pienoiskuva|Tammerkosken Keskikosken voimalaitos, jonka vesivarastona on Näsijärvi. pienoiskuva|Kartta Henry Bordonin vesivoimalaitoksen patojärvestä Brasilian Sao Paolossa. pienoiskuva|Vesivoimalaitoksen rakennekuva Vesivoima on energiaa, joka on tuotettu vesivoimalaitoksessa virtaavan veden liike-energiasta tai putoavan veden potentiaalienergiasta ja joka on muutettu muuksi energiamuodoksi kulloisenkin käyttötarpeen mukaan . Aikaisemmin vesivoimaa käytettiin muuttamaan veden liike mekaaniseksi liikkeeksi, jolla voitiin esimerkiksi jauhaa viljaa pyörivien myllynkivien välissä, sahata lautaa epäkeskolla liikuteltavien sahanterien avulla, takoa rautaa raskaiden kankivasaroiden avulla, ja teollisen vallankumouksen alettua, käyttää mekaanista voimaa kankaiden kutomiseen kutomakoneilla, nostureiden, hissien ja pumppujen koneistojen pyörittämisessä. Nykyään vesivoima muutetaan pääasiassa sähkögeneraattoreilla sähköenergiaksi, joka voidaan helposti siirtää kauas sen tuotantopaikasta .
Vesivoiman energiantuotanto Vesivoimalan energiantuotantoa kuvataan tavallisesti kahdella suureella: tuotantokapasiteetti ja vuosituotanto.
Tuotantokapasiteetti Tuotantokapasiteetti eli tuotannon maksimiteho tai koneteho ilmoittaa voimalan suurimman mahdollisen tuotantotehon, jonka voimala pystyy toimittamaan sähköverkkoon. Silloin voimalan yläpuoliset resurssit ovat kaikki käytössä ja voimalan läpi virtaa se määrä vettä, jonka se on suunniteltu pystyvän rakenteellisesti käsittelemään. Voimalan kaikki vesiturbiinit ovat silloin yhtä aikaa käytössä ja kunkin tuotanto on saavuttanut rakenteellisen huippuarvonsa. Jos vettä virtaa vesistössä enemmän kuin voimala pystyy hyödyntämään, se päästetään voimalan ohi sitä varten rakennetusta ohijuoksutuskanavasta. Toisaalta, jos vettä on vähemmän, voidaan osa voimalan turbiineista pysäyttää ja ohjata vesi muiden turbiinien läpi. Kapasiteetti ilmoitetaan yleensä watteina (W), joka voi kertaantua etuliitteineen muotoihin kW, MW ja GW.
Vuosituotanto Voimalan vuosituotanto (, annual net generation , Regelarbeitsvermögen ja ) kertoo todellisen energiantuotannon, jonka voimalaitos on toimittanut sähköverkkoon. Sen todellisesta vuosituotannosta on vähennetty pois voimalan oma sähkönkäyttö, joten sen ilmoittama arvo on sen nettoarvo. Vuosituotanto ilmoitetaan yleensä yksikössä wattituntia (Wh), joka voi kertaantua etuliitteineen muotoihin kWh, MWh, GWh tai TWh.
Sähköenergian tuotanto pienoiskuva|Viiden suurimman vesivoimamaan tuotannon kehitys 1980–2012.
Maailman sähköenergiasta tuotettiin vuonna 2014 vesivoimalla 15,9 prosenttia. Vesivoimaa voidaan tuottaa runsaasti vuoristoisilla ja sateisilla alueilla kuten esimerkiksi Norjassa ja Ruotsissa, alppimaissa ja Kanadassa. Vesivoimaloita on myös suurissa hitaasti virtaavissa joissa. Kehittyneiden maiden vesivoima on jo lähes kokonaan hyödynnetty, ja vesivoiman rakentamisen painopiste on siirtynyt kehittyviin maihin. Maailman vesivoiman tuotantokapasiteetti oli vuonna 2016 noin 1 096 gigawattia (GW) ja vuosituotanto noin 4 100 terawattituntia (TWh).
Vesivoimalähteitä Jokivesivoima Virtavedet, kuten esimerkiksi joet, purot ja pienemmät ojat, saavat vetensä pääasiassa alueelle tulevista sateista. Mantereiden sateet ovat osa veden kiertokulkua, jossa sekä meristä että mantereilta ilmakehään haihtuvasta vesihöyrystä sataa osa maalle muodostaen virtavesiä. Höyrystyminen saa energiansa auringon säteilystä, ja sataessaan maahan osa siitä jää vesivoiman hyödynnettäväksi.
Aikaisemmin on käytetty kaikenkokoisia virtavesiä vesivoiman lähteenä. Aluksi hyödynnettiin virtaveden liike-energiaa eli inertiaa, kun veden liike pyöritti vaakasuoraa tai pystysuoraa vesiratasta. Vedellä ei tarvinnut olla suurta putoamiskorkeutta, jotta sille olisi muodostunut vesirattaalle riittävä virtausnopeus. Tavanomaisia paikkoja voimalalle olivat virtapaikkojen ja koskien rannat sekä pienten putousten alapuolet. Suoraa virtausta käyttäneet voimalat kärsivät vedenpuutteesta heti, kun uoman virtaamat pienenivät .
Nykyisissä vesivoimaloissa hyödynnetään myös varastoaltaita, joiden avulla tasataan virtaamien vaihteluita. Varastoaltaina toimivat yleensä tavalliset järvet, tekojärvet tai patoaltaat, jotka voivat sijaita kaukanakin voimalasta. Jos patoallas on rakennettu aivan voimalan yhteyteen, voidaan vedenpintaa nostamalla hyödyntää vedenpintojen korkeuserosta syntyvän hydrostaattisen paineen potentiaalienergiaa ja siitä vapautuvaa liike-energiaa. Tällöin vesivoimalan energiantuotanto muodostuu veden pienen potentiaalienergian avittamana joen suuresta virtaamasta. Näitä voimaloita voisi kutsua jokivoimalaitoksiksi (, ja ) . Esimerkki tällaisesta on Ukrainan Dneprjoessa sijaitseva Dneprin vesivoimalaitos. Suurin osa suomalaisista vesivoimaloista on tällaista tyyppiä.
Virtavesissä sijaitsevat vesivoimalat eivät voi varastoida vettä kovinkaan paljoa, sillä useimmat niistä sijaitsevat alavilla alueilla ja niiden patoaltaiden reunavallit ovat matalat. Veden jatkuva virtaus pakottaa juoksuttamaan vettä voimalan ohitse aina, kun sähköenergian kysyntää ei ole.
Allasvesivoima eli säännöstelyvesivoima pienoiskuva|Putket johtavat Tyssedalissa alhaalla vuonossa sijaitsevaan voimalaan. pienoiskuva|La Rancen vuorovesivoimala Ranskassa.
Vettä voidaan varastoida korkealla sijaitsevaan varastoaltaaseen, tekojärveen tai luonnolliseen järveen . Tällöin hyödynnetään virtaavan veden liike-energian sijaista järven korkeudesta syntyvää veden suurta potentiaalienergiaa. Korkeassa vedenpaineessa syntyy voimakkaita vesisuihkuja, ja toimiakseen tehokkaasti voimalat tarvitsevat toisenlaiset vesiturbiinit kuin jokivoimalaitokset. Vesivarastosta laskettavaa vettä voidaan jokivoimaloista poiketen säännöstellä aina kysynnän mukaan ilman vesihävikkiä.
Voimalan tarvitsemaa vettä otetaan vuoristoissa esimerkiksi järvistä, jotka sijaitsevat korkealla laaksojen yläpuolella. Vuoriston järviä voidaan lisäksi padota suuremmiksi tekojärviksi, jotta niiden kapasiteetti olisi riittävän suuri. Järvien vesi on yleensä peräisin vuoriston runsaista vesisateista tai lumisateista. Vesivoimala sijoitetaan laaksoon ja vesi toimitetaan voimalalle pitkin rinteitä laskevia vesiputkia tai kallioon louhittuja tunneleita.
Vuoristoissa voidaan myös hyödyntää korkeita laaksojen rinteitä syvien varastoaltaiden rakentamisessa. Tällaiset altaat tarvitsevat korkeat ja vahvat padot. Vesi otetaan voimalalle padon juuresta, jossa vedenpaine on suurin. Myös tällaiset patoaltaat toimivat pääasiassa veden varastona, eikä niiden läpivirtaus ole yleensä kovin suuri suhteessa altaan tilavuuteen. Tällaisia voimaloita voisi kutsua allasvoimalaitoksiksi tai säännöstelyvoimalaitoksiksi (, ) . Esimerkki tällaisesta järjestelystä on Las Vegasin Hooverin voimalaitoksesta, joka hyödyntää Coloradojoen kanjoneita patoaltaassaan. Samanlainen on luonteeltaan Kiinan Jangtsejokeen rakennettu Kolmen rotkon pato, jonka patoallas tarvitsi noin seitsemän vuotta aikaa täyttyäkseen. Sveitsin Grande Dixencen vesivoimalaitoksen tekojärvi sijaitsee 1 748 metriä voimalan yläpuolella vuorilla. Tekojärveen saadaan vuosittainen vesitäydennys keväisin, kun alueen jäätiköt sulaavat. Suomessa vastavalla periaatteella toimii Kemijärvellä sijaitseva Jumiskon voimalaitos, jonne johdetaan vettä 18 kilometrin päästä etelästä Posiolla sijaitsevista järvistä.
Suuri varastoallas mahdollistaa vesivoiman varastoinnin. Jos sähkön kysyntä laskee, mutta joessa virtaa edelleen vettä, voidaan sähköllä pumpata vettä korkealla sijaitsevaan varastoaltaaseen. Kun sähkön kysyntä taas kasvaa, voidaan lisävoimaa tuottaa varastoidun veden vesivoimalla. Tällaisilla pumppuvoimaloilla oli vuonna 2015 kapasiteettia yhteensä noin 150 GW (, ).
Vuorovesivoima pienoiskuva|Vuoroveden keskimääräisiä korkeuksia eri merissä ja niiden rannikoilla.
Valtamerien vuorovesi nostaa ja laskee vedenpintoja tavallisesti nollasta noin 1,3 metriin. Joillakin rannikoilla on vuoroveden nousuveden ja laskuveden välinen korkeusero useita metrejä. Tämä on mahdollista matalien rannikoiden suppenevissa lahdissa. Silloin vuoroveden nousut ja laskut aiheuttavat merivirtauksia kohti ja pois rannikolta.
Vuorovesivoimaloita on kahdenlaisia. Vanhimmat voimalat () vangitsevat nousuveden lahden suuhun rakennetun padon taakse tekoaltaaseen, joka jää padon taakse lahden pohjukkaan. Kun laskuveden aikana meriveden pinta laskee, voidaan altaassa oleva vettä päästää turbiinien läpi takaisin meteen. Uudempi vesivoimala () toimii vain veden virtauksen eli veden liike-energian avulla. Periaate on siten sama kuin tuulivoimalalla.
Vuorovesivoimaa tuottavat toistaiseksi vain muutamat laitokset. Niiden yhteinen tuotantoteho oli vuonna 2015 noin 536 megawattia (MW), josta 90 % eli 494 MW tuotetaan Etelä-Korean Shiwan ja Ranskan La Rancen voimalassa. Kummatkin voimalat hyödyntävät meriveden virtauksen liike-energiaa samalla tavalla kuin jokivoimalaitokset, joissa on sääntelyssä apuna matala patoallas. Useita uusia vuorovesivoimaloita on suunnitteilla eri puolilla maailmaa.
Aaltovoima pienoiskuva|Wello Oy on kehittänyt aaltovoimalan, jonka markkinanimi on ”Penguin” eli Pingviini.
Tuuli nostaa vedenpinnalle aallokon, johon on sitoutunut osa tuulen liike-energiasta. Veden aaltoliike sisältää suhteellisen paljon energiaa, mutta toistaiseksi sen valjastaminen vesivoimaksi on ollut vaikeaa ja tehotonta. Portugalin pohjoisrannikolla on ollut toiminnassa kokeiluluonteinen 21 MW:n pienvoimala vuodesta 2008 alkaen.
Suomessa aaltoenergiaa on tarjolla vain vähän. Siksi onkin yllättävää, että täälläkin on asiaan tartuttu omalla kehitystyöllä. Pingviiniksi ristitty aaltovoimalan teho on noin 0,5 MW ja ensimmäinen voimala on myyty Skotlantiin vuonna 2019.
Ympäristövaikutukset
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 säätövoiman 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 hiilidioksidipäästöjä 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 rotkon 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 šokin.
Vuonna 2018 julkaistu tutkimus kyseenalaistaa suuret patoprojektit niiden sosiaalisten ja ympäristövaikutusten takia.
Päästöt