Vesipumppuvoimalaitos matalalla pudotuskorkeudella: Suomeen soveltuvat ratkaisut

Abstract

Energiamurroksen edetessä yhteiskunnat pyrkivät vähentämään fossiilisten polttoaineiden käyttöä siirtymällä kohti puhtaita ja uusiutuvia energialähteitä. Suomen kansallisen lainsäädännön mukaan Suomen on oltava hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä, mikä näkyy energiasektorilla uusiutuvien tuotantomuotojen, kuten tuuli- ja aurinkovoiman määrän kasvamisena. Uusiutuvat energialähteet ovat usein vahvasti sääriippuvaisia, minkä seurauksena sähköverkon energiatasapainon sekä energian kysynnän ja tarjonnan hallinta vaikeutuu. Uusiutuvien tuotantomuotojen sääriippuvuutta voidaan näennäisesti vähentää erilaisten energiavarastojen, kuten vesipumppuvoimalaitosten avulla. Suomessa on tällä hetkellä käytössä yksi vesipumppuvoimalaitos, minkä lisäksi uusia laitoksia suunnitellaan aktiivisesti.

Tämän kandidaatintutkielman tavoite on selvittää, millaista tekniikkaa ja teknisiä ratkaisuja Suomeen sijoitettavassa vesipumppuvoimalaitoksessa kannattaa käyttää. Suomen maantieteelliset ominaisuudet rajoittavat pudotuskorkeutta, mikä aiheuttaa haasteita laitoksen toiminnan kannalta. Lisäksi työssä tutustutaan pumppuvoimalaitoksen toiminnan periaatteisiin sekä tekniikan että sähkömarkkinoiden näkökulmasta.

Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksen muodossa. Aineistona työssä on käytetty vertaisarvioituja tieteellisiä artikkeleita sekä alan kirjallisuutta ja verkkojulkaisuja. Lähteitä on haettu pääasiassa Tampereen korkeakouluyhteisön ylläpitämästä Andor palvelusta sekä Goole Scholar palvelusta.

Tutkielmassa pääpaino on matalalle pudotuskorkeudelle soveltuvassa tekniikassa. Matalilla pudotuskorkeuksilla hyötysuhteen optimointi on erittäin tärkeää ja sen tulee näkyä laitoksen jokaisen komponentin suunnittelussa. Korkean kokonaishyötysuhteen saavuttamiseksi yksittäisten komponenttien hyötysuhteen tulee olla optimoitu. Matalilla pudotuskorkeuksilla reaktioturbiineilla saavutetaan hyvä hyötysuhde, minkä lisäksi niitä voidaan hyödyntää myös veden pumppaamisessa. Pumpputurbiinien käyttö vähentää laitoksen kokonaiskustannuksia vaikuttamatta merkittävästi hyötysuhteeseen. Taajuusmuuttajien avulla turbiinin pyörimisnopeus voidaan sovittaa senhetkiseen veden virtaamaan, jolloin saavutetaan turbiinin osalta korkea hyötysuhde. Taajuusmuuttaja mahdollistaa myös veden pumppaamiseen käytettävän tehon säätämisen. Modernien taajuusmuuttajien hyötysuhteet ovat korkeita. Suomessa on suuri määrä vesistöjä, joten potentiaalisia rakennuspaikkoja vesipumppuvoimalaitoksille on runsaasti.