Pumppuvoimalaitos

Pumppuvoimalaitos on tarkoitettu tuotetun sähköenergian väliaikaiseen varastointiin jonkin väliaineen potentiaalienergian muodossa. Pumpattava väliaine on yleensä makea vesi, mutta sen tilalla voi olla myös esimerkiksi ilma. Veden käyttö on kuitenkin yleisintä ja pumppulaitokset sijaitsevatkin usein tavallisen vesivoimalaitoksen yhteydessä tai lähettyvillä, jolloin sähkön siirrossa syntyvät häviöt ovat pienempiä.Pumppuvoimaa pidetään kaupallisesti kiinnostavana sähköenergian varastointitekniikkana. Säätövoimana merkitys on vähäinen, mutta mahdollistaa halvan sähkön myymisen kun sähkön hinta on korkealla.
Vaikka pumppuvoimalaitos tuottaa sähköä esimerkiksi vedestä, ei sitä tule sekoittaa vesivoimalaitokseen. Energian säilymislaki ilmaisee selvemmin sen, miksei pumppuvoimalaitos voi tuottaa sähköä: veden varastointiin varastoaltaisiin kuluu enemmän sähköä kuin mitä siitä saadaan purettaessa tuotettua. Hyötysuhde on kuitenkin uudemmissa laitoksissa noin 80 %. Pumppulaitoksen sähköntuotto on siis negatiivinen eikä sitä lasketa mukaan esimerkiksi valtioiden energiantuotantolukuihin.
Vesipumppuvoimalaitokset muodostavat ylivoimaisesti merkittävimmän ryhmän energiaa väliaikaisesti varastoivista laitoksista. Esimerkiksi Euroopassa niiden osuus on tällä hetkellä (2018) noin 99 % sähköverkkoon kytkettyjen energiavarastojen kapasiteetista.
Historiaa.
Pumppuvoimalaitoksia käytettiin jo 1890-luvulla Alppimaissa energian varastointiin. Menetelmä onkin eurooppalainen keksintö, joka on levinnyt sieltä muualle Eurooppaan ja sitten Amerikkaan ja Aasiaan. Yhdysvallat rakensi ensimmäisen pumppuvoimalansa 1928, Japani vuonna 1934 ja Kiina vuonna 1968. Vielä 1950-luvulla suurin osa pumppuvoimaloista sijaitsi Euroopassa, mutta sen jälkeen on tilanne kehittynyt muuallakin suuresti.
Säätövoimaa.
Säätövoiman tarkoitus.
Pumppuvoimalaitos osallistuu sähköverkon energian säätämiseen, sillä verkossa tulee tuotetun ja kulutetun sähkön määrät olla samat. Kun kysyntä kasvaa, tulisi sähköntuotannossa lisätä sähkön määrää, ja päinvastoin. Sähkön kulutus voi vaihdella suurestin vuodenaikojen ja vuorokauden aikojen mukaan. Kun tätä tapahtuu säännöllisesti, joudutaan järjestämään perusvoimantuotannon tueksi lisävoimaa. Jos lisävoima hankitaan vesivoimalla, tulee yhä useampi vesiturbiini käynnistää tuottamaan sähköä kysynnän kasvaessa.
Uusiutuvat energianlähteet tarvitsevat tuekseen myös säätövoimaa. Kun tuulee vähän, ei tuulivoimasta saada tarvittavaa määrää sähköä ja sen vaje on korvattava muilla energianlähteillä. Tuulivoimalla taas ei voi kompensoida esimerkiksi kuivuudesta johtuvaa vesivoiman vajetta, jos samaan aikaan ei tuule. Monissa maissa sähkön perustuotantoon käytetään esimerkiksi vesivoimaa, ydinvoimaa ja kivihiilivoimaa, jotta yhteiskunnan sähkönkulutuksen perustaso olisi turvattu. Säätövoimalla katetaan sitten hetkittäiset kulutushuiput, jos sen rahkeet riittävät siihen, tai hankitaan sähköä naapurimaista.
Ekonomia.
Vesivoimalaitoksien suuriin varastoaltaisiin voidaan varastoida paljonkin vettä. Varastoaltaan suuri koko mahdollistaa säännöstelyvoimalatoksilla veden säätelyä kuukausien tai jopa vuosien päähän. Toisaalta jokivoimalaitoksissa ei patoaltaaseen mahdu kuin tuntien tai muutamien viikojen sääntelyn vesimäärä. Jotta näiden vesivoimalaitoksien vettä ei jouduta juoksuttamaan sadekeleillä vähäisen sähköntarpeen aikana tuotannon ohi, täytyy vettä voida varastoida jonnekin. Vesivoimalaitoksien varastoaltaisiin ei aina mahdu vettä, joten niiden rinnalle tarvitaan erillisiä vesivarastoja. Pumppuvoimalaitoksia voidaan hyödyntää sähköverkon säätövoimana, mikäli tällaisia varastoaltaita on olemassa.
Pumppuvoimalaitos kannattaa rahallisesti, jos sähkön markkinahinta noudattaa kysynnän ja tarjonnan periaatteita. Silloin kuin sähköenergiaa on tarjolla kysyntään nähden paljon, laskee sähkön hinta, ja vastaavasti, kun sähköä ei ole tarjolla riittävästi suuren kysynnän aikana, nousee sen hinta. Pumppuvoimalaitos voi toimia näillä hintaeroilla siten, että se ostaa sähköä halvalla ja myy sitä kalliimmalla. Samalla se hyödyttää energianjakelua aidosti niin, että se täydentää sähköverkon vajausta huippukulutuksen aikana ja lisää sen käyttöä matalan kulutuksen aikana. Näin voidaan sähköä tuottaa tasaisemmin voimalatyypistä riippumatta. Samalla vähennetään fossiilisten polttoaineiden käyttöä sähköverkon säätövoimana.
Kapasiteetti.
Pumppuvoimalaitos voidaan käynnistää muutamassa minuutissa ja siitä riittää yleensä sähköä muutamasta tunnista kokonaiseen päivään. Ne voivat tuottaa sähköä esimerkiksi 200–350 megawatin teholla ja suurimpien pumppuvoimaloiden energiavarastot ovat 1 600–2 800 MWh. Maailmassa on toimivia pumppuvoimalaitoksia vuoteen 2018 loppuun mennessä rakennettu 160 gigawattia (GW) (vuonna 2016 se oli 150 GW, vuonna 2018 159 GW). Suurimpia pumppuvoimalaitoksien käyttäjiä ovat Kiina, Yhdysvallat, Etelä-Afrikka, Sveitsi, Portugali ja Venäjä. Kiinassa oli vuonna 2018 pumpputehoa 30 GW ja sen suunniteltujen pumppuvoimaloiden yhteiskapasiteetti on sekin maailman suurinta.
Pumppuvoimalaitokset.
Alkuperä.
Pumppuvoimalaitokset keksittiin Alppimaissa Sveitsissä, Itävallassa ja Italiassa 1890-luvulla. Euroopassa ne ovat juuri siellä edelleen varsin yleisiä. Vanhat pumppuvoimalat pumppasivat vettä vuoristojärveen tai korkealle rakennettuun varastoaltaaseen. Pumput käyttivät sähköenergiaa pumppaamiseen, jolla varastoitiin vesi korkealle yläaltaaseen. Kun sähköä tarvittiin taas, päästettiin vesi alas ja samalla tuotettiin veden potentiaalienergiasta sähköenergiaa. Pumput ja sähkögeneraattorit olivat alkuaikoina eri laitteita, mutta nykyään suoritetaan samalla sähkölaitteella veden pumppausta ja sähköntuottamista. Vesiturbiinien juoksupyörät on yleensä suunniteltu niin, että ne toimivat sekä pumppuina että turbiineina sähköntuotannossa.
Luokittelu.
Pumppulaitokset voidaan luokitella pumpattavan aineen mukaan. Yleisimmät laitokset pumppaavat vettä, jonka käsittely on perinteisellä tavalla helppoa. Näitä voidaan kutsua vesipumppuvoimalaitoksiksi ( – PHES tai PHS). Uusimpiin laitoksiin on suunniteltu ilman pumppaamista säiliöihin. Ilma on kaasua, joka on paineistettavissa, ja paineeseen varastoitunut potentiaalienergia voidaan hyödyntää sähköntuotantoon. Myös maakaasun paineistaminen toimisi samalla tavalla kuin ilman paineistus, joskin sitä voi samalla polttaa kun kaasusta tuotetaan sähköä. Näitä laitoksia kutsutaan ilmapumppuvoimalaitoksiksi ( – CAES). Ilma-sana voidaan korvata kaasu- tai esimerkiksi maakaasu-sanalla.
Pumppuvoimalaitokset on perinteisesti luokiteltu myös toimintatavan mukaisesti. Ne voivat olla pelkästään vesipumppulaitoksia. Silloin ne tuottavat sähköä vain siitä vedestä, jonka ne ovat pumpanneet yläaltaaseen. Ne voivat olla myös vesivoimalaitoksen ohessa toimivia vesipumppuyksiköitä eli ne pystyvät pumppaamaan vettä yläaltaaseen, mutta niiden vesivoimayksikkö hyödyntää samalla myös voimalan ohitse virtaavaa vettä sähköntuotannossaan. Tällaisia voimalaitoksia voidaan kutsua seka-, hybridi- tai yhdistelmälaitoksiksi.
Pumppuvoimaloiden toteutustapoja.
Kahden altaan perinteinen toteutustapa.
Pumppuvoimalat toimivat peristeisesti niin, että voimalan ala-allas sijaitsee pumppuvoimalan tasolla. Ala-altaasta imetään vettä pumppujen avulla ja se siirretään yläaltaaseen. Ylä- ja ala-altaan korkeusero tulisi olla mahdollisimman suuri, jotta energiaa voidaan varastoida paljon. Yleensä yläallas on vuorella tai vuoriston laaksoissa sijaitseva luonnollinen tai padottu tekojärvi. Pumppuvoimalan varastoimalle vesimäärälle on yläraja, joten se määrittää voimalan varastoitavan energian kapasiteetin. Yhteys ylä- ja ala-altaan välissä voi olla kallioon louhittu tunneli tai vuoren rinteitä alas laskevat paineputket. Pumput ovat nykyään kiinnitettyjä samaan akseliin kuin turbiinit ja niitä pyörittävät moottorigeneraattorit. Lisäksi esimerkiksi Francis-turbiini soveltuu hyvin sekä pumpuksi että turbiinin juoksupyöräksi.
Joki pumppuvoimalaitoksessa.
Osa pumppuvoimalaitoksista on hybridilaitoksia. Ne tuottavat vesivoimaa joen virtauksista, mutta ne kykenevät myös pumppaamaan vettä patoaltaaseensa. Voimalan tulee siksi sijaita laajan järven äärellä, jotta ala-altaassa vettä riittäisi tähän tarkoitukseen tarpeeksi paljon.
Kehittelyssä olevia muita ratkaisuja.
Meri toisena altaana.
Japanissa on vuodesta 1999 toteutettu tapaa, jossa merivesi pumpataan vuorilla 150 metrin korkeudella sijaitseviin patoaltaisiin. Valtameri toimii tässä ratkaisussa ala-altaana. Alankomaissa suunnitellaan toteutusta, jossa saarien keskelle padotaan noin 50 metriä syvä allas, joka toimii ala-altaana ja valtameret yläaltaana.
Luolat ja kaivokset ala-altaina.
Luolia ja kaivoksia on ehdotettu käytettäviksi pumppuvoimaloina. Kaivokset voivat olla yli tuhat metriä syviä, jolloin jo altaiden suuri korkeusero antaa suuren potentiaalienergian. Suuri korkeusero mahdollistaa pienempien vesimäärien käytön, joten altaista tulee edullisempia rakentaa. Yhtään tällaista voimalaa ei vielä ole toiminnassa.
Ilmapumppuvoimalaitos.
Laitoksessa pumpataan ilmaa tiiviseen säiliöön, jossa ilmanpaine kasvaa pumppauksen aikana. Kun säiliöstä halutaan ottaa sähköenergiaa, puhaltaa paineistettu ilma ulos kaasuturbiinin läpi tuottaen sähköenergiaa. Tällainen ilmapumppuvoimalaitos on vuodesta 1978 asti Saksassa toiminut Huntfortin ilmapumppuvoimalaitos Saksassa.
Puristetun ilman hyväksikäyttö.
Jos vesi pumpataan säiliöön tai kallioluolaan, jossa on veden yläpuolella ilmatasku, voidaan paineilmalla työntää vettä vesiturbiinien läpi. Jos paineistettu säiliö sijaitsee lisäksi korkealla, on sen vaikutus kahtalainen. Vielä ei ole yhtään tällaista voimalaa toiminnassa.
Meriveden hydrostaattinen paine.
Jos säiliö sijaitsee merenpinnan alapuolella, voidaan säiliöön pumpata ilmaa, joka syrjäyttää tankissa olevan meriveden. Kun sitten halutaan tuottaa sähköä, avataan säiliön ilmareikä ja päästetään merivesi tankkiin vesiturbiinien kautta. Vielä ei ole yhtään tällaista voimalaa toiminnassa.
Pumppuvoimalaitoksia.
Vuonna 2014 Yhdysvaltain energiahallinto (US Department of Energy) luetteli 41 valtiossa olevan yli 300 vesipumppuvoimalaitosta, joiden yhteiskapasiteetti oli 142 GW. Vuodesta 2016 vuoteen 2020 on suunnitteilla tai rakennettu yli 100 uutta vesipumppuvoimalaa yhteisteholla 74 GW. Tähän sisältyy osa Kiinan suunnitelmasta kasvattaa sen pumppulaitoksien kapasiteettia 100 GW vuoteen 2025 mennessä. Myös Euroopassa suunnitellaan 27 GW verran lisää pumppuvoimaloita vuoteen 2020 mennessä.
Suomessa ainoa vesipumppuvoimala on Posiolla ja Kemijärvellä sijaitseva yhdistelmävoimala Jumiskon voimalaitos, jota tukee pieni pumppuasema.
Suomessa on lisäksi tutkittu Pyhäsalmen kaivoksen hyödyntämistä pumppuvoimalaitoksen rakentamiseen. Imatran Voima tutki mahdollisia pumppuvoimalan paikkoja jo 1960-luvulta lähtien. Yksi tutkituista kohteista oli Vaarunvuoret Korpilahdella (nykyisin Jyväskylää). Hanketta nousi vastustamaan Vaarunvuori-liike, joka vastusti voimalan toteuttamista luontoarvoiltaan merkittävälle paikalle.