ROOSAMARI LEPPÄLÄ TUULISÄHKÖN VARASTOINTI VETYYN. Diplomityö

Transkriptio

1 ROOSAMARI LEPPÄLÄ TUULISÄHKÖN VARASTOINTI VETYYN Diplomityö Tarkastajat: Lehtori Risto Mikkonen Professori Risto Raiko Tarkastaja ja aihe hyväksytty Sähkötekniikan osastoneuvoston kokouksessa

2 II Tiivistelmä TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma LEPPÄLÄ, ROOSAMARI: Tuulisähkön varastointi vetyyn Diplomityö, 110 sivua, 4 liitesivua Helmikuu 2009 Pääaine: Moderni sähköenergiatekniikka Tarkastajat: lehtori Risto Mikkonen, professori Risto Raiko Rahoittajat: Prizztech Oy, PEM-Energy Oy ja Äetsän kunta Avainsanat: tuulisähkö, tuulivoima, vety, vedyn valmistus, vedyn varastointi, polttokenno, elektrolysoimislaite Tuulisähkön varasointi vetyyn -hankkeessa tarkasteltiin tuuli-vetyjärjestelmän soveltuvuutta omakotitalon lisäenergianlähteeksi. Alkuperäisestä suunnitelmasta poiketen järjestelmän toimintaa ja kehitystarpeita selvitettiin työssä ainoastaan teoreettiselta pohjalta. Testilaitteisto pystytetään mahdollisuuksien mukaan myöhemmin osana Äetsän vetykylä -hanketta. Teoreettisen tarkastelun pohjana käytettiin Suomen tuuliatlaksen tilastoja, testijärjestelmään jo valittujen laitteiden teknisiä tietoja sekä kirjallisuusarvoja. Energiankulutukselle ja -tuotannolle tyypillisten vuorokausivaihteluiden mahdollistamaa vedyntuotantoa simuloitiin aikasarjamallilla. Sijoituspaikaksi valitun Äetsän tuulisuutta tarkasteltiin Jokioisten mittausaineiston pohjalta. Sisämaan tuulisuus osoittautui pientuuliturbiinille soveltuvalla sijoituskorkeudella alhaiseksi. Alhaisen tuulisähkön tuotannon seurauksena myös vedyn tuotantomäärät jäävät vähäisiksi. Heikkotuulisilla alueilla sähköntuotantoa voitaisiin jonkin verran kasvattaa roottorin halkaisijaa suurentamalla. Vedyn valmistuksen, varastoinnin ja käytön aikaisten häviöiden takia kannattavinta olisi myydä ylimääräinen sähkö verkkoon tai varastoida se vesivaraajaan lämpönä. Tuuli-vetyjärjestelmä ei sovellu alhaisen tuulisuuden alueilla käytettäväksi. Tuuli-vetyjärjestelmä voi olla teknisesti ja taloudellisesti kannattava vain erittäin tuulisilla alueilla tai itsenäisenä energiajärjestelmänä. Myös tällöin kaupallistumisen edellytyksenä on merkittävä investointikustannusten lasku ja nimenomaan vedyn käytöstä saatava lisähyöty. Käyttökohteesta riippuen esimerkiksi päästöttömän sähköntuotannon tai pitkäaikaisen energiavaraston tarve voivat kannustaa vedyn käyttöön. Testilaitteiston kokoaminen olisi tärkeää, jotta mallin luotettavuutta voitaisiin arvioida mittauksin. Esimerkiksi jo 5 % virhe arvioidussa tuulennopeudessa aiheuttaa 15 % virheen energiantuotannossa. Työssä tuulisuus muodostettiin tilastollisin menetelmin ja siksi mallinnettua energiantuotantoa voidaan pitää vain suuntaa antavana.

3 III Abstract TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering LEPPÄLÄ, ROOSAMARI: Storing Wind Electricity into Hydrogen Master of Science Thesis, 110 pages, 4 Appendix pages February 2009 Major: Modern Electric Engineering Technology Examiners: lehtori Risto Mikkonen, professori Risto Raiko Funding: Prizztech Oy, PEM-Energy Oy and the town of Äetsä Keywords: wind electricity, wind power, hydrogen, hydrogen production, hydrogen storage, fuel cell, electrolyzer In this Master of Science Thesis, Storing Wind Energy into Hydrogen, it was examined if the wind turbine and a hydrogen system were suited to use as an additional energy source for a private house. The original plan was to study the wind turbine/hydrogen system and its development need through measurements and simulations. However, the study was limited to theoretical approach. If possible, the test system will be built later as a part of the Äetsä Hydrogen Village Project. The Finnish Wind Atlas, technical data sheets of the machines and literature were used as the base for the simulations. The hydrogen production depends on the momentary energy consumption and production. The daily variations were simulated with the time series model. Äetsä was chosen as the test site and its windiness was formed from the basis of the wind speed data measured in Jokioinen. The windiness in the interior regions at the wind turbine s typical mounting level proved to be low. As a result to the low wind electricity production also the produced amounts of hydrogen are insignificant. In the low wind speed regions electricity production could be improved by increasing the rotor diameter. Because of the energy losses during the hydrogen production, storage and usage it would be profitable to sell the excess electricity into the grid or store it to a water reservoir as heat energy. The wind turbine/hydrogen system is not suitable for the low wind speed areas. The wind turbine/hydrogen system can be technically and economically profitable only in very windy areas or as an independent energy system. On top of these criteria, the investment cost must decrease and the hydrogen usage must provide some additional value to the system for the commercialization to be possible. For example emission-free electricity production or a need for long term energy storage could be the needed incentive to use hydrogen as a part the energy system. Putting up the test equipment would be very important. The accuracy of the time series model could be estimated by means of the measurements. For example, 5 per cent error in the wind speed estimation leads to 15 per cent error in the energy yield. In this work, the windiness was formed statistically and hence the simulated energy yield can be considered only as an estimate.

4 IV Alkusanat Tämä diplomityö tehtiin Tampereen teknisen yliopiston Elektroniikan laitoksella (Sähkömagnetiikka) yhteistyössä Energia- ja prosessitekniikan laitoksen kanssa. Työ on osa Äetsän vetykylä -hanketta. Rahoittajina toimivat Prizztech Oy (OSKE Energiateknologian klusteriohjelma), PEM-Energy Oy ja Äetsän kunta. Työn tarkastajina toimivat Elektroniikan laitoksen lehtori Risto Mikkonen ja Energia- ja prosessitekniikan laitoksen professori Risto Raiko. Lämmin kiitos heille arvokkaasta palautteesta ja kärsivällisyydestä. Kiitokset myös DI Esa Merivallille ja Mikael Seppälälle sekä kaikille muille, joiden puoleen olen tämän työn puitteissa kääntynyt. Työilmapiiri Sähkömagnetiikan laitoksella, joka työn aikana siirtyi osaksi Elektroniikan laitosta, on ollut kaikin tavoin viihtyisä. Erinomainen seura, lennokkaat keskustelut ja musta kahvi ovat lyömätön yhdistelmä työpäivien virkistykseksi. Kiitos teille kaikille tämän voimavaran jakamisesta. Erikseen haluan vielä kiittää TkT Aki Korpelaa kieliasua koskevasta palautteesta sekä huonetovereitani tietoteknisestä avusta, käytännön vinkeistä ja keskustelumahdollisuudesta. Tämän työn parissa kulunut aika on ollut poikkeuksellisen värikäs vaihe elämässäni, niin hyvässä kuin pahassakin. Äiti ja isä, te olette auttaneet pitämään ongelmat vain niiden arvoisessa mittakaavassa. Suurkiitos kaikesta avusta ja kannustuksesta. Sydämellinen kiitos myös ihanille veljilleni. Vanhat ja uudet sukulaiset sekä ystävät, lämmin kiitos ja rutistus teille kaikille tuestanne. Ilman teitä valmistumiseni olisi kestänyt vieläkin pidempään. Suurin kiitos kuuluu rakkaalle aviomiehelleni Artolle. Sinun tukesi, huolenpitosi ja kainalopaikkasi ovat minulle kaikki kaikessa. Olet aarteeni. Tampereella Roosamari Leppälä Matti Tapion katu 2 E Tampere

5 V Sisällys 1. Johdanto Tuuli ja tuulivoima Tuulen synty Paikalliset tuuli-ilmiöt Maa- ja merituuli Föhntuuli Paikallisten tuuliolosuhteiden arviointi Tuulivoimalan rakenne Tuulivoiman nykytila ja taloudelliset edellytykset Polttokennot ja elektrolysoimislaitteet Sähkökemiallisen kennon toimintaperiaate Hapetus-pelkistysreaktio Galvaaninen kenno Polttokennon häviöt ja hyötysuhde Polttokennotyypit Polymeeripolttokenno (PEM, PEMFC) Alkalipolttokenno (AFC) Suorametanolipolttokenno (DMFC) Fosforihappopolttokenno (PAFC) Sulakarbonaattipolttokenno (MCFC) Kiinteäoksidipolttokenno (SOFC) Elektrolysoimislaitteen hyötysuhde Vety energiankantajana Vedyn valmistus Elektrolyysi Höyryreformointi Osittaishapetus Biologiset valmistusmenetelmät Vedyn varastointi Paineistettu kaasu... 66

6 VI Nesteytetty vety Metallihydridi Tuuli-vetyjärjestelmä ja sen teoreettinen tarkastelu Testilaitteisto Aikasarjamalli Simulointitulokset Testilaitteistoa ja sen sijoituspaikkaa vastaava aikasarjamalli Tuuliturbiinin tehon vaikutus vedyntuotantoon sisämaassa Tuuli-vetyjärjestelmän toiminta rannikko-olosuhteissa Taloudellisuus Kehityspolut Yhteenveto Lähteet Liitteet

7 VII Merkinnät ja lyhenteet α A a β β 0 B C p C p,max c V act V act+leak V trans kohtauskulma; dimensioton varauksensiirtokerroin roottorin pyyhkäisypinta-ala; Weibull-jakauman skaalauskerroin; kerroin; metallihydridimateriaalin komponentti kokeellinen kerroin sisäisen rajakerroksen korkeuden yhtälössä lapakulma lapakulma lavan kärjessä kerroin konsentraatiohäviöiden lausekkeessa; metallihydridimateriaalin komponentti tehokerroin maksimitehokerroin suhteellinen virtausnopeus aktivointihäviöiden aiheuttama kennojännitteen alenema aktivointi- ja vuotovirtahäviöiden aiheuttama kenojännitteen alenema konsentraatiohäviöiden aiheuttama kennojännitteen alenema V ohm ohmisten häviöiden aiheuttama kennojännitteen alenema d isobaarien välinen etäisyys E jännite; tuuliturbiinin tuottama energia E max reversiibeli tyhjäkäyntijännite F Faradayn vakio F(u) Weibull-jakauman kertymäfunktio F C Coriolis-voima (näennäisvoima, radm/s 2 ) F D vastusvoima F L nostevoima F p painegradientin aiheuttama voima f(u) Weibull-jakauman todennäköisyysfunktio f C Coriolis-parametri (rad/s) G Gibbsin vapaa energia molaarinen Gibbsin muodostumisenergia g f η hyötysuhde η max maksimihyötysuhde H entalpia; investoinnin hankintakustannukset H r sisäisen rajakerroksen korkeus h f molaarinen muodostumisentalpia i virrantiheys (ma/cm 2 ); laskentakorkokanta i 0 siirtymävirrantiheys (ma/cm 2 ) i l rajoittava virrantiheys (ma/cm 2 ) i n sisäinen virrantiheys (ma/cm 2 )

8 VIII K korkeapaineen alue k Weibull-jakauman muotokerroin λ kärkinopeussuhde µ f polttoaineen hyödyntämiskerroin µ J-T Joule Thomson-kerroin M matalapaineen alue n kohtisuora suunta; takaisinmaksuaika P tuulen teho; tuuliturbiinin teho P(u) tuuliturbiinin teho p paine p a desorptiovaiheen vetypaine syöttöpaine p d θ leveysaste (rad) q vuosituotto ρ ilmantiheys r lavan tarkastelupisteen etäisyys roottorin navasta; pintaalariippuvainen ominaisvastus (kωcm 2 ) R roottorin ulkosäde; yleinen kaasuvakio 8,3145 J/molK S entropia T vääntömomentti; lämpötila T max maksimilämpötila T min minimilämpötila t h huipunkäyttöaika (h) U tuulennopeus U max tuulennopeuden maksimiarvo u tuulennopeus; tuuliturbiinia edeltävä aksiaalinen tuulennopeus u 1 tuulennopeus ennen tuuliturbiinia u 2 tuuliturbiinin hyödynnettävissä oleva tuulennopeuden nopeuskomponentti u 3 tuulennopeus tuuliturbiinin jälkeen u cut-in tuuliturbiinin käynnistymistuulennopeus u cut-out tuuliturbiinin pysäytystuulennopeus u rated tuuliturbiinin nimellistuulennopeus V polttokennon teoreettinen tyhjäkäyntijännite V c mitattu tyhjäkäyntijännite v(r) lavan säteestä r riippuvainen ilmavirran kehänopeuskomponentti ω pyörimisnopeus (rad/s) W sähkö sähköinen työ w(u, A, k) Weibull-jakauma tuulennopeuden ja Weibull-parametrien funktiona x etäisyys rosoisuuden muutoskohdasta Z korkeus maanpinnasta

9 IX z z 0, z 01, z 02 AFC amu ATEX ATR barg CF CHP CPO DCPD DMFC EIA EU EX HHV IEA LHV MCFC MEA NASA Nm 3 OECD OSKE PAFC PEM, PEMFC POX PTFE Ros. SOFC SR VTT YSZ elektronimoolien lukumäärä maanpinnan rosoisuus alkalipolttokenno atomimassayksikkö räjähdyskelpoiset ilmaseokset (atmosphères explosibles) autoterminen reformointi (Autothermal Reforming) tehollinen paine (bar gauge), absoluuttisen paineen ja ilmanpaineen erotus kapasiteettikerroin yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto (Combined Heat and Power) katalyyttinen osittaishapetus (Catalytic Partial Oxidation) disyklopentadieeni, Telene-muovi suorametanolipolttokenno Yhdysvaltain energiaministeriön alainen Energy Information Administration Euroopan unioni räjähtävä, viittaa tilan räjähdysvaaraan tai laitteen vaatimustenmukaisuusmerkintöihin ylempi lämpöarvo (Higher Heating Value) OECD:n energiajärjestö (International Energy Agency) alempi lämpöarvo (Lower Heating Value) sulakarbonaattipolttokenno anodin, katodin ja elektrolyytin muodostama kokonaisuus (Membrane Electrode Assembly) Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto (National Aeronautics and Space Administration) normaalikuutiometri, eli kaasun tilavuus ilmanpaineessa Taloudellinen yhteistyö- ja kehittämisjärjestö (Organization for Economic Cooperation and Development) Osaamiskeskusohjelma fosforihappopolttokenno polymeeripolttokenno osittaishapetus (Partial Oxidation) polytetrafluorietyleeni Rosoisuusluokka kiinteäoksidipolttokenno höyryreformointi (Steam Reforming) Valtion teknillinen tutkimuskeskus ytriumstabiloitu zirkoni

10 1. Johdanto Energian kulutuksen ennustetaan kasvavan maailmanlaajuisesti jopa 50 % vuoden 2005 tasosta vuoteen 2030 mennessä. Vaikka kasvu painottuu voimakkaasti OECD-maiden ulkopuolelle, kuten Kiinaan ja Intiaan, myös OECD-maissa kulutuksen oletetaan kasvavan kyseisellä aikavälillä noin 20 %. Raakaöljyn ja muiden fossiilisten polttoaineiden hinnat ovat nousseet jyrkästi jo vuosien ajan. Öljynhinnan vuosikeskiarvo on kohonnut pitkään ollen vuonna 2007 yli kaksinkertainen vuoden 2003 tasoon verrattuna. EIA (Energy Information Administration) olettaa hinnannousun taittuvan lähivuosina, mutta myös päinvastaista tilannetta pidetään täysin mahdollisena. [1] Toteutuvasta hinnankehityksestä riippumatta energiankulutus tulee kasvamaan ja ennusteiden mukaan valtaosa energiankulutuksen kasvusta tullaan kattamaan fossiilisilla polttoaineilla. Varsinaista niukkuutta fossiilista polttoaineista ei odoteta vielä vuoteen 2030 mennessä. Kysynnän kasvaessa hinta nousee ja myös hankalasti hyödynnettävät varannot, kuten öljyhiekka ja -liuske, muuttuvat ennen pitkää kannattaviksi. Kilpailu primäärienergianlähteistä voi muodostua ajoittain kovaksi, eikä jatkuvaa saatavuutta voida välttämättä turvata. Kuitenkin myös vähäpäästöisten energiamuotojen käyttöä fossiilisten polttoaineiden rinnalla lisätään jatkuvasti. EU:n ilmasto- ja energiapoliittiset tavoitteet ja velvoitteet edellyttävät myös Suomelta kasvihuonekaasupäästöjen merkittävää vähennystä ja uusiutuvan energian osuuden kasvattamista 38 prosenttiin energian loppukulutuksesta vuoteen 2020 mennessä. Samalla aikavälillä Suomen tavoitteena on kasvattaa tuulivoimakapasiteettia 120 MW:sta 2000 MW:iin. Vuotuinen tuulisähkön tuotanto olisi tällöin noin 6 TWh [2]. Tavoitteeseen pääseminen edellyttää merkittäviä muutoksia nykyisiin tukitoimiin. Uusiutuvan energian osuuden kasvu voi vaikuttaa myös raakaöljyn kysyntään valtioiden energiaomavaraisuuden kasvaessa. Nykyisen, fossiilisiin polttoaineisiin perustuvan, energiatalouden valtakausi ei kuitenkaan tule vielä lähitulevaisuudessa järkkymään. Fossiilisten polttoaineiden rajallisuus on herättänyt keskustelua myös vaihtoehtoisen energiatalouden, vetytalouden, mahdollisuuksista. On kuitenkin tiedostettava, että vety ei ole primäärienergianlähde, kuten raakaöljy, vaan se on erikseen valmistettava. Vedyn valmistus kuluttaa aina energiaa. Vetyä voidaankin kutsua vähäpäästöiseksi polttoaineeksi vasta, kun se valmistetaan uusiutuvista raaka-aineista uusiutuvaa energiaa hyödyntäen. Vedyn loppukäyttö on kuitenkin saasteetonta. Laajamittaisen käytön mahdollistamiseksi vedyn valmistukseen, varastointiin, siirtoon ja jakeluun liittyviä menetelmiä sekä infrastruktuuria on vielä kehitettävä. Nykyisin vedynkäyttö painottuu

11 1. Johdanto 2 öljynjalostus-, petrokemian- ja kemianteollisuuden toimintoihin. Ennen kun vetytalouteen siirtyminen on edes teoriassa mahdollista, täytyy energia-alan käyttökokemusta vielä kartuttaa. Tämän lisäksi myös teollisuusympäristön ulkopuolinen kokemus on välttämätöntä. Tuulisähkön varastointi vetyyn -hankkeessa tarkastellaan tuuli-vetyjärjestelmän soveltuvuutta omakotitalon lisäenergianlähteeksi. Suomen melko heikkojen tuuliolosuhteiden takia pelkkään pienimuotoiseen tuulivoimaan ei voida turvautua, vaan tarkasteltavassa tilanteessa rakennus on kytkettynä myös sähköverkkoon. Tuulella tuotettu sähköenergia käytetään pääasiassa rakennuksen tarpeisiin. Ajanhetkillä jolloin sähkönkulutus on tuotantoa alhaisempaa, ylimääräinen tuulisähkö varastoidaan kemiallisena energiana vetyyn. Sähkö käytetään veden elektrolyyttiseen hajotukseen ja lopputuotteena saatu vety varastoidaan myöhäisempää tarvetta varten. Tuotettu vety on erittäin puhdasta ja se soveltuu sellaisenaan polttokennojen polttoaineeksi. Valmistus ja varastointiin liittyvä paineistus kuluttavat osan vetykaasun energiasisällöstä, mutta varastointiajan kesto ei vaikuta merkittävästi itse varastoinnin aikaisiin häviöihin. Alkuperäisenä tavoitteena oli selvittää järjestelmän toimintaa ja kehitystarpeita sekä testilaitteiston että teoreettisen mallin avulla. Laitteiden toimitusvaikeuksien aiheuttamien aikataulumuutosten takia testilaitteiston toimintaan perustuvat mittaukset päätettiin kuitenkin jättää tämän diplomityön ulkopuolelle. Ajatuksesta testilaitteiston pystyttämisestä ei ole kokonaan luovuttu, vaan mittaukset suoritetaan mahdollisuuksien mukaan tämän diplomityön jälkeen. Nyt järjestelmää tarkastellaan teoreettisesti laitteiden nimellisarvojen, arvioidun tuulisuuden ja erään omakotitalon sähkönkulutuksen perusteella. Järjestelmän koekäyttö olisi kuitenkin erittäin tärkeää, sillä saatua kokemusta voitaisiin jatkossa hyödyntää myös turvallisuusnäkökohtien ja -vaatimusten kartoittamisessa sekä toiminnallisten käytäntöjen vakiinnuttamisessa. Tarkasteltava kokonaisjärjestelmä muodostuu erilleen sijoitettavista tuulivoima- ja vetyjärjestelmistä, jotka koostuvat valmiista, kaupallisella tasolla olevista, laitteista. Hankkeen pilot-luonteen takia myöhemmin mahdollisesti pystytettävä järjestelmä pidetään pienitehoisena. Kolmilapainen vaaka-akselinen tuuliturbiini on nimellisteholtaan 2 kw ja sen roottorin halkaisija on 4 m. Kaupallisesti valmiissa järjestelmässä kestomagneettigeneraattorin tuottama vaihtovirta tullaan syöttämään rakennuksen sähköverkkoon taajuudenmuuttajan kautta. Demojärjestelmässä tuulisähkö varastoitaisiin kokonaisuudessaan akkuihin, jotka toimisivat edelleen elektrolysoimislaitteen jännitelähteenä. Testijärjestelmään on valittu pienten vetymäärien (1,5 l/min) valmistukseen soveltuva 400 W elektrolysoimislaite. Vetyvarastona tarkastellaan metallihydridisäiliötä. Sijoituspaikan todellinen tuulisuus vaikuttaa merkittävästi tuotettaviin vetymääriin. Jos tuulisuus osoittautuu oletettua alhaisemmaksi, myös tuotetut vetymäärät voivat jäädä vähäisiksi. Tämän takia vedyn jatkokäyttömahdollisuuksia tarkastellaan vain laskennallisesti.

12 1. Johdanto 3 Järjestelmän testipaikaksi suunniteltiin Äetsän paloasemaa pihoineen. Teoreettisen tarkastelun pohjana käytetään suunniteltua sijoituspaikkaa, jotta mahdollisesti suoritettavat mittaukset vastaavat mallinnettua tilannetta. Mallissa oletetaan, että tuulivoimala pystytetään aseman letkujenkuivaustornin katolle, eli noin 15 m korkeudelle maanpinnasta. Yleisen turvallisuuden ja vedyn käsittelyä koskevien tiukkojen asetusten takia vetyjärjestelmä sijoitettaisiin piha-alueelle metallikonttiin. Energiankulutukselle ja -tuotannolle tyypillisten vuorokausivaihteluiden mahdollistamaa vedyntuotantoa simuloitiin aikasarjamallin avulla. Simuloinnin tulokset eivät ole suoraan yleistettävissä, sillä kunkin sijoituspaikan tuulisuus ja tarkasteltavan omakotitalon energiankulutus vaikuttavat merkittävästi järjestelmän toimintaan. Energiankulutus puolestaan vaihtelee huomattavasti asukkaiden lukumäärän ja heidän elintapojensa mukaan. Mallissa käytettiin erään todellisen rakennuksen mitattua energiankulutusta. Tuulisuus sen sijaan arvioitiin Suomen tuuliatlaksen (1991) tietojen perusteella. Työn alussa esitetään perusteet tuulen ja vedyn ominaispiirteistä sekä niitä hyödyntävistä teknologioista. Luvussa 2 käsitellään tuulen syntyä sekä vaaka-akselisten tuulivoimaloiden rakennetta ja toimintaa. Luvussa 3 käydään läpi sähkökemiallisten kennojen toimintaperiaate ja esitellään eri polttokennotyypit. Polttokennotyyppien kautta edetään elektrolysoimislaitteiden, eli käänteisten polttokennojen, toimintaan. Vedyn ominaisuuksia sekä tuotanto- ja varastointimenetelmiä esitetään luvussa 4. Työn lopussa tarkastellaan energiajärjestelmän toimintaa aikasarjamallin avulla. Luvussa 5 esitellään tarkasteltava laitteisto ja aikasarjamallin muodostamisessa huomioidut tekijät. Energiajärjestelmän toimintaa kuvaavia simulointituloksia ja järjestelmän kehitystarpeita käydään läpi luvussa 6.

13 2. Tuuli ja tuulivoima Tuulivoimaloiden toiminnan perustana on tuulen liike-energia. Tuulen teho on yhtälön (2.1) mukaisesti riippuvainen ilman tiheydestä ρ, roottorin pyyhkäisypinta-alasta A ja tuulennopeudesta u. Kuten yhtälöstä nähdään, teho on suoraan verrannollinen tuulennopeuden kolmanteen potenssiin. Tuulivoimaloita tarkasteltaessa on huomioitava myös sähköntuotantoa rajoittavat aerodynaamiset, mekaaniset ja sähköiset tekijät. Jotta tuotettavissa olevaa tehoa pystyttäisiin arvioimaan, on tunnettava tuulennopeuteen sekä yleisesti että alueellisesti vaikuttavat tekijät. Tässä luvussa käsitellään tuulen synnyn perusteita, tuulisuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä tuulivoimalan rakenteellisia ominaisuuksia Tuulen synty Tuulen energia on peräisin auringon lämpösäteilystä. Täten tuulta voidaankin pitää ehtymättömänä voimavarana. Auringon säteilemä energia jakautuu maan pinnalle epätasaisesti, mikä saa aikaan lämpötila- ja siten myös paine-eron päiväntasaajan ja napa-alueiden välille. Eroja tasoittaakseen lämpimät ilmamassat virtaavat päiväntasaajalta kohti kylmempiä alueita. Ilmavirrat eivät kuitenkaan kulje suoraviivaisesti, sillä tuuliin vaikuttavat paine-erosta johtuvan voiman, eli painegradientin lisäksi monet muut tekijät. Coriolis-voima ja keskipakoisvoima ovat näennäisvoimia, jotka vaikuttavat tuulen suuntaan. Rajakerroksessa, eli ilmakehän alimmassa kerroksessa, tuulen voimakkuuteen vaikuttaa myös maanpinnan kitka. Kitka hidastaa tuulta logaritmisesti korkeuden funktiona ja siksi tuulivoimalan sijoituskorkeus vaikuttaa merkittävästi saatavissa olevaan tehoon. Painegradientin aiheuttama voima saadaan yhtälöstä, (2.2) jossa ρ on ilman tiheys, p paine ja n kuvaa isobaareja vastaan kohtisuoraa suuntaa. Voiman vaikutusta tuuleen on havainnollistettu kuvassa 2.1. [3, 4]

14 2. Tuuli ja tuulivoima 5 Kuva 2.1. Painegradienttivoiman vaikutus tuuleen. M kuvaa matalapaineen aluetta ja K korkeapaineen aluetta. F p on yhtälön 2.2 mukainen painegradientin aiheuttama voima ja d isobaarien välinen etäisyys (km). Voima F p on nuolten suuruuksien mukaisesti sitä suurempi, mitä lähempänä isobaarit ovat toisiaan. [5] Maapallon pyörimisliike akselinsa ympäri vaikuttaa ilmamassojen liikkeisiin. Oletetaan, että ilmamassa liikkuu maanpinnan mukana kuvan 2.2 tarkastelupisteessä A. Pisteellä on siis itään päin suuntautunut nopeuskomponentti. Ilmamassa alkaa liikkua kohti etelää idän suuntaisen nopeuskomponentin säilyessä ennallaan. Eteläisen tarkastelupisteen B kohdalla pyörimisnopeus on leveyspiirin pituudesta johtuen pisteen A pyörimisnopeutta suurempi. Tämän vuoksi vaikuttaa siltä, että suoraviivaisesti etelään liikkuva ilmamassa omaisi länteen osoittavan nopeuskomponentin. Samaan ilmamassan ja maanpinnan nopeuseroon perustuen etelästä pohjoiseen liikkuva ilmamassa kaartuu pohjoisella pallonpuoliskolla itään päin. Pohjoisella pallonpuoliskolla ilmamassat kiertyvät siis aina pohjois etelä-suunnassa liikuttaessa myötäpäivään, kun taas eteläisellä pallonpuoliskolla tilanne on päinvastainen. Edellä kuvattua maan pyörimisliikkeen aiheuttamaa vaikutusta tuulen suuntaan kutsutaan Coriolis-voimaksi, jota merkitään. (2.3) Yhtälössä f C on Coriolis-parametri (rad/s) ja u on tuulennopeus (m/s). Coriolisparametrissa 2 (2.4) ω merkitsee maan pyörimisnopeutta (rad/s) ja θ tarkastelupisteen leveysastetta (rad). Todellisuudessa maa pyörii ilmamassan alla ja kyseessä on vain näennäisvoima. [3, 5, 6]

15 2. Tuuli ja tuulivoima 6 Kuva 2.2. Näennäinen Coriolis-voima syntyy maapallon pyörimisliikkeen seurauksena. Maan pinnalla olevat tarkastelupisteet A ja B sijaitsevat samalla pituusasteella pohjoisen pallonpuoliskon eri leveyspiireillä. Ilmamassa liikkuu pisteestä A suoraan etelään pistettä B kohti. Kaukaa tarkasteltuna nähdään, että maan pyörimisliikkeen takia pisteen B kehänopeus on pisteen A kehänopeutta suurempi. Tämän vaikutuksesta ilmamassa omaa näennäisen lännen suuntaisen nopeuskomponentin ja kääntyy myötäpäivään ohittaen pisteen B. [6] Tarkastellaan tuulen syntymistä suorien ja keskenään samansuuntaisten isobaarien alueella kuvan 2.3 mukaisesti. Tuuli syntyy lämpötilaeron aiheuttaman painegradientin vaikutuksesta, eli ilmamassat pyrkivät korkeapaineen alueelta isobaareihin nähden kohtisuoraan matalapaineen alueelle. Alkutilanteessa tuulennopeus, ja siten myös nopeusriippuvainen Coriolis-voima, on nolla. Tuulen nopeuden kasvaessa Coriolisvoiman vaikutus vahvistuu. Painegradientin ja Coriolis-voiman ollessa tasapainotilassa voimat vaikuttavat isobaareihin nähden kohtisuoraan, painegradientti matalapaineen suuntaan ja Coriolis-voima samansuuruisena päinvastaiseen suuntaan. Tuulen suunta on täten isobaarien suuntainen. Tätä teoreettista tuulta kutsutaan geostrofiseksi tuuleksi, u G. Todellisuudessa isobaarit eivät ole täysin suoraviivaisia, mutta tästä huolimatta rajakerroksen yläpuolella tuulta voidaan tarkastella melko geostrofisena. [4, 6, 7] Kuva 2.3. Geostrofisen tuulen syntymekanismi. Rajakerroksessa matala- ja korkeapaineen alueita ympäröivät isobaarit ovat kaarevia tai ympyrämäisiä. Tämän seurauksena tuuleen vaikuttaa painegradientin ja Coriolisvoiman lisäksi myös keskipakoisvoima. Keskipakoisvoima on Coriolis-voiman tapaan

16 2. Tuuli ja tuulivoima 7 pyörimisliikkeestä johtuva näennäisvoima. Keskipakoisvoima huomioiden laskettua tuulta kutsutaan gradienttituuleksi. Lähellä maanpintaa tuuleen vaikuttaa myös pinnan rosoisuuden, kuten metsien ja rakennusten, aiheuttama kitka. Mitä lähemmäksi maanpintaa tullaan, sitä voimakkaammin tuulennopeus laskee. Nopeuden laskiessa Coriolis-voiman vaikutus vähenee ja tuulen suunta kääntyy jälleen kohti matalapaineen aluetta. Myös keskipakoisvoiman vaikutus heikkenee, mutta sen merkitys on Coriolisvoimaan verrattuna heikko. Lähellä päiväntasaajaa Coriolis-voiman vaikutus on pieni, eikä merkittävää tuulen suunnanmuutosta kitkan seurauksena tapahdu. [4, 6, 7] Tuulisähkön tuotannossa ollaan kiinnostuneita ainoastaan tuulen roottoriin nähden kohtisuorasta nopeuskomponentista. Tämän takia kitkan aiheuttaman hidastuvuuden lisäksi myös tuulen turbulenttisuus on huomioitava. Tuulen pyörteisyyttä lisäävät erilaiset esteet, kuten rakennukset ja mäet. Esteiden vaikutus ilman virtaukseen ulottuu esteen korkeuteen verrattuna noin kertaiselle etäisyydelle esteestä ja 2 3- kertaiselle korkeudelle maanpinnasta. Toisaalta, esteistä voi joissain tapauksissa olla myös hyötyä. Esimerkiksi mäen laella tuulennopeus voi olla korkeampi kuin ennen mäkeä. Tuulivoimaloille sopivalla korkeudella tuuli on aina kitkan hidastamaa turbulenttista gradienttituulta. Hyvä sijoituspaikka on tasaisen aukealla alueella riittävän korkealla maan tai meren pinnasta ja kaukana merkittävistä esteistä. [4] 2.2. Paikalliset tuuli-ilmiöt Tuulen tyypilliset ominaisuudet vaihtelevat alueittain. Paikallisen tuulen ominaispiirteisiin vaikuttaa pinnanmuotojen ja rosoisuuden lisäksi myös esimerkiksi meren tai vuoriston läheisyys. Tyypillisiä tietylle alueelle ominaisia tuulia ovat muiden muassa rannikkoalueilla esiintyvä maa- ja merituuli sekä vuorijonojen seurauksena syntyvä föhntuuli. Suomessa sähköntuotannon kannalta merkittävin paikallistuuli on rannikolla esiintyvä merituuli. Alueelliseen tuulisuuteen vaikuttaa myös maapallon mittakaavassa tyypilliset ilmavirtaukset. Suomessa vallitseva tuulensuunta on lounas. Tämä on merkittävin sisämaan tuulisähköntuotannossa huomioitava tekijä. Eri alueiden varsinaiset tuuliolosuhteet riippuvat kuitenkin aina myös alueen topografiasta, eli pinnanmuodostuksesta. Yleisesti ottaen tuulisuus on voimakkainta rannikolla ja tuntureiden lailla. Karkea esittely Suomen sekä Länsi- ja Etelä-Euroopan tuulisuuksista on esitetty kuvissa 2.4 ja 2.5. Värikoodien selitykset ja maastonmuotojen vaikutukset tuulisuuteen ja siten myös tuuliresursseihin näkyvät taulukossa 2.1. Tuulen energiasta voidaan hyödyntää ideaalisella tuulivoimalalla Betzin lain mukaisesti 59 %. Käytännössä nykyisillä vaaka-akselisilla tuulivoimaloilla saavutetaan maksimissaan 45 % hyötysuhde [3]. Betzin laista ja tuulivoimalatyypeistä kerrotaan lisää luvussa 2.3. Tuulivoimalan rakenne.

17 2. Tuuli ja tuulivoima 8 Kuva 2.4. Suomen tuuliresurssit 50 m korkeudella Suomen tuuliatlaksen tuulisuusjakaumista arvioituna. Värien merkitykset on esitetty taulukossa 2.1. On todennäköistä, että rannikon punainen alue on todellisuudessa esitettyä kapeampi ja sisämaan vihreä alue esitettyä laajempi.[4] Kuva 2.5. Euroopan alueellisia tuuliresursseja 50 m korkeudella. Värien merkitykset on esitetty taulukossa 2.1. [4]

18 2. Tuuli ja tuulivoima 9 Taulukko 2.1. Kuvien 2.6 ja 2.7 värien merkitykset sekä maaston ominaisuuksien vaikutus tuulisuuteen ja energiantuotantoon. [3, 4] Suojaisa maasto Avoin tasanko Rannikko Avomeri Mäet ja harjanteet m/s W/m 2 m/s W/m 2 m/s W/m 2 m/s W/m 2 m/s W/m 2 > 6 > 130 > 7,5 > 260 > 8,5 > 380 > 9,0 > 450 > 11,5 > 930 5,0-6, ,5-7, ,0-8, ,0-9, ,0-11, ,5-5, ,5-6, ,0-7, ,0-8, ,5-10, ,5-4, ,5-5, ,0-6, ,5-7, ,0-8, < 3,5 < 25 < 4,5 < 50 < 5,0 < 80 < 5,5 < 100 < 7,0 < 210 Taulukko 2.2. Tuulen tehon riittävyys energiantuotantoon. [3] Tuulen teho pyyhkäisypinta-alaa kohti < 100 W/m 2 alhainen noin 400 W/m 2 hyvä > 700 W/m 2 erinomainen Kuvien 2.4 ja 2.5 sekä taulukon 2.1 tuuliresurssien havainnollistamiseksi taulukossa 2.2 esitetään tuulitehon karkea jaottelu eri suuruusluokkiin. Yksikkönä käytetään W/m 2, sillä tuulesta sähköksi muutettavissa oleva teho on pinta-alasta riippuvainen ja näin voidaan vertailla erikokoisten voimaloiden tuottoja. Tuuliolosuhteita voidaan pitää erinomaisina, kun tehotiheys on yli 700 W/m 2. Vuoden 1991 Suomen tuuliatlaksen perusteella Suomessa voidaan yltää tällaisiin lukemiin lähinnä rannikolla ja avomerellä. Tämän viimeisimmän tuuliatlaksen tiedot perustuvat suuren teholuokan voimaloiden kannalta liian matalalla, useimmiten noin 30 m korkeudella, mitattuihin tietoihin. Tietoja ollaan Ilmatieteenlaitoksen toimesta parhaillaan tarkentamassa ja uuden version on määrä valmistua vuoden 2009 loppuun mennessä. [3, 8] Maa- ja merituuli Maa- ja merituuli perustuu maan ja meriveden erisuuruisiin ominaislämpökapasiteetteihin ja siitä johtuen niiden eriaikaiseen lämpenemiseen. Sopivissa olosuhteissa maanpinta ja siten myös sen yläpuolella oleva ilma lämpenee päivällä nopeammin kuin merivesi. Lämmennyt ilmamassa kohoaa ylöspäin ja aiheuttaa näin paikallisen matalapaineen alueen. Korkeammassa paineessa oleva meri-ilma siirtyy kohti matalapainetta. Tämän seurauksena kohonnut lämmin ilma virtaa merelle, jossa se jäähtyy ja laskeutuu jälleen alempiin ilmakerroksiin. Näin syntyy suljettu ilmakierto, jota kutsutaan merituuleksi. Suomessa merituulen aiheuttama osuus tuulennopeudesta vaihtelee 3 9 m/s välillä ja siten merituuli voikin edetä jopa kymmeniä kilometrejä sisämaahan. Auringon laskettua meri jäähtyy hitaammin kuin maaperä. Tällöin lämpötilaero on päinvastainen kuin merituulessa ja ilman kiertosuunta vaihtuu.

19 2. Tuuli ja tuulivoima 10 Lämpötilaero on kuitenkin pienempi kuin päivisin ja sen seurauksena maatuulen osuus tuulennopeudesta on yleensä vain 1 4 m/s. Maatuulta ei välttämättä edes huomaa rantaviivaa etäämpänä sisämaassa. Meri- ja maatuulten syntyä on havainnollistettu kuvassa 2.6. [5, 7] a) Merituuli b) Maatuuli Kuva 2.6. Meri- ja maatuulen synnyn periaatekuva. a) Päivällä esiintyvä merituuli. b) Öinen maatuuli. [7] Maa- ja merituulet voivat esiintyä joko yhdessä tai erikseen. Erityisesti syksyisin maatuulta esiintyy, vaikkei päivällä olisikaan ollut merituulta. Tärkeimmät edellytykset maa- ja merituulen esiintymiselle ovat riittävä lämpötilaero maanpinnan ja merenpinnan välillä sekä heikko tuulen perusvirtaus. Merituulen tapauksessa lämpötilaeron tulisi olla 5 15 astetta ja tuulennopeuden maksimissaan 5 m/s mereltä tai 8 m/s sisämaasta. Näitä suuremmat tuulennopeudet estävät kiertovirtauksien kulun. Käytännössä sään on oltava selkeä tai enintään puolipilvinen, jotta auringon lämpösäteily saa aikaan merituulessa esiintyvän termiikkivirtauksen. Termiikki, eli kohoava ilmavirtaus syntyy, kun maanpinnalla oleva ilma nousee lämpenemisen seurauksena ylöspäin [9]. Selkeä sää on edellytyksenä myös maatuulen syntymiselle. [5] Föhntuuli Vuoristo vaikuttaa sitä ylittävän ilmavirran ominaisuuksiin merkittävästi. Vuorenrinne pakottaa ilman kohoamaan ylöspäin, jolloin ilmanpaine, lämpötila ja kastepiste laskevat. Osa ilman vesihöyrystä tiivistyy vedeksi ja sataa tuulenpuolelle vuoristoa. Vuoriston ylitettyään sateen verran keventynyt ilmavirta laskeutuu alaspäin ilmanpaineen samalla kasvaessa. Ilman jälleen lämmetessä sen suhteellinen kosteus laskee ja täten myös jäljellä olevat pilvet hajoavat. Vuoriston jälkeen ilman lämpötila on kilometrin nousua ja laskua kohden viisi astetta lämpimämpää kuin ennen vuoristoa. Tätä vuoriston ylityksessä syntyvää kuivaa ja lämmintä tuulta kutsutaan föhntuuleksi. [5]

20 2. Tuuli ja tuulivoima 11 Suomessa Skandeilta puhaltava föhntuuli vaikuttaa voimakkaimmin talvisin. Länsi- Suomessa ilmiö on esiintynyt vuosina keskimäärin noin 11 kertaa talvessa ja sen vaikutukset ovat tuntuvia erityisesti Länsi-Lapissa ja Pohjanmaalla. Parin tunnin ajan tuuli on voimakkaan puuskittaista ja lämpötila voi nousta jopa kymmenen astetta. Kauempana sisämaassa ilmiö esiintyy vain muutaman kerran talvessa ja silloinkin huomattavasti miedompana kuin lähellä rannikkoa. [5] Paikallisten tuuliolosuhteiden arviointi Paikallisiin olosuhteisiin tyypillisten tuulien tunteminen auttaa tuulisuuden arvioinnissa. Tuulivoimaloiden kannalta melko voimakkaat ja säännölliset tuulet ovat erittäin tärkeitä. Suomen rannikolla tuuliolosuhteet ovatkin maa- ja merituulen, sekä meren alhaisen kitkavaikutuksen ansiosta hyvät, mutta sisämaan tuulisuuteen paikalliset tuuliilmiöt eivät merkittävästi vaikuta. Esimerkiksi Äetsässä, testilaitteiston suunnitellulla sijoituspaikalla, tuulisuuteen vaikuttavat gradienttituulen lisäksi lähinnä maaston rosoisuus, tuulivoimalan korkeus ja sen ympäristössä olevat esteet. Paikallinen tuulisuus vaihtelee paljon jopa vuosittain, minkä vuoksi riittävän tarkka tuulijakauma saadaan selville vasta noin viiden vuoden tuulimittauksilla. Todennäköisyysjakaumia hyödyntämällä tuulisuus pystytään arvioimaan melko luotettavasti jo 1 2 vuoden mittausten perusteella. Todennäköisyysjakaumista käytetään yleisesti Weibulljakaumaa. [4] Pientuulivoimaloiden tapauksessa tuotto-odotukset ovat alhaiset, eivätkä monivuotiset tuulimittaukset ole voimalan hintaan verrattuna taloudellisesti kannattavia [10]. Pientuulivoimaloiden tapauksessa tuulisuutta kannattaakin tarkastella Suomen tuuliatlaksen tietojen ja sijoituspaikan olosuhteiden perusteella. Weibull-jakauma kuvaa eri tuulennopeuksien esiintymistodennäköisyyksiä. Halutun tuulennopeuden u todennäköisyys voidaan selvittää yhtälöstä. (2.5) Parametrit A ja k kuvaavat mittauspaikan ominaisuuksia. A on skaalauskerroin ja k on muotokerroin, joka kuvaa jakauman käyrämuotoa. Kuva 2.7 havainnollistaa parametrin k vaikutusta Weibull-jakauman muotoon. Weibull-jakauman kertymäfunktiosta 1 (2.6) saadaan selville tiettyä tuulennopeutta alhaisempien tuulennopeuksien todennäköisyys.

21 2. Tuuli ja tuulivoima 12 Kuva 2.7. Weibull-jakaumia muotoparametrin k eri arvoilla. Jakauman arvo f(u) kuvaa tietyn tuulennopeuden todennäköisyyttä. [4] Yhtälöihin sopivat parametrit A ja k voidaan laskea tuulimittausten muodostamasta jakaumasta. Jos mittaustuloksia ei ole saatavilla, Weibull-jakauma voidaan arvioida Suomen tuuliatlaksen tietojen perusteella. Suomen tuuliatlas sisältää 60 mittauspisteen keskimääräiset tuulennopeudet useiden vuosien ajalta. Mittauskorkeudet vaihtelevat mittauspisteiden välillä. Kunkin mittauspisteen tuulidata on korreloitu vastaamaan eri mittauskorkeuksia ja rosoisuusluokkia. Näin sopivan mittauspisteen tiedoista saadaan haluttua mittauskorkeutta ja rosoisuutta vastaavat Weibull-parametrit A ja k. Rannikolla sijaitsevaa sijoituspaikkaa vastaa yleensä parhaiten lähin rannikkomittauspiste. Sisämaassa sopivin mittauspiste ei välttämättä ole sijoituspaikkaa lähinnä oleva, vaan myös ympäristön vastaavuus on huomioitava. [11] Tässä työssä tarkasteltavat tuulisuustiedot ja niiden määritysperusteet esitellään luvussa 5 Tuuli-vetyjärjestelmä ja sen teoreettinen tarkastelu. Tietyn tuulivoimalan toimintaa tarkasteltavassa sijoituspaikassa voidaan kuvata energiajakaumalla. Dimensioton Weibull-jakauma w(u, A, k) esittää eri tuulennopeuksien osuudet vuoden, tai muun tarkastelujakson, kokonaistuntimäärästä. Energiajakauma saadaan kertomalla Weibull-jakauma tuuliturbiinin teholla P(u) [kwh] ja tarkastelujakson kestolla t [h]. Jakauman yksiköksi muodostuu kwh. Haluttaessa energiajakauma voidaan suhteuttaa turbiinin pyyhkäisypinta-alaan. Koko tarkastelujakson aikana tuotettu energia E voidaan laskea yhtälön,, (2.7)

22 2. Tuuli ja tuulivoima 13 mukaisesti. Sijoituspaikan ja tarkasteltavan tuuliturbiinin yhteensopivuus tai -sopimattomuus voidaan havaita jo energiajakaumaa muodostettaessa. Optimaalisessa tilanteessa sijoituspaikan Weibull-jakauman huippu esiintyy samalla tuulennopeusalueella, jolla tuulivoimalan hyötysuhde ja teho ovat parhaimmillaan. [3, 12] Weibull-jakauma ei kuvaa tuulen keskinopeuksien jakaumaa ongelmattomasti, sillä se ei huomioi tyyniä ajanhetkiä. Tämän seurauksena todellisen jakauman huippu tasoittuu alhaisten tuulennopeuksien suuntaan ja samalla näiden tuulennopeuksien osuus esitetään yliarvioituna. Tällöin myös energianjakauma vääristyy erityisesti alhaisten tuulennopeuksien osalta. Suomen oloissa Weibull-jakauma soveltuu parhaiten meri- tai rannikkoalueiden keskimääräisten tuulijakaumien määrittämiseen, sillä näillä alueilla tyynien ajanhetkien osuus on vähäinen. Suurten tuulennopeuksien kuvautuessa melko hyvin menetelmää voidaan käyttää myös sisämaan energiantuotannon arvioimiseen. Weibull-jakauman käytettävyydestä huolimatta on syytä muistaa, että kyseessä on tilastollinen menetelmä. Tuuliatlaksen perusteella muodostettu Weibull-jakauma ei korvaa lopullisella sijoituspaikalla suoritettuja monivuotisia mittauksia. Pientuuliturbiinien tapauksessa sen tarkkuus on kohtuullinen, mutta muulloin menetelmää voidaan käyttää vain alustavana tai suuntaa antavana tietona. [4] 2.3. Tuulivoimalan rakenne Tässä työssä ollaan kiinnostuneita omakotitalon lisäenergianlähteeksi soveltuvista pientuulivoimaloista. Pientuulivoimaloiksi määritellään tässä alle 5 kw voimalat. Tuulivoimaloiden toimintaperiaatteen ja yleisen kannattavuuden selventämiseksi tässä luvussa kerrotaan pintapuolisesti myös nykyisin yleisimmin rakennettavien tuulivoimaloiden ominaisuuksista. Uusimmat voimalat ovat useimmiten 1 3 MW tehoisia [13]. Niiden ja pienten tuulivoimaloiden väliin mahtuu useita kokoluokkia niille tyypillisine ominaisuuksineen, mutta niitä ei tässä käsitellä. Sähköntuotantoon soveltuvia tuulivoimalatyyppejä on useita. Toimintaperiaatteesta riippuen tuulen liike-energiaa hyödynnetään joko noste- tai vastusperiaatteella. Nostetta hyödyntävät voimalat ovat yleensä vaaka-akselisia ja vastusperiaatteella toimivat pystyakselisia. Nykyisin käytetään lähinnä nosteperiaatteella toimivia vaaka-akselisia tuulivoimaloita. Niiden etuna on nopea, sähkön tuotantoon soveltuva, pyörimisnopeus ja korkea torni, jolloin turbiini voidaan sijoittaa hyvän tuulisuuden alueelle korkealle maanpinnasta. Vastusperiaatteella toimivat voimalat ovat hitaasti pyöriviä ja niiden hyötysuhde on alhainen, eivätkä ne siten sovellu verkkotaajuisen sähkön tuotantoon. Niitä käytetään enää lähinnä suoravetoisissa, suurta vääntömomenttia vaativissa, käytöissä [13, 14].

23 2. Tuuli ja tuulivoima 14 Vaaka-akselisissa tuulivoimaloissa lapojen profiililla on erittäin suuri vaikutus tuuliturbiinin hyötysuhteeseen. Lapoihin osuva ilmavirta aiheuttaa paine-eron turbiinin etu- ja takaosan välille. Paine-ero saa aikaan nostevoiman (lift force, F L ), eli nosteen. Ilmanvastuksen seurauksena syntyy myös vastusvoima (drag force, F D ), joka on kohtisuorassa nosteeseen nähden. Nostetta ja sen synnyttämää vääntömomenttia voidaan kasvattaa muotoilemalla lavat lentokoneen siipien kaltaisiksi. Tällöin lapaprofiilin etuosan kantopinta on takaosan kantopintaa lyhyempi. Ilmavirran osuminen lapoihin saa roottorin pyörimiään, mutta samalla virtaus saa tangentiaalisen, roottorin pyörimissuuntaan nähden vastakkaisen, nopeuskomponentin. Ilman virtaus muuttuu siis turbiinin kohdalla pyörteiseksi. Tämän jättöpyörteen takia tuulivoimaloita ei tulisi sijoittaa liian lähelle toisiaan. Tuulivoimaloissa lapojen muotoilun lähtökohtana on noste- ja vastusvoimien suhteen, F L / F D, maksimointi. Kohtauskulma α ja lapakulma β vaikuttavat voimien suuruuteen ja suuntaan. Kohtauskulma α on suhteellisen tuulennopeuden ja lavan jänteen välinen kulma, ja lapakulma β on jänteen ja roottorin pyörimistason välinen kulma. Ilmavirran nopeuskomponentteja ja lapaan kohdistuvia voimia esitetään kuvassa 2.8. [13, 15] Kuva 2.8. Ilmavirtaus kohdistaa lapoihin noste- ja vastusvoimat, F L ja F D, joiden seurauksena turbiini alkaa pyöriä. Osa tuulen liike-energiasta siirtyy roottorin pyörimisliikkeeksi. Tätä hyödynnettävissä olevan tuulen liike-energian osuutta vastaavaa tuulennopeutta merkitään kuvassa tuulennopeudella u 2. Se on turbiinia edeltävän ja turbiinin jälkeisen tuulennopeuden erotus. Turbiinin pyöriminen saa aikaan ilmavirran kehänopeuskomponentin v(r). Kehänopeus on suoraan verrannollinen lavan säteeseen, eli se on suurimmillaan lavan kärjessä. Tuulennopeuden u 2 ja kehänopeuden v(r) yhteisvaikutusta kuvataan suhteellisella virtauksella c. [12] Hyvän energiantuoton aikaansaamiseksi noste- ja vastusvoimien suhteen tulee olla mahdollisimman suuri koko lavan pituudella. Siihen voidaan vaikuttaa muuttamalla lapaprofiilia ja lavan kierteisyyttä turbiinin navasta lapojen kärkeen mentäessä. Kierteisyys (twist angle) on profiilin poikkileikkauksen lapakulman β ja lavan kärjen lapakulman β 0 erotus [3]. Kuva 2.9 esittää optimaalisen lavan muotoiluparametreja. Käytännössä valmistusmenetelmät ja -kustannukset rajoittavat optimaalisuuden

24 2. Tuuli ja tuulivoima 15 tavoittelua. Lapakustannukset pyritään tyypillisesti pitämään noin 10 %:issa voimalan rakennuskustannuksista [13]. Kuva 2.9. Kolmilapaisen tuulivoimalan lapojen optimimuotoilu. Yläkuvassa on esitetty lavan jänteen c pituuden suhde lavan pituuteen R ja alakuvassa lavan kiertymä. Molemmat on esitetty lavan eri osissa r:n ollessa lavan tarkastelupisteen etäisyys roottorin navasta. Esimerkkitapauksessa voimalan maksimihyötysuhde saavutetaan kärkinopeussuhteella λ = 6. Kärkinopeussuhde on määritelty yhtälössä 2.9. [15] Tuuliturbiinien lavat valmistetaan useimmiten erilaisista komposiittimateriaaleista. Komposiiteiksi kutsutaan vähintään kahdesta erityyppisestä materiaalista, kuten kuiduista ja sidosaineesta, muodostettuja aineita. Lapamateriaaleiksi komposiitit soveltuvat hyvin niiden mekaanisten ominaisuuksien ja keveyden ansiosta. Tärkeässä osassa ovat myös valmistustekniset tekijät. Komposiiteista pystytään valmistamaan lujia ja aerodynaamisesti muotoiltuja lapoja siedettävin kustannuksin. Ne ovat myös korroosionkestäviä, eivätkä ne johda sähköä. Tämä on tärkeää, sillä johtavasta materiaalista valmistetut lavat voivat häiritä mm. tv-signaaleja. Lavoissa voidaan käyttää esimerkiksi lasi- tai hiilikuitua sidottuna polyesteriin tai epoksiin. Yleisin valmistusmateriaali on lasikuitumuovi. [3] Aikaisemmin muutaman kilowatin tehoisissa voimaloissa käytettiin myös alumiinia sen melko helpon työstettävyyden ja keveyden ansiosta. Työstettävyydessä rajoittavaksi tekijäksi muodostui riittävän kierteisyyden muodostaminen. Merkittävin syy alumiinisten lapojen käytön lopettamiseen oli kuitenkin metallin väsyminen ja siitä aiheutuneet kestävyysongelmat. [15] Myöskään materiaalin keveyttä ei aina enää tavoitella. Vaihteettomissa voimaloissa puuskien vaikutusta sähköntuotantoon voidaan tasoittaa varastoimalla osa tuulen energiasta liike-energiana roottorin

25 2. Tuuli ja tuulivoima 16 pyörimisliikkeeseen. Energian varastointikapasiteetti riippuu roottorin hitausmomentista, joka on suoraan verrannollinen kappaleen massaan. Betzin lain mukaan tuulesta saatavissa oleva teho määräytyy yhtälön (2.8) mukaisesti. Yhtälössä ρ on ilman tiheys, A roottorin pinta-ala, u 1 tuulennopeus ennen tuuliturbiinia ja C p tehokerroin. Tehokerroin C p kuvaa tuulesta hyödynnettävissä olevan tehon suhdetta roottoripinta-alan läpäisseen tuulen tehoon. Yhtälöstä 2.8 nähdään, että roottoriteho on verrannollinen tuulennopeuden kolmanteen potenssiin. Kuten edellä on mainittu, maastonmuodot ja muut ympäristöolosuhteet puolestaan vaikuttavat tuulennopeuteen merkittävästi. Tuulivoimalan sijoituspaikalla on siis erittäin suuri vaikutus tuulivoimalan odotettavissa olevaan sähköntuottoon. Tehokerroin on riippuvainen turbiinin jälkeisen tuulennopeuden u 3 ja turbiinia edeltävän tuulennopeuden u 1 suhteesta. Kuva 2.10 esittää tuulennopeuksien suhteen vaikutusta tehokertoimeen. Ideaalitilanteessa tuulennopeus laskee turbiinin ohittaessaan kolmasosaan alkuperäisestä nopeudestaan. Kuvaajan mukaisesti maksimitehokerroin C p, max on 16/27, eli 59,3 %. Tehokerroin esitetään usein kärkinopeussuhteen λ funktiona. Se määritellään yhtälön (2.9) mukaisesti lavan kärkinopeuden ja tuulennopeuden suhteena. Yhtälössä ω on roottorin kulmanopeus, R roottorin säde ja u turbiinia edeltävä aksiaalinen tuulennopeus. [3]

26 2. Tuuli ja tuulivoima 17 Kuva Tuulivoimalan tehokerroin C p riippuu tuulennopeuksien u 3 ja u 1 suhteesta. Muuttuja u 1 on tuulennopeus ennen turbiinia ja u 3 on tuulennopeus turbiinin jälkeen. Teoreettinen maksimitehokerroin saavutetaan, kun roottoripinta-alan läpäisevän tuulen nopeus laskee kolmannekseen alkuperäisestä. [13] Tuulivoimalan sähköntuotantoa arvioitaessa on huomioitava myös järjestelmän aerodynaamiset, mekaaniset ja sähköiset häviöt. Aerodynaamisia häviöitä ovat turbiinin jälkeisen ilmanvirran pyörteisyyden, ilmanvastuksen ja kärkihäviöiden seurauksena muodostuvat häviöt. Kärkihäviöitä syntyy, kun osa turbiinin ohittavasta ilmasta kiertää lavan kärjen. Tällöin lavan yli oleva paine-ero, ja siten myös noste, laskevat. [3] Käytännössä modernit vaaka-akseliset tuulivoimalat pystyvät muuttamaan tuulen liikeenergiasta sähköksi maksimissaan noin 45 %. Tuulivoimalan toimintaolosuhteet vaihtelevat hetkittäin ja usein jäädään edellä mainitun hyötysuhteen alle. Muutaman kw:n teholuokassa ylletään vain harvoin yli 30 % hyötysuhteeseen [10]. Tuulivoimalat voivat olla joko vakionopeuksisia tai muuttuvanopeuksisia. Vakionopeuksisissa voimaloissa roottori pyörii tuulennopeudesta riippumatta lähes vakionopeudella ja ne voidaan kytkeä suoraan sähköverkkoon. Pyörimisnopeus määräytyy tuotettavan sähkön verkkotaajuuden, generaattorin napaluvun ja vaihteiston mukaan. [3, 16] Vakionopeuksisten voimaloiden hyötysuhdetta rajoittaa se, että kärkinopeussuhteen määritelmän (2.9) mukaisesti maksimitehokerroin saavutetaan kullakin vaihteella ainoastaan tietyllä tuulennopeudella. Sen sijaan muuttuvanopeuksisissa tuulivoimaloissa tehokerroin pystytään pitämään laajalla tuulennopeusalueella lähellä optimaalista. Uudet MW-luokan tuulivoimalat ovat useimmiten muuttuvanopeuksisia. Tyypillisesti käytetään lapakulmasäätöä ja taajuudenmuuttajaa, mutta myös

27 2. Tuuli ja tuulivoima 18 vaihtoehtoisia menetelmiä on olemassa. Vaikka taajuudenmuuttaja on merkittävä kustannuserä, vakionopeuksisiin voimaloihin verrattuna jopa % korkeamman energiantuoton ansiosta sen käyttö on tehokkaimmissa voimaloissa yleensä kannattavaa. Muuttuvanopeuksisten voimaloiden osuutta uusista järjestelmistä lisää osaltaan myös se, että niiden avulla sijoituspaikoiksi kelpaavat myös alueet, joiden energiantuotto on aikaisemmin arvioitu riittämättömäksi. [13] Verkkoon syötettävän sähkön jännite ja taajuus pidetään suuntaajan avulla tasaisena. Myös tuulenpuuskien aiheuttamat tehopiikit tasoittuvat, sillä osa tuulen energiasta voidaan sähköenergiaksi muunnon sijaan varastoida roottorin pyörimisliikkeeseen. Käytännössä toiminnan ohjaus riippuu tuulennopeusalueesta. Tuulennopeuden ollessa käynnistymistuulennopeuden u cut-in ja nimellistuulennopeuden u rated välillä, voimalan energiantuotto pyritään pitämään mahdollisimman korkeana. Roottorin pyörimisnopeutta ohjataan tasolle, jolla haluttu kärkinopeussuhde ja siten maksimitehokerroin saavutetaan. Pyörimisnopeuden ohjaus tapahtuu generaattorin vääntömomentin ohjauksen kautta. Kun nimellistuulennopeus, ja siten myös voimalan nimellisteho, on saavutettu, tehoa on alettava rajoittaa sähkökoneiden ylikuumenemisvaaran ja rakenteiden mekaanisen kestävyyden takia. Tehonrajoitus toteutetaan lapakulmasäädöllä. Lapakulma kasvaa tuulennopeuden kasvun myötä, jolloin tuulen aiheuttama vääntömomentti pysyy tuulennopeudesta huolimatta lähes samana. Pysäytystuulennopeuden u cut-out ylittyessä voimala pysäytetään kokonaan. Tuulennopeuden raja-arvot ja toiminta-alueet on esitetty kuvassa [3, 13, 15] Kuva Tuulivoimalan toiminta-alueet: käynnistys, tehon kasvu tehokertoimen pysyessä vakiona, tehonrajoitus vakiotehoon, tehon rajoitus roottoria jarruttamalla ja pysäytys. [13]