskimääräinen vuosituotanto on n. 13 TWh, joka % kotimaisesta sähköntuotannosta. Nykyisellä lainsäädännöllä säätökapasiteetin lisäämismahdollisuudet ovat hyvin rajalliset. Vesivoimalaitoksia on kattavasti ympäri Suomen. Hajautettu tuotanto parantaa sähkön toimitus- ja huoltovarmuutta. Suomen vesivoimalaitokset kartalla VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 11

12 VESIVOIMA TÄNÄÄN Vesivoiman rooli sähköjärjestelmässä Vesivoima tuottaa monipuolisesti perusvoimaa, huippuvoimaa vuorokauden ja tuulivoiman vaihteluihin sekä säätövoimaa minuuttitasolla tapahtuvaan satunnaiseen kulutuksen vaihteluun. Nykyisistä tuotantomuodoista se soveltuu nopeutensa ansiosta parhaiten tuntitason ja sitä nopeampaan säätöön. Vesivoimalaitosten säätömahdollisuudet tunti- ja vuorokausitasolla vaihtelevat laitoskohtaisesti. Esimerkki vesivoiman ja ydinvoiman tuotannosta heinäkuussa 2018, jolloin ydinvoiman tuotannossa (OL1 ja OL2) oli häiriö. Ydin- ja vesivoiman tuotantotiedot perustuvat Fingridin dataan. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 12

13 VESIVOIMA TÄNÄÄN Säätömahdollisuudet riippuvat paitsi vuodenajasta myös vuodesta Esimerkkivoimalaitoksen laskennallinen teho [MW] kahtena erilaisena vuotena 140,0 Ohijuoksutuksen laskennallinen teho 2018 Ohijuoksutuksen laskennallinen teho 2012 Vähävetinen vuosi 2018 Runsasvetinen vuosi 2012 Teho [MW] 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20, ja 2018: Ohijuoksutetun veden laskennallinen teho Kevättulva-aika: virtaama ylittää rakennusvirtaaman. Säätömahdollisuus rajallinen. Kevättalvi: hyvä mahdollisuus säätöön Kesä, syksy ja alkutalvi 2012: virtaama ajoittain lähes yhtä suuri tai suurempi kuin rakennusvirtaama. Rajattu säätömahdollisuus. 2012: Ohijuoksutetun veden laskennallinen teho 0,0 1.tammi 1.helmi 1.maalis 1.huhti 1.touko 1.kesä 1.heinä 1.elo 1.syys 1.loka 1.marras 1.joulu *Kuvassa on esitetty vuorokausikeskiarvot. Vuorokaudesta riippuen päivän sisäinen vaihtelu voi olla huomattava. Päivä Kesä 2018: virtaama hyvin pieni. Säätö on mahdollista, mutta säätöenergia on pieni. Syksy 2018: virtaama kesää suurempi, mutta alle rakennusvirtaaman. Erinomainen VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 13 säätömahdollisuus ja säätökapasiteetti suuri.

14 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Sähköjärjestelmä tänään ja vuonna 2030 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 15

15 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Sähkönkulutus kasvaa Yhteiskunta sähköistyy yhä edelleen ja sähkönkulutus kasvaa: sähkön kokonaiskulutuksen Suomessa arvioidaan kasvavan 85 TWh:sta 95 TWh:iin vuoteen 2030 mennessä. Sähkön vuosikulutuksen lisäksi sähköautojen yleistyminen tulee vaikuttamaan sähkön vuorokauden sisäiseen kulutusprofiiliin. GWh SÄHKÖAUTOT PALVELUT JA JULKINEN KULUTUS TEOLLISUUS JA RAKENTAMINEN YHTEENSÄ SIIRTO- JA JAKELUHÄVIÖT KOTI- JA MAATALOUDET Sähkönkulutus sektoreittain vuosina 2017 (Tilastokeskus, 2018) ja tässä selvityksessä arvioitu sähkönkokonaiskulutus vuonna VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 16

16 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Säädettävän tuotannon määrä vähenee Ennustevirhe lisää jouston tarvetta Heikosti säädettävä tuotanto Ylössäätö MW Vesivoima CHP KL CHP Teoll Ydinvoima Hyvin säädettävä tuotanto Alassäätö MW Vesivoima Kaukolämpö CHP Ydinvoima Teollisuus CHP Lauhdevoima Tuulivoima -500 Voimalaitokset teho alle 1 MW Aurinkovoima Tuotantotehon suurin muutosnopeus tunnissa marraskuun 2018 ensimmäisellä viikolla. CHP-tuotanto on Suomessa ylössäätänyt maksimissaan hieman yli 200 MW ja alassäätänyt vastaavan määrän. Vesivoima on alassäätänyt yli 400 MW ja ylössäätänyt lähes 800 MW. Ydinvoima ei ole säätänyt kumpaakaan suuntaan. Sähköntuotantokapasiteetti vuosina 2018 (nimellistehot MW) ja tässä selvityksessä käytetty arvio vuoden 2030 kapasiteeteista (tehot nettotehoja, ks. kpl Sähköjärjestelmä vuonna 2030 ). VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 17

17 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Siirtoyhteydet lisääntyvät Siirtokapasiteetin Suomen ja Ruotsin välillä odotetaan lisääntyvän nykyisestä vuoteen 2030 mennessä. Vuonna 2030 siirtoyhteyksien Pohjoismaista ja Baltiasta keskiseen Eurooppaan arvioidaan yli kolminkertaistuvan tasolle MW -> Suomen tuontisähkön hintaan vaikuttaa mm. Keski- Euroopan ja Britannian hintataso sekä tuotantokapasiteettien kehitys. Tuontisähkön saatavuus ei ole enää itsestäänselvyys kaikkina hetkinä. Nordpool markkina-alueen maiden väliset sähkönsiirtokapasiteetit ja siirtoyhteydet Keski- Eurooppaan ja Britanniaan vuonna Uudet siirtoyhteydet on merkitty punaisella tekstillä ja vuonna 2018 olemassa olevat mustalla tekstillä. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 18

18 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Varastot ja kulutusjousto jouston lähteenä? Sähkövarastot soveltuvat parhaiten nopeaan taajuussäätöön. Teknologioiden kypsyys ja kustannustaso eivät toistaiseksi mahdollista näiden teknologioiden taloudellisesti kannattavaa hyödyntämistä. Kannattava varastointi edellyttäisi suurta sähkön hintavaihtelua. Kysyntäjouston mahdollisuudet ovat rajalliset. /MWh Lyijy VRFB ZNBR NaS Li-ion P2G P2G (H2 GT) (CH4 IC) Eri varastointiteknologioiden kannattavuuden vaatima lataus- ja purkaussähkön hintaero. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 19

19 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Miltä Suomen sähköjärjestelmä näyttää vuonna 2030? Suomen sähköjärjestelmän kehittymistä tarkasteltiin neljän eri tulevaisuuden kuvan kautta. Näitä erottavat toisistaan erityisesti vesivoimatuotannon mahdollisuudet Suomessa sekä tuontisähkön hinta. Sähkömarkkinan tarkastelussa hyödynnettiin Ordenasähkömarkkinamallia, jolla mallinnettiin neljä esimerkkiviikkoa kussakin neljässä skenaariossa. Skenaarioiden tarkoituksena oli arvioida vesivoiman joustokyvyn merkitystä tulevaisuudessa. Tilannetta, jossa vesivoiman säätömahdollisuudet ovat nykyisen kaltaiset, verrattiin tilanteeseen, jossa vesivoiman rajoituksia on tiukennettu. MWh/h MWh/h Kulutus lähtee aamulla nousemaan ja tuulivoimatuotanto laskee samaan aikaan Vesivoimatuotantoa säädetään nopeasti ylös vastaamaan muutostarpeeseen Hintapiikki on yli kulutusjouston aktivointihinnan 70 /MWh, jolloin kulutus joustaa tarjolla olevan maksimin 600 MW. Kun vesivoimaa 0 0 rajoitetaan, se ei voi tehdä enää 145 vuorokausisäätöä 157 Viikon tunti järjestelmän vaatimuksien mukaan vaan tuottaa 160 sähköenergiaa Ydin CHP_teol CHP_KLtasaisemmin Tuuli Aurinko Vesi Kulutus Hinta Tuonti-/Vientihinta Viikon tunti Ydin CHP_teol CHP_KL Tuuli Aurinko Vesi Kulutus Hinta Tuonti-/Vientihinta VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE /MWh /MWh

20 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Vesivoimatuotannon rajoittaminen vaikuttaisi monin tavoin Säästä riippuvan tuuli- ja aurinkovoimatuotannon määrä voi muuttua hyvin nopeasti. Kun vesivoimatuotannon säätö on mahdollista, voidaan sillä nopeasti vastata tähän muutokseen. Rajoitetun säädön skenaarioissa päädytään tilanteisiin, joissa uusiutuvan energian hyödyntämistä ei voida yhtä hyvin ajoittaa niin, että se olisi taloudellisesti ja ympäristövaikutusten kannalta optimaalista. Vesivoimatuotannon muutosnopeuden säätäminen voi vaikuttaa merkittävästi myös vesivoiman toimintaan nopeassa taajuussäädössä. Vesivoiman säädettävyyden rajoittaminen aiheuttaa isossa kuvassa sähkön hinnan volatiliteetin kasvua hyvin säädettävän tuotannon vähentyessä. Vaikutus sähkön kokonaishintaan riippuu siitä, millä joustava vesivoimatuotanto korvattaisiin ja mikä olisi sen tuotantokustannus Jos vesivoimaa korvataan säädössä tuonnilla, laskee se Suomen omavaraisuutta. Korvaaminen sähköakuilla olisi erittäin kallista ja kasvattaisi sähköjärjestelmän hiilidioksidipäästöjä. Vesivoimatuotannon rajoittaminen heikentäisi myös tulvasuojelua. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 21

21 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Yhteenveto ja johtopäätökset VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 22

22 YHTEENVETO Vesivoiman rooli sähköjärjestelmässä merkittävä Vesivoiman rooli Suomen sähköjärjestelmässä on merkittävä. Vesivoima on päästötön tuotantomuoto ja se mahdollistaa osaltaan säästä riippuvan uusiutuvan energian merkittävän lisäämisen sähköjärjestelmässämme. Vesivoima vastaa huomattavasta osasta kulutuksen vuorokausivaihtelun vaatimasta säädöstä sekä taajuudensäädöstä. Se on ainoa tuotanto- ja varastointimuoto, joka pystyy tarjoamaan joustoa kaikilla aikajänteillä. Vesivoimalla tarvittava säätö voidaan tehdä kotimaisesti ja varmasti päästöjä minimoiden. Vesivoiman tuomaa eri aikajänteillä tapahtuvaa joustoa ei voida korvata muilla tekniikoilla kustannustehokkaasti ja ympäristöystävällisesti Vesivoimatuotannon säädettävyyden mahdollisella rajoittamisella olisi monia vaikutuksia sähköjärjestelmässä, mutta myös esimerkiksi tulvasuojelussa. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 23

23 JOHTOPÄÄTÖKSET Vesivoima päästöttömän sähköjärjestelmän mahdollistaja Vuonna 2030 tilanne on edelleen nykyisen kaltainen: vesivoima on kustannustehokkain ja ympäristöystävällisin tapa sähköjärjestelmän vaatiman jouston tuottamiseen Suomessa saman aikaisesti, kun jouston tarve vielä tämän päiväisestä kasvaa säästä riippuvan tuotannon lisääntyessä. Siirtoyhteyksien kasvu parantaa tuontisähkön saatavuutta. Sen hintatasoon ja hinnan vaihteluun liittyy kuitenkin merkittäviä epävarmuuksia. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 24

24