JARMO LAPAKKO SÄÄTÄMÄTTÖMÄN TUOTANNON VAIKUTUS SÄHKÖTASEESEEN

Transkriptio

1 JARMO LAPAKKO SÄÄTÄMÄTTÖMÄN TUOTANNON VAIKUTUS SÄHKÖTASEESEEN Projektityö Tarkastaja: Sami Repo

2 2 SISÄLLYS 1. JOHDANTO SÄHKÖTASE JA SIIHEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT SÄHKÖTASE JA TASEHALLINTA TEHOTASAPAINON HALLINTA PRIMÄÄRISÄÄTÖ SEKUNDÄÄRISÄÄTÖ SÄÄTÖSÄHKÖMARKKINAT TASESÄHKÖ TASESELVITYS SÄHKÖTASEESEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT SÄHKÖKAUPPA SÄÄTÄMÄTÖN TUOTANTO SÄÄTÄMÄTÖN TUOTANTO YDINVOIMA AURINKOSÄHKÖ JA TUULIVOIMA SÄÄTÄMÄTÖN VESIVOIMA SÄÄDETTÄVÄ TUOTANTO VESIVOIMALAITOS KAASUTURBIINILAITOS LAUHDEVOIMALAITOS SÄÄTÄMÄTTÖMÄN TUOTANNON ENNUSTAMINEN SPOT-MARKKINOILLA ENNUSTETARKKUUDEN VAIKUTUKSET TUULIVOIMATUOTANNON VAIKUTUKSET TUULIVOIMATUOTANNON VAIHTELU TUULIVOIMATUOTANNON ENNUSTETTAVUUS TUULIVOIMAN VAIKUTUS SPOT-MARKKINOIHIN VESIVOIMATUOTANNON VAIKUTUKSET VESIVOIMATUOTANNON VAIHTELU TASEPOIKKEAMISTA AIHEUTUVAT KUSTANNUSVAIKUTUKSET TASEPOIKKEAMIEN KUSTANNUSVAIKUTUKSET MENETELMÄT POIKKEAMIEN OIKAISEMISEKSI ELBAS-MARKKINAT SÄÄTÄMINEN OMALLA TUOTANNOLLA TASESÄHKÖKAUPPA TASEPOIKKEAMARISKIN SIIRTÄMINEN POIKKEAMIEN OIKAISUSTA AIHEUTUVAT KUSTANNUKSET YHTEENVETO LÄHTEET...21

3 3 1. Johdanto Tämä sähkövoimatekniikan projektityö käsittelee säätämättömän tuotannon vaikutusta sähkötaseeseen. Kyseessä on kirjallisuusselvitys, johon on koottu eri lähteistä löytynyttä tietoa etenkin tuulivoimatuotannon vaikutuksesta sähkötaseeseen. Tässä työssä keskitytään säätämättömän tuotannon vaikutuksiin sähkömarkkinoiden näkökulmasta, mutta myös sen vaikutuksia sähkövoimajärjestelmän toimintaan sivutaan. Toinen lähtökohta on aiheen käsittely tasevastaavan kannalta, koska pääosin juuri tasevastaavat omistavat tuulivoimatuotantoa. Suomen sähköntuotannosta säätämättömällä tuotannolla ei ole vielä suurta osuutta, mutta tulevaisuudessa tuulivoiman ja aurinkoenergian käytön lisääntyessä säätämätön tuotanto on huomioitava entistä tarkemmin. Säätämätön tuotanto vaikuttaa sekä sähkömarkkinoihin että sähköverkkoon luoden melko nopeitakin muutostilanteita, joihin ennen kaikkea sähköverkon tulisi pyrkiä vastaamaan. Sähkömarkkinoilla säätämätön tuotanto lisää volatiliteettia, koska etenkin tuulivoiman ja aurinkosähkön tuotannossa energian saatavuus riippuu luonnonoloista, joiden ennustamiseen liittyy aina epävarmuutta. Säätämätöntä tuotantoa omistaville sähköntuottajille yllättävät muutokset tuotannossa aiheuttavat kuluja joko sähköä on liikaa tai sitä on liian vähän. Sähkötaseen poikkeamien korjaamiseen on olemassa joitakin menetelmiä, joita pitäisi pystyä hyödyntämään mahdollisimman kustannustehokkaasti.

4 4 2. Sähkötase ja siihen vaikuttavat tekijät 2.1. Sähkötase ja tasehallinta Sähkötase on sähkömarkkinoilla toimivan osapuolen sähkön tuotanto, hankinta, kulutus ja myynti yhteenlaskettuna. Jokaisen sähkömarkkinaosapuolen on sähkömarkkinalain velvoittamana huolehdittava, että sen sähköntuotanto- ja hankintasopimukset kattavat sen sähkönkäytön ja sovitut toimitukset vuorokauden kaikkina tunteina. Sähkömarkkinoilla kuitenkin tehdään kauppaa seuraavan vuorokauden sähköntoimituksista ennustetiedon varassa, joten käytännössä lähes aina osapuolten ennustetun ja toteutuneen sähkönkäytön tai tuotannon välille muodostuu ennustevirhe. Tämän virheen korjaamiseksi kaikilla osapuolilla tulee olla avoin toimittaja, joka vastaa ylimääräisestä tai puuttuvasta sähköstä. Kuitenkin ensisijaisesti osapuoli pyrkii omilla toimillaan korjaamaan tasettaan, koska avoimen toimittajan myymä tasesähkö on lähes aina pörssisähköä kalliimpaa. Suomen valtakunnallisesta sähkötaseesta on viimekädessä vastuussa kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj. Sähkötaseen hallinta koostuu tehotasapainon jatkuvasta ylläpitämisestä ja taseselvityksestä, jossa selvitetään sähkömarkkinaosapuolien toteutunut sähkönkäyttö. Tehotasapainon ylläpitämiseksi Fingridillä on taajuusohjattuja reservejä ja mahdollisuus tilata manuaalista säätöä säätösähkömarkkinoilta. [1] 2.2. Tehotasapainon hallinta Valtakunnallisen tehotasapainon hallinnalla tarkoitetaan sähkövoimajärjestelmän taajuuden ylläpitoa. Suomen kantaverkko on osa yhteispohjoismaista Nordel-verkkoa, johon Suomen lisäksi kuuluvat Ruotsi, Norja ja Tanska. Nordel-verkossa kaikkien maiden omat sähköverkot toimivat samalla taajuudella eli sähköverkko on synkronisesti yhteenkytketty. Fingrid vastaa Suomen alueellisesta tehotasapainosta. Tehotasapainon hallintaan Fingrid käyttää primääri- tai sekundäärisäätöä, jota havainnollistaa kuva 1. [1; 3] Primäärisäätö Fingrid ylläpitää valtakunnallista tehotasapainoa ensisijaisesti automaattisen taajuudensäädön avulla eli primäärisäädöllä. Primäärisäätö aktivoituu automaattisesti, kun verkossa ilmenee 0,1 Hz taajuuspoikkeama. Primäärisäätöön on varattu taajuusohjattua käyttöreserviä Suomessa aina vähintään 145 MW ja koko Nordelverkon alueella 600 MW. Suomen säätökapasiteetti koostuu pyörivistä reserveistä ja Viipurin tasasähkölinkin siirtotehosta on varattu 10% taajuusohjatuksi käyttöreserviksi.

5 5 Lisäksi irtikytkettävistä kuormista ja muista voimalaitoksista on varattu taajuusohjatuksi häiriöreserviksi noin 240 MW, jotta voimajärjestelmän pysyvä taajuuspoikkeama ei kasva yli 0,5 Hz. [3] Sekundäärisäätö Sekundäärisäätö tarkoittaa Fingridin tilaamaa ylimääräistä tehonsäätöä, joka koostuu irtikytkettävistä kuormista ja tuotantolaitosten tehoreserveistä. Irtikytkettävistä kuormista on tehty Fingridin ja kuorman tai tuotantolaitoksen omistajan kanssa sopimus, jonka mukaan reservin tehon on oltava vähintään 10 MW ja sen on oltava käytettävissä koko käyttötunnin ajan. Sekundäärisäätö on manuaalista ylös- tai alassäätöä, johon turvaudutaan kun primäärisäätö ei riitä tehotasapainon ylläpitämiseen. [3] Kuva 1. Primääri- ja sekundäärisäädön toiminta. [1] Säätösähkömarkkinat Sekundäärisäätö tapahtuu säätösähkömarkkinoiden kautta. Myös säätösähkömarkkinat ovat pohjoismaiden kantaverkkojen yhteiset. Säätökykyisen kapasiteetin haltijat voivat jättää säätökapasiteetistaan tarjouksia säätösähkömarkkinoille, josta järjestelmävastaavat voivat ostaa niitä pohjoismaisen järjestelmän tasehallinnan tarpeisiin. Säätösähkön hinta määräytyy tarjousten perusteella. Ylössäätötarjoukset tarkoittavat joko tuotannon lisäystä tai kulutuksen pienentämistä. Tällöin ylössäätöhinnaksi muodostuu kalleimman säätösähkömarkkinoilla käytetyn ylössäätötarjouksen hinta kyseisellä tunnilla. Ylössäätöhinta on aina vähintään Nord Pool Spotin Suomen aluehinta. Alassäätö tarkoittaa tuotannon vähentämistä tai kulutuksen lisäämistä. Alassäätöhinta määräytyy halvimman säätösähkömarkkinoilla käytetyn alassäätötarjouksen hinnan mukaan, joka on enintään Nord Pool Spotin Suomen aluehinta. Hinnat lasketaan joka tunnille erikseen. Hinnanmuodostumista havainnollistaa kuva 2. [1; 3]

6 6 Kuva 2. Hinnan määräytyminen säätösähkömarkkinoilla. [1] Tasesähkö Fingridin tasesähköyksikkö toimii valtakunnan ylimmän tason avoimena toimittajana. Seuraavalla tasolla ovat tasevastaavat, jotka ovat tyypillisesti nettotuottajia. Tasevastaavat taas toimivat teollisuusyritysten ja sähkölaitosten avoimina toimittajina. Suurimmat sähkölaitokset, kuten Fortum toimivat tasevastaavina kuten myös teollisuuden suurelta osin omistama Pohjolan Voima. Fingridin myymän tai ostaman tasesähkön hinta määräytyy säätösähkömarkkinoiden mukaan. Fingrid myy tasevastaaville sähköä aina vähintään Spot-hinnalla ja ylössäätötunnilla ylössäätöhinnalla. Vastaavasti alassäätötunnilla Fingrid ostaa sähköä tasevastaavilta alassäätöhinnalla, mutta enintään Spot-hinnalla. [3] 2.3. Taseselvitys Tehotasapainon hallinnan lisäksi Fingrid vastaa valtakunnallisen taseselvityksen laatimisesta. Taseselvityksessä selvitetään tasepoikkeamat Fingridin tasesähköyksikön ja tasevastaavien sekä Suomen ja ulkomaiden välillä. Valtakunnallinen taseselvitys on työläs prosessi, koska siinä käsitellään joka vuorokauden jokainen tunti erikseen. Lopullisen taseselvityksen valmistumiseen saattaa mennä jopa kolme kuukautta. [1; 3] 2.4. Sähkötaseeseen vaikuttavat tekijät Sähkötaseen kiinteät osat ovat sähkön hankinta ja myynti. Niistä on tehty sopimukset, joten ostajan on saatava tarvitsemansa sähkö ja vastaavasti myyjän on se myytävä. Tällöin sähkö pitää hankkia joko tasesähkönä Fingridiltä tai muuttamalla omaa tuotantoa.

7 7 Sähkön tuotannossa ja kulutuksessa saattaa tapahtua häiriöitä, jotka koskevat ensisijaisesti tuotantolaitoksen tai kulutuspisteen omistajaa. Tuotantolaitokset ovat suurelta osin tasevastaavien omistuksessa ja suurimmat kulutuspisteet kuuluvat teollisuusyrityksille, etenkin metalli- ja metsäteollisuudelle. Edellä tuli jo ilmi, että tasevastaavat toimivat teollisuuden avoimina toimittajina, joten käytännössä häiriöt tuotantolaitoksilla heijastuvat myös tasevastaavien sähkötaseisiin. Häiriöiden vaikutukset saattavat nousta Suomessa useisiin satoihin megawatteihin, jos häiriö sattuu ydinvoimalassa. Esimerkiksi Olkiluodon molemman reaktorin nettosähköteho on 860 MW, joten pikasulun sattuessa tasevastaavan sähkötaseeseen syntyy suurehko vaje. Suurimmissa kulutuspisteissä sattuvat häiriöt saattavat aiheuttaa tasevastaavien sähkötaseisiin satojen megawattien ylijäämän. Tasevastaavilla on reaaliaikaista mittausta tuotanto- ja kulutuspisteissä, joten tasetta voidaan korjata heti häiriön tapahduttua. Korjaustoimilla voidaan tasepoikkeamaa pienetää jonkin verran, mutta kokonaan suuren poikkeaman vaikutusta ei ole mahdollista korjata lyhyellä aikavälillä. [1; 3] 2.5. Sähkökauppa Suomi on mukana pohjoismaisessa sähköpörssi Nord Poolissa. Kaupankäyntialueeseen kuuluvat Suomen lisäksi Ruotsi, Norja, Tanska sekä Kontek-alue Pohjois-Saksasta. Norja jakautuu sisäisten pullonkaulojen vuoksi kolmeen eri markkina-alueeseen, joissa kaikissa voi olla oma aluehintansa. Myös Tanska on jaettu kahteen alueeseen; Itä- ja Länsi-Tanskaan. Nord Poolin Elspot-markkinoilla käydään kauppaa seuraavan vuorokauden sähköntoimituksista. Sähkön myyjät ja ostajat asettavat vuorokauden jokaiselle tunnille tarjouksen, jossa on ilmoitettu myytävän tai ostettavan sähkön määrä 0,1 MW:n tarkkuudella. Tarjousten perusteella muodostetaan kaikille yhteinen systeemihinta. Sähköverkon fyysinen suorituskyky ei kuitenkaan riitä markkinoiden täydelliseen toimintaan, joten systeemihinnan lisäksi muodostetaan aluehinnat. Aluehintoihin on huomioitu alueiden välisten siirtoyhteyksien aiheuttamat rajoitukset. Yleensä aluehinnat poikkeavat hieman systeemihinnasta. Joskus ero saattaa olla huomattava, johtuen sääolosuhteista tai ongelmista tuotantolaitoksissa. Elspot-markkinan lisäksi Nord Poolissa käydään fyysistä sähkökauppaa ELBASmarkkinoilla, johon palataan myöhemmin tasepoikkeamien oikaisukeinojen yhteydessä. Lisäksi Nord Poolissa käydään kauppaa erilaisilla johdannaisilla, jotka ovat finanssituotteita eli ne eivät johda fyysiseen sähköntoimitukseen. [1; 3]

8 8 3. Säätämätön tuotanto Sähköntuotantomuodot voidaan luokitella kahteen ryhmään: säätämättömiin ja säätökykyisiin. Poikkeuksena on vesivoima, joka voi kuulua molempiin ryhmiin. Vesivoimaloille on yleensä ympäristökeskusten puolesta määrätty luvat, joissa määritellään missä rajoissa vesivoimalan läpi saa virrata vettä. Näin ollen joihinkin jokiin rakennetut vesivoimalat omaavat täysin eri säätökyvyn kuin vaikkapa Lapin tekoaltaiden pintaa säätävät voimalat Säätämätön tuotanto Säätämättömällä tuotannolla tarkoitetaan sähköntuotantomuotoja, joiden tuottaman sähkötehon suuruuden säätäminen on taloudellisessa mielessä kannattamatonta tai luonnonolojen takia mahdotonta. Yksittäisten laitosten tuotanto voi myös olla niin vähäinen, että säätövaraa ei käytännössä ole Ydinvoima Säätämättömän tuotannon ensimmäinen tapaus on ydinvoima. Ydinvoimalan rakennuskustannukset ovat suuret, joten sen käytössä kannattaa pyrkiä mahdollisimman suureen kapasiteettikertoimeen. Kapasiteettikerroin ilmaisee kuinka suuren osan vuodesta laitos on toiminut nimellistehollaan. Suomen ydinvoimaloiden kapasiteettikertoimet ovat koko maailman tasolla huippuluokkaa, esimerkiksi Olkiluodon yksikkö OL2:n kapasiteettikerroin vuonna 2006 oli 95,4 %. Ydinvoimaloiden tuottama sähkö onkin perusvoimaa, joka käytetään joka tapauksessa. Suurin kapasiteettikerrointa pienentävä tekijä on vuosittainen revisio eli vuosihuolto, jonka kesto on kahdesta kolmeen viikkoa. Tällä hetkellä ydinvoima on ylivoimaisesti suurin säätämätön sähköntuotantomuoto. Luonnollisesti ydinvoimalankin sähköntuotantoa voidaan äärimmäisessä tilanteessa pienentää, mutta kyseeseen tulee lähinnä vain suurhäiriö koko yhteispohjoismaisen Nordel-verkon alueella. [8] Aurinkosähkö ja tuulivoima Tuulivoimatuotanto on täysin säästä riippuvainen, koska tuulivoimala ottaa energiansa tuulesta. Tuulivoimala ei yksinkertaisesti tuota sähköä, jos ei tuule. Tuulivoimaloiden liittämiseksi Nordel-verkkoon määritellään Fingridin puolesta säännöt, jotka niiden pitää täyttää. Niihin kuuluu myös vaatimuksia tuulivoimalan pätö- ja loistehon säädön suhteen, mutta säännöissä otetaan huomioon mahdollinen äkillinen tuulenvoimakkuuden heikkeneminen. Kaikkia säätökykyyn liittyviä vaatimuksia tuulivoimala ei jatkuvasti pystyisi muutenkaan täyttämään.

9 9 Aurinkovoimalan säätökykyä voidaan käsitellä yhdessä tuulen kanssa, koska senkin sähköntuotanto on luonnonoloista riippuvainen. Auringon paistaessa aurinkokennot tuottavat sähköä, mutta heti kun aurinko peittyy pilvien taakse, myös aurinkokennon tuotanto tippuu. Suomessa ei vielä ole yhtään suurta aurinkopuistoa, mutta esimerkiksi Saksaan on rakennettu teholtaan yli kymmenen megawatin aurinkopuistoja. Sekä aurinkopuistojen että tuulipuistojen kohdalla on merkillepantavaa, että niiden tuotannossa voi tapahtua suuria heilahteluja suuntaan taikka toiseen hyvin lyhyellä aikavälillä. Suuruudesta on hyötyä vaihtelun tasaamisessa, koska tuulenpuuskat eivät osu jokaiseen tuulivoimalaan yhtä aikaa, eivätkä pilvet peitä koko aurinkopuistoa samalla hetkellä. Lisäksi voimaloiden maantieteellinen hajauttaminen pienentää tuotannossa tapahtuvia vaihteluja. Hajauttaminen koko pohjoismaiden alalle tasoittaisi vaihteluja entisestään, mutta maiden välisten siirtoyhteyksien puutteet eivät mahdollista laajamittaista hajauttamista vielä tällä hetkellä. [8; 9] Säätämätön vesivoima Vesivoimaa voidaan käsitellä säätämättömän tuotannon yhteydessä kahdesta syystä. Ensinnäkin kevään tulva-aikana vesivoimaloista pyritään saamaan kaikki mahdollinen teho irti, koska muutenkin joudutaan yleensä turvautumaan ohijuoksutukseen. Tällöin vesivoimaloille ei jää reserviin juurikaan säätövaraa, kun tuotanto on käytössä lähes ympäri vuorokauden. Kevättulva on kuitenkin väliaikainen häiriö, joka alkaa joesta riippuen huhtikuussa ja viimeiset ilmoitukset tulvan loppumisesta tulevat kesäkuun alussa. Vesivoiman toinen säätökykyä rajoittava tekijä on ympäristölupa. Useille varsinkin jokiin rakennetuille vesivoimalaitoksille on määrätty tiukat ympäristöluvat, joiden mukaan niiden on säädettävä laitoksen läpi virtaavan veden määrää. Yleensä lupa ilmoittaa jonkin yläjuoksulla olevan vesistön pinnan tavoitetason, joka on pyrittävä pitämään sateista tai yläjuoksun virtausnopeuden muutoksista huolimatta. Pohjoismaiden alueella säätämättömän vesivoiman osuus on vähintään 20 TWh koko vuoden aikana vesivoimalla tuotetusta energiasta. [5; 10] 3.2. Säädettävä tuotanto Säädettävällä tuotannolla tasevastaavat korjaavat sähkötasettaan ja Fingrid valtakunnan tehotasapainoa Vesivoimalaitos Säätökykynsä kannalta paras voimalaitostyyppi on vesivoimala. Edellisestä poiketen hyvän säätökyvyn omaavilla vesivoimaloilla on väljemmät ympäristöluvat eli ne ovat

10 10 säännöstelyvoimaloita. Näin voimaloiden omistajat voivat paremmin säätää oman tarpeensa mukaisesti voimalan tuotantoa. Vesivoiman hyvän säätökyvyn tuottavat vesivoimalaitosten nopeat käynnistys-, säätö- ja pysäytysominaisuudet. Säätökykyyn vaikuttaa luonnollisesti veden määrä eli jokien virtaamat ja järvialtaiden vesimäärät. [5] Kaasuturbiinilaitos Kaasuturbiinilaitos on nopean käynnistymiskykynsä ansiosta Fingridin käyttämä tehoreservilaitos. Kaasuturbiinilaitoksia käytetään sekä sähkön- että yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon. Tuotantoa on siellä, minne maakaasun kuljettamista varten on olemassa tarvittava putkisto, mutta laitos voi käyttää myös kevyttä polttoöljyä polttoaineenaan. Kaasuturbiinilaitoksen säätäminen on tarkkaa ja nopeaa. [3] Lauhdevoimalaitos Lauhdevoimalaitoksia voidaan käyttää säätövoimana, kun sähkön hinta on niiden käynnistyskustannuksia korkeampi. Toisin sanoen, kun voimala on käynnissä, sen sähköntuotantoa voidaan säätää tarpeen mukaan melko vapaasti. Lauhdevoimalaitoksista on vielä mahdollista erottaa kaksi ryhmää, joiden säätökyky eroaa hieman toisistaan. Lauhdevoimaloita käytetään pelkän sähköntuotannon lisäksi yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, joita kutsutaan CHP-laitoksiksi. CHPlaitosten sähköntuotanto riippuu yleensä lämmöntuotannosta. Ensisijaisesti tuotetaan kaukolämpöä, prosessihöyryä tai molempia ja ylimääräisellä höyryllä voidaan tuottaa sähköä. Tällöin suuren lämpökuorman aikana sähköntuotantoon jää vähemmän kapasiteettia, mikä vähentää laitoksen säätökykyä. Sen sijaan pienen lämpökuorman aikana sähköntuotantoa voidaan säätää melko tehokkaasti edellyttäen, että laitoksen ominaisuudet mahdollistavat säätämisen. [6]

11 11 4. Säätämättömän tuotannon ennustaminen spotmarkkinoilla Spot-markkinoilla käydään kauppaa seuraavan vuorokauden sähköntoimituksista, joten markkinaosapuolen tulee ennustaa mahdollisimman luotettavasti sähköntuotantonsa ja - kulutuksensa. Joidenkin tuotantomuotojen suhteen ennustaminen on helpompaa kuin toisten. Myös valtakunnallisen tehotasapainon ylläpidon kannalta järjestelmävastaavan tulisi olla tietoinen mahdollisesta epävarmuudesta sähköntuotannossa. Seuraavassa käydään läpi säätämättömän tuotannon vaikutuksia luonnonoloista riippuvien tuotantomuotojen osalta. Ydinvoimalat toimivat täydellä teholla ilman häiriöitä, joten ennustamistarvetta ei ole. [1; 2] 4.1. Ennustetarkkuuden vaikutukset Säätämättömän tuotannon ennustamisessa on yleensä huomattavaa epävarmuutta, joka aiheutuu luonnonoloista. Erot ennustetussa ja toteutuneessa tuotannossa aiheuttavat sähköntuottajien sähkötaseeseen poikkeamia, jotka aiheuttavat kustannuksia tuottajille. Ennustetarkkuuden parantaminen merkitsee tasepoikkeamista aiheutuvien kulujen pienenemistä Tuulivoimatuotannon vaikutukset Tuulivoiman tuotanto on aina täysin luonnonoloista riippuvainen. Se luo vaihtelua ja epävarmuutta voimajärjestelmään, mikä saattaa vaikuttaa järjestelmän luotettavuuteen ja tehokkuuteen. Aurinkosähkön tuotannossa vaihtelu on vastaavaa sillä erotuksella, että yöaikaan tuotanto on aina nollassa. Aurinkopaneeli vaatii toimiakseen suoraa auringon valoa, joten Suomen valoisat yöt eivät riitä sähköntuotantoon Tuulivoimatuotannon vaihtelu Tuulivoimatuotannon vaihtelut on tärkeää ottaa huomioon. Yhden turbiinin tapauksessa sähköntuotanto lakkaa nopeasti tuulen nopeasti tyyntyessä, mutta laajemmalla alueella sijaitseva tuulipuisto tai ympäri maata sijoitettu tuotanto tasaavat muutoksia. Tuulen vaihtelun vaikutus siis vähenee, kun tuulivoimaloiden määrää lisätään tai niitä sijoitetaan laajalle alueelle. Tuulipuiston tuotannon muutokset pienenevät mitä lyhyempi aikaväli on kyseessä. Minuuttien tasolla tuotannonvaihtelu on vielä pientä, mutta useamman tunnin aikana tuotanto saattaa muuttua huomattavasti laajallakin alueella. Tuotannonvaihteluja yhden

12 12 vuoden aikana havainnollistaa kuva 3, jossa on tuulivoiman tuotanto ja kuormitus Länsi-Tanskassa vuodelta Kuva 3. Tuulivoiman tuotanto (nimellisteho 2400MW) ja kuormitus Länsi-Tanskassa. Tammikuun 8. päivän myrsky on nähtävissä tunneilla ( Tammikuun 8. päivänä myrsky aiheutti Länsi-Tanskassa ennätyssuuren tehonpudotuksen tuulivoimatuotannossa. Myrsky saavutti kaikki voimalat kuuden tunnin kuluessa, jona aikana tuotanto putosi 2000 MW, joka vastaa 83% tuotantokapasiteetista. Myrsky aiheuttaa tehonpudotuksen, koska tuulivoimalat suljetaan, jotta ne eivät rikkoutuisi. [2; 4] Tuulivoimatuotannon ennustettavuus Tuulivoimatuotannon lyhyen aikavälin ennustaminen on kuorman ennustamiseen verrattuna vielä melko uusi työkalu sähkövoimajärjestelmän käytössä. Myöskään tuulivoimatuotannon ennustamistarkkuus ei ole samaa luokkaa kuorman ennustamisen kanssa. Nykyään pystytään melko tarkkaan ennustamaan tuulivoiman keskimääräinen tuotanto, mutta silti suuretkin poikkeamat tuulen voimakkuuden ja ajankohdan osalta ovat mahdollisia. Ennustustarkkuus paranee, kun suurennetaan maantieteellistä aluetta, jolle ennuste laaditaan. Toisaalta aikavälin pidentäminen heikentää ennustettavuutta. Tuulivoimatuotannon ennustamisessa on huomioitava myös kausivaihtelu, kesällä tuulisia päiviä on yleensä keskimääräistä vähemmän ja talvella enemmän. Myöskään vuodet eivät ole identtisiä keskenään, joten tuulivoimatuotannossa on vaihtelua vuositasollakin johtuen eroista tuulisuudessa. Tuulivoimatuotannon muutoksista suurimmat aiheutuvat uusien laitosten käyttöönotosta. Tuulivoimatuotannon ennustaminen on kuorman ennustamiseen verrattuna niin uusi ilmiö, että ennustetarkkuus tuulivoiman osalta on kaikilla aikaväleillä muihin tuotantomuotoihin verrattuna heikompi. Kuvasta 4 nähdään kuinka tuulivoimatuotannon ennustetarkkuus heikkenee kahden päivän sisällä. Kuvassa 5 on esitetty

13 13 tuulivoimatuotannon ennusteita spot-markkinoille sekä toteutunut tuotanto. Siitä huomataan, että ennustevirheet voivat olla melko suuria lyhyelläkin aikavälillä. [2; 4] Kuva 4. Tuulivoimatuotannon ennustevirhe käyttöpäivänä sekä seuraavina kahtena päivänä. [4] Kuva 5. Tuulivoimatuotannon ennuste spot-markkinoille (punainen viiva), joustavammille markkinoille (sininen viiva) ja toteutunut tuotanto (musta viiva). [2] Tuulivoiman vaikutus spot-markkinoihin Tuulivoiman muuttuvat kustannukset ovat häviävän pienet. Toisin sanoen sen polttoaine on ilmaista ja huoltotarve vähäistä. Tästä syystä tuulivoimaloiden tuottama sähkö hinnoitellaan spot-markkinoilla siten, että kaikki tuotanto menee kaupaksi. Hinnoittelupolitiikasta johtuu, että sähkön hinta saattaa joillakin tunneilla pudota nollaan euroon megawattia kohti. Vaikka sähkö onkin periaatteessa ilmaista joillakin tunneilla, on se silti tuotantoyhtiöille kannattavaa. Syynä on se, että tällöin tuotantoyhtiöiden ei tarvitse käyttää hiililauhde- tai muita voimaloitaan ja ne säästävät päästöoikeuksissa ja niiden polttoaineessa. Hyötyjinä tällaisessa tapauksessa ovat siis

14 14 sekä sähkön tuottajat että ostajat. Tilanne on erilainen, jos tuotantoyhtiöllä on vain toista tuotantomuotoa. Hiililauhdevoimaloita omistavat tuottajat joutuvat suuren tuulivoimatuotannon aikaan sulkemaan laitoksiaan, kun samaan aikaan tuulivoimaloiden omistajat myyvät tuottamansa sähkön edullisesti. Kaikki hiililauhde ei mene kaupaksi spot-markkinoilla, joka laskee hintoja. [2; 4] 4.3. Vesivoimatuotannon vaikutukset Vesivoimatuotannolla on suuri merkitys pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla, koska sähköstä tuotettiin Suomessa 18 % ja koko Nordelin alueella 55 % vesivoimalla. Tästä syystä sähkön hinta voi muuttua vuositasolla huomattavasti pohjoismaisen vesitilanteen mukaan Vesivoimatuotannon vaihtelu Vesivoimatuotanto riippuu veden määrästä, jonka ennustamiseen tarvitaan tietoa sateista. Meteorologien ennusteiden pohjalta voidaan suunnitella vesivoiman mahdollisimman taloudellista tuotantoa. Sateiden muutokset eivät ole yhtä nopeita kuin tuulen, joten niiden vaikutus on vähäisempi. Toki pienelle alueelle voi sataa rajun ukkoskuuron aikana huomattava vesimäärä, mutta sen vaikutukset jäävät paikallisiksi. Pitkään jatkuvat runsaat sateet voivat täyttää vesialtaita niin paljon, että niistä on laskettava vettä normaalia enemmän. Tällaisen ylimääräisen vesivoiman vaikutukset voivat heijastua myös spot-markkinoille sähkön hinnan laskuna. Pitkän aikavälin vesivoimatuotannon suunnittelu on selvästi haasteellisempaa kuin lyhyen aikavälin suunnittelu, koska vesitilanteen ennustaminen on myös vaikeampaa pidemmälle aikavälille. Silti ennusteita käytetään apuna vesivoimalaitosten ajamista suunniteltaessa. Sähkömarkkinat käyttävät vesitilanteen ennusteita apua sähkön markkinahinnan ennustamisessa, joten ennusteilla on suurta merkitystä tulevan hinnan muodostumisessa. [5; 7]

15 15 5. Tasepoikkeamista aiheutuvat kustannusvaikutukset Poikkeamat sähkötaseessa aiheuttavat kustannuksia sähkömarkkinatoimijoille. Kustannuksia pyritään luonnollisesti vähentämään kaikilla mahdollisilla keinoilla. Poikkeamien oikaisemiseksi on olemassa melko tehokkaita keinoja, joilla voidaan jopa tehdä voittoa. Tasepoikkeamat oikaistaan viimeistään avoimen toimittajan kanssa käytävällä tasesähkökaupalla. Tasepoikkeamat selvitetään taseselvityksessä, jonka tekee Fingrid Tasepoikkeamien kustannusvaikutukset Tasepoikkeamien kustannusvaikutukset aiheutuvat avoimen toimittajan myymän tasesähkön mukaan, ellei sähkötasetta voida korjata muilla keinoilla. Tasevastaavilla on tasepalvelusopimus Fingridin kanssa, joka on siis tasevastaavan avoin toimittaja. Tasesähkön hinta riippuu siitä, ostetaanko vai myydäänkö tasesähköä. Tasevastaavan alijäämäisen sähkötaseen korjaamiseksi ostaman tasesähkön hinnaksi määräytyy kyseessä olevan tunnin ylössäätöhinta. Tasesähkön myyntihinta on aina vähintään Suomen markkina-alueen Spot-hinta, vaikka tunti olisikin määritetty alassäätötunniksi. Ylijäämäistä sähkötasetta korjataan myymällä sähköä avoimelle toimittajalle. Tällöin tasesähkön ostohinnaksi tulee kyseisen tunnit alassäätöhinta tai enintään Suomen markkina-alueen Spot-hinta. Alas- ja ylössäätöhinnat voivat poiketa merkittävästi Spot-hinnasta. Etenkin ylössäätöhinnoissa voi olla rajuja piikkejä häiriöiden seurauksena. Suurten tuotantoyksiköiden verkostaputoamiset aiheuttavat suuren vajeen sähköntuotannossa ja siten tarvitaan ylössäätöä. Yhden megawattitunnin ylössäätöhinnaksi voikin muodostua jopa 2000 euroa. Alassäätöhinnoissa ei aivan yhtä suuria poikkeamia voi syntyä, koska sähkön pörssihinta on noin 40 euroa megawattitunnilta. Varsinkin Länsi-Tanskan markkina-alueella alassäätöhinta voi suuren tuulivoimatuotannon vaikutuksesta pudota nollaan euroon megawattitunnilta. Kuva 6 havainnollistaa alas- ja ylössäätöhintojen muutoksia Suomessa.

16 16 Kuva 6. Alas- ja ylössäätöhinnat Suomessa viikolla 7/2008. [11] Tasepoikkeamista saattaa aiheutua suuria kustannuksia tasevastaavalle, jos sen omalla tuotantolaitoksella sattuu häiriö ja se putoaa pois tuotannosta. Ensinnäkin tasevastaava menettää laitoksen normaalisti tuottaman sähkön, mutta lisäksi tulevat kulut tasesähköstä. Tasevastaavat luonnollisesti siirtävät tasesähkön käytöstä aiheutuneet kustannukset omille asiakkailleen, joten ne eivät joudu yksin vastaamaan kuluista. Tasesähkön aiheuttamat kustannukset voidaan laskea yksinkertaisesti. Vähennetään Spot-hinnasta ylössäätöhinta tai alassäätöhinnasta Spot-hinta. Parhaimmillaankin päästään nollatulokseen sähkön osalta, mutta kaupankäyntiin liittyy muitakin kustannuksia. Lisäkustannuksia aiheuttaa Fingridin tasepalveluistaan perimät korvaukset, joiden verottomat hinnat ovat: kiinteä kuukausimaksu 1000 EUR/kk ja tasesähkön volyymimaksu 0,7 EUR/MWh. Todelliseksi kustannukseksi saadaankin [7] kustannus = (Spot-hinta Ylössäätöhinta tasepalvelumaksut) kustannus = (Alassäätöhinta Spot-hinta tasepalvelumaksut)

17 Menetelmät poikkeamien oikaisemiseksi Tasepoikkeamien oikaisemiseksi tasevastaavan kannattaa tehdä työtä, jotta vältytään mahdollisesti hyvinkin kalliin tasesähkön ostamiselta. Seuraavassa käsitellään joitakin poikkeamien oikaisemiseksi olemassa olevia keinoja ELBAS-markkinat Sähköntoimitukseen johtavaa sähkökauppaa tehdään Elspot-markkinoiden lisäksi ELBAS-markkinoilla. ELBAS toimii Elspot-markkinoiden jälkimarkkinapaikkana Suomessa, Ruotsissa, Tanskassa ja Kontek-alueella. Elspot-markkinoiden tapaan ELBAS-markkinoilla käydään kauppaa jokaisen vuorokauden kunkin tunnin sähköntoimituksista. ELBAS-markkinoilla voidaan kuitenkin käydä kauppaa ympäri vuorokauden yhden kauppakierroksen sijaan. Sähkön hinta ELBAS-markkinoilla määräytyy täysin tarjousten perusteella. ELBAS-markkinoilla kaupankäynti sulkeutuu tuntia ennen toimitustunnin alkua. Kuvan 7 avulla asiaa voidaan selventää siten, että esimerkiksi tunnin PH (klo 7-8) kaupankäynti sulkeutuu tasan kello kuusi. Pienin kaupankäynnin yksikkö on yksi megawattitunti. ELBAS-kaupassa hintataso saattaa tuntien välillä vaihdella runsaasti. Yleensä hinnat seuraavat melko tarkasti Spot-hintaa, mutta joskus markkinoilla on niin paljon ylimääräistä sähköä, että se myydään reilusti alle Spot-hinnan. Toisaalta hinnat saattavat myös nousta markkinoiden alijäämäisyyden vuoksi. Vaihtelua esiintyy jopa yhden tunnin sisällä huomattavasti. Kuva 7 osoittaa, että tunnilla PH on myyty sähköä keskihinnalla EUR/MWh. Saman tunnin Spot-hinta on ollut EUR/MWh. [1; 7] Kuva 7. ELBAS-markkinoilla 12 tunnin aikana tehtyjen kauppojen maksimi-, minimi- ja keskihinnat sekä myydyn sähkön määrä (MWh)

18 Säätäminen omalla tuotannolla Vesivoiman käyttäminen sähkötaseen säätämiseen on erittäin tehokas keino. Vesivoimalla säätäminen on nopeaa ja helppoa. Ongelmia vesivoimalla säätämiseen voivat aiheuttaa jo aiemmin käsitelty tulvatilanne tai tiukat säännöstelymääräykset. Vesivoimalla säätämisen aiheuttamat vaikutukset vesivarantoihin on huomioitava, kun vesivoimaa käytetään säätövoimana. Vesivoiman käytössä tärkeä seikka on sen veden varastoarvo, eli minkä hinnan vedestä mahdollisesti saisi tulevaisuudessa myymällä sen markkinoille. Muilla tuotantomuodoilla säätämisessä on huomioitava polttoainekustannukset ja mahdolliset laitoksen käynnistyksestä aiheutuvat lisäkustannukset. Luonnollisesti myös käynnistyksessä kuluva aika ja säätötarpeen kriittisyys vaikuttavat säätämiseen käytettävän voimalan valintaan. Käytännössä päädytään valitsemaan kaasuturbiinilaitosten ja lauhdevoimalaitosten välillä, jos vesivoimaa ei ole käytettävissä. Edes yhden konsernin sisällä eri tyyppisillä laitoksilla säätäminen ei välttämättä ole kovin yksinkertaista. Esimerkiksi Pohjolan Voiman tuulivoimatuotannosta vastaava yksikkö PVO-Innopower ostaa tasepalvelut konsernin tasepalveluista vastaavalta yksiköltä PVO-Poolilta. Tuulivoimatuotannossa tapahtuvia tasepoikkeamia ei siis voida korjata vesivoimalla PVO-Innopowerin osalta, vaan taseen säädöstä vastaa PVO-Pool. Tasevastaavana toimivan PVO-Poolin osalta voi käydä niinkin, että eri asiakkaiden tasepoikkeamat summautuvat sen taseessa lähes nollaksi. [6] Tasesähkökauppa Tasesähkökauppaa voidaan pitää yhtenä menetelmänä tasepoikkeamien oikaisemiseksi. Se on kuitenkin yleensä viimeinen keino, johon turvaudutaan kun kaikki muut keinot poikkeaman oikaisemiseksi on jo käytetty Tasepoikkeamariskin siirtäminen Tasepoikkeamariskin siirtäminen voi olla hyvä ratkaisu pienelle sähköntuottajalle, jolla ei ole omaa tasehallintaosaamista ja -kykyä. Esimerkiksi pieni tuulivoimatuottaja voi pyrkiä tasepoikkeamariskin poistamiseen myymällä kaiken tuottamansa sähkön kiinteällä hinnalla eteenpäin isommalle toimijalle, jolla on jo olemassaolevat toiminnot markkinoilla toimimiseksi. Toinen vaihtoehto pienelle tuulivoimatuottajalle olisi ostaa markkinaoperointi palveluna joltain toiselta toimijalta. Molemmissa tapauksissa pieni tuulivoimatuottaja joutuu todennäköisesti myymään tuotantonsa alle markkinahinnan, mutta välttää kuitenkin tasepoikkeamista aiheutuvat kustannukset.

19 Poikkeamien oikaisusta aiheutuvat kustannukset Tasepoikkeamien oikaisun tulee olla edullisempaa kuin avoimen toimittajan myymä tasesähkö. Varsinkin ylössäätöhintaisesta tasesähköstä voi joutua maksamaan merkittävää ylihintaa verrattuna pörssisähköön. ELBAS-markkinoilta on mahdollista saada sähköä Spot-hintaa edullisemmin tai ainakin mahdollista ylössäätöhintaa edullisemmin. Toisaalta ELBAS-markkinoille voi saada myytyä ylimääräistä sähköä yli Spot-hinnan tai alassäätöhinnan. Aina on olemassa sekin mahdollisuus, että on myymässä tai ostamassa väärään aikaan. Voi siis käydä niin, ettei edullista sähköä ole tarjolla silloin kun sitä tarvitsisi tai vastaavasti sähköä ei saa myytyä yli Spot-hinnan. Lisäksi ELBAS-markkinoiden yhteydessä on otettava myös huomioon kaupankäynnistä aiheutuvat maksut. Vuosimaksu ELBASmarkkinaosapuolille on euroa ja volyymimaksu on 0,08 EUR/MWh. Tasepoikkeamien oikaisusta aiheutuvista kuluista vesivoimaa käytettäessä on vaikea esittää mitään tarkkaa arvioita. Voidaan kuitenkin ajatella, että sähkötaseen säätämiseen käytetty vesivoima olisi voitu myydä myös sähköpörssiin eli millainen mahdollisuus menetetään säätämisen seurauksena. Tällöin tarkastellaan sitä, mikä on kalleimman säätötunnin ja kalleimman Spot-markkinoiden tunnin hinnan erotus. Tällainen tarkastelu ei ota huomioon sitä, että sähköpörssiin myytävä sähkö pitää olla tiedossa jopa 36 tuntia ennen mahdollista säätötuntia. Myöskään säätösähkömarkkinoille osallistumisen mahdollisuutta ei oteta huomioon. [7]

20 20 6. Yhteenveto Säätämättömän tuotannon osuus Suomen sähköntuotannosta ei vielä ole kovinkaan suuri, kun jätetään ydinvoima tarkastelusta pois. Tulevaisuudessa kiinnostus uusiutuviin energianlähteisiin todennäköisesti kasvaa entisestään. Etenkin päästökaupan kehittyminen ja mahdolliset muutokset uusiutuvan energian tukipolitiikassa lisäävät esimerkiksi tuulivoiman rakentamista. Myös aurinkoenergian hyödyntäminen saattaa kehittyä. Tuulivoimakapasiteetin merkittävä lisäys aiheuttaisi myös säätökykyisen tuotannon lisäämistä. Toisaalta mahdollinen ydinvoiman lisärakentaminen vapauttaisi lauhde- ja vesivoimalaitoksia perusvoiman tuotannosta säätöenergian tuottamiseen. Suurten tuulipuistojen rakentaminen lisäisi painetta uuden vesivoiman rakentamiseen, etenkin julkisuudessa laajasti esillä olleiden Kollajan ja Vuotoksen tekoaltaiden rakentaminen tulisi entistä todennäköisemmäksi. Myös uusien kaasuturbiinien rakentaminen muuttuisi entistä todennäköisemmäksi säätökykynsä ansiosta. Sähkön keskihintaa tuulivoiman lisääminen todennäköisesti laskisi hieman. Tuotannonvaihteluista johtuen sähkön hinnan lyhyen aikavälin heilahtelut saattaisivat lisääntyä. Tavalliselle kotitalouskuluttajalle tuulivoiman lisäämisestä olisi siis hyötyä. Hyötyjinä ovat myös ne sähköntuottajat, jotka omistavat paljon säätökykyistä tuotantoa. Ne voivat vähentää lauhdevoimaloiden käyttöä ja säästää sekä polttoaineen että päästöoikeuksien hinnoissa. Suomen kannattaa ottaa mallia Tanskasta tuulivoiman lisärakentamisen aiheuttamien vaikutusten arvioinnissa. Tanskan voimajärjestelmä toimii luotettavasti suuresta tuulivoimakapasiteetista huolimatta. Myös sähkömarkkinoihin kohdistuvien vaikutusten arviointi on tärkeää ottaa huomioon. Esimerkiksi sähkön hinnan ennustamisessa voidaan tarkastella historiatietoja Tanskasta viime vuosilta.

21 21 7. Lähteet [1] Sähkömarkkinat opetusmoniste; Jarmo Partanen, Satu Viljainen, Jukka Lassila, Samuli Honkapuro ja Kaisa Tahvanainen; LTY 2006 [2] The impact of large scale wind power production on the Nordic electricity system; Hannele Holttinen; VTT Technical Research Centre of Finland 2004 [3] Tasepalvelut; Fingrid Oyj; [4] Design and operation of power systems with large amounts of wind power; Holttinen H. & Lemström B, VTT, Finland; Meibom P. & Bindner H., Risø National Laboratories; Orths A., Energinet.dk, Denmark; van Hulle F., EWEA; Ensslin C., ISET; Tiedemann A., DENA, Germany; Hofmann L. & Winter W., E.ON Netz, Germany; Tuohy A. & O Malley A., UCD; Smith P., Eirgrid, Ireland; Pierik J., ECN, Netherlands; Tande J. O., SINTEF, Norway; Estanqueiro A., INETI; Ricardo J., REN, Portugal; Gomez E., University Castilla La Mancha, Spain; Söder L., KTH, Sweden; Strbac G. & Shakoor A., DG&SEE, UK; Smith J. C., UWIG, USA; Parsons B., Milligan M. & Wan Y., NREL, USA; VTT 2007 [5] Sähköntuotanto; Energiateollisuus; [6] Liiketoiminta; Pohjolan Voima Oy; [7] Nord Pool Spot AS; Nord Pool; [8] SMG-4300 Aurinkosähkö ja tuulivoima kurssi; Tuulivoiman luentotiivistelmät; Teemu Rovio; [9] Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa; Diplomityö; Jukka Kitunen; TTY 2007 [10] Wind Hydro Integration on a Large Hydro System; Hannele Holttinen; UWIG workshop, Portland, [11] Nord Pool ASA; Nord Pool;