Vesivoiman merkitys Suomen energiajärjestelmälle ÅF-CONSULT OY

Vesivoiman merkitys Suomen energiajärjestelmälle ÅF-CONSULT OY

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 2030. Lisäksi tarkasteltiin mahdollisuuksia tuottaa sähköjärjestelmän jousto muilla tavoin kuin vesivoimalla, kiinnittäen huomioita paitsi kustannustehokkuuteen myös ympäristövaikutuksiin. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 2

1. Sähköjärjestelmän toimintaperiaatteet 2. Vesivoima tänään 3. Sähköjärjestelmä tänään ja vuonna 2030 4. Yhteenveto ja johtopäätökset VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 3

VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Sähköjärjestelmän toimintaperiaatteet VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 4

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 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 11 22 33 44 55 66 77 88 99 110 121 132 143 154 165 NETTOTUONTI ERILLINEN LÄMPÖVOIMA TUULIVOIMA VESIVOIMA KAUKOLÄMPÖVOIMA TEOLLISUUSVOIMA YDINVOIMA Sähköntuotannon ja nettotuonnin toteutunut profiili viikolla 40 vuonna 2017. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 5

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 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 Viikon tunti Vk 1 Vk 5 Vk 28 Vk 40 Suomen tyypillisiä sähkön kulutusprofiileita eri vuodenaikoina vuonna 2017. Lisäksi on esitetty viikko, jolla esiintyi vuoden 2017 sähkön huippukulutus 14 200 MW. (data.fingrid.fi) VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 6

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 11500 11000 10500 10000 9500 MW 11500 11000 10500 10000 9500 Power-to-gas (P2G) Lämpövoima Pumppuvoima Vesivoima Jouston aikajänne 9000 8500 0 6 12 18 0 9000 8500 0 6 12 18 0 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

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

VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Vesivoima tänään VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 9

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

VESIVOIMA TÄNÄÄN Hajautettu tuotanto lisää toimitusvarmuutta Suomessa on nykyisin yli 220 vesivoimalaitosta, joiden yhteenlaskettu teho on noin 3100 MW. Säätöön kykenevää vesivoimaa on n. 2100 MW. Vesivoiman keskimääräinen vuosituotanto on n. 13 TWh, joka 10-20 % 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

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

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 20,0 2012 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.

VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Sähköjärjestelmä tänään ja vuonna 2030 VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 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 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 2017 2030 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 2030. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 16

SÄHKÖJÄRJESTELMÄ TÄNÄÄN JA VUONNA 2030 Säädettävän tuotannon määrä vähenee 25 000 20 000 Ennustevirhe lisää jouston tarvetta 800 700 15 000 Heikosti säädettävä tuotanto Ylössäätö MW 600 500 400 300 200 100 0 Vesivoima CHP KL CHP Teoll Ydinvoima 10 000 5 000 Hyvin säädettävä tuotanto Alassäätö MW 0-100 -200-300 -400 0 Vesivoima Kaukolämpö CHP Ydinvoima 2018 2030 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

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 16 800 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 2030. Uudet siirtoyhteydet on merkitty punaisella tekstillä ja vuonna 2018 olemassa olevat mustalla tekstillä. VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 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 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 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

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. 20000 Vesivoimatuotantoa säädetään nopeasti ylös 18000 vastaamaan muutostarpeeseen. 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 Hintapiikki on yli kulutusjouston aktivointihinnan 70 /MWh, jolloin kulutus joustaa tarjolla olevan maksimin 600 MW. Kun vesivoimaa 0 0 rajoitetaan, se ei voi tehdä 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 enää 145 vuorokausisäätöä 157 Viikon tunti järjestelmän vaatimuksien 20000 mukaan vaan tuottaa 160 sähköenergiaa 18000 Ydin CHP_teol CHP_KLtasaisemmin. 140 16000 Tuuli Aurinko Vesi 14000 Kulutus Hinta Tuonti-/Vientihinta 120 12000 100 10000 8000 6000 4000 2000 0 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 Viikon tunti Ydin CHP_teol CHP_KL Tuuli Aurinko Vesi Kulutus Hinta Tuonti-/Vientihinta VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 20 160 140 120 100 80 60 40 20 80 60 40 20 0 /MWh /MWh

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

VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Yhteenveto ja johtopäätökset VESIVOIMAN MERKITYS SUOMEN ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE 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

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