Säännöstelyvoimalaitos

Säännöstelyvoimalaitos (, , ) eli (varasto-)allasvoimalaitos on tyypiltään yleisin vesivoimalaitos. Se poikkeaa jokivoimalaitoksesta siinä, että veden riittävyyttä on parannettu muodostamalla voimalalle tilava varastoallas. Varastoaltaasta voidaan ottaa vettä aina, kun on tarvetta tuottaa sähköenergiaa. Varastoallas voidaan muodostaa luonnollisesta järvestä, jokeen rakennetulla padolla tai patoamalla sopivaan paikkaan tekojärvi. Oleellinen ero jokivoimalaitokseen on veden parempi kontrolli.
Varastoaltaan hyödyntäminen.
Jokivoimalaitoksissa on ollut se ongelma, että kun sähköenergiaa ei ole tarvittu, on vesi täytynyt ohjata voimalan ohi ja se sisältämä energia on mennyt hukkaan. Jokivoimalaitoksessa porttien sulkeminen on johtanut melko pian patoaltaan täyttymiseen ja taas on jouduttu johtamaan vesi voimalan ohi. Jokivoimalaoiden varjopuoli onkin kykenemättömyys vastata sähköverkon epätasaiseen kysyntään menettämättä vesivoimaa ohijuoksutuksen aikana. Voimalan patoaltaan rakentaminen syvään laaksoon tai korkeiden patovallien taakse on ratkaissut jokivoimaloissa veden lyhytaikaisen varastointiongelman. Samalla voimalat ovat voineet vastata sähkönkulutukseen eli toimia säätövoimana. Sen sijaan pitkäaikainen varastointi on ollut vaikeaa joen jatkuvan virtaaman takia.
Sellaisilla alueilla, jossa on pitkäaikaisia kuivuusjaksoja, on voimalalle eduksi olla suuri patoallas. Siihen varastoidulla vedellä on voitu tuottaa sähköä pitkän kuivuusajan yli. Suuren varastoaltaan varjopuoli ovat suuret alkukustannukset, kun patoja tarvitaan suuria määriä. Padoista voi tulla myös korkeita, joka osaltaan nostaa patoamiskustannuksia. Korkea pato on myös tarkoittanut laajaa varastoallasta, jolloin suuria maa-alueita on jäänyt pysyvästi veden alle.
Korkean padon hyöty on kuitenkin varastoaltaassa vallitseva suuri hydrostaattinen paine. Kun voimalaitoksessa hyödynnetään vettä suurella pudotuskorkeudella, lisää sen suuri hydrostaattinen paine vedestä talteen saatavan energian määrää. Siksi on aina pyritty kasvattamaan sekä voimalan läpi virtaavan veden määrää että veden pudotuskorkeutta. Maailman suurimmissa vesivoimalatioksissa ovat molemmat asiat hyvin tasapainossa keskenään.
Toteutustapoja.
Voimalaitos joessa.
Joen virtaaman hyödyntäminen edellyttää vähintään matalaa patoa, koska käytetty vesi pitää saada virtaamaan pois jokivoimalan alta. Alavilla seuduilla ei ole mahdollista rakentaa syviä patoaltaita, joten jokivoimalaitoksien patoaltaisiin mahtuu vettä ainoastaan muutamien tuntien sähköntuotantoa varten. Sen sijaan vuoristoisilla seuduilla voidaan patoaltaan rakentamisessa hyödyntää jokilaakson jyrkkiä rinteitä ja rakentaa joen poikki lyhyt mutta korkea pato. Tällainen patoallas seuraa jokilaakson muotoja eikä se levittäyty laajalle alueelle. Lisäksi sellainen patoallas on syvä, joka lisää korkean hydrostaattisen paineen avulla sähköenergian tuotantoa.
Kiinalainen Kolmen rotkon pato katkaisee Jangtsejoen virtaaman 181 metriä korkealla padolla. Sen jokilaaksoon mahtuu maksimikorkeudella 39,3 kuutiokilometriä vettä. Sen täyteen kertymiseen kului padon ja voimalan rakentamisaikana seitsemän vuotta. Kun Jangtsen keskivirtaama on 116 000 kuutiometriä sekunnissa, tarvitaankin suuri varastoallas sopeuttamaan tuotantoa kulutusta vastaavaksi. Voimalaitoksella on suuren virtaaman takia 34 vesiturbiinia tuottamassa 22 500 megawatin teholla sähköä.
Voimalaitos järven äärellä.
Järven laskujokia on hyödynnetty voimalaitoksissa monin eri tavoin. Koska järvi itsessään on muodostunut maaston alavaan osaan, on järviallasta voitu usein hyödyntää luontaisena varastoaltaana. Jos järven rannoilla on ennen voimalan rakentamista ollut asutusta, on niiden suojaksi rakennettu maapatoja, jotka estävät veden tulvimisen viljelyksille ja asutusalueille. Suurhankkeissa on ihmiset siirretty muualla syntyneen patoaltaan alta. Suurella järvellä pienikin vedenpinnan korotus merkitsee usein suurta varastokapasiteettia ja pitkää säännösteltyä tuotantoaikaa.
Suomalainen esimerkki voimalasta, joka hyödyntää luonnollista järveä varastolatanaan, on Kemijärvellä sijaitseva Seitakorvan vesivoimalaitos. Voimalaitoksen vedentarve varmistetaan säännöstelemällä voimakkaasti Kemijärveä. Sen vedenpinta voi vuoden aikana vaihdella jopa seitsemän metriä, jolloin säännöstelyvarana tulee voimalan käyttöön 1,1 kuutiokilometriä vettä. Toinen esimerkki on Tainionkosken vesivoimalaitos, joka säännöstelee koko Etelä-Saimaata tietyissä rajoissa.
Keinotekoinen varastoallas.
Eräissä tapauksissa on voimalaa varten rakennettu keinotekoinen varastoallas. Suuria altaita kutsutaan usein tekojärviksi. Niillä kerätään vettä varastoon ja sitä säännöstellään sähköntuotantoa varten antamalla sitä virrata jokeen haluttuina aikoina. Eräät varastoaltaat on sijoitettu ylänköalueille, jotta niiden korkeusero voimalaitokseen ja samalla veden potentiaalienergia kasvaisi. Korkeudesta syntyvän potentiaalienergian hyödyntäminen edellyttää hydrostaattisen paineen säilyttämisen voimalalle asti. Se on ollut tapana tehdä kolmella eri menetelmällä. Ensiksi, voimalan voi sijoittaa varastoaltaan alle ja päästää veden suoraan turbiineihin. Toiseksi, varastoaltaan kalliopohjan läpi voidaan louhia tunneli, jonka sisällä voimalaitos toimii. Ja kolmanneksi, vesi voidaan tuoda varastoaltaasta paineputkessa voimalaitoksen luo.
Suomalaisia esimerkkejä ovat Porttipahdan ja Lokan tekojärvet. Ne on rakennettu pidättelemään Kemijoen ja Kitisen kautta virtaavia talven sulamisvesiä. Koska Kemijoessa on noin 20 vesivoimalaitosta, auttaa järjestely hyödyntämään jokien vesimääriä tarkemmin ja lisäämällä näin talteen saatavan sähkön määrää. Varjopuolena on ollut arvokkaiden suoalueiden jääminen veden alle. Venäläinen esimerkki on Volgan vesistöalueella sijaitseva Rybinskin tekojärvi, jolla on pyritty säännöstelemään vedentuloa Volgaan ja sen voimalaitoksille. Tekojärven luusuassa toimii oma Rybinskin vesivoimalaitos, mutta Volgan varrella sen alajuoksulla samaa vettä hyödyntävät myös muut voimalat. Etelä-Norjassa sijaitsee Blåsjøn varastoalla on keinotekoinen, noin 1 000 metrin korkeudella sijaitseva ja Ulla-Førren vesivoimalaitoksille muodostettu varastoallas, jonka avulla pystytään tuottamaan sähköä lähes 2 100 megawatin teholla. Tuntureille rakennettua allasta hyödynnetään kallioon louhittujen tunnelien avulla.
Teknisiä piirteitä.
Varastoaltaiden padot.
Varastoaltaiden padot on usein edullisinta rakentaa maapatoina lähistöltä löytyvästä materiaalista. Ne ovat luonteeltaan gravitaatiopatoja, jotka pitävät veden paikoillaan omalla suurella painollaan. Veden sivuttaisen työntövoiman vastavoimana on painon alustaansa aiheuttama kitkavoima. Maa-aineksesta ja kivilouheesta valmistetut padot vuotavat yleensä vettä, joten ne on tiivistettävä jotenkin. Maapadon sisälle rakennetaankin usein savesta, betonista tai asvaltista syväosa, jonka läpi vesi ei pysty suotumaan tehokkaasti. Toinen ratkaisu on pinnoittaa maapadon märkä puoli vedenkestävällä materiaalilla. Erityisesti korkeilla padoilla vedenpitävyys on tärkeä ominaisuus.
Kapeaan jokilaaksoon rakennetuista betonipadoista voidaan tehdä halvempia, jos ne ovat ohuita. Suosioon ovat nousseet kuperat holvipadot, jotka kehittyneiden suunnittelumenetelmien johdosta ovat varsin turvallisia. Niiden taakse voidaan nostaa vedenpinta lähes 200 metriin.
Veden ohjaus vesiturbiineille.
Jokivoimalaitokset on usein rakennettu niin, että vesiturbiinit sijaitsevat virtaavan veden joukossa syvällä joenuomassa. Varastoaltaan käyttäminen voi vapauttaa rakentajat tästä rajoituksesta. Korkea varastoallas voi kasvattaa padon läpileikkausta niin paljon, että esimerkiksi maapadon tapauksessa on järkevämpää ohjata vesi paineputkia pitkin padon ulkopintaa pitkin tuotantorakennukseen. Betonipadon tapauksessa ei ole välttämätöntä toimia näin, sillä tuloputken läpivienti on mahdollista tehdä vesitiiviiksi alhaalla tuotantorakennuksen korkeudella. Kuitenkin, usein on suuren vedenpaineen takia on käytetty silloinkin paineputkia. 
Kallioisessa ympäristössä voidaan veden siirtämiseksi voimalalle hyödyntää kallioon louhittuja tunneleita. Voimalakin voi tällöin itsekin sijaita tunneliin louhitussa onkalossa, jolloin puhutaan tunnelivoimalaitoksesta. Varastoallas ja voimala voivat tässä ratkaisussa sijaita kaukanakin toisistaan, koska samalla haetaan suurinta mahdollista putouskorkeutta.
Putouskorkeus ja vesiturbiinit.
Varastoaltaan tilavuus kasvaa käytännössä verrannollisesti kolmannessa potenssissa vedenpinnan korkeuden kasvaessa, ja kun vedenpinta on korkealla, synnyttää se vedessä suuren hydrostaattisen paineen. Korkeuserosta johtuvaa lukua kutustaan putouskorkeudeksi ja säännöstelyvoimaloissa ne ovat yleensä kymmeniä tai satoja metrejä.
Suuren putouskorkeuden aiheuttama energialisäys otetaan talteen kahdella eri periaatteella. Reaktiivisessa tavassa hyödynnetään hydrostaattisen paineen vesiturbiinin poikkipinta-alaan aiheuttamaa voimaa, joka puristaa vettä turbiinin juoksupyörän siivekkeiden läpi ja aiheuttaa pyörimisliikkeen suunnassa vääntömomenttia. Impulsiivisessa tavassa annetaan paineen kiihdyttää vesi suureen virtausnopeuteen ja suihkutetaan vesi päin vesiturbiinin siivekkeitä. Veden iskun aiheuttama impulssi kääntää juoksupyörää akselinsa ympäri aiheuttaen pyörimisliikkeen suuntaisen vääntömomentin.
Suuri vedenpaine tai virtausnopeus asettaa vesiturbiinille erilaisia vaatimuksia kuin jokivoimalaitoksien läpi hitaammin virtaava vesi. Korkeapainesia vesimääriä voidaan pitää pienempinä, jolloin varastoaltaan vettä kuluu vähemmän. Silloin potkurimainen Kaplan-tyyppinen juoksupyörä vaihdetaan tiheäsiipiseksi Francis-tyyppiseksi juoksupyöräksi. Francis-turbiini sopii sekä reaktiivisella että impulssiivisella periaatteella toimimiseen. Puhtaasti impusiiviseen periaatteeseen tukeutuvat Pelton- tai Turgo-tyyppiset juoksupyörät.
Veden takaisinpumppaus.
Varastoallasta voidaan myös hyödyntää sähköenergian varastoimiseen. Sillä tarkoitetaan veden pumppausta altaaseen silloin, kun sähkön hinta on halpaa ja sitä tuotetaan liikaa verrattuna sähkönkulutuksen kysyntään. Tällöin pumppuvoimalaitos ostaa halpaa sähköä ja käyttää sitä veden pumppaamiseen. Kun sähkön kysyntä ylittää sen tarjonnan tai kun sähkön hinta muutenkin nousee, voidaan vettä päästää alas altaasta ja tuottaa sillä sähköä. Pumppuvoimalat käyttävät samoja paineputkia tai tunneleita sekä pumppaukseen että vesivoiman tuotantoon.