29 helmikuun 2024 kl. 12:55

Maakaapeli vai ilmajohto? Toimivimman ratkaisun valinta on monen tekijän summa

Sähköverkon rakenteelliset valinnat, kuten maakaapelien ja ilmajohtojen käyttö, ovat keskeisiä kysymyksiä energiahankkeiden ja infrastruktuurin suunnittelussa. Nämä valinnat vaikuttavat sähkönsiirron tehokkuuteen, luotettavuuteen sekä ympäristöön ja maisemaan. Tässä artikkelissa vertailemme asiantuntijalähteisiin perustuen maakaapelin ja ilmajohdon eroja.

Ilmajohdot ja niiden käyttö

Ilmajohto on sähkönsiirtoon tai -jakeluun käytettävä johto, joka kulkee ilmassa pylväiden tai mastojen varassa. Ilmajohtojen avulla sähköenergia siirretään tuotantopaikoilta, kuten voimalaitoksilta, käyttöpaikkoihin, kuten asuinalueille ja teollisuuslaitoksiin.

Ilmajohto vaatii laajan johtoaukean – eli matalan kasvillisuuden alueen ilmajohdon ympärillä – jossa puut saavat kasvaa enintään 10 metrisiksi tietyn etäisyyden päässä aukean reunasta. Kasvurajoituksen taustalla on pyrkimys varmistaa, etteivät puut kasva liian korkeiksi, jolloin ne kaatuessaan saattaisivat vahingoittaa ilmajohtoa. Johtoaukea 400 kilovoltin tehoisessa järjestelmässä on noin 26–42 metriä (johtoaukean mallikuvaan voi tutustua täältä).

Korkeajännitteisiä ilmajohtoja käytetään sähkön siirtoon suurilla jännitteillä osana Suomen ja pohjoismaiden sähköjärjestelmän kantaverkkoa. Ilmajohdot mahdollistavat energian siirron vähäisillä häviöillä pitkien etäisyyksien yli. Ilmajohtoja suositaan erityisesti harvaan asutuilla alueilla (400 kV:n kantaverkon karttaa voi tarkastella täällä).

Ilmajohtojen hyödyistä ja haasteista – ympäristönäkökulma

Hyötyjä

Ilmajohtojen tornien pystyttäminen aiheuttaa vähemmän häiriötä maan pinnalla, jossa kaivuutöitä tarvitsee tehdä lähinnä vain tukitornien perustuksia varten. Ilmajohtoaukeat voivat myös tarjota elinympäristöjä joillekin lajeille.

Haasteita

Ilmajohtojen haasteisiin kuuluu niiden häiritsevä vaikutus maisemaan ja alttius säävaikutuksille. Tornit erottuvat maisemassa suurina rakenteina ja tarvitsevat laajan avoimen alueen, jossa ei sallita puiden kasvatusta tai rakennuksia. Samalla lintujen törmäykset suurjännitteisiin ilmajohtoihin ja tolppiin muodostaa yhden potentiaalisen ongelman. Suojatakseen erityisesti Suomen kansallislintua, laulujoutsenta, sähköyhtiö Elenia on ryhtynyt asentamaan lintupalloja sähkölinjoihinsa Haapavedellä. Nämä lintupallot sekä heijastavat varoitussymbolit ovat tehokkaita tapoja vähentää lintujen törmäysriskiä, koska ne tekevät sähkölinjoista paremmin havaittavat ja näin ollen helpommin väistettävät.

Ilmajohtojen hyödyistä ja haasteista – tekninen näkökulma

Hyötyjä

Ilmajohtojen etu maakaapeleihin on se, että niitä on helpompi käyttää pitkien etäisyyksien yli ja niiden rakentaminen ja ylläpitäminen on kustannustehokkaampaa ja nopeampaa. Ilmajohdon asennusprosessi on maa-alueilla suhteellisen suoraviivaista maakaapeleiden asennukseen verrattuna: prosessiin sisältyy tukipylväiden asennus, johtojen kiinnitys sekä liittimet. Vesialueita ylitettäessä ilmajohdoilla saattaa pidemmillä etäisyyksillä olla tarpeen pystyttää pylväsrakenteita veteen, jolloin asennusprosessi tältä osin on hieman vaativampi.

Kun kaapeleita kuormitetaan, syntyy siinä lämpöä. Ilmajohtojen tapauksessa lämpö pystyy haihtumaan ympäröivään ilmaan, ja esimerkiksi tuuli nopeuttaa lämmön haihtumista. Ilmajohdot tarjoavat paremman tehokkuuden energian siirrossa pitkien etäisyyksien yli, sillä niissä käytetyt johtimet kärsivät vähemmän resistanssista, mikä pienentää energiahäviöitä. Tämä tehostaa energian siirtoa ja vähentää hukkaenergiaa, parantaen näin järjestelmän kokonaistehokkuutta.

Haasteita

Ilmajohtojen käytössä huomioon otettava tekijä on niiden elinkaaren aikana kertyvät lisäkustannukset, jotka johtuvat tarpeesta suorittaa säännöllisiä ylläpito- ja huoltotöitä. Voimajohtoaukeiden raivaaminen on välttämätöntä 5–8 vuoden välein, kun taas reunavyöhykkeellä kasvavan puuston hoito tapahtuu 10–25 vuoden välein. Lisäksi lumisina talvina ilmajohdoille suoritetaan erityistarkistuksia, joilla varmistetaan, ettei tykkylumi aiheuta ongelmia.

Kun nämä kaikki ylläpidon ja huollon vaatimat kustannukset lasketaan yhteen, kasvavat ilmajohtojen koko elinkaaren aikaiset kulut merkittävästi. Maakaapeleiden kohdalla ylläpito rajautuu vain maanpäällisen kasvillisuuden hallintaan, kuten puiden kasvamisen estämiseen johtoaukealla, koska maakaapelit ovat suojassa sääilmiöiltä. Tällöin ne eivät vaadi tarkistuksia esimerkiksi puihin kerääntyvän tykkylumen osalta, joka saattaa ilmajohtojen kohdalla kaataa puita johtojen päälle.

Maakaapeli ja maakaapelin käyttömahdollisuudet

Maakaapeli on sähköjohto, joka on asennettu maan alle sähköenergian siirtoa tai jakelua varten. Toisin kuin ilmajohdoissa, maakaapelien käyttö mahdollistaa sähköverkon piilottamisen maan alle. Maakaapeli vähentää sähkönsiirron visuaalista ja maisemahaittaa sekä alttiutta sääolosuhteiden aiheuttamille vaurioille. Maakaapelit asennetaan yleensä 1–1,5 metrin syvyyteen. Maakaapelien vaatima johtoaukea on ilmajohtoon verrattuna suhteellisen kapea, noin 5–9 metriä.

Maailmalla maakaapelointia käytetään pääasiassa lyhyemmillä sähkönsiirtomatkoilla ja metropolialueilla, koska ne eivät sovellu pitkän matkan suurjännitteiseen sähkönsiirtoon kustannus- ja teknisten haasteiden vuoksi.

Maailmalta löytyy joitakin esimerkkejä myös pidemmän matkan maakaapeleista. Vuonna 1998 Tanskaan rakennettiin 36 kilometrin pituinen 400 kV maakaapeli, ja vuonna 2000 Tokiossa valmistui 40 kilometrin pituinen 500 kV maakaapeli.
Suomessa Fingrid toteuttaa vuosina 2023–2026 12 kilometrin pituisen 400 kV:n maakaapelihankkeen Helsingissä Länsisalmen ja Vanhankaupungin sähköasemien välillä. Hanke, jonka kapasiteetti on 1 000 MW, tukee pääkaupunkiseudun kasvavaa energiantarvetta ja tukee Helsingin ilmastotavoitteita. Kaapeli asennetaan maan alle ja rakennetaan minimoiden ympäristöön ja asukkaisiin kohdistuvat haitat.

400 kV:n tai sitä suurempien vaihtojännitteiden (AC) maakaapelointi on kuitenkin harvinaista, sillä niiden rakentamiskustannukset voivat olla jopa 14-kertaiset avojohtoihin verrattuna.

Maakaapeleiden vähäinen käyttö muualla kuin metropolialueilla johtuu osittain myös siitä, että maakaapeloinnit tehdään yleensä tasajännitekaapeleilla (DC). Tuulivoiman kohdalla tasajännitteen käyttäminen vaatii tuulivoiman tuotantoalueen päähän rakennettavaa tasasuuntaajaa, joka muuntaa vaihtojännitteen (AC) maakaapelin vaatimaksi tasajännitteeksi (DC). Maakaapelin vaihtuessa esimerkiksi takaisin ilmajohtoon, täytyy rakentaa toinen vaihtosuuntaaja, jolla saadaan jännite muunnettua takaisin vaihtojännitteeksi (AC).

Maakaapelin hyödyistä ja haasteista – ympäristönäkökulma

Hyötyjä

Yksi suurimmista eduista, joita maahan asennetuilla kaapeleilla on verrattuna ilmajohtoihin, liittyy niiden kestävyyteen. Kun kaapelit sijoitetaan maan alle, ne ovat paremmin suojassa kasvavilta puilta ja kasveilta, tuulelta, eläimien aiheuttamilta vahingoilta ja salaman iskuilta, jotka voivat aiheuttaa toimintakatkoksia.

Haasteita

Maakaapelien sijoittaminen maahan vaatii laajaa maaperän muokkaamista ojien kaivamisen muodossa koko kaapelin matkalta. Maakaapelin asennustyöt saattavat aiheuttaa melua, pölyä ja tärinää, mikä voi vaikuttaa työmaan lähellä oleviin asuintaloihin.

Maakaapelin hyödyistä ja haasteista – tekninen näkökulma

Hyötyjä

Maakaapeleiden kohdalla magneettikentät ovat yleensä huomattavasti pienempiä kuin ilmajohtojen. Tämä johtuu siitä, että maakaapeleissa käytetyt johtimet ovat fyysisesti lähempänä toisiaan kuin ilmajohtojen, mikä aiheuttaa magneettikenttien keskinäisen kumoamisen. Lisäksi maan tarjoama luonnollinen suojakerros vähentää magneettikenttien leviämistä ympäristöön. Tämän seurauksena maakaapeleiden lähialueilla magneettikenttien intensiteetti on merkittävästi alhaisempi, mikä vähentää potentiaalista altistusta ja altistumiseen liittyviä terveysriskejä.

Haasteita

Maakaapelien asentaminen on teknisesti vaativaa ja kallista, ja niiden korjaaminen on työläämpää kuin ilmajohtojen. Maakaapeleiden asentaminen vaatii laajempaa valmistelutyötä, kuten kaivuutöitä, kaapelien asettamista maahan ja kaivantojen peittämistä. Tämä tekee niiden asentamisesta huomattavasti aikaa vievämpää ja monimutkaisempaa.

Maakaapelien käyttöön liittyvät haasteet voivat tietyissä olosuhteissa tehdä niiden hallinnasta monimutkaisempaa ilmajohtoihin verrattuna. Maakaapeleissa käytettävät eristysmateriaalit ja suojaukset estävät lämmön tehokkaan poistumisen, toimien kuin lämpöeristeinä. Mitä paksumpi eriste kaapelissa on, sitä verkkaisemmin lämpö kykenee poistumaan kaapelista. Lämpeneminen voi aiheuttaa kaapelin suorituskyvyn heikkenemistä, koska lämpeneminen aiheuttaa resistanssin eli vastuksen kasvua. Tällöin kaapelin kyky siirtää sähkövirtaa heikkenee, mikä johtaa sähköverkon tehohäviöiden kasvuun ja energiatehokkuuden alenemiseen.

Lisäksi lähistöllä suoritettavat kaivuutyöt voivat aiheuttaa vahinkoa maakaapeleille, mikä on merkittävä riski sähkönjakelun luotettavuudelle. Vaikka maakaapelit ovatkin suojassa myrskytuhoilta, niiden korjausprosessi voi olla vaivalloisempi ja aikaa vievämpi kuin ilmajohtojen. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että vaurioituneen kaapelin paikantaminen ja korjaaminen vaatii kaivuutöitä, ja kaapelin korjaaminen tai jatkaminen voi venyttää sähkökatkoksen kestoa, eritoten kylminä kuukausina.

Maakaapelit kohtaavat suurempia energiahäviöitä eristysresistanssin vuoksi. Nämä lisähäviöt voidaan kuitenkin osittain kompensoida lyhyemmillä siirtoreiteillä ja hyödyntämällä parempaa jännitteen säätelyä.

Jos vaihtojännite (AC) -järjestelmän kaapelointi toteutetaan maakaapeleilla, haasteeksi muodostuu niiden korkea sähkökapasitanssi, joka rajoittaa kaapeleiden mahdollista pituutta ja vaatii erityisiä reaktiivisen tehon kompensointilaitteita vähentämään energiahäviöitä. Tämä tekee maanalaisista AC-järjestelmistä myös taloudellisesti haastavampia toteuttaa.

Yhteenveto

Niin maakaapeleihin kuin ilmajohtoonkin liittyy omat haasteensa ja etunsa. Maakaapeleiden aloituskustannukset ovat korkeita, ja vaurioiden korjaaminen haastavampaa. Ilmajohdoilla on taas suurempi visuaalinen vaikutus, ne ovat alttiimpia sään vaikutuksille, ja myös niiden huoltaminen kerryttää kustannuksia vaikkakin vähemmän kuin maakaapeleiden kohdalla.

Vaikka maakaapelointi tarjoaa paremman suojan sään vaikutuksilta ja siitä koituu vähemmän ympäristövaikutuksia, tasapainottaa ilmajohtojen pidempi käyttöikä ja parempi sähkösiirtokyky näitä etuja. Valinta kahden siirtotavan välillä riippuu monista eri asioista, kuten maaston erityispiirteistä, kustannuksista, ympäristövaikutuksista ja teknisistä vaatimuksista. Siten myös se, kumpi tekniikka on parempi, vaihtelee hyvin paljon eri hankkeiden välillä.

Taulukko: Ilmajohdon ja maakaapelin vertailu.