Jokivoimalaitos

Jokivoimalaitos ( , ja ) on joen uomaan rakennettu vesivoimalaitos, joka hyödyntää vesivoiman tuottamisessa pääosin joen virtaamaa. Kaikki nykyiset jokivoimalaitokset tuottavat vesivoimansa sähköenergiana. Tällaiset voimalaitokset sijaitsevat alavien jokilaaksojen suurissa joissa, joiden voimalaitospadot ovat säännöstelyvoimalaitoksien patoja huomattavasti matalampia. Padon yläpuolinen varastoallas jää tämän vuoksi pieneksi eikä sitä voi hyödyntää voimatuotannon säännöstelyssä pitkiä aikoja.
Toiminnan periaatteita.
Joen yli rakennettavan voimalaitospadon pääasiallinen tehtävä on varmistaa vesiturbiineille kaikissa tilanteissa riittävästi vettä. Padolla korotetaan vedenpintaa muutamista metreistä jopa 50 metriin. Vedenkorkeus lisää vedenalaista hydrostaattista painetta, joka toimii voimanlähteenä kun vettä ohjataan tulotunneleita pitkin voimalaitoksen vesiturbiineihin. Suurempi vedenpaine kasvattaa veden virtausnopeutta ja samalla sähkögeneraattoreiden tuottamaa tehoa. Jokivoimalaitoksissa on usein mahdotonta rakentaa korkeita patoja niiden suurten kustannuksien takia. Siksi pato jää matalaksi ja vesivoiman tuotanto joutuu seuraamaan veden virtaamien kehitystä. Jokivoimaloiden vesiturbiinit suunnitellaankin tuottamaan vesivoimaa suhteellisen hitaisti virtaavasta vedestä eikä tulva-aikojen suurien virtaamien hyödyntäminen ole ensisijaisena tavoitteena. 
Suurten jokien suurta virtaamaa hyödynnetään lukuisten rinnakkaisten turbiinien avulla. Kun vedentulo väliaikaisesti vähenee, suljetaan osa turbiineista ja muita turbiineita käytetään niiden maksimiteholla. Tällä säätelykeinolla pystytään säilyttämään patoaltaassa riittävä vedenpinnan korkeus. Kun toisinaan vettä tulee liikaa, käytetään kaikkia voimalan turbiineja, mutta liikavesi juoksutetaan voimalaitoksen ohi. Ohijuoksutustapa riippuu voimalaitoksen käyttämästä padon rakenteista sekä jokilaakson topografiasta ja maaperän laadusta. Yleensä ohijuoksutus tapahtuu avaamalla padon juoksutusluukut tai se tapahtuu antamalla liikaveden virrata padon yli sen ylijuoksutuskanavia pitkin voimalaitoksen alapuolelle.
Rakenneratkaisuja.
Voimalaitospadot.
Jokivoimalaitoksien pudotuskorkeus on yleensä vaatimaton ja siksi yleisin valittu patotyyppi on maapato (pengerpato), joka vaihtuu voimalarakennuksen ja juoksutusaukkojen läheisyydessä ripapadoksi. Ripapato on maapadon tapaan myös gravitaatiopato, mutta sillä on joitakin sen massaa keventäviä rakenteita. Kevyempänä osana se tuleekin ankkuroida tukevasti kallio- tai maaperään. Sen rakenteisiin kuuluu juoksutusluukut, joita voi sijaita vierekkäin koko ripapadon matkalla, sekä turvallisuusratkaisuna voi olla joitakin ylijuoksutuskanavia, josta padon yläreunoja hätyyttelevä vesi pääsee purkautumaan padon ohitse alajuoksulle päin. Voimalarakennus voidaan sijoittaa patorakennelmassa mihin kohtaan tahansa, mutta leveissä patoratkaisuissa tuotetaan vesivoimaa lähellä toista tai molempia rantoja.
Käytettävät vesiturbiinit.
Jokivoimalaitoksissa veden virtaukset ovat rauhallisia. Kun joen vesi nostetaan padolla muutamia metrejä korkeammalle, saadaan veden virtausnopeus hieman kasvamaan. Joessa on yleensä jatkuvasti vettä ja suurissa joissa sitä virtaa kymmeniä tuhansia kuutiometrejä sekunnissa. Hidas virtausnopeus ei mahdollista vesiturbiinien käyttämistä suurilla pyörimisnopeuksilla. Generaattorin pyörimisnopeutta voidaan kasvattaa kiinnittämällä turbiinin akseliin vaihteisto, johon generaattori kiinnitetään. Vaihteistoja ei kuitenkaan käytetä suurissa voimaloissa. Sen sijaan on ollut tapana käyttää suuria vesipyöriä, joiden läpi virtaa paljon vettä. Silloin vesipyörän pyörimisnopeus on pieni, mutta veden aiheuttamat vääntövoimat ovat suuria. Generaattorin rakenteessa on tämä ominaisuus huomioitu niin, että sillä voidaan tuottaa halutunlaista sähköenergiaa.
Jokivoimalaitoksissa käytettävät vesiturbiinit ovat tyypiltään reaktioturbiineja, jotka hyödyntävät veden liike-energian lisäksi veden paineen tekemää työtä. Kun turbiini on muuttanut veden mekaanisen liike-energian vesipyörän pyörimisenergiaksi, hidastuu samalla veden virtausnopeus sen joutuessa imuputkeen. Täällä vesi vielä osallistuu vesipyörän pyörittämiseen, kun vesi putoaa ilmattomasti imuputken läpi alaspäin. Paine, joka osallistuu energiantuotantoon, syntyy voimalan yläpuolisen veden ja alapuolisen veden korkeuserosta eli putouskorkeudesta. Voimalat jaotellaan putouskorkeuden mukaan pieni-, keski-, keskikorkea- ja korkeapainelaitoksiksi. Pienpainelaitoksesta puhutaan, kun putouskorkeus on 2–15 metriä, keskipaineisesta, kun putouskorkeus on 10–40 metriä ja keskikorkeapaineisesta, kun putouskorkeus on 40–400 metriin. Kun putouskorkeus jää alle 50 metriin, voidaan käyttää vesivoimalassa tehokkaasti kolmea eri vesiturbiinia: putkiturbiini, Kaplan-turbiini ja Francis-turbiini.
Jos jokea ei haluta padota kokonaan vaan tuottaa energiaa pienvoimalassa, on siihen tarjolla potkuriturbiineja. Ne ovat vedessä vapaasti pyöriviä 3–8 siipeä käyttäviä vesipyöriä, joiden sisällä sijaitsee generaattori. Tekniikka on sama kuin mitä käytetään pienissä vuorovesivoimaloissa.
Hyödyt ja haitat.
Kun hyödynnetään lähinnä veden liike-energiaa, ei tavoitella suuria varastoaltaita eikä yläjuoksulla esiinny veden varastoimisesta johtuvia laajoja varastoaltaita. Jotta turbiinit pysyisivät koko ajan veden alla, voidaan joen vedenpintaa kuitenkin korottaa niin paljon kuin jokilaakson penkereet antavat myöten. Tämä mahdollistaa samalla vesiliikenteen käynnistämisen padon yläpuolisella alueella, sillä vedenpinnan korkeusvaihtelut jäävät pieniksi.
Vesivoima on uusiutuvaa energiaa, joka ei aiheuta tuotantovaiheessa mainittavia päästöjä vesistöihin tai ilmakehään. Jokivoimalaitosten päästöt muodostuvat suurimmaksi osaksi niiden rakentamisesta. Säännöstelyvoimalaitosten tarvitsemia varastoaltaita kritisoidaan niiden vedenalaisista päästöistä, jotka ovat voimakkaampia tropiikissa. Vapaasti virtaavassa joessa vesi säilyttää hapekkuutensa kun taas patoaltaaseen kerätty vesi seisoo paikallaan, lämpenee ja sen pohjaan vajonneet orgaaninen materiaali alkavat hapettomassa ympäristössä hajota sekä hiilidioksidiksi että jopa metaaniksi. Hapen vähyydestä kärsivät myös vesieliöt. Eräissä loivasti laskevissa joissa tilannetta pahentaa se, että vesivoimala on rakennettu joessa sen jyrkkään kohtaan eli yleensä vettä hapettavaan koskeen.
Joen rannasta rantaan ulottuva pato estää vesieliöitä liikkumasta joella sen pitkittäisessä suunnassa. Tästä kärsivät kalat ja vesihyönteiset sekä myös ihmiset vesiliikenteen esteiden vuoksi. Kalaportaiden rakentaminen on kuitenkin mahdollista matalien jokivesivoimaloiden ohitse. Vesiliikenteelle on samasta syystä kehitetty ratkaisuksi sulkujärjestelmiä, joiden kautta laivat ohittavat padon. Pienen patoaltaan virtauksien vuoksi sedimentit kulkevat jokivoimalaitoksen virtausaukkojen läpi ja vain pieni osa siitä vajoaa patoaltaan pohjalle. Eräät jokivoimalaitokset eivät katkaise joen uomaa kokonaan. Ne ottavat vettä joen yläjuoksulla sijaitsevasta joen puolittain katkaisevan padon takaa. Joen toinen puoli virtaa samaan aikaan vapaana. Esimerkki tällaisesta voimalasta on Ruotsin puolella Tornionjoessa sijaitseva Köngäskosken vesivoimalaitos.
Ekonomisesta näkökulmasta katsoen pieni varastoallas on taloudellinen rakentaa. Korkeanveden aikana altaan pieni koko kuitenkin kostautuu, sillä liikavesi joudutaan juoksuttamaan ohi voimalan turbiinien ja sen tuotto jää saamatta. Tätä epäkohtaa on yritetty ratkaista muilla keinoilla. Esimerkiksi Kemijoen voimalat varastoivat vettä Porttipahdan ja Lokan tekojärviin. Tekojärvet sijaitsevat kaukana joessa toimivista vesivoimalaista, mutta ne keräävät osan kevään sulamisvesistä talteen ja luovuttavat ne vesivoiman tuotantoon vasta kuukausien päästä. Monet jokivoimalat muodostavat jokiuomaan voimalaketjuja, jotka tuottavat vesivoimaa samasta vedestä.
Jokivoimalaitoksia.
Lähivaltioiden suuria jokivoimalaitoksia.
Lähivaltioista Norjalla, Ruotsilla ja Venäjällä on Suomea suurempi vesivoimatalous. Norjalla ja Ruotsilla on maan topografiasta johtuen enemmän säännöstelyvoimalaitoksia kuin jokivoimalaitoksia. Norjan suurimpia jokivoimalaitoksia ovat Kykkelsrud-Fossumfossin (225 MW), Solbergfossin (208 MW) ja Hunderfossenin (116 MW) voimalaitokset. Ruotsissa sijaitsee suuri Stornorrforsin (600 MW) voimalaitos, mutta muitakin on: Krångeden (248 MW), Vaxvedenin (200 MW), Hojumsin (178 MW) ja Olidansin (130 MW) voimalat. Muut naapurimaat sijaitsevat Suomen tapaan topografisesti alavilla seuduilla, joten Kaunaksen voimalaitos (101 MW) on niistä poikkeavan suuri. Esimerkiksi Virossa sijaitseva Jägala joan (2 MW) ja Tanskan Gudenaan (3 MW) pienvoimalat ovat maidensa suurimmat jokivoimalat. Venäjällä on muutama maailmanlaajuisestikin suuri jokivoimalaitos ja ne löytyvät ylempänä sijaitsevassa luettelosta.
Suomalaiset jokivoimalat.
Suomessa käytetään runsaasti jokivoimalaitoksia. Jos voimalan yläpuolella on kuitenkin laaja säännöstelty järvi, luokitellaan voimala säännöstelyvoimalaitokseksi. Tuhansien järvien maassa tilanne on varsin yleinen. Luokittelun tulkintaan jää sellainenkin varaus, että mikäli joki alkaa suuresta säännöstellystä järvestä, mutta se varrella on useita voimalaitoksia, onko järvi näiden kaikkien voimaloiden säännöstelyallas. Seuraavat voimalaitokset ovat lähellä jokivoimalaitoksen määritelmää. Kokemäenjokeen on rakennettu neljä vesivoimalaa, joista ylin käyttää säännöstelyaltaanaan Rautavettä ja muut kolme Äetsän (16 MW), Kolsin (45 MW) ja Harjavallan vesivoimalaitos (105 MW) sijaitsevat jokivarressa. Oulujoessa ylin voimala käyttää koko Oulujärveä varastoaltaanaan. Alempana joenvarrella sijaitsee seitsemän muuta vesivoimalaa. Ne ovat laskujärjestyksessä Nuojuan- (85 MW), Utasen (58 MW), Ala-Utoksen (0,5 MW), Pällin (51 MW), Pyhäkosken (147 MW), Montan (47 MW) ja Merikosken voimalaitos (40 MW).