Suomen vetyverkko voi kehittyä valtakunnalliseksi energiavarastoksi
Suomen tulevaa vetyverkkoa ei pitäisi suunnitella vain molekyylien siirtämiseen. Oikein mitoitettuna ja sähköjärjestelmään yhdistettynä vetyverkko voisi toimia merkittävänä energiavarastona sekä alustana hajautetulle, nopeasti säädettävälle sähköntuotannolle. Tämä järjestelmäarvo kannattaa tunnistaa jo vetyinfrastruktuuria suunniteltaessa.
Energiajärjestelmän haaste ei ole vain energian määrä
Suomen sähköntuotanto sähköistyy ja sääriippuvainen tuotanto kasvaa. Samalla teollisuus, datakeskukset ja uudet sähköpolttoainehankkeet lisäävät kulutusta. Tulevaisuuden ratkaiseva kysymys ei ole ainoastaan, tuotetaanko Suomessa vuositasolla riittävästi energiaa. Yhä tärkeämpää on myös se, että tehoa on saatavilla oikeassa paikassa juuri tarvittaessa.
Akut ovat vahvoja sekuntien ja tuntien mittaisessa säädössä. Vety soveltuu suurten energiamäärien siirtämiseen ja pitkäkestoisempaan varastointiin. Kun nämä yhdistetään, saadaan järjestelmä, jossa eri teknologiat hoitavat niille parhaiten sopivat tehtävät.
Putkisto on samalla varasto
Korkeapaineiseen kaasuverkkoon sitoutunutta kaasumäärää kutsutaan linepackiksi. Verkkoa voidaan käyttää joustavasti, jos painetta voidaan laskea hallitusti ilman, että asiakkaiden toimituspaine tai verkon toimintavarmuus vaarantuu.
Havainnollistavassa skenaariossa tarkastellaan 1 500 kilometrin DN1000-luokan vetyverkkoa, jonka painetta voidaan käyttää välillä 80–70 barg. Verkon geometrinen tilavuus olisi noin 0,95–1,18 miljoonaa kuutiometriä, putken sisähalkaisijan mukaan.
Reaalikaasukäyttäytyminen huomioiden tämä vastaisi teknisesti noin 0,73–0,91 miljoonan kilogramman vetyjoustoa ja noin 24–30 GWh:n vetyenergiaa alemmalla lämpöarvolla.
Luku kuvaa teknistä suuruusluokkaa. Todellinen hyödynnettävä linepack olisi pienempi, koska verkossa tarvitaan paikallisia painevaroja ja koska putken paine ei ole tuotannon ja kulutuksen aikana kaikkialla sama. Käyttökelpoinen kapasiteetti on luotettavasti määritettävissä vasta dynaamisella hydraulisella mallilla.
Hajautettu tuotanto on yhtä suurta voimalaa kestävämpi ratkaisu
Vetyverkon sähköjärjestelmäarvoa ei kannata rakentaa yhden suuren voimalan varaan. Suomen olosuhteisiin sopivampi konsepti olisi 4–5 eri puolille maata sijoitettua, 100–150 MW:n vetypohjaista voimalaitosta. Yhteisteho olisi 400–750 MW.
Sijoituspaikat pitäisi valita järjestelmätasolla. Arvo syntyy siellä, missä vahva sähköverkko, vetyverkon solmukohta, vedyn tuotanto, teollinen kysyntä ja sähköjärjestelmän joustotarve kohtaavat. Hajautus vähentää riippuvuutta yhdestä laitoksesta, tukee alueellista tehotasapainoa ja mahdollistaa investointien vaiheistamisen.
BESS tukee jokaista voimalaitosta
Jokaisen voimalaitoksen rinnalle voidaan sijoittaa BESS-yksikkö. Konseptitasolla 25–50 MW:n ja 50–100 MWh:n akku laitosta kohti muodostaisi valtakunnallisesti noin 100–250 MW:n tehon ja 200–500 MWh:n energiasisällön. Tämä ei ole lopullinen optimimitoitus, vaan lähtökohta jatkotarkastelulle.
Työnjako on selkeä: akku vastaa välittömästi, moottorivoimala ylläpitää tuotantoa tuntien ajan ja vetyverkko siirtää sekä varastoi energian valtakunnallisesti.
Mitä linepack voisi antaa sähköjärjestelmälle?
Jos esimerkkiverkon 24–30 GWh:n vetyenergia muunnetaan sähköksi 40–46 prosentin hyötysuhteella, sähköä saadaan suuruusluokaltaan noin 10–14 GWh ennen laitosten omakäyttöä ja muita häviöitä. Tämä vastaisi esimerkiksi 600 MW:n yhteistehoa noin 16–23 tunnin ajan.
Käytännössä voimalat eivät käyttäisi ainoastaan korkeapaineiseen kaasuverkkoon sitoutunutta kaasumäärää eli linepackia. Ne voisivat hyödyntää verkossa jatkuvasti virtaavaa vetyä, kun taas linepack toimisi lisäjoustona niissä tilanteissa, joissa sähköjärjestelmän tehontarve kasvaa nopeasti tai jatkuu pitkään.
Arvo syntyy joustosta, ei pelkästään megawattitunneista
Vedyn muuttaminen sähköksi ei ole hyötysuhteeltaan akun veroinen. Siksi konseptia ei pidä perustella jatkuvana perusvoimatuotantona. Sen arvo muodostuu säädettävyydestä, tehoreservistä, pitkän niukkuusjakson hallinnasta, sähkö- ja vetymarkkinoiden välisestä joustosta sekä energiajärjestelmän häiriönsietokyvystä.
Liiketoimintamallissa on tarkasteltava samanaikaisesti sähkömarkkinatuottoja, reservituloja, vedyn vaihtoehtoiskustannusta, verkkoliityntöjä, laitosten käyttöastetta ja mahdollisen lämmön hyödyntämistä. Pelkkä linepack ei yksin perustele 400–750 MW:n voimalakapasiteettia, mutta se voi parantaa koko järjestelmän arvoa ja toimitusvarmuutta.
Vety- ja sähköverkkoa on optimoitava yhtenä järjestelmänä
Keskeinen johtopäätös on, ettei tulevan vetyverkon mitoitusta tulisi tehdä vain arvioitujen vedyn siirtomäärien perusteella. Putken halkaisija, käyttöpaine, sallittu painevaihtelu, verkon topologia, kompressoriasemat ja voimalaitosten sijainti vaikuttavat myös energiavaraston ja jouston arvoon.
Suomella on mahdollisuus rakentaa järjestelmä, jossa uusiutuva sähkö, elektrolyysi, vetyverkko, teollisuus, akut ja säädettävä voimantuotanto muodostavat yhden toiminnallisen kokonaisuuden. Tällöin energia voi liikkua eri muodoissa aina sinne, missä arvo ja tarve on suuriin.
Vetyverkko voi olla paljon enemmän kuin putki. Se voi yhdistää energiantuotannon, teollisuuden, varastoinnin ja sähköjärjestelmän jouston valtakunnalliseksi kokonaisuudeksi.
Laskennan rajaukset ja lähdepohja
- 1 500 km, DN1000 ja 80–70 barg ovat havainnollistavan skenaarion oletuksia, eivät vahvistettu kuvaus toteutuvasta Suomen vetyverkosta.
- Laskenta käyttää 15 °C lämpötilaa, absoluuttisia paineita 81 ja 71 bara sekä vedyn reaalikaasukorjausta. Tarkka tulos riippuu käytetystä tilanyhtälöstä ja lämpötilaprofiilista.
- Vedyn alempi lämpöarvo on laskennassa 33,33 kWh/kg.
- 40–46 % sähköhyötysuhde on esisuunnittelun tarkasteluväli. Lopulliset arvot on perustettava laitetoimittajien 100 % vedylle antamiin takuisiin.
- BESS-koot ovat konseptuaalisia. Optimointi edellyttää vähintään tunti- tai varttidataa sekä reservi-, sähkön hinta-, verkko- ja käyttöstrategiamallinnusta.
Keskeisiä tarkistuslähteitä: H2Tools / Hydrogen Analysis Resource Center (vedyn puristuvuus ja lämpöarvot), Wärtsilän julkiset tiedot 100 % vetyä käyttävän 31H2-moottorin validoinnista sekä FCG:n omat vetyverkoston esisuunnittelu- ja elinkaaripalveluaineistot.
Voisimmeko auttaa vetyyn liittyvissä kysymyksissä? Ota yhteyttä ja katsotaan yhdessä, kuinka voisimme olla avuksi!
