Vesivoima
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 tulen jälkeen vanhin tunnettu energian tuottamisen tapa. Aurinko haihduttaa ensin vettä meristä ja vesistöistä pilviin, joista se sataa alas kerääntyen sisävesistöihin merenpinnan yläpuolelle. Koskissa ja putouksissa virtaavalla vedellä on potentiaalienergiaa, joka muuttuu liike-energiaksi. Sitä hyödyntävät vesipyörät ja vesirattaat on tunnettu jo tuhansia vuosia ja niitä on käytetty mekaanisen työn tekoon maanviljelyssä, myllyissä, tekstiilien valmistuksessa ja puusahoissa. Vesiturbiini keksittiin 1800-luvulla.
Eräänä historiallisena selityksenä Euroopan teollisen mahdin muuta maailmaa nopeammalle kehitykselle pidetään jokien määrää ja siten vesivoiman saatavuutta. Vaikka vesivoimalla jauhettiin viljaa jo antiikin ajan Kaksoisvirtainmaassa, nousi Eurooppa maailmanmahdiksi vesivoiman laajan käytön ansiosta. Ranskalaisessa Troyesin kaupungissa oli samanaikaisesti toiminnassa 40 vesiratasta, joiden voimaa hyödynnettiin kaikessa mahdollisessa; suurien leipomoiden uuneja kuumentavista palkeista aina metallin valssaukseen asti. Vesirattaiden käyttämät puristimet ja prässit mahdollistivat huopien suurtuotannon, jolla oli lähes yhtä suuri sotilaallinen merkitys kuin varsinaisella asetuotannollakin. Vielä Napoleonin sotien aikaan tykinputket porattiin lähes poikkeuksetta vesivoimalla, vaikka höyrykone jo teki tuloaan. Vesirattaan aikaa kutsutaan esiteolliseksi aikakaudeksi.
Energian varastointi ja kulutushuippujen tasaaminen on helppoa tekojärvien ansiosta, joihin varastoidun veden potentiaalienergia hyödynnetään sähkön kulutushuippujen aikana vesivoimalassa. Hyötysuhde on erittäin hyvä, ja voimalan huolto- ja hoitokustannukset ovat alhaiset. Vesivoiman tuotantoa voidaan säätää helposti ja nopeasti, ja siksi niitä käytetään erityisesti säätövoiman tuotannossa. Vesivoiman tuotantoa siis lisätään kulutushuippujen ajaksi ja vähennetään alhaisen kulutuksen aikana, mikä poikkeaa merkittävästi esimerkiksi ydinvoimaloista, jotka ovat parhaimmillaan jatkuvan täyden tehon tuottajina. Tekoaltaiden säätelyvoiman käytöllä voidaan korvata hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia hiilivoimaloita säätelytehon tuottajina.
Vesivoimaa hankitaan usein patoamalla suuret määrät vettä tekojärviksi, jolloin saadaan keskitettyä suuret määrät energiaa hydrostaattiseksi paineeksi. Näin vesivoimaloiden tehoa ja hyötysuhdetta voidaan lisätä merkittävästi. Tekojärvien alle peittyy usein suuria alueita pakottaen väestönsiirtoihin. Usein tekojärven peittämässä maaperässä piilevät saasteet liukenevat veteen. Suuret patoaltaat jättävät helposti alleen alueita, joilla voi olla arkeologisia tai kulttuurillisia muistomerkkejä tai arvokkaita luontokohteita: esimerkkinä Assuanin pato Egyptissä.
Arvokkaiden viljelysmaiden jääminen patojen hukuttamaksi on ongelmana erityisesti Kiinassa rakennettaessa Kolmen rotkon patoa. Sen muodostamaan tekojärveen kertyy raskasmetalleja ja muita saasteita, joiden sitten pelätään siirtyvän kaloihin entistä voimakkaammin. Siten tekoaltaissa tavanomaista kalojen kasvatusta ei voida toteuttaa. Tulvien aikaan padon ylivuotoluukut avataan ja tällöin patoaltaan keräämiä saasteita purkautuu kerralla suuria määriä aiheuttaen luonnolle šokin.
Vesivoima on lähes päästötöntä, koska se ei tuota välittömästi lainkaan päästöjä. Boreaalisella vyöhykkeellä kuten Kanadassa ja Pohjois-Euroopassa vesivoimaloiden kasvihuonekaasupäästöt ovat tyypillisesti pienet fossiilisia polttoaineita käyttäviin voimaloihin nähden. Vesivoiman aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä tehtyjen elinkaarimallien mukaan kylmässä ilmanalassa vesivoimala tuottaa välillisesti päästöjä 15 grammaa CO-ekv./kWh. Vesivoiman aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ovat noin 30–60 kertaa vähemmän kuin vaihtoehtoisten fossiilisten energiantuotantomuotojen aiheuttamat päästöt.
Teoreettisten laskelmien mukaan trooppisilla alueilla vesivoiman aiheuttamat päästöt saattavat olla huomattavasti suuremmat kuin muilla alueilla. Todellisia päästöjä ei ole kuitenkaan mitattu, jonka takia asiasta ei ole varmuutta. Trooppisten alueiden mahdollisesti korkeammat hiilidioksidipäästöt johtuvat siitä, että kasvimateriaali hajoaa paikallaan pysyvän veden alla anaerobisessa eli hapettomassa ympäristössä vapauttaen hiilidioksidia ja metaania. Metaanin ilmastoa lämmittävä vaikutus on kuitenkin toisinaan jätetty vesivoimaa koskevista päästölaskelmista pois. Maailman patokomission raportin mukaan sellaiset padot, joiden sähköntuotanto on pieni patoaltaan pinta-alaan nähden (alle 100 wattia neliömetriä kohden) johtuen esimerkiksi patoaltaan mataluudesta, ja joiden patoaltaiden alle jääviä metsiä ei kaadeta ja puunrunkoja viedä pois, kasvihuonekaasupäästöjä voidaan verrata fossiilisten polttoaineiden päästöihin. Yksi tällainen voimala on Balbinan vesivoimala Brasiliassa; 112 MW voimala on paikoin ainoastaan neljän metrin syvyinen ja sen on arvioitu aiheuttavan kolmen miljoonan tonnin hiilipäästöt ensimmäisten 20 vuoden aikana. Kasvihuonekaasupäästöjä on kuitenkin mahdollista ehkäistä raivaamalla tekoaltaiden hukuttamia metsiköitä jälkikäteen.
Vesivoiman vaikutukset kalakantoihin ovat pahimmillaan dramaattisia patojen estäessä vaeltavien kalalajien nousun, ja koska muutoin virtauksien mukana liikkuva orgaaninen aines jää paikoilleen alentamaan veden happipitoisuutta.
Suomen ainoa energian ympäristömerkki Ekoenergia ei sertifioi vesivoimalaitoksia, joissa ei ole toimivaa kalatietä (5 % niin kutsuttua ekologista virtausta). Vuoden 2012 jälkeen tapahtuneita uusia voimalaitoksia, patoamisia, pengerryksiä ja kanavointia ei hyväksytä. Tästä kriteeristä Ekoenergia tekee poikkeuksen ainoastaan, jos kalatien rakentamisella ei todeta olevan mitään hyötyä vaelluskalakannoille. Kalaistutukset eivät (pelkästään) riitä vaan voimalaitoksen omistajan tulee keskittyä toimenpiteisiin, jotka lieventävät vesivoimaloiden haitallisia ympäristövaikutuksia, erityisesti ennallistamalla vesiekosysteemejä ja parantamalla sellaisten lajien luontaisia elinympäristöjä, joihin vesivoimalaitokset ovat vaikuttaneet.. Myös merkin piiriin hyväksytyt voimalaitokset ovat velvoitettuja maksamaan jokaista vesisähkönä myytyä kilowattituntia kohden rahaa vesivoiman ympäristöhaittoja korjaavaan rahastoon.. Tästä Ekoenergia-rahastosta on tullut Suomen merkittävin yksityinen vaelluskalojen elinolosuhteita parantava rahasto..
Suomessa on kolme Ekoenergian sertifioimaa vesivoimalaitosta:Maailman suurimpia voimalaitospatoja ovat:Suurin rakenteilla oleva laitos on Jangtse-jokeen rakennettava Kolmen solan pato Kiinassa.
Suomessa ensimmäinen vesivoimalla toimiva sähkölaitos otettiin käyttöön 22. syyskuuta 1891 Tampereella. Vuonna 1928 otettiin käyttöön Imatrankosken voimala Vuoksessa, nykyisellä Imatralla. Voimala on 178 MW tehollaan edelleen Suomen toiseksi suurin. Kemijoen ensimmäinen voimalaitos otettiin käyttöön 1948 Isohaarassa. Nyttemmin Kemijoen valuma-alueella on 18 vesivoimalaitosta sekä Lokan ja Porttipahdan tekojärvet. Petäjäskosken voimalaitoksesta on tehonkorotusten myötä tehty Suomen suuritehoisin vesivoimalaitos: laitoksen maksimiteho on marraskuusta 2011 alkaen ollut 182 MW. Suomessa voimalaitosten korkeuserot ovat suurimmillaan joitakin kymmeniä metrejä. Korkeimmat putouskorkeudet ovat Jumiskon voimalaitoksessa Kemijärvellä (96 metriä) ja Pamilon voimalaitoksessa Joensuussa (49 metriä).
Norjan vuoristojen ja vuonojen olosuhteet tarjoavat poikkeuksellisen hyvät mahdollisuudet vesivoimalaitosten rakentamiseen. Atlantilta tulevat pilvet nousevat vuorten rinteitä ylös jäähtyen ja tiivistyen sateiksi, jotka täyttävät tekojärvet tehokkaasti. Lisäksi patoaltaita ruokkivat vuorten jäätiköiden sulamisvedet. Norja myy ylimääräisen sähkönsä muihin Pohjoismaiden sähköpörssissä, Nordpoolissa. Sen lisäksi maa myy ulkomaille tuottamansa öljyn ja kaasun, sillä se saa vesivoimaloista tarvitsemansa perusenergian. Norjan vähäsateisina kesinä Suomi joutuu käyttämään enemmän kalliita hiilivoimaloitaan, jolloin sekä sähkön hinta nousee että ilmastoa lämmittävät saastepäästöt kasvavat. Asian merkitys kasvaa Euroopan unionin sisäisen päästökaupan myötä. Toisaalta Norjan sateiden ennustetaan kasvavan ilmaston lämpenemisen seurauksena.
Pienvoimalaitokset ovat alun perin paikalliseen tarpeeseen syntyneitä voimalaitoksia. Niitä on käytetty toisaalta teollisuuslaitosten, toisaalta syrjäkylien sähköistämiseen. Voimalaitosten pieni koko johti siihen, että useimmat poistettiin käytöstä kannattamattomina. Ekologisen ajattelun myötä tällaisia voimalaitoksia on sittemmin avattu uudelleen käyttöön, osa modernisoituina, osa alkuperäisellä koneistollaan.
Eurooppa laskee pieneksi vesivoimaksi alle 10 megawatin voimalat.