Miten vesivoima toimii? Tietopaketti

Vesivoima on Suomessa yksi tärkeimmistä sähköntuotantomuodoista, koska se toimii koko maan sähköjärjestelmän tärkeänä säätövoimana tasapainottamassa maan sähköjärjestelmää. Vuosittain vesivoima tuottaa jopa viidesosan koko Suomen sähköstä.

Teknisesti vesivoima on yksinkertainen, päästötön ja erittäin tehokas, tapa tuottaa sähköä, mutta sekään ei ole ongelmaton. Tässä artikkelissa käymme läpi, miten vesivoima toimii, mitä hyötyjä ja haittoja siitä on, ja mikä sen rooli on Suomen sähkömarkkinoilla.

Keskeiset nostot

• Vesienergia on erittäin joustavaa ja nopeasti säädettävää, minkä vuoksi se toimii sähköjärjestelmän keskeisenä säätö- ja varavoimana.
• Vesivoiman suurimmat haitat liittyvät vesistöjen säännöstelyyn ja vaelluskalojen kulun estymiseen. Haittoja pyritään vähentämään, mutta vesivoiman ympäristövaikutukset ovat edelleen merkittävä haaste Suomessa.

Miten vesivoima toimii?

Vesivoiman toimintaperiaate

Vesivoimala toimii hyödyntämällä veden potentiaalienergiaa, eli esimerkiksi patoaltaassa olevaan vesimassaan varastoitunutta energiaa. Potentiaalienergia muuttuu sähköksi, kun patoaltaan vesimassa – tai muu virtaava vesi – johdetaan turbiiniin.

Turbiini muuntaa veden liike-energian mekaaniseksi energiaksi, minkä jälkeen generaattori muuttaa sen sähköksi. Tuotetun sähkön määrään vaikuttavat veden putouskorkeus ja virtaama. Mitä suurempia ne ovat, sitä enemmän sähköä voidaan tuottaa.

Erilaisia putouskorkeuksia ja virtaamia varten on erilaisia turbiineja, kuten:

• Francis: Yleisin vesivoimaturbiini, joka sopii keskisuurille putouskorkeuksille ja virtaamille. Kyseessä on sekavirtausturbiini ja siten sillä on laajin käyttöalue.
• Kaplan: Potkurimainen turbiini, jota käytetään muun muassa joissa ja kanavissa. Sopii matalille putouskorkeuksille ja suurille virtaamille.
• Pelton: Impulssiturbiini, jossa vesisuihku osuu kauhamaisiin lapoihin. Sopii erittäin korkeille putouksille ja pienille virtaamille. Käytetään vuoristoalueilla.

Vesivoiman etu on se, että samaa vesimassaa voidaan käyttää useassa peräkkäisessä voimalassa alajuoksulla, mikä parantaa vesivoiman kokonaishyötysuhdetta.

Säätövoima – miksi vesivoima on sähköjärjestelmän “selkäranka”

Vesivoimalaitos voidaan käynnistää ja pysäyttää vain minuuteissa, joten voimalan tuotantotehoa on mahdollista voi nostaa ja laskea lähes reaaliajassa. Tämä tekee vesivoimasta hyvin joustavaa, minkä ansiosta sen avulla pystytään helposti vastaamaan kulutuspiikkeihin ja hallitsemaan sähköverkon taajuutta.

Joustavuutensa ansiosta vesienergia muun muassa tasapainottaa heikommin joustavien tuotantomuotojen vaihtelua. Esimerkiksi tuuli- ja aurinkovoima tuottavat energiaa vain silloin, kun sääolosuhteet ovat niille suotuisat. Muina aikoina ne eivät tuota sähköä lainkaan, jolloin vesivoiman tehoa nostamalla voidaan paikata tuuli- ja aurinkovoiman jättämiä aukkoja.

Vastaavasti tuulisella tai aurinkoisella säällä tuuli- ja aurinkovoima tuottavat sähköä enemmän, jolloin vesivoiman tehoa voidaan helposti laskea.

Etenkin tuulivoimasta on viime vuosina kehittynyt tärkeä ja tehokas osa Suomen energiantuotantoa. Tämä kehitys on samalla tehnyt Suomelle myös vesivoimasta entistä tärkeämpää, koska tuulivoiman puutteiden takia vesienergia on maassamme entistä tärkeämpi säätövoima.

Kiinnostaako vesivoima? Kilpailuta uusiutuvaa energiaa käyttävä vesisähkösopimus.

Vesivoiman osat ja tuotantovaiheet

Pato / säännöstelyallas

Patoallas mahdollistaa vesivoiman tuotannon ajallisen siirtämisen, kun sähkön tuotanto käynnistetään valuttamalla altaan vettä turbiinien läpi.

Vedenottoaukko

Vedenottoaukon avulla vesimassaa lasketaan hallitusti turbiinille. Aukon avulla säädellään, kuinka paljon ja mistä korkeudelta vettä johdetaan padon ohi tai läpi.

Paineputki

Putki johtaa vettä vedenottoaukosta voimalan turbiiniin. Paineputkessa vesi virtaa kovan paineen alaisena ja veden liike-energia ja paine pyörittävät turbiinia.

Turbiini

Turbiini on muuttaa virtaavan veden energian pyöriväksi liikkeeksi. Turbiinissa on siivet tai lavat, joihin osuva vesi saa turbiinin pyörimään.

Generaattori

Generaattori tuottaa turbiinin pyörimisliikkeestä sähköä.

Muuntaja

Muuntaja muuttaa sähkön jännitettä, eli se nostaa generaattorin tuottaman jännitteen siirtokelpoiseksi.

Johto kantaverkkoon

Lopulta vesivoimalaitoksen tuottama energia johdetaan kantaverkkoon, joka kuljettaa sähköä voimalaitoksilta eri puolille maata.

Vesivoiman hyötysuhde ja hinta

Vesivoiman hyötysuhde

Vesivoiman hyötysuhde on tyypillisesti 85–95 %, mikä on parempi kuin useimmissa muissa sähkön tuotantomuodoissa.

Vesivoimalan hyötysuhteen syyt:

• Voimalassa ei ole polttoainehävikkiä
• Vähän mekaanisia häviöitä
• Turbiinit voidaan optimoida virtausolosuhteisiin
• Sama vesimassa voidaan hyödyntää uudelleen peräkkäisissä voimaloissa

Vesivoimalaitos on kuitenkin altis vedenkorkeuden vaihteluille. Tämä tarkoittaa sitä, että alhainen vesitilanne heikentää vesivoimalan tuotantoa.

Vesivoiman hinta ja vaikutus kuluttajan sähkösopimuksiin

Vesivoiman rakentaminen vaatii suuren alkuinvestoinnin, mutta sen käytönaikaiset kustannukset ovat hyvin matalat. Voimalan koko käyttöikä huomioiden vesivoima onkin yksi halvimmista sähköntuotantomuodoista Suomessa.

Vesivoiman tuotanto ei silti takaa kuluttajille halpaa sähkön hintaa. Markkinasähkön hinta ei nimittäin perustu vain yhden tuotantomuodon kustannuksiin, vaan Nord Pool -markkinoihin.

Kuluttajien sähkölaskuissa vesivoima näkyy kuitenkin tasaisuutena, koska se tasaa sähkömarkkinoiden hintapiikkejä. Halvin sähkösopimus löytyy kuitenkin ainoastaan kilpailuttamalla.

Vesivoima Suomessa

Kuinka paljon vesivoimaa Suomessa on?

Suomessa on noin 250 vesivoimalaa, joiden tärkeimmät vesistöalueet ovat Kemijoki, Oulujoki, Vuoksi ja Kokemäenjoki. Kaikkien Suomen vesivoimaloiden yhteenlaskettu kapasiteetti on noin 3 100–3 200 MW eli vesivoimalla tuotetaan keskimäärin 15–20 prosenttia Suomen sähköstä.

Vuosittain tuotetun vesivoiman määrä kuitenkin vaihtelee paljon. Sateisina vuosina osuus Suomen sähköntuotannosta voi olla jopa 25 prosenttia, kun taas kuivina vuosina vain noin 15 prosenttia.

Miksi vesivoima on sähkömarkkinoilla niin arvokasta?

Vesivoimasta tekee arvokasta sen tuotannon nopea säädettävyys eli joustavuus, ja juuri Joustavuuden takia vesivoimalla on tärkeä rooli koko Pohjoismaiden sähkömarkkinoilla. Tämä johtuu tuulivoiman suuresta osuudesta kaikissa Pohjoismaissa.

Tuulivoiman ongelma on sen energiantuotannon sääsidonnaisuus: tuulivoimalat eivät tuota tyynellä säällä sähköä lainkaan. Vesivoima poistaa tämän ongelman, koska kun tuuli on heikkoa, ja sähkönkulutus suurta, helposti säädettävä vesivoima paikkaa tuulivoiman puutteita ja samalla tasaa pohjoismaista sähköverkkoa.

Myös Suomi nojaa suuresti tuulivoimaan ja siksi vesivoima on myös kotimaassamme kriittinen varavoima. Vesi- ja tuulivoiman yhteistoiminta tekee sähkömarkkinoistamme tehokkaat.

Vesivoimalla on lisäksi keskeinen rooli sähkön reservimarkkinoilla. Reservimarkkina tarkoittaa sähkömarkkinoiden osaa, jossa käydään kauppaa säätö- ja varakapasiteetista, ei varsinaisesta energiantuotannosta.

Vesivoimalla on tärkeä rooli sähköverkon taajuusreserveissä ja automaattisessa taajuudenpalautuksessa, joiden tehtävänä on reagoida nopeasti sähköverkossa tapahtuviin muutoksiin.

Vesivoiman hyödyt

Uusiutuva ja vähäpäästöinen tuotantomuoto

Vesivoima hyödyntää sähköntuotannossa luonnollista hydrologista kiertoa, joten itse tuotantoprosessista ei synny käytännössä lainkaan hiilidioksidipäästöjä. Voimala ei myöskään tarvitse polttoainetta, joten edes polttoainekuljetuksista ei synny välillisiä päästöjä.

Käytännössä vesivoiman ainoat päästöt liittyvät voimalan rakentamiseen. Vesivoimalat ovat kuitenkin pitkäikäisiä ja siksi vesivoiman koko elinkaaripäästöt ovat hyvin matalat ja verrattavissa jopa ydin- ja tuulivoimaan.

Erittäin tärkeä säätö- ja huoltovarmuusvoima

Vesivoiman nopea säätömahdollisuus ja sen tuoma joustavuus ovat kriittisiä ominaisuuksia sähköverkon toiminnan tasapainottamisessa. Nopean säätövalmiuden ansiosta vesivoima toimii myös luotettavana huoltovarmuusvoimana.

Vesivoimaa tarvitaankin aina esimerkiksi silloin, kun Suomen suurimpaan ydinreaktoriin Olkiluoto 3:een tulee häiriö. Tällöin vesivoiman tuotannon nopea nostaminen estää sähköverkon taajuuden romahtamisen ja ylläpitää taajuutta niin kauan, että reaktorin häiriö on korjattu.

Pitkä käyttöikä ja vakiintunut teknologia

Vesivoima tuottaa energiaa erittäin ennustettavasti ja tuotantotapa on teknisesti luotettava. Vesivoimalat ovat myös hyvin pitkäikäisiä ja voimalan koko elinkaari on jopa 50–100 vuotta.

Vesivoimaloiden energiantuotannon tehokkuus ja käyttöikä pitenevät laitoksen teknisten osien kehitysten myötä. Esimerkiksi turbiinien ja generaattorien modernisointi pidentää käyttöikää ja parantaa hyötysuhdetta.

Vesivoiman haitat ja ympäristövaikutukset

Vaelluskalojen kulun estyminen

Vesivoimaloiden suurin yksittäinen haitta on niiden vaikutus luontoon ja vesieläimiin, kuten vaelluskaloihin. Padot estävät lohen ja taimenen nousun kutupaikoille, mikä vaikuttaa alueellisiin kalakantoihin. Monilla jokialueilla kalapopulaatiot ovatkin romahtaneet vesivoimalan takia.

Kaloihin kohdistuvia haittavaikutuksia on pyritty ehkäisemään rakentamalla voimaloiden yhteyteen kalateitä ja ohitusratkaisuja, jotka pienentävät haittavaikutuksia. Suomessa niitä ei kuitenkaan ole toteutettu riittävästi.

Euroopan Unioni ja WWF ovat kritisoineet Suomen hitautta kalojen vaellusreittien avaamisessa. Suomessa vesivoimalat aiheuttavat siis edelleen merkittäviä ongelmia vaelluskalojen, kuten lohen kannoille.

Elinympäristöjen muuttuminen ja vesistöjen säännöstely

Padot aiheuttavat ongelmia myös niiden ympärillä oleville maa-alueille, koska patojen aiheuttamat nopeat vedenkorkeuden muutokset heikentävät etenkin patoaltaiden rantavyöhykkeiden ekologiaa.

Padot myös hidastavat veden virtausta, mikä saa sedimentin, eli veden kuljettaman maa-aineksen, kertymään patoaltaisiin. Tämä muuttaa jokiuomia ja heikentää pohjaeläinten elinolosuhteita sekä kalojen kutusoraikkoja.

Maisemavaikutukset ja virkistyshaitat

Vesivoiman haitat kohdistuvat myös ihmisiin. Patoaltaiden rakentaminen voi nimittäin haitata muun muassa kalastusta, veneilyä ja muuta luontomatkailua.

Lisäksi vesistöjen säännöstely voi aiheuttaa merkittäviä muutoksia voimalaa ympäröivään maisemaan etenkin kevättalvella.

Sosiaaliset ja alueelliset vaikutukset

Patoaltaat nostavat veden pintaa ja vaativat siten pinta-alaa, joten vesivoiman rakentaminen on vuosien varrella aiheuttanut voimala-alueen asukkaille paikoin myös asutus-, maa-alue ja luontomenetyksiä. Näitä tilanteita varten on olemassa korvausjärjestelmiä, mutta ne ovat monimutkaisia ja osin vanhentuneita.

Vesivoima ja sähkösopimukset

Miten vesivoima näkyy kuluttajan sähkösopimuksessa?

Suomessa vesivoima voidaan kokea houkuttelevana vaihtoehtona omaan sähkösopimukseen, koska sen nähdään olevan kotimaista ja uusiutuvaa vihreää sähköä. Pääosin näin onkin, mutta on myös tärkeä tietää, mitä vesivoiman ostaminen käytännössä tarkoittaa.

Kuluttajan sähköyhtiöltä hankkima vesisähkösopimus ei tarkoita, että hänen käyttämä sähkö olisi tuotettu vesivoimalassa, koska tuotantotavoille ei ole olemassa erillisiä sähköverkkoja. Sen sijaan vesivoimaan sidottu sähkösopimus perustuu sähkön alkuperätakuuseen.

Mikä on sähkön alkuperätakuu?

• Sähkön myyjän myöntämä todistus siitä, miten tietty määrä sähköä on tuotettu.
• Tapa vakuuttaa kuluttaja siitä, että sähköverkkoon tuotetaan laskennallinen määrä sähköä sähkösopimukseen valitulla menetelmällä.

Myöskään sähkösopimuksen hinta ei määräydy suoraan vesivoiman tuotantokustannusten mukaan, vaan sähkön markkinahinnan, eli sähköpörssin, mukaisesti.

Markkinahintaan vesivoimalla on kuitenkin suuri vaikutus osti kuluttaja mitä sähköä tahansa. Vesivoiman tuotantoa tasapainottava vaikutus tasoittaa myös sähkön markkinahintaa, mikä näkyy suoraan kuluttajien sähkölaskuissa, kun vesivoiman ansiosta esimerkiksi hintapiikit voivat olla pienempiä.

Haluatko kotiisi vihreää sähköä? Kilpailuta täysin uusiutuvaan energiaan perustuva vesisähkösopimus.

Yhteenveto

Vesivoima on yksi tehokkaimmista, tärkeimmistä ja joustavimmista sähköntuotantomuodoista Suomessa ja muissa Pohjoismaissa.

Vesivoima mahdollistaa sen, että muun muassa tuuli- ja aurinkoenergiasta on mahdollista saada suurin mahdollinen hyöty, kun vesivoima paikkaa niiden säähän kytkeytyviä sähkön tuotantorajoitteita.

Kuten mihin tahansa energiamuotoon, myös vesivoimaan sisältyy haittavaikutuksia ja vesivoiman kohdalla haitat kohdistuvat voimaloita ympäröivään luontoon. Haitat näkyvät erityisesti kalakantojen heikentymisenä. Vesivoimaloiden haittavaikutuksia pyritään kuitenkin ehkäisemään, mutta toistaiseksi toiminta on ollut Suomessa puutteellista.

Haitoista huolimatta vesivoimaa tarvitaan, koska se on Suomen sähköverkossa ratkaisevan tärkeää vakauttavaa ja säätökykyä ylläpitävää energiaa. Vesivoiman määrää ei kuitenkaan enää voi juuri lisätä, joten olemassa olevien voimalaitosten ylläpitäminen, kehittäminen ja toiminnan varmistaminen on tärkeää.

Jos siis haluat tukea vakaata ja kotimaista sähkönsaantia, kilpailuta sähkösopimus ja valitse kotiisi uusiutuvaa vesivoimaa.