Vesivoiman esittäminen energiajärjestelmämalleissa: Aggregointi, toiminnalliset rajoitteet ja joustavuus

Vesivoimalaitokset tarjoavat tärkeää joustavuutta energiajärjestelmissä: niiden kyky muodostaa sähköntuotantoa nopeasti mahdollistaa säästä riippuvaisten energialähteiden, kuten tuuli- ja aurinkovoiman, vaihtelevan tuotannon tasapainottamisen. Tämä kyky tekee niistä arvokkaita järjestelmissä, joissa vaihtelevien uusiutuvien energialähteiden osuus on suuri. Laajamittaiset energiajärjestelmämallit ovat tärkeitä työkaluja tulevaisuuden skenaarioiden analysoinnissa, mahdollisten ongelmien tunnistamisessa ja ratkaisujen testaamisessa. Mallin laajuuden ja tietojen saatavuuden vuoksi vesivoima kuvataan niissä yleensä hyvin yksinkertaistetusti. Tämä voi kuitenkin johtaa vesivoiman joustavuuden yliarviointiin järjestelmän tasapainoittajana, mikä puolestaan vääristää tulevaisuuden energiajärjestelmien arviointia.

Tässä väitöskirjassa analysoitiin vesivoiman esittämistä energiajärjestelmän optimointimallissa maa- ja maanosatasolla. Suomen energiajärjestelmän osalta toteutettiin kaksi tapaustutkimusta: Oulujoki ja Kemijoki. Molemmat joet ovat säänneltyjä vesistöjä, joilla on useita vesivoimalaitoksia ja joissa yläjuoksulla sijaitsevan laitoksen ulosvirtaus vaikuttaa alajuoksulla sijaitsevan laitoksen sisäänvirtaukseen. Tällaisten vesivoimakaskadien esittäminen siten, että yksi malliyksikkö edustaa koko kaskadia, voi piilottaa kriittisiä ominaisuuksia. Tutkimus osoittaa, että tällainen yksinkertaistus voi johtaa virheellisiin arvioihin järjestelmäkustannuksista ja päästöistä sekä vesialtaiden tilavuuksista, ylivuodoista ja tehonsäätökyvystä.

Lisäksi keinotekoisten rajoitteiden asettamista analysoitiin kahdessa eri kontekstissa: (a) simuloimalla vesivoimakaskadin ympäristövirtausrajoituksia ja (b) rajoittamalla aggregoidun vesivoiman käyttöä laajamittaisissa energiajärjestelmissä ilman tarvetta lisätä yksikkötason yksityiskohtia. Ympäristövirtausrajoitukset ovat toimenpiteitä, joilla ehkäistään vesivoiman käytön negatiivisia vaikutuksia jokiekosysteemeihin. Niiden käyttöönotto vähentää haitallisia toimintakäytäntöjä, kuten sähköntuotannon nopeita muutoksia, mutta heikentää vesivoimaoperaattoreiden taloudellista tulosta. Taloudellisia menetyksiä voidaan vähentää yhdistämällä vesivoimatuotanto akkuihin tai vedyn varastointiin. Lisäksi historiallisten käyttöalueiden huomioiminen hyvin yksinkertaistetussa maanosatason energiajärjestelmämallissa vähentää vesivoiman tehonsäätökyvyn ja kapasiteetin yliarviointia. Tämä vaikuttaa suoraan mallinnettuun rajat ylittävään sähkösiirtoon, järjestelmäkustannuksiin, päästöihin ja sähkövarastojen käyttöön.

Erilaisilla energiajärjestelmämalleilla ja vesivoiman kuvaustavoilla on vakiintuneet käyttötarkoituksensa, mutta tunnettuihin vinoumiin on puututtava, jotta tulevaisuuden skenaarioista ja tarvittavista ratkaisuista saadaan luotettavampia arvioita.