Sähköverkosta
Sähköverkossa vallitsee Kirchoffin Laki: Verkko ei varastoi mitään. Siis verkkoon on syötettävä yhtä paljon energiaa, kuin sillä hetkellä on kulutusta. (Maallikot mieltävät verkkoon kuuluviksi osiksi usein myös generaattorit ja kuormat, näin ei ole.)
Jos tuotantoa on liikaa, sitä on vähennettävä -- tai kuormaa on lisättävä. Kun tällainen tuotantovaihtelu voi olla satoja megawatteja muutaman minuutin skaalassa, se aiheuttaa melkoista päänvaivaa sekä sähköverkolle, että tuotantolaitoksille.
Mutta miksi meillä ylipäätään on isoa infrastruktuuria sähköverkon kanssa? Eikö paikallinen tuotanto lähellä kulutusta olisi parempi?
Ensimmäinen sähköä tuottanut voimalaitos toki tehtiin Suomessakin jo 1800 luvun lopulla: Tammerkoski 1891. Nykyinen laajamittainen jakeluverkko ja isoilla laitoksilla tapahtuva tuotanto on melko uusi juttu. Tarkkaan ottaen toisen maailmansodan jälkeistä aikaa, vaikkakin sähköverkon rakentaminen Suomessa voidaan katsoa alkaneen 1920 luvulla kun Imatran Kosken voimalaitos tehtiin ja sen tehoa alettiin jaella kauemmas.
Meillä on isoissa kaupungeissa suunnilleen omaa kulutusta vastaava määrä tuotantoa, erityisesti tämä koskee kaukolämpöä, mutta usein myös sähköä. Pääosa tästä on lauhdelämpötuotannolla joka polttaa erilaisia polttoaineita -- kivihiiltä, maakaasua, turvetta, jätteitä, jne, koska olemme melkoisen lattealla maaperällä eikä vesivoimaa siksi ole niin runsaasti käytettävissä kuin haluaisimme.
Opportunistinen tuotanto
Tällaista on kaikki sellainen tuotanto joka riippuu voimakkaasti olosuhteista.
Tuulituotannolla näyttää pätevän että yksittäisen laitoksen tuotannon vuosikeskiarvo on noin 30% nimellisestä tehosta. Valitettavasti se ei kuitenkaan ole tasaista, vaikkakin melko ennustettavissa nykyisillä säämalleilla.
Tuotantoa tehdään silloin kun sää sitä suosii -- ja jos kysyntä ei vastaakaan tuotantoa, markkinasähkön hinta putoaa. Toisaalta jos sää ei suosi, muuta tuotantoa tarvitaan enemmän ja hinta muuttuu sen mukaan. (Tätä kirjoittaessa FennoScan2 tasavirtalinkki on juuri särkynyt Suomen ja Ruotsin väliltä, joka merkitsee pienentynyttä rajakapasiteettia ja merkittävästi kohonnutta sähkön hintaa huippukulutuksen aikana suhteessa muihin pohjoismaihin.)
Saksassa on kuitenkin poliitikot päättäneet tarjota opportunistiselle tuotannolle takuuhinnan ja prioriteetin syöttää tehoa verkkoon, vaikka kulutusta ei olisikaan. Silloin pitää säätää jotain muuta voimaa alas ja se mitä Saksassa (ja Tanskassa ja Hollannissa) käytetään säätöön on hiililaudevoima. Eihän se aina ole päällä pukkaamassa CO2:sta ilmoille, mutta parempiakin ratkaisuja olisi tarjolla.
Sähkövarastot opportunistiselle tuotannolle
Jotta sähköä on tarjolla silloin kun sille on kysyntää, eikä vain silloin kun sattuu sopiva sää. tarvitaan varastoratkaisuja. Nämä tunnetaan yleisnimellä "akku", vaikka tekniikka ei sähkökemiaa olisikaan.
Akkuratkaisuissa kokonaishyötysuhde on noin 70% olipa tekniikka mitä tahansa. Häviöiden sijoittuminen vaihtelee tekniikoittain. (Joskus häviöitä on paljonkin enemmän, mutta paljoa yli 70%:sta ei näytä päästävän kokonaishyötysuhteessa.)
Pienillä tehotasoilla sähkökemiallinen akustotekniikka pärjää varsin hyvin pientuottajan/-käyttäjän omina investointeina. Todella suurilla tehoilla ei kalliit pääomakustannukset haittaa niin paljoa. Verkko-UPS ratkaisuja on mm.
Fairbanksissa Alaskassa, jossa on sähkökemiallinen akusto tukemassa paikallista verkkoa niin että kaupungin sähköverkossa kuluttajien kokemat häiriöt (yleensä ulkopuolista alkuperää) ovat vähentyneet noin kymmenesosaan.
Uusia akustokemioita kehitellään, mutta ne ovat tyypillisesti kalliita ratkaisuja per MW isoilla tehoilla. (Niin oli Fairbanksin systeemikin - noin USD 35M/40MW*7minuuttia, mutta parempaa ei ollut tarjolla.)
Kokeellisina ratkaisuina on mm. vauhtipyöriä (1-100 MW; esimerkiksi suurta pulssitehoa syövien tutkimuslaitteistojen tehonsyötössä: ladataan hitaammin ja puretaan nopeasti) mutta niissä ei tyypillisesti ole kovinkaan monen tunnin säilyvyysaikaa pyörimismomentilla.
Monien tekniikoiden väitetään olevan edullisia 1-100 MW skaalassa.
Tavoiteltaessa useamman GW tehoa, tulee painovoima-akku järkevimmäksi, mutta sen haittapuolena on korkea alkupääoman ja sopivan topografian tarve.
Painovoima-akku tasamaalla
Painovoima-akun pääpiirre on, että jotain raskasta mutta helposti siirrettävää siirretään korkeussuunnassa ja tämän siirron yhteydessä voidaan potentiaalienergiaa varastoida tai vapauttaa.
Tällaista "raskasta" on yleensä vesi jota kuljetetaan kahdella eri korkeudella olevan altaan välillä. Korkeuseron kasvatus pienentää virtaama-tarvetta samassa suhteessa.
Siispä jos tarjolla on 100 metriä korkeuseroa, tai 1000 metriä, tarvittava massavirta on jälkimmäisessä tapauksessa kymmenesosa samaa tehoa tavoiteltaessa.
"No mutta eihän meillä ole korkeita vuoria minne tehdä tekojärviä!"
No eipä tarvitakaan. Sen sijaan meillä on hyvää kalliota jonne tehdä onkaloita.
Kaivosonkaloiden teko kallioon on myös melko helppoa puuhaa. Esimerkiksi Tytyrissä on 100 metrin läpimittaisia luolia joista malmia on louhittu pois. Suurimpiin tällaisiin maanalaisiin luoliin on graniittiin tehty täysimittaisia jäähalleja, mutta tavallisemmat rakennelmat ovat matalalla ollessaan noin katon leveyden verran kallion pinnan alla olevia luolia. Kilometrin syvyydessä tämä peukalosääntö antaa kilometrin mitan, mutta todellisuudessa raja on 30-100 metriä kiven laadusta riippuen.
Tällaisen onkalon vetoisuus on helposti miljoona kuutiometriä, mutta voimalaitoskäytössä tarvitaan 10-20 miljoonaa kuutiometriä ala-allasta, eli useampi säiliö.
Katsotaanpa energiamäärää vs. massatilavuus vs. korkeusero:
Epot = m g h
1000 kg * 9.81 m/s² * 1000 metriä → 9.81 MJ.
Massavirralla 1000 kg/s (vettä 1 m³/s) tuo on 9.81 MW.
Generaattorin hyötysuhteella 0.90 (pelton turbiini + generaattori) 100 MW tuotantotehoinen laitos tarvitsee 1000 metrin korkeuserolla toimiakseen massavirran 11.3 m³/s.
Sisäläpimitaltaan 4.0 metrisessä putkessa tuo merkitsee virtausnopeutta noin 0.9 m/s. (Tämä on hiukan alle 0.5 miljoonaa kuutiota per 12 tuntia.)
Korkeuserolla 100 metriä tarvittava virtaama on 10 kertainen jonka saa aikaan nostamalla putken läpimittaa ja veden virtausnopeutta.
Jos alasäiliön pinnankorkeusvaihtelu on suuri, on myös melkoinen korkeusero pelton turbiinin ja säiliötä tyhjentävän pumpun välillä. Voight:in ratkaisuissa voi olla 30 metriä korkeuseroa, mutta 100 metriä on todennäköisesti liian pitkä pystyakseli. 100 metriä pumppauksen lisäkorkeutta (1000 metrin turbiinin syöttökorkeuteen nähden) merkitsee myös pumpun tehotarpeen kasvua noin 10% suhteessa nollaeroon heikentäen näin akun suorituskykyä.
Suurilla korkeuserolla paras turbiiniratkaisu on Pelton, kun taas keskisuurilla (50-800 metriä) se on yleensä Francis. Pelton kuitenkin tarvitsee ilmakammion jonne syöttövesi tulee, kun Francis on ilmaton ja sen verran syvällä vedessä, ettei turbiini kavitoi (alasäiliön alavedenkorkeuden alla.)
Puolen kilometrin syvyyteen kaivettu Francis pumppulaitos tarvitsee noin tuplakokoiset säiliöt verrattuna kilometrin syvyydellä olevaan saman tehoiseen laitokseen. Generaattori ja pumppu saattavat olla erilliset ratkaisut.
Puolen kilometrin syvyydessä 100MW tehoinen pumppugeneraattori meren rannalle rakennettuna tarvitsee 12 tunnin tuotantoa varten noin 1.0 miljoonaa kuutiota alakammiota.
Lisäämällä tehoa laitos tarvitsee vastaavasti enemmän alakammiota.
1000 MW pumppulaitostehoa 500 metrin korkeuserolla 12 tuntia → 10 miljoonaa kuutiota vettä. Tekemällä varastoluola joka on 50 metriä leveä ja 50 metriä korkea sen pituutta tarvitaan 400 metriä per miljoona kuutiota. Siis 4 kilometriä pitkänä 1000MW/12h käytölle. Tai 4 rinnakkaista kammiota 1.0 kilometriä pitkinä.
Tekemällä sama 2 km syvälle, tarvitaan enää 1.0 kilometriä pitkä alakammio.
Suurimmat kiveen kaivetut laitosluolat ovat 200 metriä pitkiä, mutta vain 30-40 metriä leveitä.
Laitoksia voi myös rakentaa vaiheissa -- alakammio koostuu sarjasta 50x50x200 metrin kammioita joilla on vähintään kammion korkeuden verran seinää välissään.
Samoin 100 - 300 MW koneikkoja voi rakentaa useampia. Rakentaminen helpottuu, kun ajotunneli ja hissikuilut on tehty ensimmäisessä vaiheessa ja varsinaiset vesitunnelit päästään tekemään poraamalla.
Silti pääomakustannukset ovat 0.1 - 1.0 Meur/MWh laitoskapasiteettia, mutta kapasiteetin lisääminen on halvempaa vanhaan paikkaan, kuin täysin uuden paikan perustaminen.
Jos tarjolla on 500-2000 metriä syvä kaivos hisseineen ja ajotunneleineen, tulee laitoksen perustaminen entistäkin halvemmaksi, kun voidaan tukeutua olemassaolevaan infraan.
Tunnelin kustannukset
Avolouhinta maan pinnalta maksaa noin 15€/m³ (miljoonan kuutiometrin määrissä). Maan alla enemmän. Viettävän ajotunnelin teko on omalla tavallaan haastavaa ja mitä pidempänä se tehdään, sitä vaikeampaa se on pitkittyvän louheen poistomatkan takia. Sanokaamme 5x8m² poikkileikkauksisen tunnelin kaivuu maksaa 150€/m³ → 5.2 M€/km. (Tuo on puolet moottoritietunnelin hinnasta, joka julkaistu hinta sisältää muutakin kuin vain reijän kivessä.)
Posivan Onkalon kustannukset puolen kilometrin syvyyteen sisältäen noin 5 kilometriä viistoa ajotunnelia + pystykuiluja + käsittelyluolia raakapintana on noin 60 M€. Puhtaana valistuneena arvauksena siis lähes puolet hinnasta tulee vinosta ajotunnelista.
Tekemällä 10 tai 20 kilometriä tunnelia (spiraalia) joka palaa aina välillä pystykuilun lähelle (mahdollistaen tunnelilouheen siirto hissillä esim. 200 metrin tasojen välein ylös, eli 10% vinoudella 2 km välein) pitkän umpiperän louhepoisto helpottuu tehden hommasta edullisempaa.
Kun ajotunneli ja hissikuilu on saatu kilometrin syvyyteen, on projektin aloitusinfran kustannukset luokkaa 150 M€ (reilu tuplat Onkalon hinnasta, mutta niin on syvyyskin.)
Vasta sitten päästään rakentamaan laitosluolia, vesikuiluja, sähkökuiluja..
Homman halvin osus on tehdä pysty tai hieman vino kuilu jota pitkin vesi virtaa. Sen saa helpoimmin nostavalla aarporaustekniikalla ("Raise Borer",) jossa ylhäältä porataan 200-300 mm pilottireikä (pystyyn/hieman vinoon) ja kun se on saavuttanut pohjatasoon tehdyn luolan, terä (ja joskus myös poraputki) vaihdetaan malliin, jolla reikä avarretaan (aarporataan) haluttuun kokoon. Kivimurske putoaa avarrusterän läpi alas kun terää vedetään ylös samalla sitä pyörittäen. Murske poistetaan alakautta. Vielä halvempaa on tehdä ilmastointikuiluja: Porataan reikää isoläpimittaisella terällä (600mm) joka tuo kivimurskeen poraliejun mukana ylös.
Pilottivaiheen hissikuilun teko tai syventäminen tällä tekniikalla on myös mahdollista. Ajotunneli liittyy hissikuiluun 100 metrin korkeustasojen välein, mutta alaspäin kaivettaessa louhe ajetaan edelliseen avattuun tasoon asti mahdollistaen aarporan käytön alemmalla tasolla samalla kun hissi toimii ylempänä.
Outokummun syvälaboratorion porannut Venäläinen valtionyhtiö Nedra velotti 7M€ tehdessään 220 mm läpimittaisen reijän 2516 metrin syvyyteen. Siis noin 2.8M€ per kilometri. HInta on melko vertailukelpoinen öljynporausreikien kanssa.
Pystyjen vesikuilujen poraus, avarrus ja vuoraus betonilla ja teräksellä maksaa siis 5-20M€ kappale. Ehjään graniittiin saattaa olla mahdollista tehdä kuilu ilman vuorausta, etenkin kuivaa käyttöä varten -- alasäiliöissä oleva ilma pitää päästää pois samaa tahtia kuin vettä tulee sisään / sinne pitää ajaa ilmaa kun vettä pumpataan pois. Tarvitaan siis pari isoa ilmakuilua (koneikkojen määrän suhteessa) jotka todennäköisesti voivat olla vuoraamattomia. Lisäksi tarvitaan sähkökaapeloinnin pystynousu jossain muualla kuin hissikuilussa.
Kilometrin syvyydessä vesipaine on 100 Bar, silloin putken ja vuorauksen pitää olla myös hyvin tuettua turbiiniin ja pumppuun asti.
Alasäiliöluola maksanee 40€/m³, kun louhe on helposti kuljetettavissa hissille ja tarvittavat viimeistelyt ovat helppoja. Miljoonan kuution säiliö maksaa silloin noin 40M€. (Maan pinnalla noin 15M€.)
Turbiinit, pumput ja generaattorit
Hinta 100 MW systeemille noin 50M€ (Stetson-Harrison).
Yhdellä nousuputkella saadaan syötettyä esim. 4 koneikkoa ja säiliötä.
Yhden koneikon koko on luokkaa 15x30x80 metriä (korkeita!) joten asennusluolan tilavuus on luokkaa 0.14 Mm³ ja hinta noin 20M€. (Tai vain 5M€.)
Perusinfra tukemaan kilometrin syvyydessä tehtäviä rakenteita: 150M€
Laitosryhmä 100 MW turbiinein yhden nousuputken takana:
- 1 nousuputki: 20M€
- 4 koneikkoa: 220M€
- 2 miljoonan kuution säiliötä: 80M€ (6h täydellä teholla)
Yhteensä noin 320M€ + infran osuus / 400MW
Yksi laitosryhmä: 320M€ + 150M€ = 470M€
Tehokapasiteetti 400 MW * 6 tuntia = 2.4 GWh
Tehokapasiteetin hinta: 200k€/MWh = 200€/kWh
Kolme laitosryhmää: 3*320M€ + 150M€ = 1110M€.
Tehokapasiteettia on kaikkiaan 1200 MW * 6 tuntia = 7.2 GWh.
Tehokapasiteetin hinta: 80k€/MWh = 80€/kWh
Kapasiteetin ajallisen keston kasvattaminen vaatii vain varastotankin laajentamista, jota voi tehdä vaiheittain. Tehon kasvattaminen vaatii lisää turbiineja ja pumppuja, joita niitäkin voi lisätä vaiheittain.
Fairbanksin kaupunki-UPS:in tehokapasiteettikustannus (7 minuutin käyntiajalle!) on noin USD 7.6 M/MW/h, eli noin 40-100 kertainen painovoima-akkuun nähden.
Tokikaan Fairbanksin kaupunki-UPS ei ole tarkoitettu pitkään ajoon, vaan antamaan aikaa käynnistää isot varavoimadieselit ja silloinkin melko harvaan käyttöön (kymmeniä, ei satoja kertoja vuodessa.)
Minkä järven rannalle?
Tämä systeemi ei tarvitse järviä säännöstelyaltaikseen. Sille kelpaa vaikkapa Suomenlahti (Itämeri.)
Syöttödataa kustannusarvioinnin Stetson-Harrison menetelmälle:
Päijänne-tunneli:
Päijänteen Asikkalanselältä Vantaan Silvolan tekojärveen johtava ainakaan maailman pisin yhtenäinen kalliotunneli; pituus 119,6 km, leveys 3,80 m ja korkeus 4,75 m , poikkileikkauspinta-ala 12-16 neliömetriä. Tunnelin louhintatyö alkoi 15.12.1973 ja se vihittiin käyttöön elokuun 22. päivänä 1982. Tunnelin valmistumisen aikaan vuonna 1981 kustannukset olivat 530 miljoonaa markkaa, eli noin 200 miljoonaa euroa vuoden 2008 hintatasoon muutettuna (PSV 2008). Korjausprojektit noin 40 Meur → 2.0 Meur/km. Alkuperäisen tunnelin hinta on siis noin 130€/m³.
Helsinki kehärata noin 202 Meur/7.9 km = 25 Meur/km -- 2 rinnakkaista tunnelia @ 7.5 x 8-9 metriä. Noin 14 Meur/km per tunneli -- jonka poikkipinta-ala on 4-6 kertaa isompi kuin Päijännetunnelissa. Radan ja asemien hintaa ei ole eroteltu,
Vuosaaren Kehä-III tunneli 1.5 km, 2 kpl 2-kaistaista autotunnelia, 43 Meur → 14 Meur/km
Savio-Vuosaari rautatietunnelit: 13.5 km, 200 Meur josta ehkä puolet tunnelia → 7.4Meur/km
Lohjan moottoritiellä tunneliparin hinta noin 20Meur/km -- tai noin 10Meur/km/tunneli.
Fermilab 4.8 km 3.66m TBM tunnel: circa $8.1M / 1997 → 1.3 Meur/km
Fermilab 4.8 km 4.88 m TBM tunnel with segmented lining: circa $28M/1997 → 5 Meur/km
Työvoiman hinta on 30-40% kokonaishinnasta
NordKalk:n kalsiittirikaste (louhitaan Paraisilla tai Lohjalla maan alta erittäin rikkaasta kalsiittimalmista) viljelijälle toimitettuna: 15€/tonni Tiheydellä 2.3kg/dm³ tuo tarkoittaa kuutiometrihintaa noin 35€.
