Pohjois-Pohjanmaalla, Pyhäjärvellä, sijaitsee Euroopan syvin kaivos, joka suljetaan ensi kesänä. Pumppuvoimala on yksi merkittävimmistä hankkeista suuren tilan jatkohyödyntämiseen.

Pumppuvoimala on maailman ylivoimaisesti yleisin tapa (jopa 99 %) varastoida sähköä. Laitokset ovat suhteellisen yksinkertaisia ja hyötysuhde on hyvä. Periaatteena on pumpata vettä ylhäällä sijaitsevaan varastoaltaaseen silloin, kun sähkön tuotantoa on kulutusta enemmän (tai se on hyvin edullista) ja laskea se turbiinin läpi ala-altaaseen, kun sähköä tarvitaan.

Suomessa ei ole pumppuvoimaloita

Vesivoima on vanha ja koeteltu tapa tuottaa käyttövoimaa. Aluksi veden virtausta käytettiin mekaanisen energian tuotantoon sahoilla ja myllyissä. Sähkölaitteiden yleistyessä vesi valjastettiin pyörittämään sähkögeneraattoreita, Suomessa ensimmäistä kertaa jo vuonna 1891.

Vesivoimalan hyötysuhde on suhteellisen hyvä – noin 85% veden kineettisestä energiasta saadaan muutettua sähköenergiaksi. Tänään Suomessa on noin 220 vesivoimalaa, yhteisteholtaan 3 100 megawattia (MW), ja ne tuottavat vuosittain sähköenergiaa keskimäärin 13 000 gigawattituntia (GWh), mikä vastaa noin 15 % Suomen koko sähkönkulutuksesta (tai 20 % omasta tuotannostamme).

Suomessa vesivoimaloiden putouskorkeus on aika pieni, parhaimmillaan reilun parinkymmenen metrin luokkaa. Pumppuvoimaloissa pyritään satojen metrien korkeuseroon, joten niitä rakennetaan yleensä vuoristoisiin maihin. Melko tasaisessa Suomessa ei pumppuvoimaloita ole rakennettu ja tässä suhteessa tasaisella Pohjanmaalla sijaitseva 1 445 metriä maanpinnan alapuolelle ulottuva kaivos muodostaa poikkeuksellisen potentiaalin.

Callio on Pyhäjärven uusi yrityshanke

Saattaa olla vaikeaa ajatella Pyhäjärveä sähkö- ja tietotekniikan keskeisen teknologian kehityksen kärkenä. Keskustassa toki näyttää olevan rakenteilla 3-kerroksinen kivitalo, mutta muuten on vähän hiljaisempaa. Kaivoksessa järjestetyssä XVIII Kerttu Saalasti -seminaarissa syyskuun lopussa kaupungin edustajat yhteistyökumppaneineen esittelivät lukuisa mahdollisuuksia kaivoksen uudelle elämälle – energiavarasto ja datakeskus näistä tärkeimpinä.

Pyhäjärven kaupunginjohtaja Henrik Kiviniemi kertoo seminaarissa Pyhäjärven laajasta ohjelmasta kaivoksen tulevaisuuden hyödyntämistä varten.

– Lähes 60 vuotta toimineessa kaivoksessa on valmis infrastruktuuri ja stabiilit, hallittavat olosuhteet, kertoo Pyhäjärven kaupungin ohjelmajohtaja Sakari Nokela. – Maan kuoren lämpötila nousee alaspäin mennessä Pyhäjärvellä noin 13 astetta kilometrillä ja kaivoksen pohjalla on mukava, noin 24 asteen tasainen lämpötila. Kaivoksessa on tunneleita yhteensä noin sata kilometriä ja siten useita miljoonia kuutiometrejä tilaa, joten sinne mahtuu vaikka mitä.

Pumppuvoimalan teho ja kapasiteetti

Pumppuvoimalan – tai sähkövaraston yleensä – merkitys on siinä, että sähköverkossa pitää joka hetki olla tuotantoa ja kulutusta yhtä paljon. Kulutuksen kasvaessa verkon taajuus pyrkii laskemaan ja tuotantoa on lisättävä. Ja kulutuksen pienentyessä on vastaavasti tuotantoa vähennettävä tai kuormia – esimerkiksi energiavaraston lataamiseksi – lisättävä. Sähköverkon normaali taajuus on 50 hertsiä (Hz) ja se pyritään pitämään tässä taajuudessa hyvin tarkasti. Sallittu vaihteluväli on 49,9 – 50,1 Hz.

Suomen sähkönkulutus vaihtelee noin 5 000 – 15 000 MW:n välillä vuorokauden- ja vuodenajan mukaan. Vuorokauden sisällä kulutus vaihtelee tyypillisesti 2 000 MW:n verran. Lisääntyvän vaihtelevan tuotannon, kuten aurinko- ja tuulivoiman, lasketaan tulevaisuudessa lisääntyessään tuovan entistä enemmän vaihtelua ja säätötarvetta sähköverkkoon.

– Pöyry Energy GmbH on tehnyt Pyhäjärvelle tarkan teknistaloudellisen selvityksen pumppuvoimalan edellytyksistä, jatkaa Nokela. – Taloudellisimmaksi kapasiteetiksi on laskettu 75 MW teho ja 530 megawattitunnin (MWh) kapasiteetti, jotka voidaan tarvittaessa kaksinkertaistaa.

Vertailun vuoksi Suomen suurimmat vesivoimalat Imatralla ja Kemijoessa ovat teholtaan 180 – 190 MW:n luokassa ja kapasiteettia tietysti on niin paljon kuin vettä virrassa riittää.

75 megawatin yksikössä turbiini, moottori-generaattori ja monivaiheinen pumppu toimivat yhteisellä akselilla.

Pyhäjärvi olisi siten suuren vesivoimalan kertaluokassa, mutta oleellinen ero on massavirrassa ja paineessa. Imatralla ja Kemijoessa virtaa noin 1 000 kuutiometriä vettä sekunnissa (m³/s), kun Callion pumppuvoimalassa tarvitaan reilu 6 m³/s. Paine-ero on valtava: vesivoimalan parinkymmenen metrin putouskorkeus tuottaa noin kahden ilmakehän (bar) paine-eron, kun Callion 1 400 m syvyydessä paine on 140 bar.

Pumppuvoimalan mahdollisuudet

Julkisuudessa puhutaan paljon akkuvarastoista. Tunnetuimmat niistä Suomessa ovat Fortumin (Pohjoismaiden suurin 1,5 vuotta sitten) ja Helenin (Pohjoismaiden suurin 3 vuotta sitten) testilaitokset, kapasiteetiltaan 1 MWh ja 0,6 MWh sekä teholtaan vastaavasti 2 MW ja 1,2 MW.

Akkuvarastot ovat nopeita ja soveltuvat siten verkon taajuuden säätämiseen. Teho ja kapasiteetti ovat kuitenkin suhteellisen vaatimattomat. Tilanne mahdollisesti muuttuu tulevina vuosikymmeninä, jos ja kun Suomessa on 250 000 sähköautoa vuonna 2030 ja niiden akkukapasiteetti on 50 – 100 kilowattituntia (kWh) kussakin. Jos ne saadaan valjastettua säätöenergiaksi, on käytettävissä 12 500 – 25 000 MWh kapasiteettia, jolla koko Suomi pyörii tunnin-pari.

– Pumppuvoimala on myös nopea, sanoo Nokela. – Suunnitelmien mukaan Callion voimalaitos käynnistyy nollasta täyteen tehoon 30 – 40 sekunnissa, joten muutoksiin on mahdollista reagoida hyvin tehokkaasti. Callion voimalan rakentaminen kestää päätöksestä kolme vuotta, joten se ehtii täyttämään tehtävänsä paljon ennen sähköautojen yleistymistä.

Joku saattaa nyt kysyä, miksi vesivoimaloita ei käytetä säätöenergian tuotantoon? Mutta niinhän niitä käytetään! Vesivoimaloiden käyttöaste on keskimäärin noin 50 % eli varaa säätää ylös ja alas on runsaasti, jos vain yläpuolisessa varastossa riittää vettä. Muutakin säätöenergiaa kuitenkin tarvitaan.

Callion pumppuvoimalan kannattavuus

Pyhäjärvellä perusrakenteet ovat kunnossa ja tontille tulee 110 kilovoltin (kV) sähkölinja. Investointikustannukseksi 75 MW / 530 MWh laitokselle on laskettu pyöreät 100 miljoonaa euroa. Tuplasti suurempi laitos maksaisi noin 175 miljoonaa. 190 – 165 € / kWh ei kuulosta kovin pahalta. Pumppuvoimalan yksi vahvuus on myös sen pitkä käyttöikä. Akut kestävät ehkä 10 – 15 vuotta, pumppuvoimala ainakin 50 vuotta.

Pumppuvoimalan tulovirrat voivat muodostua pörssisähkön vuorokautisten hintavaihteluiden hyödyntämisestä sekä toiminnasta taajuusreservi- ja säätösähkömarkkinoilla.

Callion voimala voi tuottaa täydellä teholla sähköä yhtäjaksoisesti enintään seitsemän tuntia, kun yläallas on täynnä. Veden pumppaaminen takaisin ylös kestää yhdeksän tuntia. Teimme esimerkkilaskelman viikon 39 kunkin vuorokauden 7 kalleimman ja 9 halvimman pörssisähkön hintatunnin hyödyntämisestä. 75 MW teholla laitos olisi viikon aikana tienannut sähkön myynnillä 210 000 € ja ostanut pumppaamiseen sähköä 140 000 € edestä.

Tulevaisuuden bisnes säätösähkömarkkinoilla

Edellä oleva laskelma tuottaisi noin 11 miljoonan euron liikevaihdon ja 3,6 miljoonan käyttökatteen, kun veroja yms. eriä ei huomioida. Jos katteesta vaikkapa puolet käytettäisiin investoinnin kuoletuksiin, tulisi laitos maksetuksi noin 60 vuodessa, kun korkokuluja ei huomioida.

Todellisuudessa sähkön pörssimarkkinoilla toimimisen osuus laitoksen tuotosta olisi suunnitelmien mukaan kuitenkin vain 10 – 20 % koko liikevaihdosta. Taajuusmarkkinoilta tulisi ehkä kolmannes liikevaihdosta ja säätösähkömarkkinoilta noin puolet. Näillä markkinoilla energian hinta on oleellisesti pörssimarkkinaa korkeampi.

– Olemme olleet yhteydessä noin 30 mahdolliseen sijoittajaan ja heistä puolet on kiinnostuneita hankkeesta, mikäli löydämme päätoimijan, sanoo Nokela. – Kaksi energiayhtiötä myös laskeskelee parhaillaan asiaa ja esimerkiksi Fingrid on sanonut, että tällainen laitos tarvitaan. Meillä suuri korkeusero on ylivoimainen vahvuus.

Kaivoksessa on tilaa erilaisten hankkeiden toteuttamiseen ja kalustoa sekä osaamista tarvittavien tilojen muokkaamiseen, esittelee Sakari Nokela.

– Meillä on vielä vajaan vuoden täällä koneita ja osaamista paikalla, joten ratkaisut on tehtävä pian. Pumppuvoimalan lisäksi meillä on 15 – 20 muuta lähtöä liikkeellä, mutta voimala tai datakeskus tarvitaan kantamaan muut hankkeet. Tilaa kuitenkin riittää kaikille hankkeille – yhtä aikaa.

Jouko Lampila