Analyysin tulokset osoittavat, että sähköenergiajärjestelmän kehitystä vahvasti uusiutuvaan vaihtelevaan tuotantoon perustuvaksi ei voida toteuttaa pelkästään uusiutuvan vaihtelevan tuotannon määrää kasvattamalla, vaan samanaikaisesti tulee kehittää järjestelmän joustokapasiteettia, arvioitava sähkömarkkinoiden joustokykyä tulevaisuudessa ja pitää huolta energian riittävyydestä kaikissa tilanteissa.

Tampereen yliopiston koordinoimassa EL-TRAN-hankkeessa on mallinnettu Suomen sähköenergiajärjestelmän toiminnallisuutta vuosina 2030 ja 2050 neljän eri skenaarion avulla.  Skenaarioiden pohjana ovat Suomen sähköenergiajärjestelmän nykyinen rakenne ja jo tiedossa olevat vuoteen 2025 ulottuvat investoinnit mm. tuulivoiman tuotantoon.

Vuodelle 2030 laadittiin kolme skenaariota, joissa tutkittiin tuuli- ja aurinkovoiman maltillisen lisäyksen, voimakkaan lisäyksen ilman merkittävää lisäystä energiavarastoihin, sekä voimakkaan lisäyksen ja varastokapasiteetin lisäyksen vaikutuksia järjestelmän toiminnallisuuteen. Vuoden 2050 skenaariossa oletettiin tuulivoiman ja aurinkovoiman tuotannon, sekä energiavarastojen kapasiteetin kaksinkertaistuminen vuoden 2030 voimakkaan kasvun tasosta.  Kulutuspuolella tutkittavia muuttujia olivat sähköautojen määrä ja latausstrategiat, kaukolämmön tuotannon vaiheittainen siirtyminen sähkön ja lämmön yhteistuotantovoimalaitoksilta (CHP) lämpöpumppuihin ja geotermiseen lämpöön, teollisuuden CHP-tuotannon muutos metsäteollisuuden tuotantorakenteen muuttuessa, teollisuuden sähköistyminen, vedyn tuotanto ja teollisuuden kulutusjoustot.

Energiajärjestelmän toiminnallisuutta arvioitiin residuaalikuorman ja markkinoilta ostettavan/myytävän keskituntitehon ja näiden muutosnopeuksien käyttäytymisellä. Residuaalikuorma on sähkön hetkellisen kokonaiskulutuksen ja vaihtelevalla uusiutuvalla tuotannolla tuotetun tehon erotus.  Se kuvaa kuinka paljon järjestelmässä täytyy hetkellisesti tuottaa/rajoittaa tehoa, jotta sähköverkon tuotanto ja kulutus pysyvät tasapainossa. Sähköenergiajärjestelmän toiminnan kannalta tasapaino on välttämätön, koska sähköverkko itsessään ei varastoi energiaa.

Malleissa sähkömarkkina on kuvattu ideaalisesti joustavana osajärjestelmänä, jonka toimintaa rajoittaa ainoastaan tehonsiirtokapasiteetti. Käytännössä markkina ei toimi näin. Energiajärjestelmän toiminnallisuuden yhtenä arviointikohteena olikin markkinan toiminnan realistisuus eli missä määrin mallinnuksen tuottamaa markkinan toimintaa voidaan pitää realistisena.

Simulointitulokset osoittivat miten energiajärjestelmän erilaiset tuotantovaihtoehdot ja kulutuksen muutokset vaikuttavat järjestelmän toiminnallisuuteen. Odotetusti vaihtelevan uusiutuvan tuotannon osuuden kasvu lisää paineita järjestelmän joustavuuteen. Vaihteleva tuotanto lisää häiriöitä sähköjärjestelmän tehotasapainoon. Kun se samalla syrjäyttää säädettäviä voimalaitoksia järjestelmästä, niin tasapainotus on tehtävä joustavan kulutuksen ja markkinan avulla.  Varastot lisäävät järjestelmän joustavuutta, mutta mallinnuksissa osa tästä joustosta tulee markkinan kautta. Sähkön hinnan ollessa halpa, järjestelmä esimerkiksi lataa lämpövarastoja lämpöpumpuilla tuotetulla lämpöenergialla ostamalla sähköä markkinoilta. Myynnin tarve kuitenkin vähenee, koska sähkön ollessa kallista, järjestelmä voi hyödyntää ladattuja varastoja. Varastot eivät siis poista joustavan sähkömarkkinan tarvetta, vaan tietyissä tilanteissa jopa lisäävät markkinaan kohdistuvia jousto- ja kapasiteettitarpeita.

Tärkeä ominaisuus järjestelmän toiminnallisuuden kannalta on sekä residuaalikuorman että markkinoilta hankittavan tehon muutosnopeudet. Eri tuotantomuotojen käynnissä olevat kapasiteetit ja toiminnalliset ominaisuudet vaikuttavat siihen, miten tuotantokoneisto ja markkina kykenevät vastaamaan nopeisiin tehonmuutoksiin. Uusiutuvan vaihtelevan tuotannon teho voi vaihdella hyvinkin nopeasti, ja vaihtelun vaikutus energiajärjestelmän toimintaan on suoraan verrannollinen näiden tuotantomuotojen suhteellisesta osuudesta kokonaistuotantoon. Kun vaihtelevan tuotannon osuus järjestelmässä kasvaa suureksi, ei voida olettaa, että tuotannon ja kulutuksen tasapainottaminen voidaan hoitaa oman säädettävän tuotannon ja markkinoiden avulla, vaan toiminnallisuuden ylläpitämiseksi järjestelmään on lisättävä muita joustavuutta lisääviä komponentteja. Ylituotantotilanteissa uusiutuvan tuotannon tehoa tulee voida rajoittaa, ellei kulutukseen ja markkinaan saada riittävästi joustoa.

Energiajärjestelmän kehitystä vahvasti uusiutuvaan vaihtelevaan tuotantoon perustuvaksi ei voida toteuttaa pelkästään uusiutuvan vaihtelevan tuotannon määrää kasvattamalla. Samanaikaisesti tulee kehittää järjestelmän joustokapasiteettia ja pitää huolta energian riittävyydestä kaikissa tilanteissa. Pyrittäessä eroon polttamalla tuotettavasta energiasta, joustavan tuotannon lisääminen on vaikeaa. Niinpä jousto on hankittava kulutuspuolelta.  Vedyn käyttö teollisuudessa ja liikenteessä yhdistettynä vedyn varastointiin mahdollistaa merkittävän lyhyen ajan (tunti – päivä) joustopotentiaalin. Rakennusten lämmittämiseen älykkäästi kytketyt lämpövarastot tuovat joustoa järjestelmään irrottamalla hetkellisen lämmön tarpeen hetkellisestä lämmön tuotannosta mahdollistaen lämmön tuotannon sähköjärjestelmän kannalta edullisimmalla ajanhetkellä. Myös sähköakuilla voidaan aikaansaada lyhyen aikavälin joustoa nopeaan sähköverkon tehotasapainon hallintaan. Näillä resursseilla ei kuitenkaan voida kattaa pidempiaikaista, usean päivän – viikkojen, energiavajetta. Sitä varten tarvitaan tarpeen vaatiessa käynnistettävää varavoimakapasiteettia. Jotta investoitavan varavoiman määrä voidaan pitää mahdollisimman pienenä, olisi hyvä, että myös olemassa olevaa perusvoiman ja säädettävän voiman, esimerkiksi CHP-laitosten, tuotantokapasiteettia pystyttäisiin ylläpitämään lisääntyvästä uusiutuvasta tuotannosta huolimatta.

Markkinoiden roolia arvioitaessa tulee ottaa huomioon muiden markkinaan osallistuvien järjestelmien rakenne, resurssien riittävyys ja hintojen kehittyminen.  Jos kaikkien markkinaan osallistuvien maiden tuotantorakenne on hyvin saman tyyppinen, on mahdollista, että tehovaje- tai ylituotantotilanteet tapahtuvat tietyllä viiveellä koko markkinassa. Tällöin markkinasta ei saada automaattisesti apua alueellisen ongelman ratkaisuun.

Projektipäällikkö Yrjö Majanne esitteli tuloksia EL-TRAN-hankkeen vuorovaikutuspaneelissa 10.5.2021. Loppuvuodesta ilmestyy myös Tomas Björkqvistin, Yrjö Majanteen ja Matti Vilkon kirjoittama artikkeli ”Combining electrification solutions in a national context” professori Pami Aallon toimittamassa kirjassa ”Electrification. Accelerating the Energy Transition” (Academic Press).

Lisätietoja:

Projektipäällikkö Yrjö Majanne, yrjo.majanne@tuni.fi, Tampereen yliopisto, 040 198 1168

Yliopistotutkija Tomas Björkqvist, tomas.bjorkqvist@tuni.fi, Tampereen yliopisto, 050 571 3037

Professori Matti Vilkko, matti.vilkko@tuni.fi, Tampereen yliopisto, 040 833 2830