Energian iso yhteiskunnallinen koe – sähköjärjestelmän tulevaisuus on kysymysmerkkejä täynnä

Viime vuosina sähköstä on tullut Suomessakin näkyvämpi osa arkea ja politiikkaa. Kasvava sähkönkulutus, tuotannon ja kulutuksen tasapainottamisen haasteet sekä markkinoiden heilahtelut ovat osa palapeliä, jonka miettiminen saa sähkötekniikan professorin pään kipeäksi.

Sähkö on jo pitkään ollut ylivoimaisen helppo ja nopea tapa siirtää energiaa paikasta toiseen.

Samalla sähköstä on tullut valtava, usein huomaamaton osa arkeamme. Kun keskiverto suomalainen laittaa läppärinsä lataukseen tai napsauttaa pyykkikoneen päälle, hän  harvemmin pysähtyy miettimään, mistä ja miten energia koneeseen oikeastaan tulee.

Sähköjärjestelmä on kuitenkin voimalaitoksineen, siirto- ja jakeluverkkoineen sekä sähkömarkkinoineen monimutkainen ja herkkä kokonaisuus. Sen kantokyvystä huolehtiminen vaatii paljon työtä varsinkin, kun sähköä tarvitaan yhä enemmän –  Fingridin arvion mukaan sähkönkulutus kasvaa Suomessa jopa 60 prosenttia vuoteen 2030 mennessä.

Kaikki lähtee liikkeelle sähkön fysiikasta: järjestelmä toimii niin, että kysynnän ja tuotannon pitää joka hetkellä olla tasapainossa. Kun joku pistää töpselin seinään, sähköä pitää tulla systeemiin juuri tuolla hetkellä oikea määrä. Jos tasapaino katkeaa pahasti, seuraa sähkökatko.

Toinen sähköjärjestelmän kompleksisuutta lisäävä piirre on se, että jaetun sähköverkon kautta olemme kaikki tietyllä tavalla riippuvaisia toisistamme. Siksi on yhteiskunnallisesti perusteltua kantaa yhteisesti huolta järjestelmän kehittämisestä, toteaa energiamarkkinoiden tutkimukseen erikoistunut Aalto-yliopiston työelämäprofessori Iivo Vehviläinen.

”Jos esimerkiksi maitokaupassa pilaantuu erä maitoa, se vaikuttaa vain paikallisesti. Mutta jos iso voimalaitos putoaa pois sähköntuotannosta, se vaikuttaa paljon laajemmin kuluttajiin”, Vehviläinen vertaa.

Viime vuosina sähköntuotantoon ja -kulutukseen liittyvät yhteiskunnalliset kysymykset ovat nousseet aiempaa vahvemmin näkyviin.

”Monien muutostekijöiden seurauksena ollaankin maailmassa, jossa emme ihan ymmärrä, miten sähköjärjestelmää pitäisi ohjailla”, Vehviläinen kuvailee.

Uusiutuva energia kulkee omia latujaan

Erityisesti sähköjärjestelmän kysynnän ja tuotannon tasapaino on tällä hetkellä kuuma peruna. Taustalla vaikuttaa siirtymä fossiilisista polttoaineista uusiutuvan energian käyttöön.  Se tarkoittaa hiilivapaata sähköä tai sähkön avulla tuotettavaa vetyä, jolla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita esimerkiksi terästuotannossa tai laivaliikenteessä.

Suomessa sähkön tuotanto on jo 94–95-prosenttisesti hiilivapaata. Myös energian käyttöpuoli sähköistyy kovaa vauhtia: esimerkiksi kaukolämpöä tuotetaan jo paljon sähköllä lämpiävillä kattiloilla, ja sähköautot lisääntyvät katukuvassa.

Uusiutuvat energiamuodot ovat vähentäneet sähköntuotannon joustoa. Siinä missä ennen esimerkiksi kylmänä talvipäivänä saatettiin lisätä sähkön tuotantoa lapioimalla lisää hiiltä kattilaan, tuuli- tai aurinkoenergiasta saadun sähkön tuotanto kulkee pitkälti omia latujaan.

”Niiden tuotantoa voi kyllä rajoittaa, mutta enemmän ei voi ottaa, kuin milläkin hetkellä tuulee tai aurinko paistaa”, Iivo Vehviläinen sanoo.

Hankalimpia ovat tilanteet, jolloin on monta päivää putkeen kylmä ja seisova korkeapaine. Kun sähkön kysyntä lisääntyy jatkuvasti, ratkaisuja voi hakea joko korvaavaa sähköntuotantoa kehittämällä tai sähköä varastoimalla, sanoo Aalto-yliopiston sähkötekniikan ja automaation professori Matti Lehtonen.

Suuri haaste on, että toistaiseksi sähkön varastointi on ollut melko kallista ja hankalaa.  Nyt ilmassa on kuitenkin merkkejä muutoksesta, Lehtonen uskoo. Esimerkkinä hän mainitsee suomalaisen Polar Night Energy -yrityksen, jonka kehittämä menetelmä hyödyntää lämpöä sähköverkosta, varastoi sen hiekkaan ja vapauttaa myöhemmin kaukolämmöksi tai teollisiin prosesseihin. Lehtonen pitää mahdollisena myös kotitalousluokan sähköä varastoivien akkujen yleistymistä.

Verkkojen kapasiteetti koetuksella

Kun sähkön tarve kasvaa nopeasti, myös sähköä maan eri osiin jakava siirtoverkko voi muodostua pullonkaulaksi, jos verkon kapasiteetti ei riitä ottamaan vastaan kaikkea tuotettua energiaa.

Vaikka siirtoverkon kehittämiseen panostetaan Suomessa, uuden infran rakentaminen on hidasta.

”Valitettava tosiasia on se, että 400 kilovoltin siirtolinjan rakentaminen kestää kymmenen vuotta. Nyt joudutaan ajamaan tietoisesti järjestelmää lähemmäs rajojaan”, Lehtonen sanoo.

Myös paikallisten jakeluverkkojen kapasiteetti tulee olemaan koetuksella, Lehtonen veikkaa. Niihin tullaan liittämään lisää esimerkiksi sähköautoja ja paikallista uusiutuvaa tuotantoa, kuten talojen katoille asennettavia aurinkosähköjärjestelmiä.

Tämäkin haaste palautuu sähköjärjestelmälle ominaiseen tuotannon ja kulutuksen kohtaanto-ongelmaan: esimerkiksi Suomessa tuotetaan aurinkosähköä eniten kesällä, jolloin sen käyttö on alhaisimmillaan. Kun pientalon aurinkopaneeli pöhisee päivän valoisimpaan aikaan, omistajien sähköauto on usein työpaikan pihassa. Lehtonen näkeekin paljon mahdollisuuksia uudenlaisille palveluille, jotka voisivat koordinoida pientalojen, toimistorakennusten ja muiden paikallisten energiayhteisöjen sähköntuotannon ja -kulutuksen optimointia.

Selvää on, että järjestelmän eri palasten yhteensovittaminen vaatii paljon ponnistelua. Tässä tekoäly voi olla hyödyksi: se voisi esimerkiksi laskea tietyssä tilanteessa parhaan tavan toimia tai auttaa ennustamaan sähkön kysynnän ja hintojen kehitystä pitkällä aikavälillä. Mahdolliset ennustevirheet ovat kuitenkin suuria ja maksavat paljon.

”Hyvä, että ollaan menossa kohti hiilivapaata maailmaa. Samalla kuitenkin luodaan sellaista energiajärjestelmää, että tulee pää kipeäksi kun ajattelee, millä tavalla sitä tullaan hallitsemaan”, Lehtonen summaa.

Lisää ymmärrystä kuluttajien sähkönkäytöstä

Suomessa sähkömarkkinat toimivat vapaan kilpailun periaatteella, jolloin sähkön hinta muodostuu kysynnän ja tarjonnan mukaan.

Yksi markkinan tehtävistä on kysynnän ja tarjonnan tasapainottaminen, Iivo Vehviläinen sanoo.  Kun esimerkiksi kysyntä kasvaa, seuraa tästä hintojen nousu, joka hillitsee lisäkysyntää ja tekee lisätuotannosta kannattavampaa.

Viime vuosina monen uskoa markkinamekanismin toimivuuteen on koeteltu. Pörssisähkön hinta on ampaissut välillä niin ylös, että varsinkin sähkölämmitteisissä omakotitaloissa asuville talven sähkölaskut ovat aiheuttaneet todellista stressiä. Taustalla vaikuttaa uusiutuvan energiatuotannon joustamattomuus sekä riippuvuus sääolosuhteista, mutta myös Venäjän hyökkäyssota Ukrainaan ja siitä seuranneet pakotteet. Kun Venäjältä Eurooppaan virrannut halpa energia katkaistiin, vaikutus tuntui myös Suomessa, koska olemme kytköksissä muuhun Eurooppaan sähkönsiirtoyhteyksien kautta.

”Voidaan miettiä, onko yhteiskunnallisesti perusteltua, että sähkön kaltaisen välttämättömyyshyödykkeen hinnat voivat karata todella korkeiksi ”, Vehviläinen sanoo.

Markkinoiden jouhevoittamiseksi olisi tärkeää ymmärtää suomalaisten sähkönkulutusta paremmin, hän jatkaa. Teollisuuden osuus sähkönkulutuksesta on täällä iso moneen muuhun maahan verrattuna, mutta Vehviläinen luottaa siihen, että yritykset kyllä oppivat sopeuttamaan omia prosessejaan ja ottamaan hyödyn irti sähkön hintavaihteluista. Jotkut firmat sitä jo tekevät.

Kotitalouksista tiedetään paljon vähemmän. Millaiset kulutuskohteet ovat olennaisia sähkönkulutuksen jouston suhteen? Voisiko esimerkiksi maalämpöpumppu hyödyntää sähköhintojen optimointia?

Sekä: miten kuluttajia kannattaisi kannustaa sopeuttamaan sähkönkulutusta? Tähän liittyy esimerkiksi se, millaisia sähkösopimuksia tehdään.

”Olennaista on myös parempi ymmärrys ihmisten erilaisista tarpeista. Jos tulee esimerkiksi pienten lasten kanssa päiväkodista kotiin, on luultavasti valmis maksamaan aika paljon sähköstä, jotta saa tehtyä ruokaa”, Vehviläinen kuvailee.

Hyvätuloiset käyttävät keskimäärin enemmän sähköä kuin pienituloiset, ja heillä on lähtökohtaisesti enemmän mahdollisuuksia käytän sopeutukseen. Pienituloisissa kotitalouksissa, joissa joustonvaraa ei juuri ole, korkealle pomppaavat hinnat voivat tarkoittaa sitä, että osaa talosta pidetään kylmänä tai eletään pimeässä ilman valaistusta.

Innovaatio nousee pintaan

Iivo Vehviläinen muistuttaa, että vaikka sähkömarkkinoihin liittyy nyt paljon epävarmuutta, tietynlainen epävarmuus myös vähenee, kun emme ole enää fossiilisten polttoaineiden kautta kiinni geopolitiikassa. Säät ovat epävakaita mutta ehkä kuitenkin ennustettavampia kuin lisää valtaa kärkkyvät diktaattorit.

”On tällainen iso yhteiskunnallinen kokeilu käynnissä, että onnistuuko tämä koordinointi jotenkin hintojen kautta. Pysyykö paketti kasassa, se nähdään”, Vehviläinen toteaa.

Matti Lehtonen uskoo, että iso osa sähköjärjestelmään liittyvistä haasteista on ratkaistavissa kekseliäisyydellä.

”On kiva katsoa maailman menoa, kun tuntuu, että on innovatiivisuutta ilmassa. Itse olen ajatellut niin, että halvan fossiilisen energian pitkä kausi on tappanut kehtoonsa kaikki uudet ratkaisut. Nyt kun fossiilisista on pakko päästä eroon, innovaation puoli nousee kuin korkkivene pinnalle”, hän pohtii.

Niin kauan kuin ihmisillä on tapa tehdä energiaa jollain tavalla, ei sähkö tule loppumaan maailmasta, Lehtonen toteaa. Lopulta kaikki energia päätyy lämmöksi, jota voidaan yrittää aina hyödyntää uudelleen.

”Esimerkiksi datakeskukset käyttävät valtavia määriä sähköä, mutta niiden tuottamaa ylijäämälämpöä voidaan jo pumpata kaukolämpöverkkoon. Se on aika fantsu kuvio.”

Teksti: Heini Huhtinen
Kuvitus: Hans Eiskonen

Artikkelissa on hyödynnetty myös professori Heikki Mannilan kanssa tehtyä taustahaastattelua. Mannila johtaa yhdessä Matti Lehtosen ja Matti Liskin kanssa  Aalto-yliopiston hanketta, joka keskittyy tulevaisuuden energiajärjestelmien monitieteiseen tutkimukseen. Sähkötekniikan ja automaation, tietotekniikan sekä taloustieteen laitosten yhteinen hanke on yksi osa Aalto-yliopiston House of AI -kokonaisuutta, jolla tuetaan tekoälyn entistä monipuolisempaa käyttöä muiden alojen tutkimuksessa. Wihurin rahasto tukee hanketta kolmen vuoden aikana yhteensä 750 000 eurolla vuodesta 2023 alkaen.