Tuulivoima voi olla riski­altis energia­muoto inertian puutteen takia: Tästä ilmiössä on kyse

Perinteisten voimaloiden raskaat generaattorit parantavat sähköjärjestelmän kykyä sietää häiriöitä. Tuuli- ja aurinkovoiman kasvu on pakottanut keksimään uusia tapoja tuottaa järjestelmään niin sanottua inertiaa tai korvata sen puutetta.

Tuulivoiman kasvu aiheuttaa sähköjärjestelmään suurta tehonvaihtelua, mutta myös muita ongelmia.

16.10. 2:00 | Päivitetty 16.10. 13:54

Kuvittele raskas kivinen tahko, jota pyörität kammella. Pyörän saaminen vauhtiin vaatii paljon voimaa, mutta vauhdin ylläpitäminen käy melko kevyesti. Kuvittele nyt, että yrität pysäyttää tahkon nopeasti. Se ei tahdo millään onnistua.

Kiven pyörivään massaan varastoitunut liike-energia vastustaa pysäyttämistä tehokkaasti, se ikään kuin puskee tahkoa eteenpäin.

Sähköjärjestelmässä samalla tavalla käyttäytyvät suuret pyörivät generaattorit ja sähkö­moottorit. Niiden pyörivään massaan varastoituneella liike-energialla on koko sähköjärjestelmän toimintavarmuudelle iso merkitys.

Jos sähköjärjestelmään tulee häiriö, vaikkapa iso voimalaitos putoaa verkosta tai rajajohto vikaantuu, pyörivien generaattoreiden liike-energia puskee automaattisesti verkkoon lisätehoa ja kannattelee sähköverkon toiminnalle elintärkeää 50 hertsin taajuutta.

”Tästä johtuen generaattoreiden pyörimisnopeus alkaa kuitenkin pian hidastua ja sähköverkon taajuus pyrkii laskemaan. Tällöin verkkoon on saatava lisää tehoa reserveistä”, sanoo erikoisasiantuntija Mikko Kuivaniemi Fingridistä.

Fingrid on valtion ja eläkeyhtiöiden omistama kantaverkkoyhtiö. Sen tehtävä on huolehtia, että suomalaiset saavat sähköä ilman häiriöitä.

Häiriötilanteessa sähköverkko saa nopeaa lisätehoa jo sekunneissa sähköjärjestelmän taajuusohjatusta häiriöreservistä.

Taajuusohjattu reservi toimii siten, että kun verkon taajuus laskee, automaatio­järjestelmä avaa automaattisesti joidenkin vesivoimaloiden säätösolukkeita. Vettä pääsee turbiineihin enemmän ja sähkön tuotantoteho kasvaa nopeasti.

Taajuusohjatussa reservissä on myös paljon sähkön kulutusta. Häiriössä releet kytkevät kulutuskohteita pois verkosta.

Häiriötilanteessa seuraavat 15 minuuttia ovat keskeisiä. Sähkövaje paikataan säätösähköllä ja tarvittaessa Fingridin omilla varavoimaloilla.

Säätösähkömarkkinalla Fingrid käy jatkuvaa huutokauppaa siitä, kuka voi lisätä sähkön tuotantoa tai leikata sen kulutusta halvimpaan hintaan kullakin tulevalla tunnilla.

Kun tehovaje on korvattu säätösähköllä, taajuusohjattu reservi voidaan poistaa käytöstä odottamaan uutta mahdollista häiriötä.

Suuria generaattoreita pyörittävät voimalat antavat siis sähköjärjestelmälle noin viisi sekuntia aikaa reagoida äkilliseen häiriöön. Suuria generaattoreita löytyy esimerkiksi ydin-, hiili- ja hakevoimaloista. Vesivoimaloiden turbiinit ovat pienempiä, mutta massaa on niissäkin.

Nämä generaattorit ja myös isojen teollisuuskoneiden sähkömoottorit tuottavat sähkö­järjestelmään luonnostaan kykyä vastustaa taajuuden muutosta häiriötilanteessa. Tätä ominaisuutta kutsutaan inertiaksi.

Erityisen paljon inertiaa tuottavat ydinvoimalat, koska niiden turbiinit ovat paitsi valtavan suuria, ne myös pyörivät hyvin nopeasti.

Järjestelmässä on kuitenkin yhä kasvava ongelma.

Aurinko- ja tuulivoima eivät tuota luontaisesti inertiaa lainkaan. Niiden tuottama sähkö kulkee taajuusmuuttajan tai suuntaajan eli invertterin kautta.

Tuulivoimaloiden generaattoreihin varastoitunut liike-energia jää ikään kuin taajuusmuuttajan taakse. Aurinkovoimaloissa generaattoreita ei edes ole.

Silloin kun hyvin suuri osa sähköstä tuotetaan tuuli- tai aurinkovoimalla ja teollisuuden isoja moottoreitakin on vähän käytössä, järjestelmässä voi olla hyvin vähän inertiaa.

Perinteinen viiden sekunnin reagointiaika mahdollisessa häiriössä ei enää riitäkään, vaan syntynyt tehovaje pitää paikata hyvin paljon nopeammin, jopa alle sekunnissa.

Muuten sähköverkon taajuus laskee vaarallisesti. Taajuuden lasku voi aiheuttaa pahimmillaan koko sähköjärjestelmän kaatumisen.

Kantaverkkoyhtiö Fingrid tarkkailee inertian määrää päivittäin jo ennakolta.

”Hyvin matalan inertian tilanteita on ollut erityisesti kesäviikonloppuina, kun ydinvoimaloita on ollut huollossa ja kulutusta on myös vähän”, Kuivaniemi sanoo.

Kaksi vuotta sitten pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt alkoivatkin ostaa taajuusohjatun reservin lisäksi niin sanottua nopeaa taajuus­reserviä, joka reagoi sähköverkon taajuuden muutoksiin 0,7–1,3 sekunnissa.

Perinteinen viiden sekunnin reagointiaika ei enää riitäkään.

Voimalaitokset eivät näin nopeaan reagointiin pysty. Reservissä on käytännössä nopeasti katkaistavaa sähkön kulutusta, kuten teollisuuden koneita ja kasvihuoneiden valaistusta, taikka hyvin nopeita tehon lähteitä, kuten akustoja.

Nopeaa taajuusreserviä Fingrid ostaa etukäteen käyttöön silloin, kun inertian ennustetaan olevan pientä.

Myös perinteisen viidessä sekunnissa aktivoituvan taajuusohjatun reservin vaatimukset ovat tiukentumassa ensi vuodesta alkaen vähitellen. Syy on inertian määrän väheneminen.

”Osalle vesivoimaloista uudet vaatimukset tulevat olemaan haastavia. Käytännössä reservimäärä, jota Suomesta pystytään tarjoamaan tulee pienenemään”, Kuivaniemi sanoo.

Vesivoimaa tuottavissa yhtiöissä tehdään nyt töitä, että uusiin vaatimuksiin pystyttäisiin vastaamaan. Reservisähköstä saadaan hyvä hinta ja on myös tärkeää, että Suomessa on riittävästi omaa reserviä käytössä.

Huollossa olevan Kurkiaskan vesivoimalan yhteyteen asennetaan talven kuluessa nopeaan tehonsäätöön pystyvä superkondensaattori. Voimala on Kemijokeen laskevassa Kitisessä.

Vesivoimalan kylkeen voidaan lisätä akusto tai super­kondensaattori, joka hoitaa salamannopean tehonsäädön. Kemijoki-energiayhtiö liittää talven aikana yhteen peruskorjattavaan voimalaan Kemijoen vesistössä superkondensaattorin.

”Kokeilemme Kurkiaskan voimalalla superkondensaattoria, joka on hyvin nopea ja tehokas sähkövarasto. Se hoitaisi taajuus­poikkeamassa ensimmäiset sekunnit samaan aikaan, kun voimalan tehoa nostetaan”, sanoo yhtiön operatiivinen johtaja Sakke Rantala.

Tämä kaikki tapahtuu automaattisesti. Siksi voimalan huoltoon kuuluu paljon automaatio­asennuksia.

Rantalan mukaan kondensaattori säästäisi samalla myös varsinaisen voimalan tekniikkaa, koska voimala saisi käydä tasaisemmin ja super­kondensaattori huolehtisi jatkuvasta nopeasta tehonsäätelystä.

Superkondensaattori pystyy purkamaan tehoa hyvin nopeasti, jopa millisekunneissa mutta siihen ladattu energiamäärä ei riittäisi kuin korkeintaan kymmeniksi sekunneiksi.

Myös UPM kokeilee superkondensaattoreita ja Fortum on liittämässä voimaloihin akustoja.

Pyörivien generaattoreiden tuottamaa luontaista inertiaa olisi Fingridin Kuivaniemen mukaan mahdollista korvata synteettisellä inertialla. Se tarkoittaa esimerkiksi, että tuuli- ja aurinkovoimaloiden invertterit eli suuntaajat ohjelmoidaan tuottamaan inertiaa verkkoon.

”Teknologia on kehitteillä maailmalla. Se ei ole vielä kypsää, mutta tulossa kyllä. Yleisemminkin on pohdinnassa, minkälaisia järjestelmäpalveluita tuuli- ja aurinkovoiman tulee jatkossa tuottaa.”

Toistaiseksi pienen inertian tilanteet on ollut järkevintä ratkaista ottamalla käyttöön nopeampaa reserviä.

Jo nykyisellään tuulivoimaloiden pitää pystyä reagoimaan joihinkin häiriötilanteisiin. Mutta jatkossa niille voidaan asettaa muitakin verkon vakautta parantavia vaatimuksia.

On pohdinnassa, minkälaisia järjestelmäpalveluita tuuli- ja aurinkovoimalta edellytetään.

Suomen sähköntuotanto nojaa tulevaisuudessa entistä enemmän tuulivoimaan. Vuoden lopussa Suomessa on tuulivoimaa jo yli 5 100 megawatin edestä.

Se on paljon, sillä Olkiluoto kolmosen valmistumisen jälkeen ydinvoimaa on Suomessa noin 4 400 megawattia.

Vuoden 2025 lopussa tehoa on kantaverkko­yhtiö Fingridin ennusteen mukaan ainakin 9 000 megawattia.

Kuivaniemen mukaan alueellisesti tuulivoiman kasvu aiheuttaa jo muitakin ongelmia kuin inertian puutetta, joka on koko järjestelmän tason ongelma. Myös verkon jännitteen ylläpidossa on haasteita.

”Nykyinen tuulivoimatekniikka edellyttää, että perinteiset voimalaitokset tuottavat verkkoon jännitteen ja tuulivoimalat tahdistuvat siihen. Joillain alueilla näitä perinteisiä voimalaitoksia ei ole riittävästi ja verkko on siksi heikko sekä altis häiriöille.”

Tähänkin ongelmaan on kehitetty ratkaisu: jännitettä voidaan tukea synkroni­kompensaattori-nimisellä laitteella. Se on käytännössä verkon tahdissa pyörivä sähkömoottori, jonka tarkoitus on ainoastaan tukea sähköverkkoa.

Kuivaniemen mukaan samojen haasteiden kanssa painitaan maailmalla kaikkialla, missä tuuli- ja aurinkovoimaa on rakennettu paljon. Siksi ratkaisujakin kehitellään maailmanlaajuisesti.

”Synkronikompensaattoreitakin on maailmalla jo käytössä monessa paikassa”, hän sanoo.

Tietoa ei ole vielä lähdetty hakemaan