Viime joulukuun käyttöhäiriö Olkiluodon ydinvoimalaitoksella nosti säätösähkön hinnan pilviin. Tässä kirjoituksessa tarkastelemme mitä kyseinen sähköjärjestelmän ”stressitesti” kertoo vesivoiman asemasta sähköjärjestelmän tasapainon ylläpitäjänä ja pohdimme sähkön kulutuksen roolia joustoresurssina.
Ydinvoimatuotannon käyttöhäiriötilanteet ja säätösähkön hintareaktio
Olkiluodon ydinvoimalaitoksen käyttöhäiriö 10.12.2020 johti Olkiluoto 2 yksikön tuotannon seisokkiin ja ydinvoimatuotantoteho Suomen sähköjärjestelmässä laski nopeasti 890 megawatilla (MW). Koska sähköjärjestelmässä kulutuksen ja tuotannon tulee olla jatkuvasti tasapainossa, täytyi ydinvoimatuotannon suunnittelematon alenema korvata joko tuotantoa lisäämällä tai kulutusta laskemalla. Olkiluodon käyttöhäiriö johti täten ylössäädön tarpeeseen ja säätösähkön hinta kohosi hetkellisesti 3500 euroon megawattituntia kohden (Kuva 1, oikealla).
Toisaalta taannoinen 18.7.2018 tapahtunut Olkiluodon ydinvoimalaitosten yllättävä sähköntuotannon keskeytyminen ei aiheuttanut yhtä voimakasta hintareaktiota säätösähkömarkkinoilla. Vaikka sekä Olkiluoto 1 (890 MW) että Olkiluoto 2 (890 MW) tuotantoyksiköiden sähkönsyöttö verkkoon keskeytyi, kohosi ylössäätöhinta ainoastaan 99 euroon megawattitunnilta (Kuva 1, vasemmalla).
Kuva 1. Olkiluodon ydinvoimatuotannon käyttöhäiriöt ja hintareaktiot säätösähkömarkkinalla.
Hinta kuvaa tarjonnan niukkuutta suhteessa kysyntään
Kantaverkkoyhtiö Fingrid huolehtii verkon tasapainosta hyödyntäen reservimarkkinoita. Nopeasti aktivoituvien reservituotteiden lisäksi Fingrid ylläpitää säätösähkömarkkinaa, johon sekä säätökykyisen tuotannon että kulutuksen hallinnoijat voivat tarjota säätökapasiteettia. Säätötarjoukset jätetään 45 minuuttia ennen käyttötuntia ja Fingrid tilaa tarvittavan säätösähkön määrän käyttötunnin aikana.
Ylössäätösähköä voivat tarjota suuret kulutusyksiköt vähentämällä sähkön kysyntäänsä suunnitellusta ja sähkön tuottajat lisäämällä tuotantoaan suunnitellusta. Näin ollen tarjotun ylössäätökapasiteetin määrä riippuu muun muassa kulutuksen tasosta, tuotantolaitosten seisokeista, vesivoimavarastojen täyttöasteesta sekä vapaan siirtokapasiteetin määrästä yli markkina-aluerajojen.
Kuva 2 esittelee tilatun ja tarjotun ylössäätösähkön määrän ydinvoimatuotannon häiriöpäivinä. Vasemmassa kuvassa esitetty 18.7.2018 tilanne paljastaa, että säätötarjoukset ylittävät tilatun määrän selvästi päivän jokaisena tuntina. Oikeanpuoleinen kuva havainnollistaa 10.12.2020 säätösähkötarjouksien niukkuutta tilattuun määrään nähden. Ylössäätöhinta muodostuu kalleimman käytetyn tarjouksen hinnan mukaisesti ja kaikki ylössäätöä tarjoavat tuotanto- ja kulutusyksiköt saavat saman hinnan käyttötunnilla.
Joulukuussa 2020 nähty erittäin korkea ylössäätöhinta (3500 €/MWh) tarkoitti, että kantaverkkoyhtiö joutui turvautumaan ylössäädön tarjontakäyrän loppuosan tarjouksiin. Korkea hinta heijasti tarjonnan niukkuutta suhteessa kysyntään. Toisaalta heinäkuun 2018 ydinvoimatuotannon häiriö ei johtanut erityisen korkeaan säätösähkön hintaan, koska kantaverkkoyhtiöllä oli tarjolla rutkasti kapasiteettia suhteessa tilattuun määrään.
Kuva 2. Tilattu ja tarjottu ylössäädön määrä
Vesivoimatuotannon joustavuus ja ulkoisvaikutukset
Vesivoima edustaa suurta osaa säätösähkömarkkinoiden tarjotusta ja aktivoidusta ylössäätömäärästä (Fingrid, 2018). Vesivoiman säätömahdollisuudet riippuvat kuitenkin vesitilanteesta ja suunnitellun tuotannon tasosta. Ennen 10.12.2020 ydinvoimatuotannon notkahdusta vesivoimalla tuotettiin keskimäärin 2300 MWh tunnissa (Kuva 3, oikealla). Näin ollen vesivoimatuotannon mahdollisuudet osallistua ylössäätöön olivat tuolloin rajalliset. Heinäkuussa 2018 vesivoimatuotanto oli ennen Olkiluodon ydinvoiman tuotantohäiriötä alle 1000 MWh tunnissa (Kuva 3, vasemmalla) ja vesivoima kykeni osallistumaan vahvasti järjestelmän ylössäätöön.
Kuva 3. Vesivoiman reaktio ydinvoiman tuotantohäiriöihin.
Vesivoimatuotannon rajoitettu ylössäätökapasiteetti vaikutti siis joulukuussa 2020 havaittuun alhaiseen ylössäädön tarjontamäärän, ja täten korkeaan säätöhintaan. Edellä kuvatut sähköjärjestelmän äkilliset poikkeamatilanteet havainnollistivat vesivoiman joustavuuden tärkeää roolia sähköjärjestelmän riittävän säätökyvyn ylläpidossa.
Toisaalta vesivoiman tarjoamaan joustavaan tuotantoon liittyy negatiivinen ulkoisvaikutus, joka ei tule sisäistetyksi sähkö- ja säätömarkkinoiden hinnoittelussa. Vaihteleva vesivoiman tuotantoprofiili tarkoittaa vaihtelua turbiinien läpi virtaavan veden määrässä. Nämä luonnollisesta vuodenaikojen mukaan vaihtelevasta virtaamasta poikkeavat nopeat muutokset joen virtaamassa vaikuttavat negatiivisesti vesivoimaa tuottavien jokien ekologiseen tilaan (Ashraf et al., 2018). Vesivoiman lyhytaikaissäätö vaikuttaa virtavesien eliöstöön, aiheuttaa kiintoaineen eroosiota ja heikentää vesistön virkistyskäytön arvoa (Mattman et al., 2016).
Myös kulutus voi joustaa
Sähkön kulutus reagoi alaspäin esitellyissä ydinvoimatuotannon häiriötilanteissa sadoilla megawateilla, mutta suhteessa kulutuksen kokonaistasoon reagointi oli maltillista (Kuva 4).
Uusien joustoresurssien ilmaantuminen markkinoille sähkön kulutuksen puolelta helpottaisi sähköjärjestelmän tehotasapainon ylläpitoa. Esimerkiksi kokoamalla yhteen kotitalouksien lämmityksen ohjausta tai optimoimalla kiinteistöjen koko sähköjärjestelmän käyttöä, mahdollistuu verkon tasapainottaminen myös pienempien kulutusresurssien avustuksella (Energiaviisaat kaupungit, 2020).
Kilpailukykyinen joustoresurssien tarjonta mahdollistaisi myös vähäisemmän virtaaman lyhytaikaisvaihtelun rakennetuissa jokisysteemeissä, kun säätösähkön tarjonta olisi laajemmilla hartioilla.
Kuva 4. Sähkön kulutus ja ydinvoiman tuotantohäiriöt.
Tulevina vuosina tuulivoimatuotannon lisääntyminen sähköjärjestelmässä korostaa säädettävien tuotantomuotojen riittävästä määrästä huolehtimisen tärkeyttä, koska säästä riippuvan tuotannon kasvu lisää todennäköisesti myös tuotannon ennustevirheiden määrää.
Jouston lisääntyminen sekä teollisuuden että kotitalouksien taholta, suurempi varastointikapasiteetti esimerkiksi sähköautojen akkujen ja teollisen mittakaavan energiavarastojen muodossa sekä investoinnit maiden välisiin siirtoyhteyksiin ovat kaikki tervetulleita kehitysaskeleita matkalla kohti vähäpäästöisempää sähköjärjestelmää.
Kirjoittajat:
Hannu Huuki, tutkija
Jouni Räihä, tutkija
Maria Kopsakangas-Savolainen, professori
Oulun yliopiston kauppakorkeakoulu, Taloustieteen, laskentatoimen ja rahoituksen yksikkö
Lähteet:
Ashraf, F., Haghighi, A.T., Riml, J. et al. Changes in short term river flow regulation and hydropeaking in Nordic rivers. Sci Rep 8, 17232 (2018).
Energiaviisaat kaupungit (2020). Näin teet kiinteistöstäsi virtuaalivoimalaitoksen – opas. https://energiaviisaat.fi/virtuaalivoimalaitos-opas/
Fingrid Avoin Data. data.fingrid.fi
Fingrid (2018). Vesivoiman rooli sähköjärjestelmän tuotannon ja kulutuksen tasapainottamisessa. Muistio 1.11.2018.
Mattman, M, Logar, I., Brouwer, R. (2016). Hydropower externalities: A meta-analysis. Energy Economics, 57, 66-77.