Näin tulevaisuuden energiajärjestelmä hyötyy sektori-integraatiosta

Päällä olevasta kriisistä huolimatta energiamurroksen etenemisestä kuuluu hyviä uutisia: tuuli- ja aurinkovoiman kustannukset ovat pudonneet ennusteita nopeammin, ja kapasiteetti kasvaa nyt huomattavasti nopeammin kuin edes niissä tuuli- ja aurinkoenergian kasvuennusteissa, joiden kunnianhimolle vielä 5–10 vuotta sitten pyöriteltiin silmiä. Esimerkiksi:

• Vuoden 2021 aikana aurinkopaneeleilla tuotetun energian kustannukset putosivat 13 % ja maatuulivoimalla 15 %. ⁽¹⁾
• Aurinkopaneeleja tuotiin viime vuoden yhdeksän ensimmäisen kuukauden aikana Kiinasta Eurooppaan yli 60 GW, kun ennuste koko vuodelle oli 40 GW. Tällaisella tahdilla Euroopan aurinkokapasiteetti tuplaantuisi noin kahdessa vuodessa 160 GW:sta yli 300 GW:iin vuosien 2021 ja 2023 välillä. ⁽²⁾ 
• Seuraavan kolmen vuoden aikana Suomeen rakentuu uutta tuulivoimaa 4 GW, mikä tuottaa suunnilleen yhden Olkiluoto 3:n verran sähköä vuodessa. Suunnitteluputkessa on vielä moninkertainen määrä lisärakentamista. ⁽³⁾

Energiajärjestelmätutkijana on hienoa huomata, että ollaan vihdoin pääsemässä uusiutuvan tuotannon lisäämisen ongelmasta ratkaisemaan sen integraatioon liittyviä haasteita. Vaihteleva tuotanto vaatii uudenlaista suhtautumista järjestelmän ohjaukseen, jotta voidaan taata sekä sähköverkon stabiliteetti että tuotannon ja kulutuksen vastaavuus hetki hetkeltä kaikissa olosuhteissa. 

Tässä blogikirjoituksessa avaan, miten tuotannon ja kulutuksen vastaavuus luo haasteita tulevaisuudessa, ja miten niitä voidaan ratkaista eri järjestelmän ja loppukäyttäjien yhteistoiminnan avulla. Tätä yhteistoimintaa kuvaava hankala termi ’sektori-integraatio’ tarkoittaakin yksinkertaisuudessaan sitä, että eri energiasektorit voivat tukea toisiaan tai tarjota joustavuutta toisilleen.

Alla oleva kuva havainnollistaa energiajärjestelmän komponentteja ja joustavuuden lähteitä uusiutuvassa järjestelmässä. Yksinkertaistaen tähänastisessa järjestelmässä jousto on tullut tuotannosta eikä järjestelmän tai kulutuksen ole tarvinnut olla reaktiivinen. Tulevaisuuden järjestelmässä kaikkien näiden kolmen tulee joustavasti tukea toisiaan. 

Kuvassa: Joustavuuden lähteet uusiutuvassa järjestelmässä. Eri järjestelmä- ja kulutussektorit toimivat yhdessä tukien toisiaan. ⁽⁴⁾

Tekoja joustavuuden kasvattamiseen ovat muun muassa kulutusjouston mahdollisuuksien ja kannusteiden lisääminen, sähkön siirtoyhteyksien vahvistaminen, suorat sähkövarastot sekä sektorien yhteistoiminnan ohjauksen kehittäminen. Näistä on järkevintä valita ne keinot, jotka ovat pitkällä aikavälillä koko järjestelmän kannalta kustannustehokkaimpia sekä tukevat järjestelmän pitkäjänteistä vakautta ja kehittämistä monenlaisissa tulevaisuusvaihtoehdoissa.

Suomen kannalta keskeinen esimerkki sektori-integraatiosta on kaukolämmön joustava tuotanto lämpövarastojen avulla, missä kaukolämpösektori voisi tuottaa joustavuutta sähkösektorille. Perinteisesti sähkön ja lämmön yhteistuotantoa (CHP) on ohjattu kaukolämmön kysynnän mukaan. Suurten lämpövarastojen avulla tuotantolaitoksia voisi kuitenkin ajaa hyötysuhteen kärsimättä myös sähköjärjestelmän tarpeiden mukaan, ja varastoida syntynyt ylijäämälämpö myöhempiä käyttötunteja varten. Kaukolämpöä voitaisiin tuottaa myös suurilla lämpöpumpuilla, joiden toimintaa ohjattaisiin sekä sähkö- että lämpöjärjestelmän tarpeiden mukaan lämpövaraston toimiessa puskurina. Tällainen ratkaisu voisi tulevaisuuden olosuhteissa olla halvempi kuin esimerkiksi suorat sähkövarastot.

Esimerkki avaa sektori-integraation mahdollisuuksia, mutta on hyvä huomata, että kannattavuudessa on vielä monta ehtoa: ensinnäkin kaukolämmön ja yhteistuotannon osuus tulee olla merkittävä, lämpöpumpuille täytyy löytyä sopivia lämmönlähteitä ja lämpövarastoille sijoituspaikkoja. Lisäksi on vielä epävarmaa, millainen todella on uusiutuvien tuotantomuotojen hallitseman järjestelmän markkinatilanne ja eri joustavuusvaihtoehtojen kustannukset. Lienee siis varmaa, että sektorien kannattaa tulevaisuudessa tukea toisiaan, mutta ratkaisut ja niiden laajuudet ovat siis vielä epävarmoja ja paikkariippuvaisia.

Joustavuutta tarvitaan aina sekunneista kausittaiseen joustoon, mutta järjestelmätutkijan näkökulmasta erityisen kiinnostavalta näyttää pitkän aikavälin vaihtelujen hallinta viikoista eteenpäin. Kausivaraston tarve siis syntyy esimerkiksi kesä- ja talvikulutuksen erosta, auringon, tuulen ja vesivoiman kausivaihtelusta sekä varautumistarpeesta. On hyvä huomata, ettei kausittaisen varastoinnin tarve ulotu vain vuodenaikojen vaihteluun vaan on varauduttava myös ylivuotisesti useisiin peräkkäisiin huonoihin vesi- tai tuulivuosiin sekä järjestelmän häiriötilanteisiin. 

Perinteiset ison mittakaavan kausivarastot ovat fossiilisen polttoaineen varastoja, esimerkiksi hiilikasoja sekä maakaasun geologisia varastoja. Niiden etuna ovat pitkäaikainen edullinen suuren energiamäärän säilytysmahdollisuus, jolle ei löydy suoraa uusiutuvaa korvaajaa. Vesivarastot ja biomassan varastointi ovat käytettävissä myös täysin uusiutuvassa järjestelmässä, mutta niiden potentiaali on rajallinen. 

Vetyyn tai vetyjohdannaisiin muutettuna sähköä voisi periaatteessa säilöä ja siirtää kuten fossiilisia polttoaineita tähän asti, jolloin vety voisi toimia niin sähkön väli- kuin kausivarastona. Energiamuunnos, varastointi ja siirto ovat kuitenkin toistaiseksi kalliita ja niihin liittyy merkittäviä hyötysuhdetappioita, joten tämä ei ole ainakaan vielä kaupallisesti kannattavaa. Erityisesti lyhytaikaiseen varastointiin näyttäisi löytyvän kustannustehokkaampiakin vaihtoehtoja. Lupaavimmalta vedyn rooli lähitulevaisuuden sektori-integraatiossa näyttää teollisuuden kulutusjouston lähteenä: mittavan vetytalouden ensimmäiset käyttäjät ovat todennäköisimmin teollisuudessa, jossa elektrolyysereita voitaisiin ajaa uusiutuvan sähkön saatavuuden mukaan käyttäen joustavuutena lopputuotteen varastoa. Pitkällä aikavälillä vetytalouteen liittyy niin suuria mahdollisuuksia ja poliittista tahtoa, että sitä kannattaa seurata suurella mielenkiinnolla tulevina vuosina ja vuosikymmeninä.

Toinen kiinnostava kysymys liittyy edellä mainittuun kaukolämpö- ja sähkösektorin kytkentään. Kaukolämpö voisi jatkossa olla merkittävä joustavuuden tarjoaja, mutta toisaalta suora sähköistyminen ja kaukolämpöverkon ylläpitokustannukset saattavat johtaa myös kaukolämmön roolin supistumiseen. Kolmantena on mainittava energian loppukäyttäjien tarjoaman kulutusjouston määrä. Rakennusten lämmityksessä, liikkumisessa ja teollisuudessa on valtava joustopotentiaali, jos sähköistyminen etenee ennusteiden mukaisesti. Loppukäyttäjien ottaminen mukaan joustavuuden tarjoajina vaatii kuitenkin vielä kehitystä niin teknologiassa, markkinoilla kuin kuluttajien valmiudessakin. 

Vaikka energiamurros on vielä kaukana valmiista, monet haaveet ovat jo totta – Euroopassa puhutaan kymmenien prosenttien tuulivoimaosuuksista ja on ihan oikeasti taloudellisesti kannattavaa hankkia kotitalon katolle aurinkopaneelit. Energiakriisin keskellä kannattaa yrittää muistaa iloita näistä saavutuksista. Seuraavaksi ollaankin valmiita siirtymään energiamurroksen uuteen vaiheeseen, johon kuuluu uusiutuvan tuotannon kasvattamisen lisäksi keskittyminen energiajärjestelmän joustavuuteen. Tässä kirjoituksessa olen yrittänyt avata joustavuuden käsitteitä, kuten mistä tulevaisuuden joustavuustarve johtuu, millainen joustavuus on luonteeltaan sektori-integraatiota, miten joustoa tarvitaan eri aikaskaaloilla ja mitkä sektori-integraation ratkaisut näyttävät juuri nyt kiinnostavimmilta. 

Sektori-integraation eri ratkaisut voivat tarjota hyötyjä eri aikaskaaloilla. Sektori-integraation lisääminen vaatii kuitenkin aina yhteistyötä ja investointeja koordinointiin: kuinka eri tahojen välillä ohjaus, tiedonsiirto, suunnittelu ja käyttö palvelevat niin yhteistä kuin kunkin osapuolen etua — saumattomasti ja järjestelmän vakauden säilyttäen. Osa koordinaatiosta liittyy teknologisiin ratkaisuihin, mutta samalla on kehitettävä regulaatiota sekä joustavuusmarkkinoita. Parhaimmillaan uusiutuva tuotanto säästää energiajärjestelmän kustannuksia mittavasti, mutta osa tuosta säästöstä on investoitava joustavuuden edellytyksiin.

⁽¹⁾ https://www.irena.org/publications/2022/Jul/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2021
⁽²⁾ https://www.statista.com/statistics/497540/connected-and-cumulated-photovoltaic-capacity-in-the-european-union-eu/
SolarPower Europe 2021
https://taiyangnews.info/markets/massive-volumes-of-chinese-modules-entering-europe/
⁽³⁾ https://tuulivoimayhdistys.fi/tuulivoima-suomessa/rakenteilla-olevat-hankkeet
⁽⁴⁾ Kuva mukaillen käännetty Nordic Energy Technology Perspectives 2016 (IEA ja Nordic Energy Research)