Suomi siirtyy kiihtyvällä tahdilla kohti uusiutuvien energioiden hyödyntämistä. Aurinko- ja tuulivoiman enenemistä tukevat vesi- ja bioenergia.

Kuinka sähköjärjestelmä kestää uusiutuvien energioiden tuotannon vaihtelut? Millä keinoin laajamittainen aurinko- ja tuulivoima saadaan integroitua sähköjärjestelmään ja miten se näkyy markkinoilla? Tulevaisuudessa tyyninä, pimeinä ja kylminä aikoina kysyntäjousto yhä selvemmin leikkaa kulutushuippuja ja vain osan vuotta toimiva voimantuotanto osallistuu kulutuksen kattamiseen.

— Niin sanotun perusvoiman aika on ohi siinä vaiheessa, kun tuulella ja auringolla tuotetaan yli puolet sähköstämme. Hinnat ovat vuosittain 1000–3000 tuntia niin alhaiset, ettei perusvoimatuotanto saa siitä mitään. Perusvoima kuitenkin vaatii 6000–8000 käyttötuntia vuodessa. — Voimalaitoskapasiteetin täytyy siis siirtyä tasaisella teholla tuotetusta perusvoimasta kohti joustavasti toimivaa voimantuotantoa, sanoo Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n johtava tutkija Hannele Holttinen.

Optimointi aurinko- ja tuulienergian mukaan

Tuotannoltaan sääsidonnaiset tuulivoima ja aurinkoenergia aiheuttavat sähköjärjestelmää haastavia vaihteluita. Päänvaivaa aiheuttavat ne päivät, jolloin suuri osa kulutuksesta tuotetaan tuulen ja auringon avulla – mutta myös tyynet ja pilviset päivät.

— Järjestelmän toiminta täytyy tulevaisuudessa optimoida aurinko- ja tuulienergian saatavuuden mukaan. Siksi meidän on opittava entistä tarkemmin etukäteen arvioimaan, paljonko aurinko ja tuuli tuottavat energiaa tunti-, päivä- ja viikkokohtaisesti, Holttinen toteaa.

Tuulivoimatuotanto voi vaihdella kahdessa vuorokaudessa hyvin pienestä lähes maksimiin. Toisaalta taas tunnissa se ei ennätä paljon muuttua, kun tuotantoa on hajautettu ympäri Suomea tai Pohjoismaita.

— Myös sähkönkulutus vaihtelee lämpötilan ja ihmisten elämänrytmin mukaan, Holttinen muistuttaa.

Epävarmuudet paremmin hallintaan

Holttinen johtaa tänä vuonna päättyvää Uusi energia -akatemiaohjelman hanketta, jossa tutkimusryhmä on kehittänyt sääolosuhteet ja niihin liittyviä epävarmuuksia huomioon ottavaa simulointimallia.

Paljonko eri tunteina tuulee tai saadaan auringon säteilyä, mikä on lämpötila ja siitä seuraava kulutus? Miten ennakoimattomiin epävarmuuksiin voidaan varautua?

— Laskentakapasiteetin kasvun ja datan käsittelymahdollisuuksien helpottumisen ansiosta pystymme entistä paremmin yhdistelemään tuulennopeus-, lämpötila-, sade- ja säteilyennusteita ja niihin sisältyviä epävarmuuksia.

— Epävarmuuksien selvittäminen ja haarukointi nousee hankkeessamme tärkeämmäksi tavoitteeksi kuin ennustettavuuden parantaminen. Jälkimmäinen on silti yksi tavoite Ilmatieteen laitoksen osuudessa, Holttinen huomauttaa.

Toimintaa ja ostopäätöksiä ohjaavien parhaiden arvausten tilalle tulevat parhaiten hallittavat epävarmuudet. Perimmiltään kyse on sähköjärjestelmän toiminnan optimoinnista, jolloin   

aurinko- ja tuulienergiatuotantoa sekä joustavasti toimivia energiavarastoja saadaan hyödynnettyä mahdollisimman hyvin.

— Meidän tulee tietää, milloin sähköä tarvitaan ja mitä laitoksia milloinkin käynnistetään. Toisaalta tarvitsemme tietoa siitä, milloin varastojen olisi oltava tyhjiä ylijäämäsähköä varten – ja täysiä tuottamaan energiaa, kun sille on suurin tarve.

— Ja kaikessa meidän tulisi ottaa huomioon säähän liittyvä epävarmuus.

Holttisen mukaan järjestelmän optimointimalli mahdollistaa sähköjärjestelmän operaattorille järjestelmän luotettavuuden lisäämisen ja tehoreservien tarpeen tarkentamisen. Vesivoiman tuottajia se auttaa tekemään tarjouksia markkinoille. Menetelmä tarjoaa työkaluja myös muille sähkövarastoille, kun niitä jossain vaiheessa järjestelmään alkaa tulla.

Hintasignaalit karsivat kapasiteettia

Sähkömarkkinoilla on tähän asti hyväksi osoittautunut toimintapa, jossa joka tunti otetaan käyttöön halvimmalla tuotettua sähköä. Riittääkö se jatkossa, kun markkinoille tulee enenevässä määrin aurinko- ja tuulienergiaa – jota joinakin hetkinä on tarjolla runsaasti, toisinaan taas niukasti?

Holttinen haluaa herätellä pohtimaan perusteellisesti myös energiamarkkinoiden hintasignaalien merkitystä.

— Aurinko- ja tuulienergian ylitarjonnan aikana sähkön hinta halpenee liki nollaa euroa. Tämä on haaste sähkön tuottajille, jotka pääsevät tuottamaan markkinoille sähköä vähemmän aikaa kuin nykyään. Pitkään alhaisina pysyvät hinnat antavat signaalin siitä, että osa nykyisestä kapasiteetista kannattaisi poistaa.

— Järjestelmän kannalta haasteena on ylläpitää riittävää sähköntuotantokapasiteettia, jotta pidemmätkin huippukulutusjaksot voidaan kattaa ilman sähköpulaa ja kulutuksen alasajoa.

Yhden ratkaisun tarjoaa Euroopan unionin tavoittelema yhteiseurooppalainen sähkömarkkina. Se auttaisi hallitsemaan erityisesti tuulivoiman vaihteluita. Laajempi markkina-alue ehkäisisi myös hinnan painumista lähelle nollaa.

Toinen ratkaisu piilee hintojen nykyistä suuremmassa vaihtelussa.

— Hintojen nykyistä suurempi vaihtelu antaisi selkeän signaalin kulutusjoustoille ja tekisi sähkövarastoista kannattavia, toteaa Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n johtava tutkija Hannele Holttinen.

Huippuhintoja nollatason vastapainoksi

Mikäli sähkön markkinahinta välillä lähenee nollatasoa, täytyy sen Holttisen mielestä vastaavasti antaa nousta huippuunsa silloin, kun sähkönkulutuksen tyydyttäminen tekee tiukkaa. Markkinoita ollaankin vähitellen kehittämässä niin, että sähkölle ja säätösähkölle sallitaan nykyistä korkeampia hintoja.

Kyse on nykyisen niin sanotun Energy only -markkinamallin mukautumisesta entistä suurempaan määrään aurinko- ja tuulivoimaa.

Vuonna 2016 Suomessa sai sähköä yli 850 tunnin ajan alle 20 euroa megawattitunnilta. Kovimman kulutuksen aikaan maksimihinta kipusi 212 euroon/MWh. Se on silti maltillinen hinta verrattuna vaikkapa Yhdysvaltain Teksasiin, jossa sähköstä voi joutua enimmillään pulittamaan jopa 9000 dollaria/MWh.

— Meillä tulee aina olemaan enemmän alhaisen kuin korkean hinnan hetkiä. Se näkyy keskiarvohinnassa, Holttinen mainitsee.

— Hintojen nykyistä suurempi vaihtelu antaisi selkeän signaalin kulutusjoustoille ja tekisi sähkövarastoista kannattavia. Lisäksi saisimme signaalin sille, millaista tuotantokapasiteettia tarvitaan. On tärkeää, että ylituotannon tunteina kapasiteettia voi olla pois päältä ja hyvin korkeina sähkönkulutuksen ja hintojen aikoina taas käytössä, Holttinen sanoo.

Kulutusjoustoa tarvitaan, kapasiteettimaksuja mietittävä

Vaihteleva hinta ja sähkökaupan kehittyminen kohti reaaliaikaisuutta tehostavat myös kulutusjoustoa ja sen vaikutusta. Halpa hinta rohkaisee hyödyntämään sähköä lämmityksessä myös suuremmassa mittakaavassa.   

Kun sähköä on tarjolla yllin kyllin, kulutuksen lisääminen auttaa pitämään sähkön hinnan positiivisena. Kysynnän vähentäminen korkeiden hintojen aikaan puolestaan pitää hinnannousun maltillisena.

— Sähkönkulutusta automaattisesti rajoittamalla kuluttajaa voidaan suojella tilanteelta, jossa hän tietämättään joutuisi maksamaan sähköstään kaikkein korkeinta hintaa, Holttinen lisää.

Ellei energiamarkkinoiden hintaohjaus riitä, voidaan ottaa käyttöön kapasiteettimaksut. Niiden haasteena on pitää tuotantokapasiteetti sellaisella tasolla, ettei synny ylikapasiteettia eikä makseta liikaa, vääränlaisesta ja joustamattomasta kapasiteetista.

— Tässä pitäisi katsoa koko Euroopan laajuisen sähkökaupan etua eikä vain omia kansallisia etuja. Muuten kaikki tukevat turhaan kapasiteettia, joka jää vähälle käytölle.   

— Uskaltavatko maat luottaa naapuriapuaan hädän tullen, Holttinen kiteyttää keskeisen kysymyksen.

KAINALOSSA

Mitä Energy only -markkinamalli tarvitsee toimiakseen?

Hyvin korkeita hintoja, kun kapasiteettia tarjolla vähän
— Kompensoi alhaisen hinnan jaksoja.
— Joustavat voimalaitokset saavat tuloja kattamaan kustannuksiaan.

Laajat markkinat
—Tasaavat tuulivoiman vaihteluita, siirtävät aurinkoenergiaa etelästä pohjoiseen.

Säätöä ja joustavuutta kaikista lähteistä 
— Pienet tuottajat ja kulutus tulevat mukaan tarjoamaan säätöä.
— Varastoja käytetään optimaalisesti.
— Tuuli- ja aurinkoenergia tarjoavat säätöä silloin, kun energiaa on liikaa tarjolla.
— Säädöstä saadaan lisätulonlähde.
— Sähköllä voidaan osittain korvata lämmityksen ja liikenteen polttoaineita.

Energiamarkkinoiden toimivat hintasignaalit, vaikka kapasiteetista pitäisi jatkossakin maksaa

teksti Vesa Ville Mattila / pääkuva Scanstockphoto