Sään vaihtelut vaikuttavat sähkölaskuihin – tuuli- ja aurinkovoima muokkaavat energiamarkkinoita
Kuva: PixabayTalvi tekee tuloaan, ja sään kylmetessä kotitalouksien sähkölaskut kasvavat, kun lämmitysenergian kysyntä lisääntyy.
Sääriippuvaisten energiantuotantomuotojen voimakkaan kasvun vuoksi säällä on yhä merkittävämpi vaikutus koko energiajärjestelmään. Talvisin lämpötilan ja tuulisuuden päivittäiset vaihtelut voivat olla suuria, ja energian kulutus, tuotanto ja lopulta myös hinta vaihtelevat samassa tahdissa. Myös sääennusteiden merkitys kasvaa.
Tuuli- ja aurinkovoima kasvavat nopeasti
Tuulivoima on nopeimmin kasvava sähköntuotantomuoto Suomessa, ja se on merkittävä sähkön hintaan vaikuttava yksittäinen tekijä Suomen hinta-alueella. Koko Suomeen asennettu tuulivoimakapasiteetti on tällä hetkellä liki kahdeksan gigawattia (GW), mikä on yli kaksinkertainen määrä esimerkiksi Olkiluodon ydinvoimalaitoksen kolmen reaktorin yhteenlaskettuun tuotantotehoon nähden. Koska tuulivoiman tuotanto on puhtaasti säästä riippuvaa, tarkoittaa se enimmillään lähes kahdeksan gigawatin suuruisia tuotantotehon muutoksia lyhyessäkin ajassa.
Suomen tuulivoimakapasiteetti on tulevinakin vuosina voimakkaassa kasvussa. Kantaverkkoyhtiö Fingridin julkaiseman arvion mukaan Suomessa voi olla vuosikymmenen loppuun mennessä jo noin 20 gigawattia asennettua tuulivoimaa, mikä on 2,5-kertainen määrä tämän hetken tuulivoimakapasiteettiin nähden. Voimakasta kasvua on odotettavissa myös seuraavalla vuosikymmenellä.
Maailmalla aurinkovoima on yksi nopeimmin kehittyvistä energiatuotannon muodoista ja ylittää suuruudessaan tuulivoiman. Myös Suomessa aurinkovoima on kokemassa voimakkaan kasvun. Fingridin samaisen arvion mukaan tämän vuosikymmenen loppuun mennessä aurinkoenergian maksimikapasiteetti voi kasvaa Suomessa noin yhdeksään gigawattiin, mikä on enemmän kuin tämänhetkinen tuulivoimakapasiteetti.
Kaiken kaikkiaan Suomen sääriippuvaisen energiantuotannon kokonaiskapasiteetti voi yltää lähes 30 gigawattiin vuonna 2030.
Eniten tuulienergiaa talvisin ja öisin
Aurinkovoima tulee täydentämään tuulivoimaa erinomaisesti, sillä auringonsäteilyn saatavuus on suurimmillaan kesäisin ja päiväsaikaan, kun taas tuulivoimaa tuotetaan eniten talvisin ja yöaikaan.
Energiateollisuuden julkaisemien tuulivoiman tuotantotilastojen mukaan noin 60 prosenttia vuotuisesta tuulienergiasta tuotetaan loka-maaliskuussa ja 40 prosenttia huhti-syyskuussa. Matalapainetoiminta on voimakasta talvipuoliskolla, jolloin sää on tuulisempaa ja voi muuttua nopeasti ja voimakkaasti.
Syy matalapainetoiminnan voimakkuuteen löytyy pohjoisten leveysasteiden ja keskileveysasteiden välisestä lämpötilaerosta, jotka ovat voimakkaimmillaan juuri talvikuukausina. Kesällä lämpötilaerot tasoittuvat, ja matalapainetoiminta heikkenee. Heikoimmat tuulet sijoittuvat ajallisesti heinäkuuhun, jolloin myös tuulienergian tuotanto on keskimäärin pienimmillään.
Tuulivoiman tuotannossa havaitaan myös voimakasta vuorokausivaihtelua, joka liittyy auringon aiheuttamaan lämpötilan vuorokausivaihteluun. Talvikuukausina sekä lämpötilan että tuulivoimatuotannon vuorokausivaihtelut ovat pienimmillään, mutta kesäpuoliskolla tilanne on toinen. Maaliskuusta syyskuuhun ulottuvalla jaksolla yöajan tuotanto on keskimäärin noin 30 prosenttia suurempaa kuin päivisin.
Havaittu käyttäytyminen johtuu lämpötilan pystyprofiilissa ja turbulenssissa tapahtuvista nopeista muutoksista, joita tapahtuu muun muassa auringon laskiessa etenkin selkeällä säällä. Silloin korkeammalla oleva ilmavirtaus lakkaa "tuntemasta" maanpinnan jarruttavan vaikutuksen ja kiihtyy, mutta maanpinnan lähellä tuuli heikkenee tai jopa tyyntyy.
Myös tuulivoimaloiden sijainnilla on merkitystä tuotantopotentiaaliin. Meren pinta on ilmavirtauksen näkökulmasta melko sileä ja esteetön, joten sen jarruttava vaikutus on vähäinen ja tuulet siten voimakkaampia. Lisäksi meren ja maan väliset rosoisuus- ja lämpötilaerot suosivat paikallisesti voimakkaampien ilmavirtausten muodostumista rannikon läheisyyteen. Merialueet nähdäänkin ihan hyvästä syystä erittäin potentiaalisina tuulivoimatuotannon kasvualueina.
Ennustevirheiden vaikutukset kasvavat
Sääennustemalleja, ennusteiden jälkikäsittelymenetelmiä ja koneoppimismalleihin pohjautuvia sääennusteita kehitetään jatkuvasti. Tämän ansiosta voidaan odottaa vähittäistä sääennusteiden laadun paranemista, mutta epävarmuudet ovat silti väistämätön tosiasia myös tulevaisuudessa. Sään ennustettavuus vaihtelee säätilanteittain ja -tyypeittäin hyvin paljon. Tyypillisesti ennustettavuus on huonoimmillaan voimakkaan matalapainetoiminnan yhteydessä, kun taas pitkäkestoisessa korkeapainetilanteessa ennustettavuus voi pysyä kohtuullisen hyvänä jopa viikon. Kaikkein vaikeinta on lähempänä maanpintaa tapahtuvien muutosten ennustaminen.
Valtakunnallisella tasolla pienistäkin ennustevirheistä voi kertyä melko suuria energiantuotannon tai -kulutuksen virhearvioita. Suomen tasolla ennustevirheet aiheuttavat jo nykyisin aika ajoin 1‒3 gigawatin suuruisia virheitä tuulivoiman tuotantoarvioihin. Kun Suomen tuuli- ja aurinkovoiman kokonaiskapasiteetti kasvaa, myös tuotannon ennustevirheet kasvavat samassa suhteessa, ellei ennusteiden laadun koheneminen pysty kompensoimaan muutosta.
Sään ennustettavuus on huonoimmillaan matalapainetoiminnan yhteydessä, pitkäkestoisessa korkeapainetilanteessa se voi pysyä kohtuullisena viikon.
Ennustevirheistä maksavat ensisijaisesti energiayhtiöt, kun ennustevirhettä vastaava energiamäärä on kompensoitava ostamalla sähkömarkkinoilta energian ylös- tai alassäätöä. Tämä on välttämätöntä koko energiajärjestelmän tasapainon kannalta: sähköä on oltava saatavilla koko ajan kulutusta vastaava määrä. Huomionarvoista on, että säätöä joudutaan tulevaisuudessa tekemään huomattavasti nykyistä enemmän, koska sään mukaan vaihtelevan ja ennustevirheille alttiin energiantuotannon osuus kasvaa Suomessa hyvin voimakkaasti. Vuositasolla säätösähkön kustannukset ovat kymmeniä miljoonia euroja, mutta yksittäistenkin kylmien ja heikkotuulisten viikkojen osuus tästä voi olla merkittävä.
Sääriippuvaisen energiantuotannon ennustamista vaikeuttavat lisäksi tuotantolaitosten tilapäinen sammuttaminen silloin, kun tuulinen sää painaa sähkön hinnan negatiiviseksi. Energiateollisuuden vuotta 2023 koskevan raportin mukaan sähkön hinnan negatiivisten tuntien määrä on merkittävästi lisääntynyt nopeasti kasvaneen tuulivoimatuotannon seurauksena. Kehitys on jatkunut myös tänä vuonna: negatiivisia tunteja on kertynyt jo 663, eli yhteensä yli 27 vuorokautta.
Apua ennakointiin ja tilannekuvan ylläpitämiseen
Ilmatieteen laitoksella säämalleja ja ennustepalveluita kehitetään aktiivisesti. Tavanomaisten ennusteiden lisäksi on mahdollista hyödyntää myös parviennusteita, joiden avulla voidaan arvioida esimerkiksi vaikutuksiltaan merkittävien sääolosuhteiden todennäköisyyttä ja ennustettavuutta.
Ilmatieteen laitos tukee energiasektoria useilla palveluilla, jotka liittyvät esimerkiksi tuulipuistojen suunnittelu-, rakennus- ja operointivaiheisiin. Myös sää- ja turvallisuuskeskuksen asiantuntijoiden tuottamat varoituspalvelut sekä vaaraa aiheuttavan sään tiedotteet tukevat energiasektoria varautumisessa, mikä nopeuttaa esimerkiksi häiriötilanteista toipumista.
Ilmatieteen laitoksella löytyy osaamista myös räätälöityjen, koneoppimismallipohjaisten tuotantoennusteratkaisuiden tekemiseen. Kuluneen vuoden aikana projekteissa on esimerkiksi toteutettu koneoppimismallinnuksia, joka hyödyntävät energiantuottajilta saatua toteumadataa sekä Ilmatieteen laitoksen säähavaintoja ja ennustehistoriadataa. Menetelmällä on voitu tuottaa ennusteita, jotka vähentävät ennustevirheitä ja huomioivat esimerkiksi tuulipuiston sisäisiä katvevaikutuksia sekä jäätävien olosuhteiden aiheuttamia tuotantohäviöitä.
Hyvä energiasää
Matalapainevoittoisen säätyypin vallitessa sää on yleensä tuulista, jolloin tuulivoimatuotannon maksimikapasiteetti saavutetaan usein laajoillakin alueilla, kun tuulet ovat turbiinien korkeudella 10–15 metriä sekunnissa. Matalapainevoittoisen sään arkkityyppi, eli lounaasta toistuvasti saapuvat matalapaineet, tuovat Suomeen voimakkaiden tuulten lisäksi myös lauhaa säätä. Tällainen on ainakin energiajärjestelmän ja sähkönkäyttäjien kannalta parasta mahdollista ”energiasäätä”, kunhan matalapainetoiminta vain pysyttelee tarpeeksi laimeana.
Liian voimakkaan matalapainetoiminnan varjopuolena ovat voimakkaat talvimyrskyt ja lumisateet, jotka voivat pahimmassa tapauksessa aiheuttaa keskeytyksiä sähkönjakeluun sähkölinjoille kaatuvien puiden vuoksi. Liian kova tuuli haittaa myös tuulivoimaa, sillä turbiinit sammuttavat itsensä turvallisuussyistä ja laiterikkojen ehkäisemiseksi, kun tuulen nopeus yltää turbiinin korkeudella 25 metriin sekunnissa. Silloin tällöin esiintyy myös jäätäviä sateita, joiden tilapäiset vaikutukset koskevat sähköverkon ja ajokelin lisäksi myös tuulivoimatuotantoa.
Huono energiasää
Talvella energiajärjestelmän ja pörssisähköasiakkaiden suurin päänvaiva liittyy yleensä pitkäkestoiseen korkeapainevoittoiseen säätyyppiin, jonka ominaispiirteitä ovat heikot tuulet ja kylmät lämpötilat. Vuoden 2024 tammikuun ensimmäisellä viikolla Suomessa vallitsi kylmä korkeapaineen alue. Lämpötila pysytteli lähes koko maassa useita päiviä -20:n ja -30 asteen välillä; ajoittain pakkanen kiristyi paikoin jopa 40 asteeseen. Samaan aikaan energiankulutus kohosi Suomessa jopa yli 15 gigawattiin, ja energian tuontitarve 2‒3 gigawattiin.
Lämmitystarpeen aiheuttaman suuren energiankysynnän ja samanaikaisen heikkotuulisen sään yhteisvaikutuksesta sähkön hinta kohoaa yleensä korkeaksi. Tammikuun ensimmäisellä viikolla sähkön hinta kohosi ajoittain useisiin kymmeniin eurosentteihin kilowattituntia kohden.
Sääennusteiden avulla merkittäviä pakkasjaksoja on mahdollista ennakoida ja lopulta huomioida omassa sähkön kulutuksessa. Valitettavasti juuri kylmien lämpötilojen ennustamiseen liittyy tavanomaista suurempaa epävarmuutta, ja paikalliset erot voivat olla suuria. Kylmissä tilanteissa lämpötilaennusteilla on merkittävä rooli myös valtakunnallisen sähkönkulutuksen ennakoinnissa.
Kun turbiinit jäätyvät
Pahimmassa tapauksessa kylmän korkeapaineen reunamilla Suomeen pääsee virtaamaan kosteampaa ilmaa, useimmiten mereltä päin. Tällaisissa tilanteissa esiintyy runsaasti alijäähtyneitä pilvipisaroita sisältäviä pilvikerroksia sekä mahdollisesti myös jäätävää sumua tai jäätävää tihkua. Tällaisissa olosuhteissa tuulivoimaloiden siipiin alkaa kertyä jäätä, mikä huonontaa tarkasti muotoiltujen siipien aerodynaamisia ominaisuuksia sekä turbiinien tuotantotehoa. Tämä näkyy välillä merkittävinäkin tuotantotappioina, kun tuotanto jää koko Suomen tasolla huomattavasti ennustettua alemmaksi.
Jäätämisen vaikutukset kumuloituvat etenkin heikkojen tai kohtalaisten tuulten vallitessa, jolloin tuulipuistojen energiantuotanto voi pahimmassa tapauksessa pysähtyä kokonaan. Pahoin jäätyneet siivet pystyvät hyödyntämään ainoastaan voimakkaita ilmavirtauksia. Tilanteen normalisoitumiseksi tarvitaan voimakkaita tuulia ja mieluiten myös sään lauhtumista, jolloin jäinen pinta karisee pois joko mekaanisesti tai viimeistään sulamalla.
Nykyiset korkeammalle ulottuvat tuulivoimalat altistuvat matalampia voimaloita useammin jäätäviin olosuhteisiin. Lisäksi ilmastonmuutoksen myötä tuulivoimaa koskevat jäätävät olosuhteet voivat tuuliturbiinien korkeudella osassa maata aluksi jopa lisääntyä ilmakehän sisältäessä lämmön vuoksi enemmän myös kosteutta sekä alijäähtyneistä pilvipisaroista koostuvaa pilvisyyttä.
Paavo Korpela
Kirjoittaja on Ilmatieteen laitoksen meteorologi ja tuulivoimasektorin yhteyspäällikkö