Monta parasta ratkaisua

Kesäkuussa 2015 tutkija Sannamari Pilpolan edessä on vain tyhjä Excel-tiedosto. Diplomityön aihe professori Peter Lundin uusien energiamuotojen tutkimusryhmässä on kunnianhimoinen: luo malli, jolla voi tutkia Suomen energiajärjestelmän kehitystä tulevaisuudessa.

– Piti vain lähteä liikkeelle jostakin. Tilastojen pohjalta selvitin, millainen on Suomen energiajärjestelmä. Sitten lähdin miettimään, miten sitä pystyisi mallintamaan, palanen kerrallaan.

Alan suuri kysymys on, miltä tavoitteet toteuttava tulevaisuuden energiajärjestelmä näyttäisi.

Puoli vuotta myöhemmin Pilpolan diplomityö oli valmis, ja mallin ensimmäinen versio tuotti järkeviä tuloksia.

Pilpola osoittautuu diplomityössään melkoiseksi Excel-velhoksi ja jo kesäkuussa 2020 hän aloittaa väitöstilaisuutensa napakalla johdannolla Suomen energiajärjestelmään.

– Energiajärjestelmien täytyy muuttua vähäpäästöisemmiksi. Esimerkiksi EU pyrkii hiilineutraaliksi vuoteen 2050 mennessä, Pilpola kertoo Zoom-videolähetyksessä.  

– Alan suuri kysymys on, miltä tavoitteet toteuttava tulevaisuuden energiajärjestelmä näyttäisi.

Hyvä uutinen on, että Suomi on hyvällä uralla päästöjen leikkaamisessa. Vuonna 2018 uusiutuvien energialähteiden osuus oli jo 41 prosenttia, EU:n huippua. Suomen resepti kohti hiilivapaata tulevaisuutta pohjautuu vahvasti kahteen tukijalkaan: ydinvoimaan ja uusiutuvaan metsäbiomassaan. 

Suomen energiajärjestelmästä on tehty useampi väitöstyö, mutta Pilpolan lähtökohta on uudenlainen. Hän vain määrittelee reunaehdot, ja antaa simulaatiomallin rakentaa Suomeen optimaalisen tulevaisuuden energia­järjestelmän.

Uutta on myös se, että simulointimalli kattaa sekä sähkö-, lämpö- että polttoainesektorit. Moni aiempi tutkimus keskittyi pelkästään sähkön tuotantoon. 

– Sähkö on siitä erikoinen hyödyke, että se tulee tuottaa ja kuluttaa samanaikaisesti, valistaa Pilpola lektioluennon kuulijoita. 

Uudet energialähteet, kuten tuulivoima, tuottavat päästötöntä sähköä, mutta tarjonta vaihtelee sään mukaan.

Excel-malli laskee energian kysynnän ja tarjonnan kymmenien vuosien tarkastelujakson jokaiselle tunnille ja etsii koko energiajärjestelmän vuotuiset kustannukset minimoivaa optimiratkaisua. Kysynnän ja tarjonnan pitää jatkuvasti pysyä tasapainossa. Mallin ajaminen perusvuodesta 2013 aina vuoteen 2050 kestää kokonaista neljä tuntia. 

Malli päättelee siihen syötettyjen investointikustannusten, päästöoikeuksien hintojen ja kymmenien muiden muuttujien perusteella, kannattaako kysyntä tyydyttää esimerkiksi uutta tuuli- tai ydinvoimaa rakentamalla, vai olisiko sittenkin halvempaa turvautua ostosähköön tai antaa hiilivoimalle jatkoaikaa.

Ei yksittäistä selvästi parasta ratkaisua

Väitöskirja syntyi Suomen Akatemian tutkimushankkeissa. Sen tärkein tutkimuskysymys kuului: Millainen Suomen energiajärjestelmä saavuttaisi hiilineutraaliuden kustannustehokkaimmin?

Mikä oli tulos, kun malli etsi parasta hiilivapaata energiajärjestelmää vuodelle 2050? Käytännössä hiilivapaus tarkoittaa päästöjen leikkaamista 95 prosenttia vuoden 1990 tasosta.

Tuulivoima, ydinvoima ja biomassa muodostavat tärkeimmät päästöttömät energianlähteet.

– Lopputulos oli, ettei löytynyt mitään yksittäistä selvästi parasta ratkaisua, Pilpola kertoo.

Vaikka yhtä ylivoimaista ratkaisua ei ole olemassa, on hiilivapaan energiajärjestelmän rakentajilla useampi kustannustehokas vaihtoehto.

– Tuulivoima, ydinvoima ja biomassa muodostavat tärkeimmät päästöttömät energianlähteet. Parhaissa skenaarioissa niiden osuus on suuri. Toinen yhteinen piirre on sähkön suuri osuus energiantuotannosta. Lämmöntuotanto sähköistyy, Pilpola kertoo.

Suomessa yleinen sähkön ja lämmön yhteistuotanto näyttää simulaatioiden perusteella olevan katoavaa kansanperinnettä. Nyt 40 prosenttia lämmöntuotannosta on yhteis­tuotantoa ja mallinnuksen perusteella se vähenee tulevaisuudessa merkittävästi. 

– Siinä käytetään hiilipohjaisia polttoaineita. Optimoinnin perusteella näyttää järkevämmältä tuottaa mahdollisimman paljon sähköä päästöttömillä tuotantotavoilla, ja muuttaa sitä lämmöksi.

Siirtyminen hiilivapaaseen energia­järjestelmään ei myöskään tee lovea kuluttajan kukkaroon, sillä kokonaiskustannukset näyttävät laskevan tulevaisuudessa, olipa energiapaletti millainen tahansa.

Ydinvoima ei sekään ole mikään hiilivapaan energiajärjestelmän kohtalonkysymys. Vaikka ydinvoima poistuisi kokonaan energiapaletista, kysyntä voidaan kattaa energiatehokkuuden parantamisella, tuuli­voimalla ja biomassalla. 

Ydinvoiman lisärakentaminen näyttää lisäävän energian kulutusta ja vientiä, mutta se ei simulaation perusteella alenna energiakustannuksia.

Energiantuotannon kustannukset ovat simulaatioiden perusteella suunnilleen samat ja nykytasoa jonkin verran alemmat, tuotettiinpa Suomessa vuonna 2050 ydinsähköä saman verran kuin nykyisin tai paljon nykyistä enemmän. Sen sijaan saatavilla olevan metsä­biomassan väheneminen on omiaan nostamaan energia­järjestelmän vuotuisia kustannuksia. 

– Suomella on olemassa monia optimaalisia hiilivapaita energiajärjestelmiä, summaa Pilpola.

Tuulivoimaa lämmöksi

Tuulivoima on tällä haavaa nopeimmin kasvava sähkön tuotantomuoto Euroopassa. Kärkimaa on Tanska, jossa tuulivoima kattaa ajoittain yli 100 prosenttia maan sähköntarpeesta. Kaksi Pilpolan tutkimuspapereista pureutui erilaisiin joustavuusmekanismeihin, joilla vaihteleva tuulituotanto saadaan sovitettua sähkön vaihtelevaan kysyntään. 

Ydin- ja tuulivoima ovat myös osittain toisensa poissulkevia.

– Parhailta joustavuusmekanismeilta vaikuttavat sähkö-lämpö-konversio esimerkiksi lämpöpumppujen avulla ja tuulivoimatuotannon leikkaaminen huipputilanteissa. 

Parhaassa tapauksessa leikkuriin joutunut tuulivoiman ylituotanto voidaan hyödyntää esimerkiksi varastoimalla sitä kaukolämmöksi. Sen sijaan sähkön varastointi ei olemassaolevalla akkuteknologialla näytä kannattavalta.

– Ydin- ja tuulivoima ovat myös osittain toisensa poissulkevia: jos ydinvoimaa on paljon, ei tuulivoimaa mahdu sähköjärjestelmään.

Lisäydinvoimattakin pärjäisi

Pian vastaväittäjä, saksalaisprofessori Dominik Möst pääsee tenttaamaan Pilpolaa. Miten neuvoisit poliitikkoja tai presidenttiä, Möst kysyy.

– Kertoisin, että ydinvoima, tuulivoima ja biomassa ovat hyviä päästöttömiä energianlähteitä, ja että sähkön muuntaminen lämmöksi sekä lämpöpumpputeknologiat ovat hyödyllisiä tulevaisuuden energia­järjestelmässä, Pilpola vastaa.

Pilpola lisää vielä, että kannattaa pohtia myös erilaisia epävarmuuksia ja pessimistisempiäkin tulevaisuuden skenaarioita. Näin hän teki itse ensimmäisessä tutkimuspaperissaan. Sen worst case -skenaario testasi mitä tapahtuisi, jos Suomen energiapolitiikan tukijalat pettäisivät: Olkiluoto 3:sta ei saataisi tuotantoon, Fenno­voiman ydinvoimalahanke peruuntuisi ja EU-lainsäädäntö laittaisi puubiomassan päästöjen suhteen samalle viivalle fossiilisten polttoaineiden kanssa.

Mallin perusteella energiaa kyllä riittäisi, mutta vuoden 2050 päästötavoitteista olisi pakko tinkiä.

Mallinnuksen epävarmuuksia tutki myös Pilpolan oma suosikkipaperi, joka päätyi julkaisuun arvostetussa Energy-lehdessä. Siinä hänen parannettu energiajärjestelmämallinsa on siirretty Excelistä Matlab-alustalle. Monte Carlo -mallinnuksen 10 000 iteraatiokierrosta selvittivät, miten erilaiset tulevaisuuden energiaratkaisut reagoivat lähtödatan muutoksiin.

Erityisesti ydinvoiman investointikustannuksilla on iso vaikutus lopputuloksiin. Kun ydinvoiman rakennuskustannuksiksi oletetaan 3800 eur/kW, näyttää ydinvoiman lisärakentaminen kannattavalta. Jos investointikustannus on 6500 eur/kW, onkin ei-ydinvoimaa-ratkaisu kustannuksiltaan halvin hiilivapaa energiajärjestelmä vuonna 2050.

– Nämä molemmat ovat ihan ’oikeita’ arvoja, alemmat hinnat ovat EU:n käyttämiä investointikustannuksia, ylemmät toteutuneista hankkeista laskettuja, Pilpola kertoo.

Tämä on ala, josta moni tietää jotakin, ja kaikilla on jotain sanottavaa. 

Kun väitöstilaisuuden virallinen osuus päättyy, alkaa Zoomissa ankara virtuaalinen kahvipöytäkeskustelu työn lähtöoletuksista.

Esimerkiksi väitöstyössä oletettu viiden prosentin korkokanta herättää keskustelua. Rankaiseeko se hyvin pitkäikäisiä investointeja, kuten ydinvoimaa. 

– Tärkeintä on kertoa mitä on olettanut, oletusten pitää olla läpinäkyviä, Pilpola pohtii. 

Energiakeskustelu saa helposti tunteet nousemaan. Pilpola ei ole joutunut riitoihin tuttujensa kanssa, mutta hän tunnistaa ilmiön.

– Tämä on ala, josta moni tietää jotakin, ja kaikilla on jotain sanottavaa. 

Pilpolan väitöstyö on todellinen insinöörin kannanotto energiakeskusteluun ja läpinäkyvin oletuksin tehty teknistaloudellinen laskelma päätöksenteon pohjaksi. 

– Se on järkevä lähtökohta, mutta sen kääntäminen käytännön toimiksi on vielä aivan toinen juttu. 

Vaikeutta kuvaa nyt käytävä keskustelu turpeen käytön vähentämisestä. 

– Näissä malleissa turpeen käyttö loppuu lähes täysin, se on liian saastuttavaa ja kallista muihin polttoaineisiin verrattuna. 

Kysyn vielä, olisiko maan energiajärjestelmän kuin omat taskunsa tuntevalla tohtorilla lisää hyviä neuvoja päätöksentekijöille.

– Pidä energiajärjestelmän kokonaiskuva mielessä.  

Nopein tie päästöjen leikkaamiseen on kuitenkin energiatehokkuuden parantaminen. 

– Kuluttajien liikkuminen ja sähkönkäyttö ovat toki tärkeitä, mutta kannattaa keskittyä teollisuuden energia­tehokkuuteen. Se on suurin yksittäinen energian­kuluttaja, Pilpola vinkkaa.