Vesivoima

Vesivoima on energiaa, joka on tuotettu vesivoimalaitoksessa virtaavan veden liike-energiasta tai putoavan veden potentiaalienergiasta ja joka on muutettu muuksi energiamuodoksi kulloisenkin käyttötarpeen mukaan . Aikaisemmin vesivoimaa käytettiin muuttamaan veden liike mekaaniseksi liikkeeksi, jolla voitiin esimerkiksi jauhaa viljaa pyörivien myllynkivien välissä, sahata lautaa epäkeskolla liikuteltavien sahanterien avulla, takoa rautaa raskaiden kankivasaroiden avulla, ja teollisen vallankumouksen alettua, käyttää mekaanista voimaa kankaiden kutomiseen kutomakoneilla, nostureiden, hissien ja pumppujen koneistojen pyörittämisessä. Nykyään vesivoima muutetaan pääasiassa sähkögeneraattoreilla sähköenergiaksi, joka voidaan helposti siirtää kauas sen tuotantopaikasta .
Vesivoiman energiantuotanto.
Vesivoimalan energiantuotantoa kuvataan tavallisesti kahdella suureella: tuotantokapasiteetti ja vuosituotanto. 
Tuotantokapasiteetti.
Tuotantokapasiteetti eli tuotannon maksimiteho tai koneteho ilmoittaa voimalan suurimman mahdollisen tuotantotehon, jonka voimala pystyy toimittamaan sähköverkkoon. Silloin voimalan yläpuoliset resurssit ovat kaikki käytössä ja voimalan läpi virtaa se määrä vettä, jonka se on suunniteltu pystyvän rakenteellisesti käsittelemään. Voimalan kaikki vesiturbiinit ovat silloin yhtä aikaa käytössä ja kunkin tuotanto on saavuttanut rakenteellisen huippuarvonsa. Jos vettä virtaa vesistössä enemmän kuin voimala pystyy hyödyntämään, se päästetään voimalan ohi sitä varten rakennetusta ohijuoksutuskanavasta. Toisaalta, jos vettä on vähemmän, voidaan osa voimalan turbiineista pysäyttää ja ohjata vesi muiden turbiinien läpi. Kapasiteetti ilmoitetaan yleensä watteina (W), joka voi kertaantua etuliitteineen muotoihin kW, MW ja GW.
Vuosituotanto.
Voimalan vuosituotanto (, ja ) kertoo todellisen energiantuotannon, jonka voimalaitos on toimittanut sähköverkkoon. Sen todellisesta vuosituotannosta on vähennetty pois voimalan oma sähkönkäyttö, joten sen ilmoittama arvo on sen nettoarvo. Vuosituotanto ilmoitetaan yleensä yksikössä wattituntia (Wh), joka voi kertaantua etuliitteineen muotoihin kWh, MWh, GWh tai TWh.
Sähköenergian tuotanto.
Maailman sähköenergiasta tuotettiin vuonna 2014 vesivoimalla 15,9 prosenttia. Vesivoimaa voidaan tuottaa runsaasti vuoristoisilla ja sateisilla alueilla kuten esimerkiksi Norjassa ja Ruotsissa, alppimaissa ja Kanadassa. Vesivoimaloita on myös suurissa hitaasti virtaavissa joissa. Kehittyneiden maiden vesivoima on jo lähes kokonaan hyödynnetty, ja vesivoiman rakentamisen painopiste on siirtynyt kehittyviin maihin. Maailman vesivoiman tuotantokapasiteetti oli vuonna 2016 noin 1 096 gigawattia (GW) ja vuosituotanto noin 4 100 terawattituntia (TWh).
Vesivoimalähteitä.
Jokivesivoima.
Virtavedet, kuten esimerkiksi joet, purot ja pienemmät ojat, saavat vetensä pääasiassa alueelle tulevista sateista. Mantereiden sateet ovat osa veden kiertokulkua, jossa sekä meristä että mantereilta ilmakehään haihtuvasta vesihöyrystä sataa osa maalle muodostaen virtavesiä. Höyrystyminen saa energiansa auringon säteilystä, ja sataessaan maahan osa siitä jää vesivoiman hyödynnettäväksi.
Aikaisemmin on käytetty kaikenkokoisia virtavesiä vesivoiman lähteenä. Aluksi hyödynnettiin virtaveden liike-energiaa eli inertiaa, kun veden liike pyöritti vaakasuoraa tai pystysuoraa vesiratasta. Vedellä ei tarvinnut olla suurta putoamiskorkeutta, jotta sille olisi muodostunut vesirattaalle riittävä virtausnopeus. Tavanomaisia paikkoja voimalalle olivat virtapaikkojen ja koskien rannat sekä pienten putousten alapuolet. Suoraa virtausta käyttäneet voimalat kärsivät vedenpuutteesta heti, kun uoman virtaamat pienenivät .
Nykyisissä vesivoimaloissa hyödynnetään myös varastoaltaita, joiden avulla tasataan virtaamien vaihteluita. Varastoaltaina toimivat yleensä tavalliset järvet, tekojärvet tai patoaltaat, jotka voivat sijaita kaukanakin voimalasta. Jos patoallas on rakennettu aivan voimalan yhteyteen, voidaan vedenpintaa nostamalla hyödyntää vedenpintojen korkeuserosta syntyvän hydrostaattisen paineen potentiaalienergiaa ja siitä vapautuvaa liike-energiaa. Tällöin vesivoimalan energiantuotanto muodostuu veden pienen potentiaalienergian avittamana joen suuresta virtaamasta. Näitä voimaloita voisi kutsua jokivoimalaitoksiksi (, ja ) . Esimerkki tällaisesta on Ukrainan Dneprjoessa sijaitseva Dneprin vesivoimalaitos. Suurin osa suomalaisista vesivoimaloista on tällaista tyyppiä.
Virtavesissä sijaitsevat vesivoimalat eivät voi varastoida vettä kovinkaan paljoa, sillä useimmat niistä sijaitsevat alavilla alueilla ja niiden patoaltaiden reunavallit ovat matalat. Veden jatkuva virtaus pakottaa juoksuttamaan vettä voimalan ohitse aina, kun sähköenergian kysyntää ei ole.
Allasvesivoima eli säännöstelyvesivoima.
Vettä voidaan varastoida korkealla sijaitsevaan varastoaltaaseen, tekojärveen tai luonnolliseen järveen . Tällöin hyödynnetään virtaavan veden liike-energian sijaista järven korkeudesta syntyvää veden suurta potentiaalienergiaa. Korkeassa vedenpaineessa syntyy voimakkaita vesisuihkuja, ja toimiakseen tehokkaasti voimalat tarvitsevat toisenlaiset vesiturbiinit kuin jokivoimalaitokset. Vesivarastosta laskettavaa vettä voidaan jokivoimaloista poiketen säännöstellä aina kysynnän mukaan ilman vesihävikkiä.
Voimalan tarvitsemaa vettä otetaan vuoristoissa esimerkiksi järvistä, jotka sijaitsevat korkealla laaksojen yläpuolella. Vuoriston järviä voidaan lisäksi padota suuremmiksi tekojärviksi, jotta niiden kapasiteetti olisi riittävän suuri. Järvien vesi on yleensä peräisin vuoriston runsaista vesisateista tai lumisateista. Vesivoimala sijoitetaan laaksoon ja vesi toimitetaan voimalalle pitkin rinteitä laskevia vesiputkia tai kallioon louhittuja tunneleita.
Vuoristoissa voidaan myös hyödyntää korkeita laaksojen rinteitä syvien varastoaltaiden rakentamisessa. Tällaiset altaat tarvitsevat korkeat ja vahvat padot. Vesi otetaan voimalalle padon juuresta, jossa vedenpaine on suurin. Myös tällaiset patoaltaat toimivat pääasiassa veden varastona, eikä niiden läpivirtaus ole yleensä kovin suuri suhteessa altaan tilavuuteen. Tällaisia voimaloita voisi kutsua allasvoimalaitoksiksi tai säännöstelyvoimalaitoksiksi (, ) . Esimerkki tällaisesta järjestelystä on Las Vegasin Hooverin voimalaitoksesta, joka hyödyntää Coloradojoen kanjoneita patoaltaassaan. Samanlainen on luonteeltaan Kiinan Jangtsejokeen rakennettu Kolmen rotkon pato, jonka patoallas tarvitsi noin seitsemän vuotta aikaa täyttyäkseen. Sveitsin Grande Dixencen vesivoimalaitoksen tekojärvi sijaitsee 1 748 metriä voimalan yläpuolella vuorilla. Tekojärveen saadaan vuosittainen vesitäydennys keväisin, kun alueen jäätiköt sulaavat. Suomessa vastavalla periaatteella toimii Kemijärvellä sijaitseva Jumiskon voimalaitos, jonne johdetaan vettä 18 kilometrin päästä etelästä Posiolla sijaitsevista järvistä.
Suuri varastoallas mahdollistaa vesivoiman varastoinnin. Jos sähkön kysyntä laskee, mutta joessa virtaa edelleen vettä, voidaan sähköllä pumpata vettä korkealla sijaitsevaan varastoaltaaseen. Kun sähkön kysyntä taas kasvaa, voidaan lisävoimaa tuottaa varastoidun veden vesivoimalla. Tällaisilla pumppuvoimaloilla oli vuonna 2015 kapasiteettia yhteensä noin 150 GW (, ).
Vuorovesivoima.
Valtamerien vuorovesi nostaa ja laskee vedenpintoja tavallisesti nollasta noin 1,3 metriin. Joillakin rannikoilla on vuoroveden nousuveden ja laskuveden välinen korkeusero useita metrejä. Tämä on mahdollista matalien rannikoiden suppenevissa lahdissa. Silloin vuoroveden nousut ja laskut aiheuttavat merivirtauksia kohti ja pois rannikolta.
Vuorovesivoimaloita on kahdenlaisia. Vanhimmat voimalat () vangitsevat nousuveden lahden suuhun rakennetun padon taakse tekoaltaaseen, joka jää padon taakse lahden pohjukkaan. Kun laskuveden aikana meriveden pinta laskee, voidaan altaassa oleva vettä päästää turbiinien läpi takaisin meteen. Uudempi vesivoimala () toimii vain veden virtauksen eli veden liike-energian avulla. Periaate on siten sama kuin tuulivoimalalla.
Vuorovesivoimaa tuottavat toistaiseksi vain muutamat laitokset. Niiden yhteinen tuotantoteho oli vuonna 2015 noin 536 megawattia (MW), josta 90 % eli 494 MW tuotetaan Etelä-Korean Shiwan ja Ranskan La Rancen voimalassa. Kummatkin voimalat hyödyntävät meriveden virtauksen liike-energiaa samalla tavalla kuin jokivoimalaitokset, joissa on sääntelyssä apuna matala patoallas. Useita uusia vuorovesivoimaloita on suunnitteilla eri puolilla maailmaa.
Aaltovoima.
Tuuli nostaa vedenpinnalle aallokon, johon on sitoutunut osa tuulen liike-energiasta. Veden aaltoliike sisältää suhteellisen paljon energiaa, mutta toistaiseksi sen valjastaminen vesivoimaksi on ollut vaikeaa ja tehotonta. Portugalin pohjoisrannikolla on ollut toiminnassa kokeiluluonteinen 21 MW:n pienvoimala vuodesta 2008 alkaen.
Suomessa aaltoenergiaa on tarjolla vain vähän. Siksi onkin yllättävää, että täälläkin on asiaan tartuttu omalla kehitystyöllä. Pingviiniksi ristitty aaltovoimalan teho on noin 0,5 MW ja ensimmäinen voimala on myyty Skotlantiin vuonna 2019.
Ympäristövaikutukset.
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.
Vuonna 2018 julkaistu tutkimus kyseenalaistaa suuret patoprojektit niiden sosiaalisten ja ympäristövaikutusten takia.
Päästöt.
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 CO2-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.
Vaikutukset kalakantoihin.
Vesivoiman vaikutukset kalakantoihin ovat pahimmillaan dramaattisia patojen estäessä vaeltavien kalalajien nousun, ja koska muutoin virtauksien mukana liikkuva orgaaninen aines jää paikoilleen alentamaan veden happipitoisuutta.
Ympäristömerkitty vesivoima.
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:
Turvallisuus.
Vesivoimalan padon murtuminen voi aiheuttaa suuren onnettomuuden. Maailman vakavin pato-onnettomuus sattui 8. elokuuta 1975 Kiinassa, kun Banqiaon pato murtui taifuunin aiheuttamien valtavien vesisateiden takia. Onnettomuus aiheutti 171 000 ihmisen kuoleman, joista 26 000 hukkumalla ja loput tulvasta seuranneeseen nälänhätään ja tauteihin. Epävirallisten arvioiden mukaan uhreja oli jopa 230 000.
Teollisuusmaissa vesivoimalaonnettomuuksia on sattunut paljon harvemmin kuin kehitysmaissa. Sveitsiläisen Paul Scherrer -instituutin tietokannasta, johon on kerätty energiaan liittyviä onnettomuuksia vuosilta 1970–2008, löytyy vain kaksi suurta teollisuusmaissa tapahtunutta vesivoimalaonnettomuutta: Tetonin padon murtuminen Yhdysvalloissa 1976 aiheutti 14 ihmisen kuoleman, ja Belcin padon murtuminen Romaniassa 1991 aiheutti 116 ihmisen kuoleman.
Vesivoimaloiden patoja on tuhottu myös tahallaan osana sotatoimia. Esimerkiksi toisessa maailmansodassa elokuussa 1941 Neuvostoliitto räjäytti Ukrainassa sijaitsevan Dneprin vesivoimalan padon. Tarkoituksena oli hidastaa natsi-Saksan armeijan etenemistä. Räjäytys aiheutti kymmenientuhansien ihmisten kuoleman. Venäjän hyökkäyssodassa Ukrainaan kesäkuussa 2023 räjäytettiin Kah'ovkan vesivoimalan pato. Tulva-alueelta evakuoitiin ainakin 17 000 ihmistä.
Vesivoimaloita.
Suurimmat vesivoimalat.
Maailman suurimpia voimalaitospatoja ovat:
Suomen vesivoimaloita.
Euroopan unionin alueella tilastoidaan vesivoimalaitokset kolmessa kategoriassa: suuret vesivoimalat (teholtaan yli 10 megawattia (MW)), pienet vesivoimalat (1–10 MW) ja minivoimalat (alle 1 MW). Suomessa ensimmäinen vesivoimalla toimiva sähkölaitos otettiin käyttöön 22. syyskuuta 1891 Tampereella. Vuonna 1928 otettiin käyttöön Imatrankosken voimala Vuoksessa Jääskessä, nykyisellä Imatralla. Voimala on 192 MW tehollaan edelleen Suomen suurin. Suomessa tuotettiin 2010-luvulla vesivoimalla sähköenergiaa 3 100 MW:n teholla noin 10–15 TWh vuodessa. Tämä on alle viidennes kaikesta sähköntuotannosta Suomessa.
Pienvoimalaitokset.
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. Euroopan unionin alueella on pien- ja minivoimaloiden tilastoitu tuottaneen vuonna 2016 yhteensä 47,17 TWh sähköenergiaa. Ohessa on näiden voimaloiden tuotantomäärät EU-maittain vuonna 2016.
Historiaa.
Ensimmäisiä tietoja vesirattaan käyttämisestä vesivoiman saamiseksi on ajalta 4000 eaa. Vesiratas tunnettiin eri puolilla Euraasiaa ja Afrikkaa. Tiedetään myös, että roomalainen insinööri Vitruvius käytti pystyasentoisia vesirattaita vesivoimaloissaan. Niillä jauhettiin ja siivilöitiin viljaa sekä siirrettiin vettä asutuskeskuksiin. Vesiratas levisi Välimereltä kaikkialle Eurooppaan, jossa sitä käytettiin keskiajalla runsaasti tuulimyllyn rinnalla. Vesirattaat levisivät Ruotsi-Suomeen asti noin 1350-luvulla . 
Pienten vesivoimaloiden antamalla mekaanisella energialla pyöritettiin monia työ- ja apuvälineitä Euroopassa jo 1700-luvulla. Vesivoimalla oli suuri merkitys teollisen vallankumouksen alkamisessa 1850-luvulla, sillä vesivoiman avulla kehitetyt koneistamisen ratkaisut olivat valmiina. Vesivoiman korvasi pian kuitenkin höyryvoima, joka oli tehokkaampaa ja paremmin säädeltävissä kuin vesivoima sekä riippumaton virtaveden paikasta.
Vesivoiman hyödyntäminen koki toisen renessanssinsa vasta sähkögeneraattorien ja sähköenergian hyödyntämisen alettua. Vesivoimaa oli tuotettava siellä, missä sitä oli saatavana. Toisaalta energiaa haluttiin kuluttaa aivan toisaalla. Energian muuttaminen sähköksi mahdollisti sähköenergian jakelun sähköverkkoja pitkin muualle ja tämä ominaisuus lisäsi vesivoiman kysyntää suuresti. Sähköistämisen rinnalla kehittyivät myös vesiturbiinit, joiden kehitys oli nopeaa 1900-luvun alkuun asti.