Vesivoimala

Vesivoimala eli vesivoimalaitos on voimalaitos, joka tuottaa veden liike-energiasta yleensä sähköenergiaa vaikka se voi myös harvoin tuottaa mekaanista energiaa. Vesivoimalan tuottamaa energiaa kutsutaan myös vesivoimaksi. Jos veden liike-energia on etenevän liikkeen muodossa eli veden virtaamana, muutetaan etenevä liike vesiturbiinin pyörimisliikkeeksi, jolloin vesiturbiini pyörittää sähkögeneraattoria muuttaen pyörimisenergian sähköenergiaksi sähkömagneettisen induktion avulla.
Virtaavaa vettä esiintyy luontaisesti erikokoisissa joissa ja puroissa. Matalaan jokeen rakennetaan yleensä pato, jolla nostetaan vedenpintaa. Padon taakse sen alapuolelle sijoitetaan vesivoimalaitoksen rakennukset ja sähkögeneraattorit. Virtaavaa vettä esiintyy myös meren rannikoilla vuoroveden aikana ja erityisen voimakkaana meriveden virtaus käy rannikon matalissa merenlahdissa. Toisinaan on vettä käytettävissä paljon, mutta se ei virtaa. Silloin vesi johdetaan putkeen tai tunneliin, joka suunnataan alempana sijaitsevaan voimalaitokseen. Painovoima vetää veden putkessa vinoon putoamisliikkeeseen, jossa sen potentiaalienergia muuttuu hetkessä liike-energiaksi. Putken vesi suunnataan vesiturbiineihin ja edellä selostetulla tavalla siitä tuotetaan sähköenergiaa. Meren aaltoenergian hyödyntämisessä ei ole vielä kehitetty tehokkaita tapoja tuottaa sähköenergiaa. Aaltoenergiaa hyödynnetään pienissä aaltovoimaloissa monilla erilaisilla menetelmillä, mutta ne kaikki ovat vielä kokeiluasteella.
Jokivoimalaitos.
Jokivoimalaitos voidaan kutsua sellaisia vesivoimalaitoksia, joilla pääosa energiasta tulee veden virtauksen liike-energiasta ja pieni osa vedenpintojen korkeuserosta (, ja ). Tällaiset laitokset ovat yleensä pien- tai keskipaineella toimivia patolaitoksia.
Vedentulo.
Vesivoimalat, jotka hyödyntävät virtaavaa vettä, ovat rakenteeltaan hyvin samanlaisia. Vesi toimitetaan vesiturbiineille tulokanavaa myöten, jonne vesi saadaan maan pinnalla kulkevasta avokanavasta, vedenalaisesta umpikanavasta tai pitkästä vesiputkesta tai tunnelista. Erääissä joki- ja vuorovesivoimalaitoksissa turbiinit pyörivät vapaasti väljässä virtavedessä. Jokeen rakennetussa virtavesivoimalassa on kuitenkin yleistä rakentaa koko joen poikki matala pato, jolla nostetaan voimalan yläpuolella vedenpinnan korkeutta. Alavilla seuduilla pato ja joen rantojen penkereet ovat yleensä matalia, jolloin veden virtausnopeus turbiinin läpi on alhainen. Padon varastoima vesimäärä on yleensä niin pieni, ettei sillä ole virtauksen sääntelyn kannalta suurta merkitystä. Patoallasta voidaan verrata pieneen läpivirtausjärveen, jossa veden viipymä on korkeintaan päiviä.
Vesiturbiini.
Vesiturbiinien juoksupyörässä on akselin ympärillä sarja siivekkeitä, jotka on muotoiltu halutun vedenvirtauksen kannalta optimaalisesti. Siipien lukumäärä on juoksupyörän mallista riippuen kolmesta ylöspäin. Juoksupyörän ympärillä on johtopyörä, joka muotoillaan veden suuntaamiseksi mahdollisimman tehokkaasti juoksupyörälle. Johtopyörässä on vedentulon säätämiseksi kääntyviä siivekkeitä. Juoksupyörä ja johtopyörä muodostavat kokonaisuuden, jota kutsutaan vesiturbiiniksi.
Pienille veden virtausnopeuksille soveltuvia vesiturbiineja ovat Gorlov-, Ossberger-, Kaplan-, Francis-, Tyson- ja VHL-turbiini. Ne ovat toiminnaltaan yleensä reaktioturbiineja. Turbiiniin tulevasta veden pienestä virtausnopeudesta seuraa myös turbiinin pieni pyörimisnopeus, jolloin turbiinista voidaan valmistaa suuri.
Sähköenergiaa tuottaa sähkögeneraattori, joka sijaitsee voimalarakennuksessa lähellä turbiinia ja joka on kiinnitetty siihen yhteisellä akselilla. Pystyakselin käyttö on tyypillinen ratkaisu Kaplan- ja Francis-turbiinilla ja vaaka-akselin käyttö on yleinen Tyson-, Ossberger- ja Bank-turbiinin yhteydessä. Mikäli Kaplan- ja Francis-turbiinit sijaitsevat vesiputkessa, voivat niidenkin akseli pyöriä vaakasuorassa ja silloin voidaan sijoittaa generaattori putken ulkopuolelle. VHL-turbiini ja Gorlov-turbiini toimivat vaaka-akselin varassa, mutta ne ovat vasta yleistymässä.
Ennen turbiinia vesi ohjataan tuloputkessa virtaamaan joko akselin suuntaisesti (), akselia kohtisuoraan tai akselia kiertämään (). Viimeksi mainittu tapa sopii erityisen hyvin Kaplan- ja Francis-turbiineille, jossa vesi ohjataan spiraalilla juoksupyörän kanssa myötäsuuntaan ja päin juoksupyörän vinoja siivekkeitä. Kiinteäsiipisissä turbiineissa voimalan tehoa voidaan säätää kääntämällä vesitunnelin johtopyörässä sijaitsevia läppiä. Kaplan-turbiinissa tehoa säädetään kääntämällä juoksupyörän omia siipiä eri asentoihin.
Vedenpoisto.
Vesiturbiinin imuputki voidaan kääntää pois voimalasta, mutta se päättyy yleensä veden alla. Näin imuputkeen ei pääse ilmaa ja veden jäljelle jäänyt liike-energia auttaa putken tyhjentymistä ja osaltaan parantaa voimalan hyötysuhdetta. Myös turbiini voi sijaita poistuvan veden vedenpinnan alapuolella.
Säännöstelyvoimalaitos.
Säännöstelyvoimalaitos eli allasvoimalaitos on sellainen vesivoimalaitos, jonka energiantuotanto perustuu pääosin varastoaltaaseen varastoidun veden potentiaalienergiaan (, ). Tällainen voimalaitos on yleensä keskikorkealla tai korkealla paineella toimiva pato-, putki- tai tunnelilaitos.
Varastoallas ja vedentulo.
Esimerkiksi vuoristoisilla seuduilla voidaan hyödyntää syvän jokilaakson rinteitä varastoaltaan reunoina ja rakentaa voimalaitospato poikittain yli koko jokilaakson. Padon alaosaan ja sen sisään rakennetaan tuloputket koneasemille, jotka sijaitsevat laakson pohjalla. Tällainen patoallas täyttyy vedellä tekojärveksi, joka on kymmenien ellei satojen kilometrien pituinen. Toinen tapa on hyödyntää vuoriston yläosissa sijaitsevaa järveä tai tekojärveä. Sieltä johdetaan putket vuorenrinnettä alas putkivesivoimalaitoksen koneasemalle tai kallioon louhitaan tunneli alas maan tasalla sijaitsevaan tunnelivoimalaitokseen. Sen koneasema voi sijaita tunnelin alaosassa olevassa holvissa tai se rakennetaan tunnelin päähän vuoren ulkopuolelle rinteeseen. Voimalasta purkautuva vesi johdetaan lopuksi laaksossa sijaitsevaan jokeen, järveen tai mereen.
Voimalatyyppiä kutsutaan säännöstelyvoimalaitokseksi sen vuoksi, että sen varastoallas on tavallisesti hyvin tilava ja tämän vuoksi voimalan sähköntuotanto voidaan tarvittaessa pysäyttää pitkäksi aikaa ja vastaavasti voimalaa voidaan käyttää pitkän aikaa ilman varastoaltaan vesitäydennystä. Tämä on säännöstelyvoimalaitoksen tärkein ominaisuus, joka erottaa sen jokivoimalaitoksesta.
Vesiturbiini.
Varastoaltaan suuren hydrostaattisen paineen vuoksi vedellä on suuri potentiaalienergia, joka purkautuessaan antaa sille voimakkaan virtauksen ja nopeuden. Voimakkaat virtaukset saadaan tehokkaasti hyödynnettyä vesiturbiineilla, jotka perustuvat impulssiperiaatteeseen ja siksi niitä kutsutaan impulssi- eli aktioturbiineiksi . Eräs varhainen ja tehokas turbiini on Pelton-turbiini, joka on tälläkin hetkellä eräs eniten käytettyjä turbiineja. Suuripaineinen vesisuihku suunnataan juoksupyörän kuppeihin, jolloin sille muodostuu suuri pyörimisnopeus. Turgo-turbiini toimii samalla periaatteella, mutta se on hyötysuhteeltaan Pelton-turbiinia parempi. Jos vedelle voidaan antaa spiraaliputkella säteettäinen liike, voidaan voimalassa hyödyntää myös Francis-turbiinia, jossa vesi kulkee juoksupyörän läpi jokivoimalaitoksen tapaan.
Poistuva vesi.
Impulssiturbiinien vesi poistuu allasveteen eli useassa tapauksessa jokeen. Reaktioturbiineissa hyödynnetään vielä jäljellä olevaa liike-energiaa ja vesi poistetaan jokeen imuputkessa.
Pumppuvoimalaitos.
Pumppuvoimalaitokseksi kutsutaan voimalaitosta, joka täyttää itse oman varastoaltaansa vedellä silloin, kun sähköenergiaa tuotetaan yli kulutustarpeen. Voimalaitos ostaa silloin sähköenergiaa sen keskihintaa halvemmalla hinnalla, jolla se sitten pumppaa vettä varastoaltaisiinsa. Kun kulutus ylittää sähköenergian tarjonnan, myy voimalaitos varastoaltaistaan tuottamaansa sähköenergiaa sen keskihintaa kalliimmalla hinnalla kuluttajille.
Vaikka pumppuvoimalaitos tuottaakin rahallista voittoa, niin se ei tuota ollenkaan sähköenergiaa eikä sitä voi siten pitää energialaitoksena. Vaikka sillä on tärkeä rooli energiantuotannon ja sen säätövoiman apuna, katoaa sen toiminnan johdosta jonkin verran sähköenergiaa. Hävikki on kuitenkin pienempi kuin jokivoimalaitoksien ohijuoksutuksissa menetettävä sähköenergia. Suomessa ei ole käynnissä itsenäistä pumppuvoimalaitosta.
Vuorovesivoimalaitos.
Vuorovesi syntyy, kun Kuu ja Aurinko vaikuttavat maanpinnalla painovoimaa voimistavasti tai heikentävästi. Koska Kuu vaikuttaa Maahan enemmän, syntyy vuorovesi-ilmiö kahdesti vuorokaudessa. Auringon vuorovaikutus Maahan on pienempi kuin Kuulla eikä sillä ole itsenäistä osaa vuorovesivoiman tuotannossa. Vuorovesivoimalan toiminta on siten periodista ja suora vuorovesivoiman tuotanto on siten mahdollista kahdesti vuorokaudessa. Vuorovesivoiman tuotanto on vaikeampaa kuin jokien vesivoimantuotanto eikä siitä ole vielä riittävää kokemusta.
Käynnissä olevissa voimaloissa hyödynnetään tietyillä merenrannikoilla siellä voimakkaana esiintyvän nousuveden ja laskuveden välistä korkeuseroa, joka saa meriveden virtaamaan sen siirtyessä rannikon matalien ranta-alueiden ja avomeren välillä. Nousuvesi suljetaan vuorovesipadon sisälle lahdenpohjukkaan ja vesimassa päästetään laskuveden aikana vesiturbiinien läpi takaisin mereen. Pienissä kokeiluvoimaloissa on tutkittu muita menetelmiä tuottaa sähköä. Eräs tapa hyödyntää vuorovesivoimaa on hyödyntää suoraan vesimassojen virtauksia ja niiden liike-energiaa otetaan talteen vapassa vedessä pyörivillä vesiturbiineilla.
Aaltovoimalaitos.
Tuuli nostaa vedenpinnalle aallokon, johon on sitoutunut osa tulen liike-energiasta. Veden aaltoliike sisältää suhteellisen paljon aaltovoimaa, mutta toistaiseksi sen valjastaminen sähköenergiaksion ollut vaikeaa ja tehotonta. Aaltovoimalaitokset ovat vasta kokeiluasteella ja kokeiltavana onkin erilaisia periaatteita, joilla aallon energiasta saataisiin mahdollisimman paljon talteen. Ensimmäisiä kapallisia voimalaitoksia ollaan ottamassa käyttöön. Niiden yleistymiseen vaikuttaa voimaloiden halpa hinta, mutta toisaalta niiden tuotanto on ainakin aluksi vaatimatonta.
Portugalin pohjoisrannikolla on ollut toiminnassa kokeiluluonteinen 21 MW:n pienvoimala vuodesta 2008 alkaen. Pingviiniksi ristitty suomalaisen suunnittelema aaltovoimalan teho on noin 0,5 MW ja ensimmäinen Pingviini on myyty Skotlantiin vuonna 2019.
Voimalaitoksen tuotannon arvioiminen.
Tuotantoluvut.
Vesivoimalaitoksen hetkittäinen sähköntuotanto vaihtelee voimalan läpi kulkevan veden virtaaman ja virtausnopeuden mukaan. Voimalaitoksen tuotantokapasiteetilla tarkoitetaan suurin mahdollista sähköntuotantoa, joka voimalaitos pystyy tuottamaan. Se saavutetaan, kun kaikki sen turbiinit toimivat yht'aikaa suurimmalla vedenvirtaamalla ja suurimmalla veden virtausnopeudella. Ylimäärä vedestä johdetaan silloin yleensä voimalaitoksen ohi ohijuoksutuksena.
Vesivoimalaitoksen sähköenergian vuosituotanto ilmoitetaan yleensä gigawattitunteina (GWh) tai terawattitunteina (TWh). Silloin miljoona megawattituntia (MWh) on
1 000 000 MWh = 1 000 GWh = 1 TWh.
Esimerkiksi Imatrankosken voimalaitos, joka on Suomen suurin vesivoimalaitos, tuottaa energiaa noin 1 000 GWh vuodessa. Koska voimalaitoksen tuotantokapasiteetti on 192 megawattia (MW), voidaan teoreettinen vuosituotanto laskea megawattitunteina. Koska vuorokaudessa on 24 tuntia ja vuodessa on 365 vuorokautta, niin vuosituotannon teoreettinen maksimiarvo on
24 · 365 · 192 MW = 1 681 920 MWh ≈ 1 682 GWh.
Voimalan todellinen tuotanto verrattuna teoreettiseen maksimituotantoon on prosenteiksi muutettuna 
formula_1
Hetkellinen tuotantoteho ja vuosituotanto.
Voimalaitoksen hetkittäinen sähköenergian tuotantoteho P ilmoitetaan yleensä kilowatteina (kW), megawatteina (MW) tai gigawatteina (GW). Perusyksikkö watti (W) ilmoittaa, montako joulea (J) energiaa syntyy sekunnissa. Tehon P laskukaavassa
formula_2
missä formula_3 on voimalaitoksen, turbiinien ja sähkögeneraattorin yhteinen hyötysuhde, formula_4 on veden tiheys 1 000 kg/m³, formula_5 putoamiskiihtyvyys maanpinnalla, formula_6 on veden hetkellinen virtaama (m³/s) sekä formula_7 patoaltaan ja voimalan alajuoksun vedenpintojen korkeusero (metriä). Voimalaitoksen vuosittainen energiantuotto E voidaan karkeasti arvioida laskukaavasta
formula_8
missä formula_9 on vuodessa voimalaitoksen läpi virrannut vesimäärä (m³). Muut suureet ovat samat kuin edellisessä tuotantotehon laskukaavassa. Kaavalla laskettu tulos on jouleja, jotka on vertailun vuoksi sen jälkeen muutettava wattitunneiksi (1 kWh = 3,6 MJ).
Historia.
Vesivoimaa hyödynnettiin ensimmäisen kerran teollisesti sähköenergian tuottamiseen vuonna 1880, jolloin 16 kaarilamppua sai virtansa vesivoimasta michiganilaisessa tuolitehtaassa. Vuonna 1882 avattiin ensimmäinen varsinainen sähköä tuottava vesivoimala Fox Riverille, Appletonissa, Wisconsinissa. Neljä vuotta myöhemmin Pohjois-Amerikkaan oli rakennettu 45 vesivoimalaa ja ennen vuosikymmenen loppua Yhdysvalloissa sähköä tuotti jo yli 200 vesivoimalaa.