Osaamistavoitteet

Tässä osioissa esitellään lyhyesti erilaisten vesivoimalaitosten toimintaperiaate ja vesivoimatuotantoa Suomessa. 

Osion jälkeen opiskelija

• tuntee säännöstelyvoimalan toimintaperiaatteen

• tuntee vesivoiman vahvuuksia ja ympäristövaikutuksia.

Johdanto

Vesivoima on veden liikkeen muuntamista johonkin ihmiselle hyödyllisempään muotoon. Nykykielessä vesivoimalla tarkoitetaan ensisijaisesti uusiutuvan energian tuotantomuotoa, jossa veden potentiaalienergiaa hyödyntävät vesivoimalat tuottavat sähköä. 

Vesivoima on uusiutuva ja lähes päästötön energiamuoto. Vesivoiman rakentaminen aiheuttaa päästöjä, mutta voimalan käytön aikaiset päästöt ovat vähäisiä. Vesivoiman rakentamisella ja vesistöjen patoamisella on merkittäviä ympäristövaikutuksia muun muassa alueen eliöstöön ja vaelluskaloihin. Toisaalta päästöttämällä vesivoimalla voidaan vähentää fossiilisen energian käyttöä ja rajoittaa hiilidioksidipästöjä. Vesivoima sopii hyvin myös säätövoimaksi tasoittamaan sääolosuhteista riippuvien tuotantomuotojen tuotannon vaihtelua, minkä vuoksi sillä on merkittävä rooli vihreässä siirtymässä.

Vesivoimaa hyödynnetään yleisimmin jokivoimaloissa, joihin on säännöstelyä varten liitetty säännöstelyallas tasaamaan veden virtauksia ja sähkönkulutusta. Vesivoimaa voidaan hyödyntää myös vuorovesi- ja aaltovoimalaitoksissa, joiden käyttöön ei kuitenkaan löydy Suomesta soveltuvia kohteita. Myös erityisesti energian varastointiin tarkoitetut pumppuvoimalaitokset luokitellaan vesivoimalaitoksiksi.

Suomessa on vesivoimalaitoksia noin 250 kpl, joista enemmistö on jokivesivoimaa. Suomen koko vesivoimakapasiteetti on noin 3 190 MW. Vuonna 2022 vesivoima kattoi noin 4 % Suomen kokonaisenergiankulutuksesta ja 16 % sähkönkulutuksesta. 

Vesivoimala

Yleisin ja tärkein vesivoimalaitostyyppi on jokivoimala, johon on usein liitetty luonnollinen tai rakennettu säännöstelyallas. Tällöin vesivoimalaitoksesta käytetään nimitystä säännöstelyvoimalaitos. Vesivoimalaitoksen toiminta perustuu vesiturbiiniin, jonka virtaava vesi saa pyörimään. Vesiturbiini on kytketty generaattoriin, joka puolestaan pyöriessään tuottaa sähköä, joka voidaan johtaa edelleen muuntajan kautta sähköverkkoon. Veden liike-energia on peräisin ylä- ja ala-altaan välisestä korkeuserosta. Veden potentiaalienergia muuntuu siis ensin virtaavan veden liike-energiaksi ja edelleen turbiinin mekaaniseksi energiaksi.

Korkeusero vesivoimalan ylä- ja ala-altaan välillä, ja siitä seuraava vesiputous, voi olla luonnollinen tai toteutettu patojen ja vesiteiden avulla. Vesivoimalaitoksen teho on suoraan verrannollinen veden virtaamaan sekä putouskorkeuteen. Vesivoimalat jaotellaan Euroopassa tehonsa mukaan tyypillisesti kolmeen kategoriaan:

• minivesivoimalat, teho alle 1 MW

• pienvesivoimalat, teho 1 - 10 MW

• suurvesivoimalat, teho yli 10 MW

Vesivoimaloiden tehot ja putouskorkeudet vaihtelevat hyvin paljon. Pienvesivoimalle tyypillinen putouskorkeus on 2 - 6 metriä. Suomessa putouskorkeudet ovat kansainvälisesti hyvin pieniä. Suomen voimaloista suurin putouskorkeus on Kemijärvellä Jumiskon voimalaitoksessa 96 metriä. Teholtaan Suomen vesivoimalaitokset vaihtelevat alle 1 yhdestä megawatista 170 megawattiin. Valtaosa Suomessa vesivoimalla tuotetusta sähköstä saadaan suurvesivoimaloista, mutta pienvesivoimalla voi olla tärkeä paikallinen merkitys. Se myös linkittyy teemallisesti yhdeksi hajautetun energian ratkaisuksi. Toisaalta pienvesivoimaloiden merkitystä on kyseenalaistettu  yhä enenevässä määrin, sillä pienelläkin vesivoimalalla voi olla hyvin suuret paikalliset vaikutukset virtavesien ekosysteemin. Suomessa on yhteensä noin 150 mini- ja pienvesivoimalaitosta. 

Suomessa olisi mahdollista vielä mahdollista lisätä vesivoimatuotantoa rakentamalla uusia vesivoimaloita ja vanhojen laitosten tehonnostoilla. Vesivoiman lisärakentaminen on kuitenkin hyvin epätodennäköistä, sillä parhaat kohteet ovat suojeltuja koskiensuojelulailla. Suojelemattomien vesistöjen vesivoimapotentiaaliksi Suomessa on arvioitu on noin 663 MW, joka jakautuu seuraavasti

• minivesivoima 144 MW

• pienvesivoima 144 MW

• suurvesivoima 375 MW.

Vesivoimalaitokset sydämenä toimii vesiturbiini, joista kolme yleisintä päätyyppiä ovat Kaplan-, Francis- ja Pelton-turbiini. Lisäksi jokaisesta päätyypistä on erilaisia sovelluksia ja muunnoksia. Turbiiniratkaisut eroavat rakenteellisesti ja toimintaperiaatteltaan toisistaan ja soveltuvat eri putouskorkeuksille ja virtaamille. 

Ympäristövaikutukset

Vesivoima on merkittävä kotimainen uusiutuvan energian tuotantomuoto, joka ei aiheuta välittömiä käytönaikaisia päästöjä. Vesivoiman ympäristövaikutukset ovat lähinnä paikallisia ja aiheutuvat erityisesti kaloille vaellusesteenä toimivasta voimalaitoksesta sekä mahdollisesta tekoaltaasta, jota käytetään voimalaitoksen tuotannon säätelyyn. Veden varastoinnilla ja vesivoiman säännöstelyllä on tärkeä rooli Suomen sähköverkon tasapainottamisessa. Sähköverkossa tuotannon ja kulutuksen tulee olla tasapainossa joka hetki. Vähäinen ja lyhytaikainen epätasapaino tuotannon ja kulutuksen välillä aiheuttaa ensin häiriöitä tiettyihin sähkölaitteisiin ja suuremmat häiriöt voivat pahimmassa tapauksessa kaataa koko sähköverkon. Säännösteltävällä ja nopeasti säädettävällä vesivoimalla onkin tärkeä rooli Suomessa niin lyhyen kuin pidemmänkin aikavälin tehosäädössä ja vesivoima tukee erinomaisesti vaihtelevatuotantoista tuulivoimaa.

Vesivoiman säännöstelyyn käytetyt tekoaltaat kuitenkin muuttavat kerralla koko peittämänsä maa-alueen tuhoten alueen alkuperäisen eliöstön. Tekoaltaat aiheuttavat usein myös ihmisasutuksen pakkosiirtoja. Suomessa esimerkiksi Lokan ja Porttipahdan tekoaltaat aiheuttivat yli 6000 ihmisen pakkosiirron kotiseudultaan ja muuttivat yhdessä padotun Kemijoen kanssa koko alueen ekologista tasapainoa ja elinkeinoja. Osion lopussa on linkki aihetta käsittelevään dokumenttiin YLE Areenassa. Tekoaltaiden ympäristövaikutukset riippuvat paljon myös siitä, millaisen alueen ne peittävät alleen. Esimerkiksi raskasmetallit ja muut haitalliset aineet maaperästä liukenevat usein veteen kertyen kaloihin ja alueen muuhun eliöstöön. Tekoaltaan alle jääviltä alueilta vuotaa myös erittäin voimakasta kasvihuonekaasua metaania ilmakehään. 

Suomen noin 159 000 jokikilometristä noin 90 prosenttia on ihmisen muuttamia. Tämä näkyy erityisesti vaelluskalakannoissa, joiden kulun ja kudun vesivoimalaitokset estävät. Esimerkiksi Suomessa on ollut yli kaksikymmentä Itämereen laskevaa lohijokea, joissa lohi on lisääntynyt luontaisesti, mutta vesivoimarakentamisen jälkeen luontaista lohituotantoa on jäljellä enää Torniojoessa ja Simojoessa.

Vaellusesteiden vaikutuksia vaelluskaloihin pyritään vähentämään kalaistutuksin ja mahdollistamalla kalojen kulku esimerkiksi kalaportailla. Vesivoimaloiden luvissa määrätään usein kalatalosvelvotteista, jotka ovat korvausta padon ja voimalaitoksen vaikutuksista kalatalouteen. Velvoitteet voivat olla kalanpoikasten istutuksia, maksuja tai kalankulkuväylien rakentamista. 

Yhteenveto vesivoiman hyödyistä ja haitoista

Pumppuvoimalat

Pumppuvoimalaitokset hyödyntävät vesivoimateknologiaa energian varastointiin. Laitoksen toiminta perustuu kahteen eri korkeudella sijaitsevaan vesialtaaseen säännöstelyvoimalaitoksen tapaan. Kun halutaan tuottaa sähköä, voidaan ylemmästä altaasta juoksuttaa vettä vesiturbiinin läpi, jolloin veden potentiaalienergia saadaan muutettua sähköksi. Pumppuvoimala ei ole kuitenkaan varsinainen voimalaitos, sillä se tuottaa vähemmän energiaa kuin veden varastointiin kuluu. Varastointi toteutetaan pumppaamalla vettä alemmasta altaasta ylempään. Pumppauksen vaatima energiamäärä on suurempi kuin, mitä veden juoksuttaminen turbiinin läpi voi tuottaa.

Pumppuvoimalan tarkoituksena on siis varastoida sähköenergiaa veden potentiaalienergiaa hyödyntäen. Pumppuvoimaloita on käytetty erityisesti Alpeilla jo 1800-luvun lopulta alkaen. Nykyään pumppuvoimalat ovat yleistä teknologiaa ja merkittävin teknologia sähkönvarastoinnissa. Huolimatta akkuteknologian kehityksestä ja yleistymisestä tulee pumppuvoimaloiden merkitys energianvarastoinnissa säilymään merkittävänä myös tulevaisuudessa. Esimerkiksi kansainvälinen energiajärjestö IEA arvioi  pumppuvoimaloiden kattavan noin 74 % kaikesta sähkövarastojen kapasiteetista vuonna 2026. Suomessa pumppuvoimaloita ei ole rakennettu luonnollisten korkeuserojen ollessa vähäiset. Suunnitellut hankkeet ovat kariutuneet aiemmin niiden kannattamattomuuteen. Muutokset sähkömarkkinoilla ja sähkövarastojen kysynnän kasvu on kuitenkin tekemässä pumppuvoimaloista kannattavia myös Suomessa. Suomen ensimmäisen pummpuvoimalan rakennustöiden onkinmäärä alkaa Pyhäsalmella, jossa hyödynnetään vanhaa kaivosta. Voimalan teho tulee olemaan 75 MW ja varastointikapasiteetti 530 MWh. Rakennuskustannuksiksi on arvioitu noin 125 M€, josta TEM:n investointituki kattaa 26,3 M€. Lisätietoja Pyhäsalmen pumppuvoimalahankkeesta. 

Aaltovoima

Aaltovoima perustuu muiden vesivoiman tuotantomuotojen tapaan veden liike- ja potentiaalienergian hyödyntämiseen. Aaltovoima hyödyntää nimensä mukaisesti aaltojen liikettä sähköntuotannossa. Laitteita, jotka muuntavat aaltojen energiaa sähköksi, kutsutaan aaltoenergiamuuntimiksi (wave energy converter, WEC). Aaltoenergiaa on kehitettty jo pitkään 1970-luvun öljykriisistä lähtien. Aaltovoima on kuitenkin edelleen marginaalinen sähköntuotantomuoto, mutta vihreä siirtymä on vauhdittanut myös sen kehitystä. Käytössä olevia aaltoenergiamuuntimia on muun muassa 

Aaltoenergiamuuntimien tekniikka ja rakenne vaihtelevat hyvin paljon. Alla esitellään muutamia eri aaltovoimaa hyödyntäviä tekniikoita.

Vaimentimet

Vaimentimet ovat yksi aaltoenergiamuuntimien päätyypeistä. Ne koostuvat useista kelluvista sylintereistä, jotka on liitetty toisiinsa nivelten avulla sallien sylinterien liikkeen toistensa suhteen. Vaimentimet liikkuvat aaltojen mukana pysty- sekä vaakasuunnassa muuttaen tämän liikkeen sähköenergiaksi hydraulijärjestelmän välityksellä. Alla olevissa kuvissa ja videolla on esitelty Pelamis-tyyppistä vaimenninta.

Poijutyyppiset

Poijutyyppiset muuntimet ovat nimensä mukaisesti poijujen kaltaisia laitteita. Ne ovat kiinnitetty merenpohjaan ja ovat joko kokonaan tai osittain vedenpinnan alapuolella. Alla olevalla videolla esitellään erään poijutyyppisen aaltoenergiamuuntimen toimintaa.

Esimerkkejä muista aaltovoimateknologioista ovat pullistumiseen perustuvat muuntimet, ylitysmenetelmään perustuvat muuntimet ja oskilloivaan vesipatsaaseen perustuvuat muuntimet. Näistä ja muista aaltovoimateknologioista löytyy lisätietoa alla olevalta videolta sekä suomeksi esimerkiksi Kukka Leppäsen vuoden 2021 kandidaatintyöstä.

Testaa osaamistasi

HUOM: Alla oleva testi aukeaa uuteen ikkunaan klikkaamalla oikean yläkulman harmaassa neilössä olevaa nuolta ja on tehtävissä ilman kirjautumista.  

Lisämateriaalia

Energiateollisuus: Vesivoima 

HS: Suomen lohet liki tapettiin sukupuuttoon, ja nyt valtion voimayhtiö tyrmää viran­omaisen vaatimuksen lohikannan palauttamisesta Suomen pisimpään jokeen 

Motiva: Vesivoima 

Ojala, J. (2014). Pienvesivoiman tekniset ratkaisut - Tapauskohde Närvijoki. Insinöörityö. Vaasan Ammattikorkeakoulu. 

Suomen vesiputoukset: Vesiputoukset ja vesivoima Suomessa 

Wikipedia: Luettelo Suomen vesivoimalaitoksista 

WWF/Anne Brax: Vesivoimarakentaminen uhkaa Euroopan viimeisiä vapaana virtaavia jokia