Ydinvoimala – joustaako vai eikö jousta?

Yksi sitkeimmistä sähkömarkkinoihin liittyvistä harhaluuloista on, että ydinvoimalat ovat hyvin joustamattomia eli kykenemättömiä säätämään tuotantotehoaan nopeasti tai suuria määriä. Vaihtelevan tuuli- ja aurinkoenergian tuotannon lisääntyessä perinteisten voimalaitosten joustavuudesta on tullut ja tulee jatkossa yhä keskeisempi ominaisuus sähkömarkkinoilla. Ydinvoimaloiden joustamattomuuteen vedoten saatetaan ydinvoiman ja uusiutuvan energian yhteiselo sähkömarkkinoilla tuomita lähtökohtaisesti mahdottomaksi – tai vähintäänkin ongelmalliseksi. Näin ei kuitenkaan tarvitse olla. Väärinkäsitys joustamattomuudesta johtunee siitä, että lyhyitä huoltokatkoja lukuun ottamatta ydinvoimalat yleensä puskevat sähköä markkinoille hyvin tasaisella teholla, vaikka hinta olisi alhainenkin. Kuitenkin päätelmä, että tämä olisi seurausta niiden huonosta säätökyvystä, on liian pikainen. Kuinka joustavia ydinvoimalat sitten oikeasti ovat?

Saksan ydinvoimaloiden joustovaatimukset

Kun suurin osa Saksan ydinvoimaloista rakennettiin 1970- ja -80 -luvuilla, ajateltiin yleisesti, että ydinvoimalla tultaisiin varsin pian tuottamaan suurin osa maan tarvitsemasta sähköstä. Tämän vuoksi saksalaiset insinöörit kaukaa viisaasti halusivat, että ydinvoiman tehoa tulisi pystyä muuttamaan joustavasti sähkönkulutuksen vaihteluiden mukana. Ydinvoimaloiden tulikin käyttöönottotesteissä(1) osoittaa, että ne pystyvät säätämään tehoaan 10 prosenttia nimellistehosta minuutissa, kun tuotanto on lähellä huipputehoa. Täydeltä teholta niiden tuli pystyä laskemaan minimiteholle eli noin 20–30 prosenttiin nimellistehosta 35–40 minuutissa, jolloin minuuttivauhti on 2 prosenttia nimellistehosta. Nämä luvut kestävät vertailun jopa erityisen joustavina tunnettujen kaasuvoimaloiden kanssa; niiden säätönopeudeksi arvioidaan keskimäärin noin 5–20 prosenttia nimellistehosta minuutissa. Ydinvoimaloiden säätöominaisuuksia on kuitenkin erilaisilla teknisillä päivityksillä pystytty yhä parantamaan. Voimalaitoksista ydinvoimaloiden säätöalue on myös laajimpia niiden suuren nimellistehon vuoksi. Esimerkiksi Saksan ydinvoimaloiden nimellisteho on tyypillisesti 1300–1400 megawattia.

Tehon säätö voi tapahtua paine- ja kiehutusvesireaktoreissa veden kiertonopeutta ja painetta muuttamalla, säätösauvoilla, jotka hidastavat fissioreaktiota sitomalla siinä syntyviä ja sitä jatkavia vapaita neutroneja, tai lisäämällä vastaavia aineita kuten boorihappoa reaktorissa kiertävään veteen.(2) Lisäksi sähköä tuottavan turbiinin ulostulotehoa voidaan säätää koskematta ydinreaktoriin. Säätö kuluttaa reaktorin osia, mutta silti ne on suunniteltu kestämään elinaikanaan muun muassa 100 000 säätöä täydeltä teholta 80 prosentin tehoon ja takaisin, 12 000 säätöä 40 prosentin teholle ja takaisin, sekä 400 kuumakäynnistystä, jolloin teho käy hetkellisesti nollassa. Tällaiseen joustoon kykenevää ydinvoimalaa voidaan siis käyttää minimiteholla esimerkiksi kerran jokaisena arkiyönä, kun kulutus on vähäisempää.

Joustaminen  käytännössä

Hurjimmat ydinvoimavisiot eivät Saksassa toteutuneet, eikä ydinvoimaloiden joustavuutta ole juurikaan käytännössä tarvittu. Jäikö joustaminen siis käytännössä pelkkiin testeihin? Ei aivan. Ydinvoimaloiden tuotannon rajakustannus on niin alhainen, että tuottaminen täydellä teholla on niille lähes aina taloudellisesti kannattavinta. Kuitenkin viime aikoina – muun muassa Saksassa – sähkön hinta on ollut pidempiä ajanjaksoja negatiivinen. Tällöin sähköä kannattaa tuottaa mahdollisimman vähän, sillä sähköntuottaja joutuu tuotantokustannusten lisäksi maksamaan myös siitä, että joku kuluttaa sähkön. Vuonna 2017 Saksassa oli pisimmillään noin 20 tunnin mittaisia perättäisiä negatiivisen hinnan jaksoja. Tuolloin lähes kaikki ydinvoimalat laskivat tehoaan – osa minimiteholle eli noin 30 prosenttiin nimellistehosta. Saman vuoden jouluna hinta oli negatiivinen useammassa lyhyemmässä jaksossa. Tuolloin yksi reaktori nosti tehonsa 30 prosentin tasolta täyteen tehoon vain noin tunniksi hinnan ollessa korkeampi, ja palasi sitten takaisin minimitasolle.

Saksalaisten ydinvoimaloiden tuotantoprofiilista on helppo päätellä osan toimivan aktiivisesti myös säätömarkkinoilla. Saksassa ydinvoimaa onkin hyväksytty säätömarkkinoilla kaikkiin kolmeen reserviluokkaan: yli 2 000 megawattia minuuttireserviin ja 400–500 megawattia sekä sekundääri- että primäärireserviin (v. 2018). Minuuttireservin on pystyttävä aktivoitumaan 15 minuutissa, sekundäärireservin 5 minuutissa ja primäärireservin 30 sekunnissa. Vaadittavaan säätöön kykenemättömiä voimalaitoksia ei säätöreserviin tietenkään kelpuuteta.

Ranskassa ydinvoiman osuus sähköntuotannosta on huomattavan suuri – jopa suurempi kuin Saksaan alun perin kaavailtu osuus. Tämän vuoksi osaa Ranskan ydinreaktoreista ajetaan päivittäisen sähkönkulutuksen vaihteluita seuraten. Tehoa saatetaan laskea säännönmukaisesti täydeltä teholta puoleen tai kolmannekseen kaksikin kertaa vuorokaudessa. Joskus reaktori sammutetaan viikonlopuksi. Vastaavanlaista säätöä on tehty samoista syistä mm. Slovakiassa ja Belgiassa.

Ydinvoima Suomessa

Suomalaisten ydinvoimaloiden kevytvesireaktorit ovat teknologialtaan samankaltaisia kuin saksalaiset ja ranskalaiset reaktorit. Jousto-ominaisuudet eivät kuitenkaan tiettävästi olleet vanhempia suomalaisia reaktoreita suunniteltaessa määräävimpiä suunnittelukriteereitä. Suomessa markkinaehtoista ydinvoiman joustoa ei ole oikeastaan käytännössä nähtykään. Se ei silti tarkoita, etteikö kykyä joustoon olisi olemassa tai etteikö sitä voisi teknisillä päivityksillä hankkia.

Suomessa sähköä on suhteellisesti vähäisen tuulituotannon ja runsaan vesivoimatuotannon vuoksi kustannustehokkainta tuottaa ydinvoimaloilla mahdollisimman paljon, sekä joustaa muilla – erityisesti vesivoimalaitoksilla – kulutuksen, tuulituotannon ja ennustevirheiden mukana. Uudet ydinvoimalat rakennetaan kuitenkin pääsääntöisesti joustaviksi. Euroopan suurimmat sähköntuottajat ovat sopineet, että uusien ydinvoimaloiden on pystyttävä joustamaan täyden ja puolen nimellistehon välillä 3–5 prosentin minuuttivauhdilla. (3)

Joustamisen kannattavuus

Ydinvoimalat näyttäisivät siis olevan suhteellisen joustavia sekä teoriassa että käytännössä. Ei ole teknisiä syitä, miksei ydinvoiman ja tuuli- ja aurinkoenergian rinnakkaiselo sähkömarkkinoilla voisi olla auvoistakin. Toinen kysymys on kuitenkin joustavan ydinvoiman kannattavuus pitkällä aikavälillä. Ydinvoimalat ovat voimalaitoksista kalleimpia rakentaa. Rakentamiskustannukset kattaakseen ne tarvitsevat mahdollisimman paljon käyttötunteja. Jatkuva joustaminen vähentää myydyn sähkön määrää ja siten kannattavuutta. Myös ydinvoimalan sammuttaminen ja uudelleenkäynnistäminen on kallista. Eli vaikka joustaminen on teknisesti mahdollista, haasteena on sen taloudellisuus. Tuulituotannon lisääntyessä onkin syytä pohtia mekanismeja, joilla ydinvoimaloiden joustamiskyky saadaan täysimääräisenä markkinoiden käyttöön – kuitenkin niin, että ydinvoimalat pysyvät kannattavina myös tulevaisuudessa.

 

(1) Non-baseload operation in nuclear power plants: Load following and frequency control modes of flexible operation. IAEA Nuclear Energy Series No. NP-T-3.23, International Atomic Energy Agency (IAEA). Annex 1.

(2) Säätäminen ei ole aivan yksinkertaista. Säätövaraan vaikuttaa jonkin verran esimerkiksi polttoainekierron vaihe. Lisäksi tehon muutos säätösauvoilla saattaa olla lyhyellä aikavälillä erisuuntainen kuin pidemmällä.

(3) European Utility Requirements http://www.europeanutilityrequirements.org/

Photo: pixabay.com

Kirjoittaja:

juha teirilä, bcdc energia, oulun yliopisto, energiavirasto, ydinvoima, ydinvoimalat, jousto, uusiutuva energiaJuha Teirilä
juha.teirila(a)oulu.fi

Tällä hetkellä Energiaviraston Markkinavalvonnan ekonomistina työskentelevä Teirilä on tutkinut ydinvoimaloiden vaikutusta Saksan sähkömarkkinoiden joustavuuteen BCDC Energia -tutkimushankkeen Markkinat-tiimissä Oulun yliopistossa vuonna 2018.

 

Blogiartikkeli on julkaistu 9.1.2019 BCDC Energia -tutkimushankkeen verkkosivuilla.

 

 

 

Last updated: 9.1.2019

Add new comment