ja uudet energialähteet

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "ja uudet energialähteet"

Eero Saaristo
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet Tuulienergia 1

2 Early wind energy engineer Of all the forces of nature, I should think the wind contains the largest amount of motive power. All the power exerted by all the men, beasts, running-water, and steam, shall not equal the one hundredth part of what is exerted by the blowing of the wind. Quite possibly one of the greatest discoveries, will be the taming and harnessing of it. Abraham Lincoln

3 I'd put my money on the sun and solar energy. What a source of power! I hope we don't have to wait til oil and coal run out before we tackle that. ~Thomas Edison

4 Tuulivoiman syntyhistoriaa Charles Brush, USA ( ) Keksi DC dynamon Ensimmäinen tuulivoimala 1887 D rotor 17 m 144 puusta valmistettua roottorin siipeä 12 kw (hidas pyörimisnopeus) 4

5 Tuulivoiman syntyhistoriaa (Cont.) Paul la Court, Hollanti ( ) Nopeasti pyörivä turbiini Vähemmän siipiä 5

6 Öljykriisit (1973, 1979) muuttivat kaiken Useat valtiot tukivat avokätisesti tuulivoimakehitystä. USA (Boeing), Saksa (MBB, Grovian), Ruotsi (KaMeWa) Isoja, 1-4 MW prototyyppejä epäluotettavia ja taloudellisia Kiinnostus kuihtui nopeasti rahojen ehdyttyä Vuoden 1979 öljykriisin aikaan USA:ssa painettiin varalle bensiinin säännöstelykuponkeja. Niitä ei kuitenkaan koskaan käytetty. 6

7 Tuulivoiman kehitysnäkymiä 7

8 Suomen tuulivoimakapasiteetin kasvu 8

9 INSTALLOITU TUULIVOIMA- KAPASITEETTI SUOMESSA Syöttötariffi on otettu käyttöön Suomessa vuonna Tavoitehinta ehdotuksessa on 83,5 / MWh 9

10 Globaali tuulivoimakapasiteetti Vuonna MW 10

11 Asennettu tuulivoimakapasiteetti 2009 USA Kiina Saksa Espanja Intia Italia Ranska Iso-Britannia Portugali Tanska Suomi

12 Tavoite: Tuulivoima Suomessa 2020 Tuulivoiman rakentaminen on kannattavaa ilman julkista tukea. Tuulivoimalla tuotetaan sähköä 10 TWh vuodessa. Säästettävien päästöoikeuksien kautta saavutettava hyöty 30 M /vuosi. Suomalaisen tuulivoimateollisuuden vienti 1.4 mrd /vuosi Tuulivoima-ala työllistää suomalaista. 12

13 Tuulivoima on maailman nopeimmin kasvava energiantuotantomuoto Viidessä vuodessa, tuotantokapasiteetti kasvanut noin 84 GW (keskimääräinen vuotuinen kasvu ~ 21 %) 84 GW on sama kuin Skandinavian ja Baltian sähköntuotantokapasiteetti yhteensä. 53 x Olkiluoto 3. 3,5 x maailman rakenteilla oleva ydinvoimakapasiteetti. 95 mrd investoinnit. 1,5 x Suomen vienti x Suomen investoinnit

14 Tuotantokustannukset Tuotetun sähkön hinta Vesi Ydinvoima Tuuli Hiili Turve Kaasu *CHP /MWh 14

15 Tuulivoimaratkaisuihin liittyvät teknologiat Sähkö-tekniikka Teho-elektroniikka Kevyet rakenteet ja aerodynamiikka Tuuli-voimala Automaatio- ja säätötekniikka Konetekniikka Rakennustekniikka Meteorologia Naselli: -Verkkovaihto suuntaajat -Generaattori -Vaihteisto -Levyjarru 15

16 Globaalit virtaukset Lämpöä kuljettaa kaksi globaalia virtausta: Rossby Hadley 16

17 Tuulesta sähköä 1 Av 3 knowledge Power 2 17

18 Converting one form of energy to another Wind Turbine Principles Kinetic Energy Mechanical Energy Electrical Energy Component Rotor Gearbox Generator Converter Efficiency 45-52% 95-97% 97-98% 96-99% Overall: 42 50% Efficient Today Theoretical Maximum is 59.3% (no losses) 18

19 Wind Turbine Energy Capture Cp V 1 V 2 Rotor power P ρav where C p A : 1 2 rotor air rotor 3 1 power density swept Ideal (Betz limit) C p where : V V 1 C area (wind velocity slows by 2/3) p coefficient Cp vs. PU Exit Velocity PU Exit Velocity Cp vs. PU Exit Velocity 19 19

20 Tuulen nopeus noudattaa Weibullin jakaumaa 20

21 Tuulen nopeus vs pinnan rosoisuus v 2 ( h 2 ) v 1 ln ln h z 2 0 h z 1 0 Z 0 kuvaa pinnan rosoisuutta ~ (avomeri). 0.2 (asuttu sisämaa) Approksimaatio V ~ h 1/7 21

22 Kapasiteettikerroin MW viikko Tuulivoiman kapasiteetti Tuulivoiman viikkokeskiteho 22

23 Kapasiteettikerroin & tuulennopeus 23

24 Tuulivoiman hyödynnettävyys 1000 MW:n ydinvoimalan vaatima maa-alue ~ 6 km 2. 1 MW tuulipuisto, maaalueen tarve? 24

25 Länsi-Euroopan tuulienergiaresurssit 25

26 Wind Resource U.S.A. Wind Speed 50m) > < 4 (10 m/s = 22.4 mph) US percent of electricity consumption from wind: ~1% 26 Midwestern United States is Saudi Arabia of Wind

27 Suomen tuuliatlas 27

28 Tuuliolosuhteet Sodankylässä 28

29 Tuulivoimalan pääkomponentit 29

30 Tuulivoimalan päätyypit 30

31 Tuulivoimalatyypit 31

32 Harvinaisempia konsepteja 32

33 Tuulivoimalan konehuone 33

34 Tuuliturbiinityypit Vakionopeuksinen Voimalan epätahtigeneraattori kytketty suoraan verkkoon Generaattorin magnetointia säädetään, jotta saavutetaan verkon vaatima vakionopeus. Kaksinopeuksinen Voi toimia kahdella eri nopeudella, mikä toteutetaan generaattorin kaksoiskäämityksellä. Kalliimpi, mutta jopa 10% parempi hyötysuhde. Muuttuvanopeuksinen Roottori pyörii aina optimihyötysuhteella (vaihtuu tuulennopeuden mukaan) Tarvitsee tasa- ja vaihtosuuntauksen ennen verkkoon kytkemistä. 34

35 Generaattorityypit Epätahtigenerattoori (induktiogeneraattori) Kestomagneettigeneraattori Suprajohdegeneraattori? 35

Wind Turbine generator types 1) Fixed Speed System no converter 2) Doubly-Fed High speed Generator INDUCTION GENERATOR TRANSFORMER WOUND ROTOR INDUCTION GENERATOR TRANSFORMER 3 GRID 3 GRID GEAR BOX

36 Wind Turbine generator types 1) Fixed Speed System no converter 2) Doubly-Fed High speed Generator INDUCTION GENERATOR TRANSFORMER WOUND ROTOR INDUCTION GENERATOR TRANSFORMER 3 GRID 3 GRID GEAR BOX GEAR BOX 3 Pros: Low cost, simplicity Cons: Poor performance Poor grid integration 3 IGBT POWER CONVERTERS Pros: Excellent compromise of cost & grid 3) High speed synchronous generator C) Direct-drive generator no gearbox SYNCHRONOUS GENERATOR TRANSFORMER SYNCHRONOUS SYNCHRONOUS GENERATOR GENERATOR TRANSFORMER TRANSFORMER GEAR BOX 3 Rectifier IGBT Inverter 3 GRID GEAR BOX GEAR BOX 3 Rectifier 3 Rectifier IGBT Inverter 3 IGBT Inverter 3 GRID GRID Pros: Grid integration, controllability Cons: Higher power electronics cost Pros: Elimination of gearbox reliability Cons: Large generator high cost Generator choice is critical to operational flexibility & grid integration 36

37 Maankäyttö ja kustannusrakenne 37

38 Rajoitteita Voimaloiden keskinäinen etäisyys 5-10 x D Maan käyttö Melu Lintukuolemat Vaikutus tietoliikennejärjestelmiin Turvallisuus Visuaalinen vaikutelma 38

39 Tulevaisuuden ennusteita 39

40 Ennustettu kasvu Euroopassa Vuonna 2030 installoitu tuulivoimateho MW; 10% Euroopassa tuotetusta sähköstä. Synnyttää uutta työpaikkaa. 40

41 Environmental Challenges 1875 Pasterze Glacier, Austria Increasing atmospheric CO2 is warming the planet Power generation is leading cause of CO2 emissions Carbon constraints increase demand for renewable energy

Samankaltaiset tiedostot

DEE Tuulivoiman perusteet

DEE Tuulivoiman perusteet DEE-53020 Tuulivoiman perusteet Kuudennen luennon aihepiirit Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset Aiheeseen liittyvä termistö Pinta-alamenetelmä Tehokäyrämenetelmä Suomen tuulivoimatuotanto DEE-53020