Sähkökattila sähkön ylituotannon säädössä

Abstract

Sähkön ylituotanto on tuuli- ja aurinkovoiman tuotantokapasiteetin lisääntymisen myötä kasvava ongelma. Ylituotannon syitä ovat uusiutuvan tuotantotehon suuri vaihtelevuus ja riittämätön säätövoima. Ylituotanto ja laskeva inertia lisäävät heittelyä sähköverkon taajuudessa, jonka on pysyttävä 49,9 ja 50,1 Hz välillä. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää, miten ylituotantoa voidaan alassäätää teollisuuskoon sähkökattiloiden avulla ja mitä eri käyttökohteita sähkökattiloilla on. Työ on kirjoitettu kirjallisuuskatsauksena.

Sähkökattila on eristetty ja paineistettu säiliö, jossa vettä kuumennetaan sähkövastuksilla tai elektrodeilla. Sähkökattilan etuja ovat sen korkea 99 %:n hyötysuhde, 0,5–5 minuutin käynnistysaika, pieni koko, matala investointikustannus sekä 0–100 % säädettävyys. Sähkökattila ei käytä polttoainetta, eikä synnytä primäärisiä päästöjä, sillä kokonaispäästöt ovat suoraan riippuvaisia sähköntuotannon päästöistä. Myös elinkaarikustannuksista 90 % tulee sähköstä.

Sähkökattila yhdessä kaukolämpö- ja sähköakun kanssa pystyy hyödyntämään 67 % tuulivoimapuiston ylituotannosta kaukolämpöveden tuotantoon. Tällöin 76 % kaukolämmöntuotannosta on peräisin tuulivoiman ylituotannosta. Sähkökattilajärjestelmää pidetään Kiinassa erittäin potentiaalisena ratkaisuna ylituotanto-ongelmaan. Suomessa on havaittavissa kaukolämmön tuotannon sähköistyminen, sillä useita sähkökattilaprojekteja on valmistunut, meneillään tai suunnitteilla valmistua 2023–2026. Vuonna 2023 Suomen kaukolämmöstä tuotettiin sähkökattiloilla 2 %. Sähkökattiloista kannattavia Suomessa tekee fossiiliton sähköntuotanto sekä tuulivoima ja sen ylituotanto, joka laskee sähkön hintaa.

Teollisuuskoon sähkökattiloiden suurin potentiaali sähkön ylituotannon alassäädössä todetaan olevan kaukolämmön tuotannossa. Muita käyttökohteita sähkökattiloille on prosessihöyryn tuotannossa sekä varakattilana. Sähkökattilalla voidaan tuottaa jatkuvasti tasalaatuista höyryä, mikä on tarpeellista monilla teollisuuden aloilla. Varakattilana sähkökattila on kannattava matalan investointikustannuksensa, pienen kokonsa ja nopean käynnistysaikansa vuoksi. Näissä kohteissa sähkökattila ei toimi säätövoimana, ja sen kannattavuus on altis sähkön hinnan vaihteluille.

Sähköntuotannon painottuminen uusiutuviin energianlähteisiin on edellytys teollisuuden sähköistymiselle ja täten säätövoiman lisäämiselle. Tavoite hiilineutraaliudesta vuonna 2050 ja erityisesti päästökauppa ohjaavat maailmanlaajuisesti sähköistymiseen. Haasteita aiheuttavat useissa maissa halpa maakaasu, sähköverkon riittämätön kunto ja korkeat kustannukset siirtymässä sähköiseen teollisuuteen. Investointikustannuksiltaan sähkökattila on liki 40 % edullisempi kuin vastaava maakaasujärjestelmä, mutta sen kannattavuus edellyttää alhaista sähkön hintaa, joka on seuraus riittävästä uusiutuvilla energiamuodoilla tapahtuvasta sähköntuotannosta. Sähköistymistä tehokkaasti tukevia toimia ovat ohjaaminen politiikan ja standardisoinnin avulla.

Jatkotutkimukset voisivat kohdistua sähkökattiloiden kannattavuuden optimointiin höyryntuotannossa, missä sähkökattilan ajoa ei voida säätää sähkön hinnan vaan prosessin tarpeiden mukaan. Sähkökattilakannan ja uusiutuvien kapasiteetin kasvaessa on ajankohtaista kehittää sähkönsiirtokapasiteettia sekä jakeluvarmuutta. Oleellista olisi tutkia kaukolämpöverkoston potentiaalia energian säätövoimana.