Tuulivoima ja kysyntäjousto aiheuttavat murroksen sähkömarkkinoilla – miksi ja miten?
Pohjoismaissa yksi ensimmäisistä askelista energiajärjestelmien murroksessa on ollut voimakas tuulivoimatuotannon lisääntyminen erityisesti Tanskassa ja Ruotsissa. Vaikka tuulivoimatuotanto on kasvussa myös Suomessa, tuulivoiman voimakas kasvu yhteispohjoismaisilla sähkömarkkinoilla on riippumaton Suomen poliittisista valinnoista. Lisääntynyt tuulivoimatuotanto on tuonut markkinoille lisäkapasiteettia. Tämä on laskenut pohjoismaisen sähkön hintaa, eikä investointeja muuhun sähköntuotannon kapasiteettiin nähdä kannattavina. Sähkön kulutuksen nousun tasaannuttua markkinoilla on ylikapasiteettia, mutta alhaalla olevat hinnat vaikuttavat jo olemassa olevan kapasiteetin kannattavuuteen niin, että vanhaa kapasiteettia on alkanut poistua markkinoilta. Riski tuotantokapasiteetin riittävyydestä kasvaa, mikäli aurinko ei paista eikä tuuli aina pyöritä tuulivoimaloiden roottoreita juuri silloin, kun sähkön kulutus on kovimmillaan.
Sähkön hinta määräytyy polttoaineen ja käytön kustannusten sekä voimaloiden säädettävyyden mukaan
Seuraavassa kuvataan sähkön tukkumarkkinoiden toimintaa ja kehitystä kolmen yksinkertaistetun kuvan avulla. Kuvilla pyritään erityisesti havainnollistamaan lisääntyvän tuulivoimatuotannon ja kysyntäjouston vaikutuksia sähkön tukkumarkkinoiden hinnanmuodostukseen.
Kuva 1: Kuvassa on yksinkertaistettu eri sähkön tuotantomuotojen ajojärjestys eli sähköntuotannon tarjontakäyrä sähkön tukkumarkkinoille. Punaiset viivat kuvaavat kolmea eri sähkön kysyntäprofiilia: matalan, keskitason ja korkean kysynnän ajanjaksoa. Sähkön hinta määräytyy aina tarjontakäyrän ja kysynnän leikkauspisteessä. Matalan kysynnän aikana hinta on Ρm, normaalin kysynnän aikana Ρn ja korkean kysynnän aikana Ρk. Kuva on esimerkinomainen, eivätkä kustannustasot, kysynnän tasot tai kapasiteettirajat vastaa todellista tilannetta.
Sähkön tarjontakäyrä eli tuotantolaitosten ajojärjestys muodostuu tuotantomuotojen muuttuvien kustannusten mukaiseen järjestykseen. Muuttuviin kustannuksiin vaikuttavat tuotannon polttoaineen ja käytön kustannukset sekä voimaloiden säädettävyys. Edullisen tai ilmaisen polttoaineen hyödyntäjät sekä heikosti säädettävän tuotannon omistajat myyvät tuotannon melkein mihin hintaan hyvänsä. Tällaisia tuotantomuotoja ovat muun muassa aurinko-, tuuli-, ydinvoima sekä vesivoima, jota ei voi varastoida.
Kalliimman polttoaineen, kuten kaasun ja öljyn, sekä säädettävän tuotannon myyjät pitävät laitoksia periaatteessa päällä vain silloin, kun hinta nousee niin korkeaksi, että se kattaa voimalan käytön kustannukset tai vesivoiman tapauksessa ylittää varastoitavan veden vaihtoehtoiskustannuksen (myyntivoiton jonain tulevana ajanhetkenä). Säädettävän vesivoiman tarjonta ei vastaa sen muuttuvia kustannuksia ja voi vaihdella huomattavasti esimerkiksi vesitilanteesta ja sähkön kysyntäennusteista riippuen.
Tuulivoima alentaa sähkön hintaa, koska sen polttoaine ei maksa mitään
Uusiutuvan energian, erityisesti aurinko- ja tuulivoiman, tuotannon kiinteät kustannukset ovat suhteellisen korkeat, mutta muuttuvat kustannukset ovat hyvin matalat. Karkeasti voidaan sanoa, että aurinko- ja tuulivoimaloissa maksaa lähinnä teknologia, joka maksetaan pääosin voimalan rakennusvaiheessa. Tuuli ei maksa mitään, joten tuulivoimaa ajetaan verkkoon aina kun mahdollista. Kun polttoaine on ilmaista tai edullista, aurinko-, tuuli- ja ydinvoimaloita kannattaa käyttää niiden eliniän (25-40 v.) aikana niin paljon kuin mahdollista teknologian korkean alkupääomakustannuksen kuolettamiseksi.
Sähkön kysynnän ollessa matala, on myös sähkön hinta sähkön tukkumarkkinoilla verrattain matala, kun sähköä tuotetaan pelkästään laitoksissa, joissa muuttuvat kustannukset ovat matalat. Muuttuvilta kustannuksiltaan kalleimmat tuotantomuodot ovat puolestaan konventionaalisia, fossiilisia tai biopolttoaineita käyttäviä tuotantolaitoksia. Näiden laitosten muuttuviin kustannuksiin vaikuttavat polttoaineiden hinnat ja myös päästöoikeuden hinta.
Kuva 2. Kuvassa esitetään, miten lisääntyvä tuulivoimatuotanto vaikuttaa sähkön tukkumarkkinoihin. Kasvava tuulivoimatuotanto siirtää tarjontakäyrää oikealle. Tuulivoima on kuitenkin säästä riippuvainen tuotantomuoto, jolloin tarjontakäyrän paikka siirtyy tuulisuuden mukaan.
Tuulivoiman vaikutuksesta hinta sähkön tukkumarkkinoilla alenee keskimäärin, mutta hinnan vaihtelusta tulee aiempaa voimakkaampaa. Samalla hinnasta tulee vaikeampaa ennustaa. Alentunut ja vaihtelevampi hinta heikentää koko tuotantokapasiteetin kannattavuutta. Tuotantokapasiteettia poistuu markkinoilta, koska niiden tuntien määrä pienenee, joilla etenkin CHP- ja lauhdevoimalaitokset kattavat tuotannon ja ylläpidon kustannuksensa. Jäljelle jäävä huipputuotannon kapasiteetti puolestaan korottaa tarjoushintojaan kompensoidakseen alentuneista tuotantomääristä koituneet menetetyt tuotot. Lisäksi vaihtelevan tuulivoiman myötä säätelyyn kykenevät tuotantolaitokset joutuvat käynnistämään ja sulkemaan tuotantoaan tiheämmin, mikä entisestään lisää kustannuksia ja siten myös huippukulutuksen aikaista hintaa.
Tuotantohuippuja voidaan tasata lisäämällä sähkön kuluttajien kysyntäjoustoa
Tuotannon riittävyyden varmistamiseksi on ehdotettu muun muassa kapasiteettimaksuja tai -markkinoita, joiden tarkoituksena on maksaa erillistä korvausta kulutushuippujen aikaisen tuotantokapasiteetin ylläpidolle. Maksut kapasiteetin ylläpidolle olisivat vakuutus sähköjärjestelmän toimivuudelle. Toisaalta huippukulutusta voidaan myös alentaa lisäämällä sähkön kuluttajien kysyntäjoustoa, jolloin reservissä olevan tuotantokapasiteetin tarve vähenee.
Kysyntäjousto voidaan toteuttaa esimerkiksi kytkemällä rakennusten sähkölämmitystä lyhyeksi ajaksi pois päältä korkean kysynnän aikana tai varastoimalla sähkö lämmöksi sähkön hinnan ollessa alhaalla.
Kuvan 3 esimerkissä sähkön kulutusta alennetaan kysyntäjoustokohteissa korkean kysynnän tunteina, jolloin myös tuulivoimaa on vähemmän tarjolla, ja kulutusta kasvatetaan alemman kulutuksen jaksoilla, jolloin on paljon tuulivoimatuotantoa.
Kuva 3. Kysyntäjousto laskee kulutusta ja siirtää sähkön kysyntää korkean kysynnän jaksolla vasemmalle. Sähkömarkkinoiden tasapaino siirtyy kysyntähuipputunnilla pisteestä A pisteeseen B: kulutus laskee, korkean rajakustannusten tuotantoa ei tarvitse ajaa ja sähkön hinta alenee. Kysyntäjousto kasvattaa vastaavasti sähkön kulutusta normaalin (tai matalan) kysynnän tunnilla siirtäen kysyntäkäyrää tällöin oikealle. Sähkömarkkinoiden tasapaino siirtyy tällöin pisteestä C pisteeseen D: kulutus kasvaa, edullinen säätökapasiteetti kutsutaan tuottamaan sähköä ja sähkön hinta nousee.
Kysyntäjouston lisäämisellä saavutetaan monia etuja. Kulutuksen tasaaminen kysyntätuntien välillä tasaa sähkön hinnan vaihtelua. Kysyntäjousto vähentää myös reservikapasiteetin tarvetta. Edullisen tuotanto- ja säätökapasiteetin, kuten vaikkapa CHP-laitosten tai muiden kustannuksiltaan edullisten voimaloiden tuotto-odotukset paranevat, koska niiden käyttöaste kasvaa. Myös tuulivoiman tuotto-odotukset kasvavat, sillä sähkön hinta nousee niillä tunneilla, jolloin tuulivoimalla tuotetaan sähköä ja jolloin kysyntäjoustokohteet varastoivat sähköä nostaen kulutusta. Tämä puolestaan alentaa valtiontalouden kustannuksia, koska tuulivoimalle syöttötariffina maksettavan tuen osuus laskee.
Uusien teknologioiden käyttöönotto edellyttää uusia toimintamalleja
Uudet teknologiat aiheuttavat merkittäviä muutoksia sähkömarkkinoiden toimintaan ja hinnanmuodostukseen. Tästä syystä on tärkeää kehittää markkinamalleja, hinnoittelua, regulaatiota sekä siirtymäajan toimenpiteitä niin, että markkinat mahdollistavat lopulta yhteiskunnan siirtymisen puhtaaseen energiajärjestelmään.
Kirjoittajat:
Kimmo Ollikka VATT & Karoliina Auvinen
Aalto-yliopiston kauppakorkeakoulu
Smart Energy Transition -hanke
Päivitetty: 15.5.2017
Kirjoitus on julkaistu osana Kohti sähkömarkkinamallia 2.0 -keskustelupaperi- ja blogisarjaa, jonka tavoitteena on luoda suuntaviivoja sähkömarkkinoiden kehitykselle ja herättää keskustelua keinoista, joilla nykyiset markkinamurroksen haasteet voitaisiin ratkaista. Kirjoitussarja on laadittu Strategisen tutkimuksen neuvoston rahoittamien Smart Energy Transition ja EL-TRAN -hankkeiden sekä Tekesin rahoittaman Neo-Carbon -hankkeen tutkijoiden yhteistyönä.
