CHP-laitosten sähköistäminen

Vuonna 2024 tuulivoima nousi Suomen toiseksi suurimmaksi sähköntuotantomuodoksi ohi vesivoiman. Tuulivoiman osuus kasvoi 24 prosenttiin sähkönkulutuksesta, kun se oli 10 % vielä vuonna 2020. Kasvu on ja tulee olemaan jatkossakin nopeaa. Tuulivoiman nopeaa kasvua on myös pitkälti kiittäminen siitä, että Suomi on sähkön suhteen lähes omavarainen.

Ydinvoimalla ja teollisuuden yhteistuotantolaitoksilla (CHP, Combined Heat and Power) tuotetaan vakiona pysyvää peruskuormaa sähköverkkoon. Tuulienergian kasvu tuo mukanaan haasteita: sähkön hinta vaihtelee rajusti tuotantomäärän mukaan. Aurinkovoiman määrän kasvaminen tulevina vuosina tuonee kesäpäiville vastaavia haasteita. Toisaalta se voi kompensoida joiltain osin tuulivoiman laskua ja sähkön kulutuksen kasvua päiväaikana. Sähkön akkuvarastointia on myös rakenteilla, mutta näiden ajallinen säätökapasiteetti on vielä pieni. Vesivoiman rinnalle verkon säätövoimaksi ovat tulleet kaukolämpölaitokset.

Kaukolämpölaitoksilla on siis tärkeä rooli sähköverkon tasapainottajana. Kaukolämpöä tarvitaan enemmän, kun sää kylmenee ja samalla CHP-laitos tuottaa enemmän sähköä.  Tuulettomina päivinä, jolloin sähkön hinta on korkea, kattilan kuormaa voidaan kasvattaa ja sähköntuotantoa lisätä mm. lauhdeperän omaavissa voimalaitoksissa. Lisäosa tuotetusta lämpötehosta joudutaan kuitenkin hukkaamaan järveen tai mereen apujäähdyttimissä, mikä laskee kattilan kokonaishyötysuhdetta.

Suuri osa kaukolämpöyhtiöistä on investoinut sähkökattilaan sekä kaukolämpöakkuun, jotta voisivat tukea sähköverkkoa myös käyttämällä sähköä tarvittaessa. Kun tuulee, sähkö on usein halvempaa kuin esim. biomassa, jolloin kaukolämpö kannattaakin tuottaa sähköllä eikä polttamalla. Mikäli fossiilisten polttoaineiden käyttöä voidaan vähentää tilanteissa, missä kattilan lämpökuormaa korvataan sähkökattilan tuotannolla, koko laitoksen CO₂-päästöt alenevat. Säästetyn fossiilisen polttoaineen verran päästään lähemmäksi vuodelle 2035 asetettua CO₂-päästövähenemää.

Nerokasta ja loistavaa. Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto jatkaa Suomen energiajärjestelmän kulmakivenä.  Sähkökattilat ja kaukolämpöakut CHP laitoksen yhteydessä tarjoavat merkittävää joustoa sähköjärjestelmään. Ne voivat toimia energiavarastoina, jotka aktivoituvat tarpeen mukaan. Tämä vähentää riippuvuutta fossiilisista polttoaineista ja säästää rajallisia biomassaresursseja kuten kuorta, sahanpurua ja latvusmassaa. Lisäksi sähköistämällä nykyisiä laitoksia vältetään kalliit verkkoinvestoinnit – sähkö voi kulkea laitoksen kupeessa molempiin suuntiin.

Haasteita järjestelmässä kuitenkin on. Rakennettaessa kaukolämpölaitokset on suunniteltu pääasiassa tuottamaan kaukolämpöä ulkolämpötilan mukaan. Sähköverkkoa tukeva ajotapa, jossa kuormatasoa vaihdellaan paljon päivän sisällä, kuluttaa kattilaa (mm. enemmän lämpöväsymistä) ja sen toimilaitteita enemmän. Toisaalta mitä suurempi kaukolämpöakku verkossa on, sen loivemmin voidaan kuormaa muuttaa ja säästää laitosta. Kattilalla on myös minimikuorma, millä se saadaan pysymään toiminnassa, ja sitä ei voida alittaa. Muuten kattila ajetaan alas ja tarvittaessa pidetään öljy- tai kaasupolttimilla lämpimänä. Ylösajo kylmästä kestää huomattavasti kauemmin sekä kuluttaa fossiilisia polttoaineita ja euroja.

VTT:n BitKein-hankkeessa kehitetään ratkaisuja, jotka voivat muuttaa olemassa olevaa toimintamallia. Sähkölämmityksen siirtäminen osaksi kattilaprosessia voi vähentää kattilan kuormatasojen muutosta huomattavasti. Esimerkiksi palamisilman lisälämmitys sähköllä vähentää tarvittavaa polttoainetehoa ja pitää kattilan lämpötilat tasaisempana kuin käyttämällä erillistä sähkökattilaa. Samalla tekniikalla voidaan kattilan minimikuormaa laskea. Sähköllä voitaisiin leijukattiloiden petiä pitää myös alasajon aikana toimintavalmiina.  Tällä tavoin saadaan kaukolämpöyhtiöiden kattilainvestoinneille lisää ikää ja pystytään pitämään huoltovarmuuden kannalta olennaiset kaukolämpölaitokset toiminnassa pidempään ja nopeassa sähköntuotantovalmiudessa. Samalla voidaan säästää biomassaa kuten sähkökattiloillakin.

Timo Leino

Kirjoittaja on manselainen DI ja toimii erikoistutkijana VTT:llä Carbon-efficient industry-tutkimustiimissä, Energia-tutkimusalueella.