Vesivoima

Vesivoimalan rakennekuva

Vesivoima on tulen jälkeen vanhin tunnettu energian tuottamisen tapa. Aurinko haihduttaa ensin vettä meristä ja vesistöistä pilviin, joista se se sataa alas kerääntyen sisävesistöihin merenpinnan yläpuolelle. Ts. vesivoima on epäsuoraa aurinkovoimaa. Koskissa ja putouksissa virtaavalla vedellä on potentiaalienergiaa, joka muuttuu liike-energiaksi. Sitä hyödyntävät vesipyörät ja vesirattaat on tunnettu jo tuhansia vuosia ja niitä käytettiin suoraan mekaanisen työn tekoon. Vesiturbiini keksittiin 1800-luvulla. Nykyaikana veden liike-energia otetaan talteen vesiturbiinilla myös kaikkein pienimmissä voimalaitoksissa ja muutetaan sähköenergiaksi generaattorilla.

Vesivoiman historiaa

Eräänä historiallisena selityksenä Euroopan teollisen mahdin muuta maailmaa nopeammalle kehitykselle pidetään jokien määrää ja siten vesivoiman saatavuutta. Vaikka vesivoimalla jauhettiin viljaa jo antiikin ajan Kaksoisvirtainmaassa, nousi Eurooppa maailmanmahdiksi vesivoiman laajan käytön ansiosta. Ranskalaisessa Troyesin kaupungissa oli samanaikaisesti toiminnassa 40 vesiratasta, joiden voimaa hyödynnettiin kaikessa mahdollisessa; suurien leipomoiden uuneja kuumentavista palkeista aina metallin valssaukseen asti. Vesirattaiden käyttämät puristimet ja prässit mahdollistivat huopien suurtuotannon, jolla oli lähes yhtä suuri sotilaallinen merkitys kuin varsinaisella asetuotannollakin. Vielä Napoleonin sotien aikaan tykinputket porattiin lähes poikkeuksetta vesivoimalla, vaikka höyrykone jo teki tuloaan. Vesirattaan aikaa kutsutaan esiteolliseksi aikakaudeksi.

Ympäristövaikutukset

Tiedosto:EnergiaCO2.png

Vertailu eri energialähteiden tyypillisistä kasvihuonekaasujen maksimi- ja mininimipäästöistä. ([1])

  varsinaisen energiatuotannon päästöt

  muun elinkaaren (polttoaineenhankinnat, rakentaminen, huolto ynnä muut) päästöt

Energian varastointi ja kulutushuippujen tasaaminen on helppoa tekojärvien ansiosta, joihin varastoidun veden potentiaalienergia hyödynnetään sähkön kulutushuippujen aikana vesivoimalassa. Hyötysuhde on erittäin hyvä ja voimalan huolto- ja hoitokustannukset ovat alhaiset. Vesivoiman tuotantoa voidaan säätää helposti ja nopeasti, ja siksi niitä käytetään erityisesti säätelyvoiman tuotannossa. Vesivoiman tuotantoa siis lisätään kulutushuippujen ajaksi ja vähennetään alhaisen kulutuksen aikana, mikä poikkeaa merkittävästi esimerkiksi ydinvoimaloista, jotka ovat parhaimmillaan jatkuvan täyden tehon tuottajina. Tekoaltaiden säätelyvoiman käytöllä voidaan korvata CO₂-päästöjä aiheuttavia hiilivoimaloita säätelytehon tuottajina.

Vesivoimaa hankitaan usein patoamalla suuret määrät vettä tekojärviksi, jolloin saadaan keskitettyä suuret määrät energiaa hydrostaattiseksi paineeksi. Näin vesivoimaloiden tehoa ja hyötysuhdetta voidaan lisätä merkittävästi. Tekojärvien alle peittyy usein suuria alueita pakottaen väestönsiirtoihin. Usein tekojärven peittämässä maaperässä piilevät saasteet liukenevat veteen. Suuret patoaltaat jättävät helposti alleen alueita, joilla voi olla arkeologisia tai kulttuurillisia muistomerkkejä tai arvokkaita luontokohteita. Esimerkkinä Assuanin pato Egyptissä.

Arvokkaiden viljelysmaiden jääminen patojen hukuttamaksi on ongelmana erityisesti Kiinassa rakennettaessa Kolmen solan patoa. Sen muodostamaan tekojärveen kertyy raskasmetalleja ja muita saasteita, joiden sitten pelätään siirtyvän kaloihin entistä voimakkaammin. Siten tekoaltaissa tavanomaista kalojen kasvatusta ei voida toteuttaa. Tulvien aikaan padon ylivuotoluukut avataan ja tällöin patoaltaan keräämiä saasteita purkautuu kerralla suuria määriä aiheuttaen luonnolle shokin.

Jos uusien patoaltaiden alle jääviä metsiä ei kaadeta ja puunrunkoja viedä pois, veden alle jääneet puut mätänevät vapauttaen kasvihuonekaasuja. Erityisesti metaania, joka on hiilidioksidiin verrattuna nelinkertaisesti pahempi ilmakehän lämpenemisen aiheuttajana. Suomessa on jälkikäteen raivattu tekoaltaiden hukuttamia metsiköitä.

Voimalaitosten padot estävät virtakutuisten kalalajien, kuten lohen, taimenen, vaellussiian, nahkiaisen ja toutaimen kutuvaelluksen lisääntymisalueille. Suomessa vesivoimaa ei voi juurikaan rakentaa lisää, vaan loppuja luonnontilaisia koskia pyritään suojelemaan. Juoksutusten säännöstelyjen seurauksena vedenkorkeuden vaihtelu muuttuu luonnollisesta, mikä voi edelleen haitata kalataloutta ja ekosysteemiä.

Suomen olemassa olevien vesivoimalaitosten kalataloushaittoja pystyttäisiin vähentämään oleellisesti rakentamalla patojen yhteyteen toimivat kalatiet. Mm. Iijoessa ja Kemijoessa on lohen ja taimenen lisääntymiseen soveltuvia vapaita koskialueita tuhansien hehtaarien edestä, mutta nämä alueet sijaitsevat patojen yläpuolella. Oulujoen Merikosken kalatie on hyvä esimerkki nykypäivän kalatierakentamisen osaamisen tasosta Suomessa. Vuosikymmeniä sitten rakennetut toimimattomat kalatiet leimaavat edelleen kalatierakentamista, vaikka 90-luvun alkupuolen jälkeen rakennetut kalatiet ovat yleisesti toimineet moitteettomasti.

Laitoksia Suomessa ja maailmalla

Tammerkoski Tampereella

Suomessa ensimmäinen vesivoimalla toimiva sähkölaitos otettiin käyttöön 22. syyskuuta 1891 Tampereella. Vuonna 1928 otettiin käyttöön Imatrankosken voimala Vuoksessa, nykyisellä Imatralla. Voimala on 170 MW tehollaan edelleen Suomen suurin. Kemijoen ensimmäinen voimalaitos otettiin käyttöön 1948 Isohaarassa. Nyttemmin Kemijoen valuma-alueella on 18 vesivoimalaitosta ja Lokan ja Porttipahdan tekojärvet. Suomessa korkeuserot vesistöissä ovat vähäisiä eikä täällä nähdä satojen metrien pudotuksia, vaan voimalaitosten korkeuserot ovat tyypillisesti joitakin kymmeniä metrejä. Kemijärvellä Jumiskon maanalaisessa voimalaitoksessa pudotus on kuitenkin 96 metriä.

Merkittäviä laitoksia maailmalla:

• Itaipun pato Paraguayn ja Brasilian rajalla: 14 000 MW
• Hooverin pato Yhdysvalloissa: 2 074 MW
• Assuanin pato ja Nasserinjärvi (6 000 neliökilometriä) Egyptissä: 2 100 MW
• Alquevan pato Guadianajoessa Portugalissa ja Euroopan suurin 250 neliökilometrin tekojärvi. Valmiina voimalaitoksen teho on 390 MW. Kaikkiaan Guadinajokeen on tarkoitus rakentaa kolme patoa ja voimalaitosta.

Hooverin pato

Toistaiseksi suurin vesivoimala on Brasilian ja Paraguain yhteinen Paranájoessa sijaitseva Itaipún voimala. Sen padon korkeus on 196 metriä ja pituus 7,76 kilometriä ja se loi taakseen 170 kilometriä pitkän, keskimäärin seitsemän kilometriä leveän järven, pinta-alaltaan yhteensä 1 350 neliökilometriä. Voimalaa rakennettiin vuodesta 1975 lähtien ja 1983 ensimmäinen yksikkö aloitti toimintansa. Laitoksen teho on 12 600 MW.

Suurin rakenteilla oleva laitos on Jangtse-jokeen rakennettava Kolmen solan pato Kiinassa.

Norjan vesivoima ja Suomi

Norjan vuoristojen ja vuonojen olosuhteet tarjoavat poikkeuksellisen hyvät mahdollisuudet vesivoimalaitosten rakentamiseen. Atlantilta tulevat pilvet nousevat vuorten rinteitä ylös jäähtyen ja tiivistyen sateiksi, jotka täyttävät tekojärvet tehokkaasti. Lisäksi patoaltaita ruokkivat vuorten jäätiköiden sulamisvedet. Norja myy ylimääräisen sähkönsä muihin Pohjoismaiden sähköpörssissä, Nordpoolissa. Sen lisäksi maa myy ulkomaille tuottamansa öljyn ja kaasun, sillä se saa vesivoimaloista tarvitsemansa perusenergian. Norjan vähäsateisina kesinä Suomi joutuu käyttämään enemmän kalliita hiilivoimaloitaan, jolloin sekä sähkön hinta nousee että ilmastoa lämmittävät saastepäästöt kasvavat. Asian merkitys kasvaa Euroopan unionin sisäisen päästökaupan myötä. Toisaalta Norjan sateiden ennustetaan kasvavan ilmastön lämpenemisen seurauksena.