Sähköenergian varastointi veden potentiaalienergiaan

Abstract

Sähköenergian varastointiin on kehitetty teknologioita, ja yksi niistä on pumppuvoimalaitos. Pumppuvoimalaitokset ovat kapasiteetiltaan maailman suurin sähköenergiavarasto. Uusiutuvaa energiaa tarvitaan tulevaisuudessa yhä enemmän, mikä aiheuttaa energian varastoinnin kannalta ongelmia. Uusiutuva energia ei ole tasaisesti tuottavaa kuten ydinenergia. Sähköenergian tuotannon vaihtelu vuorokausittain aiheuttaa ongelmia sähköverkon tasapainolle ja jäykkyydelle. Uusiutuvaa energiaa tuotetaan Suomessa runsaasti. Vuonna 2018 kotimaisesta sähköntuotannosta jopa 46 prosenttia oli uusiutuvaa energiaa, josta 42 prosenttia tuotettiin vesivoimalla, 19 prosenttia tuulivoimalla ja loput puuperäisillä polttoaineilla. Suomen asettamat ilmastotavoitteet pyrkivät vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä huomattavasti. Tavoitteisiin pyritään kilpailuttamalla uusiutuvan energian tuotantomuotoja. Tuulivoiman lisääntyminen Suomessa on vuosikymmenen aikana ollut runsasta. Tuulivoiman lisääminen aiheuttaa kuitenkin sähköverkossa epätasapainoa, jota säädetään Suomessa vesivoimalla. Aurinkoenergian osuus Suomen sähköntuotannossa on vielä marginaalista, mutta sekin on lisääntymässä. Vesivoima on Suomen suurin uusiutuvan energian tuotantomuoto, sillä on myös pitkä historia Suomessa. Vesivoimalla säädetään Suomessa sähköverkkoa. Suomessa vesivoimalaitoksilla voidaan varastoida sähköenergiaa tarvittaessa. Säätövoiman määrä riippuu vesitilanteesta sekä sallittujen vesistöjen pinnankorkeuksien rajoituksista. Pumppuvoimalaitokset ovat sähköenergian varastointilaitoksia, jotka perustuvat veden potentiaalienergian varastoimiseen. Pumppuvoimalaitoksia on rakennettu jo 1800-luvun lopulla Euroopassa. Pumppuvoimalaitos koostuu ylä- ja ala-altaasta sekä niitä yhdistävästä putkijärjestelmästä, jonka yhteydessä on turbiini. Turbiini on yhteydessä generaattorin akseliin. Francis turbiini on tyypillinen turbiinityyppi pumppuvoimalaitoksissa. Sähköenergiaa varastoidessa pumppuvoimalaitoksessa vettä pumpataan yläaltaaseen korkeampaan potentiaaliin. Vesi säilyy yläaltaassa kunnes laitos käynnistetään uudelleen ja vettä juoksutetaan turbiinin läpi. Turbiini pyörittää generaattorin akselia ja tuottaa sähköenergiaa. Pumppuvoimalaitoksen hyötysuhde lasketaan pumppaukseen kuluneen energian ja tuotetun energian osamääränä. Esimerkkivoimalaitokseksi työssä on valittu pumppuvoimalaitos El Hierron saarella Kanarian saaristossa. Sähköenergian tuotanto saarella koostuu tuulivoimalasta, dieselvoimalasta sekä pumppuvoimalaitoksesta. Saarella tuotettii sähköä vain dieselvoimalaitoksella vuoteen 2014 asti, jolloin pumppuvoimalaitos sekä siihen liitetty tuulivoimala otettiin käyttöön. El Hierro oli täysin riippuvainen ulkopuolelta tuodusta polttoaineesta, mutta pumppuvoimalaitoksen käyttöönoton jälkeen vuonna 2018 uusiutuvan energian käyttöaste oli yli 54 prosenttia. Tapauksesta voidaan todeta että pumppuvoimala voi toimia saarekekäytössä hyvin, kun siihen on liitetty uusiutuvaa energiaa hyödyntäviä voimalaitoksia. Suomessa pumppuvoimalaitoksilla ei ole pitkää historiaa, vaikka mahdollisia pumppuvoimalahankkeita on tutkittu jo 1970-luvulla. Uusin pumppuvoimalaitoshanke on sijoittunut Pyhäjärvelle, jossa käytöstä poistettua peruusmetallikaivosta muutetaan pumppuvoimalaitokseksi.