Vesivoima — mikä se on ja miten sähköä tuotetaan?

Vesivoima — miten veden liike muutetaan sähköksi? Selkeä opas vesivoiman historiasta, toiminnasta ja sähköntuotannon eduista uusiutuvaa energiaa kiinnostaville.

Vesivoima on liikkuvan veden energian talteenottoa johonkin hyödylliseen tarkoitukseen.

Kanavien rakentamisen huippuvuosina 1830-luvulla vesivoimaa käytettiin proomuliikenteen kuljettamiseen jyrkkiä mäkiä ylös ja alas kaltevia tasoratoja käyttäen. Suoraa mekaanista voimansiirtoa varten vesivoimaa käyttävän teollisuuden oli sijaittava lähellä vesiputousta. Esimerkiksi 1800-luvun loppupuoliskolla Saint Anthonyn putouksille rakennettiin monia myllyjä, jotka käyttivät Mississippi-joen 15 metrin (50 jalan) pudotusta. Myllyt olivat tärkeitä Minneapolisin kasvulle. Nykyään vesivoimaa käytetään eniten sähköntuotannossa. Näin voidaan käyttää edullista energiaa pitkien etäisyyksien päässä vesistöstä.

Miten sähköä tuotetaan vesivoimalla?

Vesivoimalla tuotetun sähkön perusperiaate on yksinkertainen: veden liike- tai korkeusero muunnetaan mekaaniseksi energiaksi ja edelleen sähköksi. Tyypillinen vesivoimalaitos sisältää seuraavat osat:

• Pato ja altaat – ne luovat korkeuseron ja varastoivat vettä, jotta virtaamaa voidaan säädellä.
• Vedenotto ja tunnelit/putket (penstock) – ohjaavat veden turbiinille painesuuntaan.
• Turbiini – veden liike pyörittää turbiinin lapoja. Yleisiä turbiinityyppejä ovat Francis, Kaplan ja Pelton, jotka sopivat eri pudotuksille ja virtaamille.
• Generaattori – turbiinin pyörimisliike muunnetaan sähköksi magneettikentän avulla.
• Muuntajat ja sähköverkko – nostavat jännitettä siirtoa varten ja syöttävät tuotetun sähkön verkkoon.

Teho riippuu kahdesta päätekijästä: veden virtaamasta (kuinka paljon vettä virtaa) ja korkeuserosta (putouksen tai padon aiheuttamasta pudotuksesta). Vesivoimaloiden hyötysuhteet voivat olla korkeita, jopa 90 % hyvässä laitteistossa.

Vesivoiman eri tyypit

• Pato- ja vesivarastovoimalat – varastoivat vettä ja tuottavat sähköä tarpeen mukaan. Soveltuvat hyvin säätövoimaksi.
• Juoksutusvoimalat (run-of-river) – käyttävät jokien luonnollista virtausta ilman suuria altaita; vähemmän varastointikapasiteettia, pienempi vaikutus vesistöön mutta tuotto vaihtelee nopeasti.
• Tasapainotus- ja pumppuvoimalat (pumped-storage) – pumppaavat vettä yläaltaaseen ylijäämäsähköllä ja vapauttavat sen generaattoreiden kautta kun sähköä tarvitaan; toimivat suurena akkujärjestelmänä sähköverkossa.
• Pienvesivoima – paikalliset, yleensä ympäristövaikutuksiltaan pienemmät laitokset, jotka sopivat haja-asutuksen energiantuotantoon.

Varastointi ja verkon säätö

Pumppuvoimalat tarjoavat merkittävän keinon varastoida energiaa ja tasata kysyntää ja tarjontaa. Ne voivat käynnistyä nopeasti ja tuottavat säätövoimaa, mikä on erityisen tärkeää tuuli- ja aurinkovoiman lisääntyessä verkossa. Pienemmätkin varastointiratkaisut ja joustavat vesivarannot auttavat hallitsemaan sesonkivaihtelua ja sateiden vaihtelua.

Ympäristövaikutukset ja haitat

Vesivoima on puhdasta käytön aikana (ei hiilidioksidipäästöjä generaattorista), mutta sillä voi olla merkittäviä paikallisia ympäristövaikutuksia:

• Ekosysteemimuutokset: patoaminen muuttaa jokien virtausta, lämpötilaa ja sedimenttien kulkua, mikä vaikuttaa kalakantoihin ja vesieliöstöön.
• Kaloille aiheutuvat esteet: vaelluskaloille padot voivat estää kutumatkoja. Kalatiet ja -luiskaat ovat yleisiä lieventämiskeinoja.
• Alueiden muuttuminen: laajat tekoaltaat voivat tulvittaa maata ja johtaa maan käyttömuutoksiin, joskus myös sosiaalisiin vaikutuksiin asutukselle.
• Hiilidioksidi- ja metaanipäästöt: tropiikin suurten tekoaltaiden orgaaninen aine voi hajotessaan tuottaa kasvihuonekaasuja, vaikkakin usein pienemmät kuin fossiilisten polttoaineiden poltto.

Vaikutuksia voidaan vähentää suunnittelulla, kalateillä, jatkuvalla vedenlaadun seurannalla ja modernisoinnilla. Pienimuotoiset ratkaisut ja juoksutusvoimalat aiheuttavat usein vähemmän haittaa kuin suuret padot.

Hyödyt

• Luotettavaa ja pitkäikäistä teknologiaa; monet voimalat toimivat vuosikymmeniä.
• Nopea käynnistys ja hyvä säätökyky, mikä tukee sähköverkon vakautta.
• Päästötön sähköntuotanto käytön aikana, edullinen tuotantokustannus pitkällä aikavälillä.
• Mahdollisuus yhdistää veden varastointi ja tulvanhallinta sekä virkistyskäyttö.

Miten vesivoimaa kehitetään nykyään?

Uudistukset ja modernisointi parantavat olemassa olevien laitosten tehokkuutta ja vähentävät ympäristövaikutuksia: uusien turbiinien asentaminen, automaatio, kalatiet ja parempi vedenkäytön suunnittelu. Samalla etsitään tasapainoa energiantarpeen ja luonnon monimuotoisuuden välillä.

Yhteenveto: Vesivoima on vanha mutta edelleen keskeinen uusiutuvan energian muoto. Se muuntaa veden liike- ja potentiaalienergian sähköksi tehokkaasti ja tarjoaa arvokasta säätö- ja varastointikykyä sähköjärjestelmille. Suunnittelu ja ympäristövaikutusten hallinta ovat kuitenkin tärkeitä, jotta hyödyt voidaan yhdistää kestävään luonnonhoitoon.

Vesivoiman tyypit

Vesivoimaa on monenlaista:

• Vesipyörät, joita on käytetty satoja vuosia myllyjen ja koneiden voimanlähteenä.
• Vesivoima, termi, joka on yleensä varattu vesivoimapadoille.
• Vuorovesienergia, jolla otetaan talteen vuorovesien energiaa vaakasuunnassa.
• Vuorovesivoima, joka toimii samalla tavalla, mutta pystysuoraan.
• Aaltovoima, joka hyödyntää aaltojen energiaa.

Vesivoima

Tärkein artikkeli: Vesivoima

Vesivoima on keino tuottaa sähköä polttoainetta polttamatta. Vesivoimalla tuotetaan noin 715 000 MWe eli 19 prosenttia maailman sähköstä (16 prosenttia vuonna 2003). Suuria patoja suunnitellaan edelleen. Lukuun ottamatta muutamia maita, joissa sitä on runsaasti, vesivoimaa käytetään yleensä huippukuormitukseen, koska se voidaan helposti pysäyttää ja käynnistää. Vesivoima ei kuitenkaan todennäköisesti ole merkittävä vaihtoehto tulevaisuuden energiantuotannossa kehittyneissä maissa, koska suurin osa näiden maiden suurista paikoista on jo hyödynnetty tai ne eivät ole käytettävissä muista syistä, kuten ympäristönäkökohtien vuoksi.

Vesivoima ei tuota hiilidioksidia tai muita haitallisia päästöjä, toisin kuin fossiilisten polttoaineiden polttaminen, eikä se ole merkittävä hiilidioksidipäästöjen₂ aiheuttaja ilmaston lämpenemisessä.

Vesivoima voi olla paljon edullisempaa kuin fossiilisilla polttoaineilla tai ydinvoimalla tuotettu sähkö. Alueet, joilla on runsaasti vesivoimaa, houkuttelevat teollisuutta. Vesivarastojen vaikutuksia koskevat ympäristöhuolet voivat estää taloudellisten vesivoimanlähteiden kehittämisen.

Vuorovesivoima

Vuorovesien hyödyntäminen lahdissa tai suistossa on onnistunut Ranskassa (vuodesta 1966 lähtien), Kanadassa ja Venäjällä, ja se voitaisiin toteuttaa myös muilla alueilla, joilla on suuri vuoroveden vaihteluväli. Vesi pyörittää turbiinien toimintaa, kun se vapautuu vuorovesipadon kautta kumpaankin suuntaan. Toinen mahdollinen vika on se, että järjestelmä tuottaisi sähköä tehokkaimmin kuuden tunnin välein (kerran vuoroveden aikana). Tämä rajoittaa vuorovesienergian hyödyntämistä.

Vuorovesivoima

Vuorovesivirtageneraattorit ovat suhteellisen uutta teknologiaa, ja ne ottavat energiaa virtauksista samaan tapaan kuin tuuligeneraattorit. Veden suurempi tiheys tarkoittaa, että yksi generaattori voi tuottaa merkittävää tehoa. Tämä tekniikka on vasta alkuvaiheessa, ja sitä on tutkittava lisää, ennen kuin sillä voidaan tuottaa suurempia määriä energiaa.

Useita prototyyppejä testattiin kuitenkin Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Ranskassa ja Yhdysvalloissa. Jo vuonna 2003 Yhdistyneessä kuningaskunnassa testattiin 300 kW:n turbiinia.

Kanadalainen Blue Energy -yritys suunnittelee pystysuoraan akseliin perustuvan turbiinirakenteen pohjalta hyvin suurten vuorovesivirtalaitteiden asentamista niin sanottuun vuorovesiaitaan eri puolille maailmaa.

Aaltovoima

Valtameren pinnan aaltoliikkeestä saatava energia saattaa tuottaa paljon enemmän energiaa kuin vuorovesi. On testattu, että aalloista on mahdollista tuottaa energiaa, erityisesti Skotlannissa Yhdistyneessä kuningaskunnassa. Teknisiä ongelmia on kuitenkin vielä paljon.

Port Kemblaan Australiassa rakennetaan parhaillaan rannikolla toimivan aaltovoimageneraattorin prototyyppiä, jonka odotetaan tuottavan jopa 500 MWh vuodessa. Aaltoenergia otetaan talteen ilmakäyttöisellä generaattorilla ja muunnetaan sähköksi. Maissa, joissa on suuria rannikoita ja kovat meriolosuhteet, aaltoenergia tarjoaa mahdollisuuden tuottaa sähköä suurina määrinä. Ylimääräistä energiaa kovalla merellä voitaisiin käyttää vedyn tuotantoon.

Hydraulinen turbiini ja sähkögeneraattori.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on vesivoima?

K: Mitä hyötyä vesivoimasta oli 1830-luvulla?

K: Millä teollisuudenaloilla vesivoimaa käytettiin suoraan mekaaniseen voimansiirtoon?

K: Mihin rakennettiin monia myllyjä 1800-luvun viimeisellä puoliskolla?

Kysymys: Miksi Saint Anthony Fallsille rakennetut myllyt olivat tärkeitä Minneapolisin kasvun kannalta?

K: Mikä on vesivoiman suurin käyttömuoto nykyään?

K: Mitä vesivoiman käyttö sähköntuotannossa mahdollistaa?

Hae kirjaimella