Vesivoimala

Glen Canyonin voimala tuottaa sähköä Coloradojoesta Arizonassa.

Olidanin vesivoimalaitos Ruotsissa.

Vesivoimala eli vesivoimalaitos on voimalaitos, joka tuottaa veden liike-energiasta yleensä sähköenergiaa vaikka se voi myös harvoin tuottaa mekaanista energiaa. Vesivoimalan tuottamaa energiaa kutsutaan myös vesivoimaksi. Jos veden liike-energia on etenevän liikkeen muodossa eli veden virtaamana, muutetaan etenevä liike vesiturbiinin pyörimisliikkeeksi, jolloin vesiturbiini pyörittää sähkögeneraattoria muuttaen pyörimisenergian sähköenergiaksi sähkömagneettisen induktion avulla.

Virtaavaa vettä esiintyy luontaisesti erikokoisissa joissa ja puroissa. Matalaan jokeen rakennetaan yleensä pato, jolla nostetaan vedenpintaa. Padon taakse sen alapuolelle sijoitetaan vesivoimalaitoksen rakennukset ja sähkögeneraattorit. Virtaavaa vettä esiintyy myös meren rannikoilla vuoroveden aikana ja erityisen voimakkaana meriveden virtaus käy rannikon matalissa merenlahdissa. Toisinaan on vettä käytettävissä paljon, mutta se ei virtaa. Silloin vesi johdetaan putkeen tai tunneliin, joka suunnataan alemana sijaitsevaan voimalaitokseen. Painovoima vetää veden putkessa vinoon putoamisliikkeeseen, jossa sen potentiaalienergia muuttuu hetkessä liike-energiaksi. Putken vesi suunnataan vesiturbiineihin ja edellä selostetulla tavalla siitä tuotetaan sähköenergiaa. Meren aaltoenergian hyödyntämisessä ei ole vielä kehitetty tehokkaita tapoja tuottaa sähköenergiaa. Aaltoenergiaa hyödynnetään pienissä aaltovoimaloissa monilla erilaisilla menetelmillä, mutta ne kaikki ovat vielä kokeiluasteella.

Vesivoimalaitoksien termistöä

Vesivoimalaitoksen rakennekuva

Kaplan-turbiinin ja sen pystyakselin päässä sijaitsevan sähkögeneraattorin poikkileikkauskuva.

Yleistermit

• voimalaitospato: vesivoimalaitoksen vedenpinnan nostamiseen, veden ohjaukseen, -säilyttämiseen ja -säännöstelyyn tarvittava toiminnallinen patomainen rakennelma
• varastoallas: yleisnimitys vesialtaalle tai tekojärvelle, jota tarvitaan nostamaan tuotannossa käytettävän veden hydrostaattista painetta tai toimimaan varastona säätövoiman tuottamisessa
• patoallas: vesivoimalaitoksen vedenkäytön säännöstelyyn tai vedenpinnan korkeuteen tarvittava suuri varastoallas
• ohijuoksutuskanava: ohi- tai ylijuoksutuskanavan kautta ohijuoksutetaan varastoaltaasta liika vesi, joka ei siihen mahdu
• koneasema: vesiturbiinit, sähkögeneraattorit ja vedenkäytön säätölaitteistoja sisältävä rakennus
  • patolaitos: vesivoimalaitoksen koneasema sijaitsee välittömästi patorakennelman sisällä tai takana
  • putkilaitos: vesivoimalaitoksen koneasema sijaitsee padolta johdetun paineputken alapäässä
  • tunnelilaitos: vesivoimalaitoksen koneasema sijaitsee kokonaan kallioon louhitussa holvissa tai ylhäältä avoimessa kalliokuilussa
• pienipainelaitos: veden putouskorkeus 2–15 metriä
• keskipainelaitos: veden putouskorkeus 10–40 metriä
• keskikorkeapainelaitos: veden putouskorkeus 40–400 metriä
• korkeapainelaitos: veden putouskorkeus 400–2000 metriä

Vesivoiman termistöä

• rakennevirtaama: voimalaitoksen kaikkien vesiturbiinien suurin yhteenlaskettu virtaama
• rakennusaste: voimalaitoksen rakennevirtaaman suhde joen keskivirtaamaan
• tilavuusvirtaama: turbiinikohtainen virtaama, jonka arvo saadaan rakennevirtaama jaettuna turbiinien lukumäärällä
• putouskorkeus: voimalaitoksen ylä- ja alavirran puoleisten vedenpintojen korkeusero (engl. head)
• välppä: tuloputken suulle sijoitettava säleikkö, jolla estetään kiinteiden esineiden joutuminen tuloputkeen ja vesiturbiiniin
• tuloputki: vesiturbiiniin tulevalle vedelle tarkoitettu putki, joka eräissä tapauksissa päättyy spiraaliin
• spiraaliputki: tuloputken päässä eräiden turbiinityyppien vaatima vedenohjaustekniikka, jolla vesi saatetaan säteettäiseen liikkeeseen pyörimisakseliin nähden
• vesiturbiini: vesiputkessa tai vapaasti vedessä akselinsa ympäri veden voimasta pyörivä siivikko
  • juoksupyörä: vesiturbiinin akselin ympäri vedessä pyörivä osa
  • johtopyörä: vesiturbiinissa juoksupyörän ymärillä oleva veden tilavuusvirtaa säätelevä koneisto
  • pyörimisnopeus: vesiturbiinin pyörimisnopeus (kierroksia sekunnissa tai minutissa)
  • ominaiskierrosluku: vesiturbiinille ominainen lähes kiinteäarvoinen suure (n_s), joka ei riipu veden virtaaman arvosta
  • kavitaatio: höyrystymis ja kuplimisilmiö tilanteessa, jossa vedenpaine laskee veden höyrystymisen kannalta riittävän alas (kavitaatio kuluttaa turbiinia ja vesikanavia)
• imuputki: vesiturbiin läpi tullut vesi saatetaan putkella pois säilyttäen virtaavan veden liike-energialle hydraulinen kytkentä juoksupyörään
  • imukorkeus: vesiturbiinin korkeusero poistuvan veden vedenpintaan (positiivinen arvo, jos turbiini on vedenpinnan yläpuolella, ja negatiivinen sen alapuolella)
• hyötysuhde: vesiturbiinin hyötysuhde on talteenotetun energian osuus läpivirtaavan veden energiasta

• 
  Kaplan-turbiini
• 
  Francis-turbiini
• 
  Ossberger-turbiini
• 
  Pelton-turbiini
• 
  Turgo-turbiini
• 
  Kaavio vesiturbiinin soveltuvuudesta virtaaman ja pudotuskorkeuden mukaan

Jokivoimalaitos

Pääartikkeli: Jokivoimalaitos

Venäjällä Volgogradissa sijaitsee Volgalla Volgan jokivoimala.

Pieni Paneliankosken voimalaitos Eurassa tuottaa sähköä alle megawatin teholla.

Jokivoimalaitos voidaan kutsua sellaisia vesivoimalaitoksia, joilla pääosa energiasta tulee veden virtauksen liike-energiasta ja pieni osa vedenpintojen korkeuserosta (engl. run-of-river hydro power plant, saks. laufwasserkraftwerk ja norj. elvekraftverk). Tällaiset laitokset ovat yleensä pien- tai keskipaineella toimivia patolaitoksia.

Vedentulo

Vesivoimalat, jotka hyödyntävät virtaavaa vettä, ovat rakenteeltaan hyvin samanlaisia. Vesi toimitetaan vesiturbiineille tulokanavaa myöten, jonne vesi saadaan maan pinnalla kulkevasta avokanavasta, vedenalaisesta umpikanavasta tai pitkästä vesiputkesta tai tunnelista. Erääissä joki- ja vuorovesivoimalaitoksissa turbiinit pyörivät vapaasti väljässä virtavedessä. Jokeen rakennetussa virtavesivoimalassa on kuitenkin yleistä rakentaa koko joen poikki matala pato, jolla nostetaan voimalan yläpuolella vedenpinnan korkeutta. Alavilla seuduilla pato ja joen rantojen penkereet ovat yleensä matalia, jolloin veden virtausnopeus turbiinin läpi on alhainen. Padon varastoima vesimäärä on yleensä niin pieni, ettei sillä ole virtauksen sääntelyn kannalta suurta merkitystä. Patoallasta voidaan verrata pieneen läpivirtausjärveen, jossa veden viipymä on korkeintaan päiviä.

Vesiturbiini

Vesiturbiinien juoksupyörässä on akselin ympärillä sarja siivekkeitä, jotka on muotoiltu halutun vedenvirtauksen kannalta optimaalisesti. Siipien lukumäärä on juoksupyörän mallista riippuen kolmesta ylöspäin. Juoksupyörän ympärillä on johtopyörä, joka muotoillaan veden suuntaamiseksi mahdollisimman tehokkaasti juoksupyörälle. Johtopyörässä on vedentulon säätämiseksi kääntyviä siivekkeitä. Juoksupyörä ja johtopyörä muodostavat kokonaisuuden, jota kutsutaan vesiturbiiniksi.

Pienille veden virtausnopeuksille soveltuvia vesiturbiineja ovat Gorlov-, Ossberger-, Kaplan-, Francis-, Tyson- ja VHL-turbiini. Ne ovat toiminnaltaan yleensä reaktioturbiineja. Turbiiniin tulevasta veden pienestä virtausnopeudesta seuraa myös turbiinin pieni pyörimisnopeus, jolloin turbiinista voidaan valmistaa suuri.

Sähköenergiaa tuottaa sähkögeneraattori, joka sijaitsee voimalarakennuksessa lähellä turbiinia ja joka on kiinnitetty siihen yhteisellä akselilla. Pystyakselin käyttö on tyypillinen ratkaisu Kaplan- ja Francis-turbiinilla ja vaaka-akselin käyttö on yleinen Tyson-, Ossberger- ja Bank-turbiinin yhteydessä. Mikäli Kaplan- ja Francis-turbiinit sijaitsevat vesiputkessa, voivat niidenkin akseli pyöriä vaakasuorassa ja silloin voidaan sijoittaa generaattori putken ulkopuolelle. VHL-turbiini ja Gorlov-turbiini toimivat vaaka-akselin varassa, mutta ne ovat vasta yleistymässä.

Ennen turbiinia vesi ohjataan tuloputkessa virtaamaan joko akselin suuntaisesti (engl. axial flow turbine), akselia kohtisuoraan tai akselia kiertämään (engl. radial flow turbine). Viimeksi mainittu tapa sopii erityisen hyvin Kaplan- ja Francis-turbiineille, jossa vesi ohjataan spiraalilla juoksupyörän kanssa myötäsuuntaan ja päin juoksupyörän vinoja siivekkeitä. Kiinteäsiipisissä turbiineissa voimalan tehoa voidaan säätää kääntämällä vesitunnelin johtopyörässä sijaitsevia läppiä. Kaplan-turbiinissa tehoa säädetään kääntämällä juoksupyörän omia siipiä eri asentoihin.

Vedenpoisto

Vesiturbiinin imuputki voidaan kääntää pois voimalasta, mutta se päättyy yleensä veden alla. Näin imuputkeen ei pääse ilmaa ja veden jäljelle jäänyt liike-energia auttaa putken tyhjentymistä ja osaltaan parantaa voimalan hyötysuhdetta. Myös turbiini voi sijaita poistuvan veden vedenpinnan alapuolella.

Säännöstelyvoimalaitos

Pääartikkeli: Säännöstelyvoimalaitos

Hooverin pato Nevadassa Yhdysvalloissa on kuuluisimpia esimerkkejä säänöstelyvoimalaitoksesta.

Etelä-Amerikassa Brasilian ja Paraguayn rajalla sijaitseva Itaipun vesivoimalaitoksen patojärvi aukeaa leveän ja korkean padon takana aavana järvimäisenä varastoaltaana.

Pieni putkivoimala Espanjan Bossòstin kylässä Pyreneiden vuoristossa.

Säännöstelyvoimalaitos eli allasvoimalaitos on sellainen vesivoimalaitos, jonka energiantuotanto perustuu pääosin varastoaltaaseen varastoidun veden potentiaalienergiaan (engl. high-head power plant, norj. magasinkraftverk). Tällainen voimalaitos on yleensä keskikorkealla tai korkealla paineella toimiva pato-, putki- tai tunnelilaitos.

Varastoallas ja vedentulo

Esimerkiksi vuoristoisilla seuduilla voidaan hyödyntää syvän jokilaakson rinteitä varastoaltaan reunoina ja rakentaa voimalaitospato poikittain yli koko jokilaakson. Padon alaosaan ja sen sisään rakennetaan tuloputket koneasemille, jotka sijaitsevat laakson pohjalla. Tällainen patoallas täyttyy vedellä tekojärveksi, joka on kymmenien ellei satojen kilometrien pituinen. Toinen tapa on hyödyntää vuoriston yläosissa sijaitsevaa järveä tai tekojärveä. Sieltä johdetaan putket vuorenrinnettä alas putkivesivoimalaitoksen koneasemalle tai kallioon louhitaan tunneli alas maan tasalla sijaitsevaan tunnelivoimalaitokseen. Sen koneasema voi sijaita tunnelin alaosassa olevassa holvissa tai se rakennetaan tunnelin päähän vuoren ulkopuolelle rinteeseen. Voimalasta purkautuva vesi johdetaan lopuksi laaksossa sijaitsevaan jokeen, järveen tai mereen.

Voimalatyyppiä kutsutaan säännöstelyvoimalaitokseksi sen vuoksi, että sen varastoallas on tavallisesti hyvin tilava ja tämän vuoksi voimalan sähköntuotanto voidaan tarvittaessa pysäyttää pitkäksi aikaa ja vastaavasti voimalaa voidaan käyttää pitkän aikaa ilman varastoaltaan vesitäydennystä. Tämä on säännöstelyvoimalaitoksen tärkein ominaisuus, joka erottaa sen jokivoimalaitoksesta.

Vesiturbiini

Varastoaltaan suuren hydrostaattisen paineen vuoksi vedellä on suuri potentiaalienergia, joka purkautuessaan antaa sille voimakkaan virtauksen ja nopeuden. Voimakkaat virtaukset saadaan tehokkaasti hyödynnettyä vesiturbiineilla, jotka perustuvat impulssiperiaatteeseen ja siksi niitä kutsutaan impulssi- eli aktioturbiineiksi . Eräs varhainen ja tehokas turbiini on Pelton-turbiini, joka on tälläkin hetkellä eräs eniten käytettyjä turbiineja. Suuripaineinen vesisuihku suunnataan juoksupyörän kuppeihin, jolloin sille muodostuu suuri pyörimisnopeus. Turgo-turbiini toimii samalla periaatteella, mutta se on hyötysuhteeltaan Pelton-turbiinia parempi. Jos vedelle voidaan antaa spiraaliputkella säteettäinen liike, voidaan voimalassa hyödyntää myös Francis-turbiinia, jossa vesi kulkee juoksupyörän läpi jokivoimalaitoksen tapaan.

Poistuva vesi

Impulssiturbiinien vesi poistuu allasveteen eli useassa tapauksessa jokeen. Reaktioturbiineissa hyödynnetään vielä jäljellä olevaa liike-energiaa ja vesi poistetaan jokeen imuputkessa.

Pumppuvoimalaitos

Pääartikkeli: Pumppuvoimalaitos

Kruonisin pumppuvoimalaitos sijaitsee Liettuan Kaunasin lähellä.

Pumppuvoimalaitokseksi kutsutaan voimalaitosta, joka täyttää itse oman varastoaltaansa vedellä silloin, kun sähköenergiaa tuotetaan yli kulutustarpeen. Voimalaitos ostaa silloin sähköenergiaa sen keskihintaa halvemmalla hinnalla, jolla se sitten pumppaa vettä varastoaltaisiinsa. Kun kulutus ylittää sähköenergian tarjonnan, myy voimalaitos varastoaltaistaan tuottamaansa sähköenergiaa sen keskihintaa kalliimmalla hinnalla kuluttajille.

Vaikka pumppuvoimalaitos tuottaakin rahallista voittoa, niin se ei tuota ollenkaan sähköenergiaa eikä sitä voi siten pitää energialaitoksena. Vaikka sillä on tärkeä rooli energiantuotannon ja sen säätövoiman apuna, katoaa sen toiminnan johdosta jonkin verran sähköenergiaa. Hävikki on kuitenkin pienempi kuin jokivoimalaitoksien ohijuoksutuksissa menetettävä sähköenergia. Suomessa ei ole käynnissä itsenäistä pumppuvoimalaitosta.

Vuorovesivoimalaitos

Pääartikkeli: Vuorovesivoimala

Pohjaan kiinnitetty vapaasti vedessä pyörivä propelliturbiini tuottaa kaupallisesti energiaa Pohjois-Irlannissa Strangford Loughissa.

Vuorovesi syntyy, kun Kuu ja Aurinko vaikuttavat maanpinnalla painovoimaa voimistavasti tai heikentävästi. Koska Kuu vaikuttaa Maahan enemmän, syntyy vuorovesi-ilmiö kahdesti vuorokaudessa. Auringon vuorovaikutus Maahan on pienempi kuin Kuulla eikä sillä ole itsenäistä osaa vuorovesivoiman tuotannossa. Vuorovesivoimalan toiminta on siten periodista ja suora vuorovesivoiman tuotanto on siten mahdollista kahdesti vuorokaudessa. Vuorovesivoiman tuotanto on vaikeampaa kuin jokien vesivoimantuotanto eikä siitä ole vielä riittävää kokemusta.

Käynnissä olevissa voimaloissa hyödynnetään tietyillä merenrannikoilla siellä voimakkaana esiintyvän nousuveden ja laskuveden välistä korkeuseroa, joka saa meriveden virtaamaan sen siirtyessä rannikon matalien ranta-alueiden ja avomeren välillä. Nousuvesi suljetaan vuorovesipadon sisälle lahdenpohjukkaan ja vesimassa päästetään laskuveden aikana vesiturbiinien läpi takaisin mereen. Pienissä kokeiluvoimaloissa on tutkittu muita menetelmiä tuottaa sähköä. Eräs tapa hyödyntää vuorovesivoimaa on hyödyntää suoraan vesimassojen virtauksia ja niiden liike-energiaa otetaan talteen vapassa vedessä pyörivillä vesiturbiineilla.

Aaltovoimalaitos

Pääartikkeli: Aaltovoima

Aaltovoimala on toiminut Penichessa Portugalissa.

Wello on suomalainen pieni aaltovoimala, joka toimii Skotlannissa.

Tuuli nostaa vedenpinnalle aallokon, johon on sitoutunut osa tulen liike-energiasta. Veden aaltoliike sisältää suhteellisen paljon aaltovoimaa, mutta toistaiseksi sen valjastaminen sähköenergiaksion ollut vaikeaa ja tehotonta. Aaltovoimalaitokset ovat vasta kokeiluasteella ja kokeiltavana onkin erilaisia periaatteita, joilla aallon energiasta saataisiin mahdollisimman paljon talteen. Ensimmäisiä kapallisia voimalaitoksia ollaan ottamassa käyttöön. Niiden yleistymiseen vaikuttaa voimaloiden halpa hinta, mutta toisaalta niiden tuotanto on ainakin aluksi vaatimatonta.

Portugalin pohjoisrannikolla on ollut toiminnassa kokeiluluonteinen 21 MW:n pienvoimala vuodesta 2008 alkaen. Pingviiniksi ristitty suomalaisen suunnittelema aaltovoimalan teho on noin 0,5 MW ja ensimmäinen Pingviini on myyty Skotlantiin vuonna 2019.

Voimalaitoksen tuotannon arvioiminen

Tuotantoluvut

Vesivoimalaitoksen hetkittäinen sähköntuotanto vaihtelee voimalan läpi kulkevan veden virtaaman ja virtausnopeuden mukaan. Voimalaitoksen tuotantokapasiteetilla tarkoitetaan suurin mahdollista sähköntuotantoa, joka voimalaitos pystyy tuottamaan. Se saavutetaan, kun kaikki sen turbiinit toimivat yht'aikaa suurimmalla vedenvirtaamalla ja suurimmalla veden virtausnopeudella. Ylimäärä vedestä johdetaan silloin yleensä voimalaitoksen ohi ohijuoksutuksena.

Vesivoimalaitoksen sähköenergian vuosituotanto ilmoitetaan yleensä gigawattitunteina (GWh) tai terawattitunteina (TWh). Silloin miljoona megawattituntia (MWh) on

1 000 000 MWh = 1 000 GWh = 1 TWh.

Esimerkiksi Imatrankosken voimalaitos, joka on Suomen suurin vesivoimalaitos, tuottaa energiaa noin 1 000 GWh vuodessa. Koska voimalaitoksen tuotantokapasiteetti on 192 megawattia (MW), voidaan teoreettinen vuosituotanto laskea megawattitunteina. Koska vuorokaudessa on 24 tuntia ja vuodessa on 365 vuorokautta, niin vuosituotannon teoreettinen maksimiarvo on

24 · 365 · 192 MW = 1 681 920 MWh ≈ 1 682 GWh.

Voimalan todellinen tuotanto verrattuna teoreettiseen maksimituotantoon on prosenteiksi muutettuna

$\eta \approx {\frac {1000\ {\text{GWh}}}{1682\ {\text{GWh}}}}\approx 0,59=59\%.$

Hetkellinen tuotantoteho ja vuosituotanto

Voimalaitoksen hetkittäinen sähköenergian tuotantoteho P ilmoitetaan yleensä kilowatteina (kW), megawatteina (MW) tai gigawatteina (GW). Perusyksikkö watti (W) ilmoittaa, montako joulea (J) energiaa syntyy sekunnissa. Tehon P laskukaavassa

$P=\eta \rho gQh,$

missä $\eta$ on voimalaitoksen, turbiinien ja sähkögeneraattorin yhteinen hyötysuhde, $\rho$ on veden tiheys 1 000 kg/m³, $g$ putoamiskiihtyvyys maanpinnalla, $Q$ on veden hetkellinen virtaama (m³/s) sekä $h$ patoaltaan ja voimalan alajuoksun vedenpintojen korkeusero (metriä). Voimalaitoksen vuosittainen energiantuotto E voidaan karkeasti arvioida laskukaavasta

$E=\eta \rho gVh,$

missä $V$ on vuodessa voimalaitoksen läpi virrannut vesimäärä (m³). Muut suureet ovat samat kuin edellisessä tuotantotehon laskukaavassa. Kaavalla laskettu tulos on jouleja, jotka on vertailun vuoksi sen jälkeen muutettava wattitunneiksi (1 kWh = 3,6 MJ).

Historia

Vesiratas oli keskiajalla tärkein vesivoiman tuottamiseen soveltuva vesipyörä. Kuva on Belgian Braine-le-Châteausta.

Vesivoimaa hyödynnettiin ensimmäisen kerran teollisesti sähköenergian tuottamiseen vuonna 1880, jolloin 16 kaarilamppua sai virtansa vesivoimasta michiganilaisessa tuolitehtaassa. Vuonna 1882 avattiin ensimmäinen varsinainen sähköä tuottava vesivoimala Fox Riverille, Appletonissa, Wisconsinissa. Neljä vuotta myöhemmin Pohjois-Amerikkaan oli rakennettu 45 vesivoimalaa ja ennen vuosikymmenen loppua Yhdysvalloissa sähköä tuotti jo yli 200 vesivoimalaa.

Katso myös

• Luettelo maailman suurimmista vesivoimalaitoksista
• Luettelo Suomen vesivoimalaitoksista

Lähteet

• Laari, Anton: Vuosaaren B-voimalaitoksen lauhduttimien merivesikanavaan sijoitettavan pienvesivoimalan kannattavuusselvitys (PDF) insinöörityö. 4.09.2006. Helsinki: Helsingin ammattikorkeakoulu.
• Haapakoski, Pasi: Vesivoimalaitoksen rakenneratkaisut (PDF) insinöörityö. 4.2011. Ylivieska: Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu.
• Hakulinen, Juha: Pienvesivoimalan uusinta (PDF) diplomityö. 2013. Lappeenranta: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto.

Viitteet

Voimalaitokset