Tuulivoiman saarekekäyttö

Transkriptio

1 Tuulivoiman saarekekäyttö Johdanto Saarekekäyttöisistä tehonsyöttöjärjestelmistä, jotka käyttävät suuria määriä uusiutuvia energialähteitä, on kasvamassa teknisesti luotettava vaihtoehto tehonsyötön toteuttamiseen. Yleisesti kyseisiä järjestelmiä käytetään paikallisesti tehon syöttämiseen, mutta myös jakeluverkkotasolla kehittyneissä maissa. Parin viime vuosikymmenen aikana on tehty merkittävästi työtä pienten ja keskisuurten saarekkeessa toimivien jakelujärjestelmien parissa, joissa hyödynnetään tuulivoimaa. Tuulivoiman lisäksi järjestelmissä käytetään usein dieselvoimaloita. Maailmalla on arvioitu (2001) olevan n. 100 tuuli-diesel järjestelmää. Yhteisiä suunnitteluperiaatteita kyseisille järjestelmille on vaikea luoda, koska järjestelmien suunnittelu ja rakentaminen on hyvin tapauskohtaista. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä Haja-asutusalueiden sähköistämisessä tehonsyötön toteuttaminen voidaan tehdä karkeasti jaettuna kahdella eri tavalla, sähköverkon laajentamisella ja dieselgeneraattoreilla. Molemmat tavat ovat kuitenkin erittäin kalliita. Yhdistelmät, joissa jonkin säädettävän tehonsyötön lisäksi hyödynnetään uusiutuvia energiamuotoja vaikuttavatkin lupaavammilta vaihtoehdoilta. Näitä järjestelmiä kutsutaan hybridivoimajärjestelmiksi (hybrid power system). Perinteinen hybridijärjestelmä koostuu DC-puolesta akkujen lataamista varten sekä ACpuolesta sähköenergian jakelua varten. Tehoelektroniikan kehittyminen on tehnyt pienistä yksivaiheisista AC-kiskoista kustannustehokkaita ratkaisuja. Suuremmat ratkaisut koostuvat pääasiassa AC-järjestelmistä. DC-järjestelmissä on tavallisesti akku tasaamassa tehon virtausta, jota voidaan hyödyntää niin lyhyt- kuin pitkäkestoisissakin muutoksissa. Tasavirtajärjestelmissä tällainen akkuja hyödyntävä regulointi on helpompi toteuttaa verrattuna vaihtovirtajärjestelmiin, joissa on huolehdittava jännitteen ja taajuuden lisäksi tehotasapainosta. Haja-asutuksen DC- ja AC-tehonsyöttöjärjestelmät Kuvassa 1 on pieni perinteinen tasavirtajärjestelmä tehon tuottamiseen ja syöttämiseen. Järjestelmä tuottaa AC-tehoa hyödyntämällä inverttereitä, mutta se perustuu yhteiseen DCkiskoon. Uusiutuvia energiamuotoja hyödyntävät hybridijärjestelmät ovat yleistyneet 1

2 tuulivoimatekniikan kehittyessä ja aurinkokennoteknologian halventuessa. Kuvan 1 järjestelmässä tuuliturbiinin tuottama AC-jännite tasasuunnataan, jolloin DC-järjestelmän akkuja voidaan ladata. Samoin aurinkopaneelien tuottamalla DC-teholla varataan järjestelmän akkuja. DC-kiskon jännite, johon akut ovat yhteydessä, vaihtosuunnataan jaettavaksi AC-kuormille. Sovelluksissa, joissa tehonsyötön katkeamattomuus on taattava, käytetään tavallisesti myös esimerkiksi dieselgeneraattoria. Kuva 1. Uusiutuvia energiamuotoja hyödyntävä tasavirtajärjestelmä Nykyisin tehoelektroniikan ja säätötekniikan kehitys on mahdollistanut AC-kiskojen käytön (kuva 2). Tällaiset järjestelmät koostuvat pienistä AC- ja DC-tehoa tuottavista komponenteista, joilla kaikilla on oma invertterinsä. Akkuja, joilla on myös oma invertteri käytetään tasaaman tehonvirtausmuutoksia. Etuna tällä järjestelmällä on modulaarisuus, joka sallii moduulien vaihtamisen tai lisäämisen tarpeen mukaan. Haittapuolina on korkeahko hinta ja monimutkainen tekniikka. Lisäksi akkujen energian hyödyntäminen vaatii kolmea muuntokertaa DC-järjestelmän yhtä vastaan. Kuva 2. Uusiutuvia energiamuotoja hyödyntävä vaihtovirtajärjestelmä 2

3 Tuuli-diesel -järjestelmät Suuremmat saarekejärjestelmät hyödyntävät yhdessä AC-kiskoon kytkettyjä tuuliturbiineja ja sähköenergian tuotantoon tarkoitettuja dieselmoottoreita (kuva 3). Edistynyt ja tehokas tuulivoima-diesel järjestelmä syöttää tehoa vakaasti, ja polttoainekustannuksia vähennetään käyttämällä tuulivoimaa siten, että tehon laatu ei kärsi. Järjestelmää mitoittaessa tulee ottaa huomioon myös tuulivoiman tarvitsemat lisälaitteet ja ylipäänsä tuulivoiman vaikutukset verkkoon. Kun tuulivoiman ja kuorman määrän välinen suhde kasvaa, myös vakaan ACverkon ylläpitämiseen tarvittavien laitteistojen määrä kasvaa. Tällöin järjestelmään ei voida liittää tuulivoimaa tavoitellen vain maksimaalista tuulienergian määrää, vaan on löydettävä optimaalinen tuulivoiman määrä siten, että verkon vakaus ei kärsi. Tähän optimiin vaikuttaa teknologian taso, järjestelmän monimutkaisuus ja tehon laatuvaatimukset. Kuva 3. Suuremman mittakaavan tuuli-diesel -järjestelmä Tuuli-diesel -järjestelmien perusmuuttujat Tuulivoima-diesel toteutukset voivat vaihdella pienistä yksinkertaisista järjestelmistä, missä tuuliturbiinit on yhdistetty suoraan dieselgeneraattorin kiskoon, aina suuriin ja hyvin monimutkaisiin järjestelmiin. Tärkeä tekijä näissä järjestelmissä on, että tuuliturbiinia ohjaa tuuli, joten sillä on vaikea säätää taajuutta tai jännitettä. Tärkeää on myös olla selvillä odotettavissa olevasta tuulienergian määrästä (tuulienergian läpäisy, wind penetration) ja siitä, kuinka pidetään tasapaino tuotannon ja kulutuksen välillä. Tuulen tehon läpäisy järjestelmässä, hetkellinen läpäisy, määrittää järjestelmän suorituskykyä P wind / P load. Keskimääräinen läpäisy annetaan energiana E wind / E load. Tehotasapaino: Kun ei tuule, dieselgeneraattori vastaa kaikesta kuluttajille tuotetusta energiasta. Kun tuulen voimakkuus kasvaa, dieselgeneraattorin tuottamaa tehoa pienennetään. 3

4 Tuuli-diesel -järjestelmien perusohjaus ja toiminta Kuvassa 4 on yksinkertaiseen ohjaukseen perustuva tuuli-diesel järjestelmä kytkettynä kuluttajien AC-verkkoon. Kun turbiinin tuottama teho on paljon vähemmän kuin kuluttajien kuormitus vähennettynä dieselgeneraattorin minimiteho, dieselgeneraattorilla säädetään verkon jännitettä ja taajuutta. Kun turbiinin tuottama teho on yhtä suuri kuin kuluttajien kuormitus vähennettynä dieselgeneraattorin minimiteho, voidaan käyttää säätövastuksia ylimääräisen tehon kuluttamiseen, mikä helpottaa verkon taajuuden ja jännitteen säätöä. Jos tuuliturbiini tuottaa tehoa paljon enemmän kuormitukseen nähden, tarvitaan monimutkaisempia järjestelmiä. Ylimääräinen sähköenergia voidaan varastoida akkuihin, tai hyödyntää johonkin toissijaiseen sovellukseen, kuten esimerkiksi kotitalouksien lämmittämiseen. Kuva 4. Yksinkertainen tuuli-diesel -järjestelmä Energian varastointi tuuli-diesel -järjestelmissä Järjestelmissä, joissa on paljon tuulivoimalla tuotettua tehoa suhteessa kuormitukseen, energian varastoinnilla voidaan tasoittaa tehon muutoksia. Tällaisissa järjestelmissä on mahdollista sulkea dieselgeneraattorit kokonaan pois päältä. Perinteisesti energiavarastoina käytetään akkua tai vauhtipyörää. Kumpikin tarvitsee lisäksi kaksisuuntaisen muuntimen tehon käsittelyyn. Energiaa voidaan varastoida myös pumppaamalla vettä varastoon tai muodostamalla vetyä. Vety toimii hyvin pitkäaikaisena energia varastona, sillä varausjärjestelmän koko on ainoa rajoittava tekijä. Huonona puolena on heikko hyötysuhde (30 %). 4

5 Tuulivoimajärjestelmien jaottelu Haja-asutusalueelle asennettujen pienten tuulivoimajärjestelmien ja suurten merelle asennettavien välillä on selviä eroja. Erojen takia järjestelmät on hyvä jaotella asennetun tehokapasiteetin mukaisesti. Taulukko 1 esittelee erään tehoon perustuvan jaotteluperiaatteen. Taulukko 1. Tuulivoimajärjestelmien jaottelu saarekekäytössä Kuva 5 esittelee taulukon 1 mukaisten järjestelmien teoreettisen maksimin tuulen tehon ja kuorman suhteelle asennetun kapasiteetin funktiona. Tulevaisuudessa on odotettavissa suuria tuulivoimajärjestelmiä, joissa tuulivoima kattaa yhä suuremman osa kuorman tehotarpeesta. Kuva 5. Tuulivoiman kehitys: Tuulivoiman osuus kuormalle menevästä tehosta vs. asennetun tuulivoiman teho 5

6 Tuuli-diesel -järjestelmät maailmalla Nykyisin on vaikea määrittää mikä on vallitseva teknologian taso tuulivoimassa, sillä järjestelmiä on hyvin erilaisia. Monien käyttöön otettujen järjestelmien taustalla on jokin kokeellinen tuulivoimala-asennus. Taulukossa 2 on hybridituulivoimalajärjestelmistä, joita on mahdollista ajaa tutkimuskäytössä. Vuoden 2002 syyskuussa tehtiin yhteenvetoa tuuli-diesel järjestelmistä maailmalta (taulukko 3). Taulukko 2. Tutkimuskäytössä olevia hybridijärjestelmiä Taulukko 3. Maailmalle asennettuja hybridijärjestelmiä 6

7 Kokemuksia hybridijärjestelmistä Wales, Alaska: tuuli-diesel hybridijärjestelmä suurella tuulivoiman osuudella. Järjestelmän keskimääräinen kuormitus on n. 70 kw. Se koostuu kolmesta dieselgeneraattorista (yhteensä 411 kw), kahdesta 65 kw:n tuuliturbiinista ja 130 Ah:n akkuvarastosta. Järjestelmän tarkoituksena on vastata yhteisön sähköenergiatarpeeseen säilyttäen tehon hyvä laatu. Tuulivoima vastaa kuormitukseen n. 70 % osuudella, jolloin saadaan n. 45 % säästöt polttoaineessa. St. Paul, Alaska: tuuli-diesel hybridijärjestelmä suurella tuulivoiman osuudella. Järjestelmä on ensimmäinen yksityisrahoitteinen hybridivoimajärjestelmä. Järjestelmän keskimääräinen kuormitus on n. 85 kw. Järjestelmä koostuu 225 kw:n tuuliturbiinista (Vestas V27), ja kahdesta 150 kw:n dieselgeneraattorista, tahtikompensaattorista, litran kuumavesialtaasta ja yli 300 m kuumavesiputkistosta. Järjestelmää ohjataan automaattisesti. Kun tuulivoimaa on ylimäärin, dieselgeneraattorit sammutetaan ja tuuliturbiini vastaa kuormitukseen yksin, ja ylimääräinen teho käytetään veden lämmittämiseen. Järjestelmä maksoi n. 1.2 miljoonaa dollaria, ja sillä saavutetaan n dollaria säästöä vuosittain. Alto Baguales, Chile: tuuli-vesi-diesel -järjestelmä Coyhaiquessa. Järjestelmän maksimiteho on MW. Järjestelmän diesel- ja vesivoimaa täydentää kolme 660 kw:n tuuliturbiinia. Tuulijärjestelmän oletetaan vastaavan enemmän kuin 16 % alueen sähköenergiantarpeesta, jolloin säästetään litraa polttoainetta. Korkeimmillaan tuulivoiman on mitattu vastaavan kuormitukseen 22 % osuudella. Järjestelmään tehtiin vesivoiman lisäystä vuonna 2003, mikä mahdollistaa energiantuotannon pelkästään tuuli- ja vesivoimalla. Cape Verde, Länsi-Afrikan rannikolla: kolme kansallisesti tärkeintä järjestelmää. Järjestelmät ovat hyvin yksinkertaisia sisältäen vain hukkakuormatoiminnon ja turbiinin sulkutoiminnon. Järjestelmä koostuu dieselgeneraattoreihin perustuvaan jakeluverkkoon, johon on kytketty kolme 300 kw:n turbiinia. Eri alueiden kuormitus vaihtelee 1.15 MW:n ja 4.5 MW:n välillä. Tuulivoima vastaa kuukausittain 25% - 35% alueen energiatarpeesta riippuen olosuhteista. Vastaava luku koko vuodelle on n. 14 %. Australia: tuuli-diesel järjestelmät Denhamissa ja Mawsonissa. Järjestelmä vastaa 1200 kw:n tarpeeseen. Järjestelmä koostuu kolmesta 230 kw:n tuuliturbiinista (Energon E-30) ja neljästä dieselgeneraattorista (yht kw), sekä yhdestä matalan kuormituksen dieselgeneraattorista. Järjestelmän normaalit dieselgeneraattorit voidaan sulkea, jolloin tuulivoiman osuus kuormalle syötetystä tehosta on keskimäärin 50%. Järjestelmä vähentää polttoainekulutusta l vuodessa. 7

8 Tuulivoiman vaikutus sähkönlaatuun Ulostulotehon muutokset ja niiden vaikutukset tehon laatuun ovat kriittisiä tekijöitä, kun tuulivoimajärjestelmiä kytketään AC-verkkoon. Vaikutukset kasvavat kun tuulivoiman osuus tuotetusta sähkötehosta kasvaa. Vaikutuksia kuvataan tavallisesti järjestelmän jännitteen ja taajuuden muuttumisella. Saarekekäytölle on tunnusomaista että on vain yksi voimalaitos, jolloin siirto- ja jakeluverkko on heikko ja yksinkertainen. Usein tuuliturbiinit sijoitetaan lähelle kuluttajia, ei voimalaitosta. Liityntäpisteen jännite riippuu tuuliturbiinien ulostulojännitteestä sekä kuluttajan kuormituksesta. Jännite voi kasvaa suureksi, kun tuulivoimatuotantoa on ylimäärin ja kuormitusta vähän. Järjestelmän vakaus ja sähkön laatu Kaikkiin AC-tehoa tuottaviin järjestelmiin liittyy neljä kriittistä parametria: Järjestelmän taajuus: Tuotetun ja kulutetun energian tasapaino. Jos tuotantoa on enemmän, taajuus kasvaa. Pätö- ja loisteho: Pätö- ja loistehojen tasapainot säilytettävä. Järjestelmä jännite: Kuormata tarvitsevat vakaan jännitteen. Säätö voidaan toteuttaa moduloimalla pyörivän generaattorin kenttää tai tehoelektroniikalla. Jännitteen yliaallot: Verkon generaattorit ja verkkoon kytkettävät laitteet aiheuttavat yliaaltoja. Tehon ja jännitteen heilahtelut Monien sähkön laatuun vaikuttavien asioiden taustalla on tuuliturbiinin ulostulotehon heilahtelu. Heilahtelut aiheuttavat muutoksia jännitteessä, ja dieselgeneraattoreiden toiminnassa (ohjauksen muutokset). Muutokset aiheuttavat mm. valojen vilkuntaa. Tehon heilahteluun vaikuttavat asennetun tuulivoimakapasiteetin lisäksi myös tuulivoimaloiden määrä. Tuulivoimaloiden määrän lisääminen saattaa tasoittaa tehovaihteluita, koska tuulisuus vaihtelee pienelläkin alueella, joten tuulen voimakkuus on usein tuulivoimalakohtaista. Tuulivoimajärjestelmän toiminta Järjestelmän monimutkaisuus kasvaa sitä mukaa, mitä suurempi osa verkon sähköenergiasta tuotetaan tuulivoimalla. Tällöin järjestelmä on hyvä jakaa suurempiin kokonaisuuksiin hierarkkisesti, jolloin mm. vikatilainteiden hallinta on helpompaa. Äärimmäisessä tapauksessa, vaikka kaikki muu lakkaisi toimimasta, dieselgeneraattoreiden tulisi pystyä tuottamaan sähköenergiaa verkkoon. 8

9 Saarekekäytössä on myös otettava huomioon, että tuulivoimaan voidaan tuottaa pieneen paikalliseen verkkoon joskus jopa kolme tai nelinkertainen määrä kulutukseen nähden, mikä on mahdottomuus perinteiseen sähköverkkoon kytkettävien tuuliturbiinien tapauksessa. Tällöin on päivittäiset ja kausiluontoiset tuulenvaihtelut huomioon erityisen tarkasti. Kuvassa 6 on esiteltynä erään asuinalueen vuorokauden tehontarve. Minimikuormitus määrittelee sen kuinka paljon tuulivoimaan voidaan hyödyntää ajamatta ylimääräistä sähköenergiaa hukkatehoksi tai akkuvarastoon. Maksimikuormitus määrittelee sen, kuinka paljon dieselvoimaa on asennettava. Kuva 6. Erään asuinalueen tehontarve vuorokauden aikana 9

10 Järjestelmän mallinnus Järjestelmän numeerinen mallintaminen on tärkeä osa saarekekäyttöön tarkoitetun tuulivoimajärjestelmän suunnittelua ja toteutusta. Yleensä järjestelmän toimintaa ennustetaan teknisin (tehon ja energian tuotanto) ja taloudellisin (energian hinta) suorituskykyparametrein. Teknisen suorituskyvyn määrittämiseen tarvitaan usein myös yksityiskohtaisempaa tietoa mm. sähkön laadusta, kuormituksen luonteesta ja verkon vakaudesta. Vaatimuksen ja sovellukset Numeerisen mallintamiseen liittyvät vaatimukset riippuvat varsinaisesta sovelluskohteesta, mutta mallintamisen pääkohdat ovat: Simuloinnin tavoitteiden määrittäminen Simuloinnin aikaskaala Mallinnusperiaatteet (esim. deterministinen) Teknisten ja taloudellisten suunnitelmien esittäminen Järjestelmän rakenne ja asetukset Simulointien tavoitteet riippuvat siitä, tehdäänkö simuloinnit osana päätöksentekoprosessia vai suunnitteluprosessia. Tavoitteet voivat käsitellä: Järjestelmän tai verkon optimointia Vuotuista suorituskykyä, tietyillä asetuksilla Järjestelmän ohjausta ja säätöä Verkon mallinnusta, vakautta ja kuormitusta Riippuen järjestelmästä ja simuloinnin tarkoituksesta voidaan käyttää eri aikaskaaloja. Voidaan keskittyä esimerkiksi: Transienttianalyyseihin, kytkentäilmiöihin: kesto muutama sekunti, tarkkuudella sekuntia Dynaamiseen analyysiin, verkon vakaus: kesto n. 1 minuutti, tarkkuudella 0.01 sekuntia. Valvontajärjestelmän ja säädön ilmiöihin: kesto muutamasta minuutista tuntiin, tarkkuudella sekuntia. Logistisiin analyyseihin, tehon virtaus kausittain: kesto päivistä vuoteen 10

11 Saarekejärjestelmä kuluttajan näkökulmasta Yksi tärkeimmistä syistä miksi dieselvoimajärjestelmiin pyritään sovittamaan uusiutuvia energialähteitä, on dieselillä tuotetun energian korkeahko hinta. Vaihtoehtojen valintaan ja onnistuneeseen toteutukseen vaikuttavat kuitenkin monet asiat. Energian hinta saarekekäytössä Energian hinta dieselsaarekekäytössä voi vaihdella paljonkin, esimerkiksi välillä dollaria kilowattitunnille. Luonnollisesti sähkönhinta on saarekekäytössä moninkertainen kuin suuremmissa verkoissa (luokkaa 0.04 dollaria kilowattitunnille). Sähköntuotannon kustannuksia ei ole dokumentoitu hyvin tuuli-diesel järjestelmissä, joten sähkön hinta voi olla vaikea määrittää tarkasti. Järjestelmän taloudellisuutta kuvataankin usein säästetyn polttoaineen määrällä. Tämä tapa on järkevää, jos jo olemassa olevaan tuuli-diesel järjestelmään lisätään tuuliturbiineja, mutta jos rakennetaan täysin uusi diesel-tuulijärjestelmä voidaan suorittaa kokonaisvaltaisempaa kustannusten analysointia helpommin. Kuluttajan vaatimukset saarekekäytössä Kuluttajan näkökulmasta saareke tuulivoimalla tulisi vastata samoihin tarpeisiin kuin perinteinen verkkokin. Tuulivoima tulisi nähdä vain yhtenä vaihtoehtona tuottaa sähköenergiaa, mutta sen olosuhderiippuvuus tulee ottaa huomioon. Tiedot saarekeyhteisön tarpeista ja olosuhteista ovat tällöin erityisen tärkeitä. Tuulivoiman soveltuvuutta yhteisön energiatarpeen tyydyttämiseen voidaan tarkastella laskemalla paljonko perinteisen verkkoliitynnän rakentaminen tulisi maksamaan, ja päivittäisen energiatarpeen kautta. Järjestelmän suunnittelu voi vaatia myös asiantuntijatyötä, jonka kustannukset ovat liian suuret projektin kokoon nähden. Taulukko 4 esittelee tuulivoiman määrän soveltuvuutta eri yhteisötyypeille Egyptissä. Taulukko 4. Yhteenveto saarekekäyttöjärjestelmistä, joissa voitaisiin hyödyntää tuulivoimaa Egyptissä 11

12 Standardit ja ohjesäännöt Asianmukaisten ohjesääntöjen ja standardien kehittäminen ja käyttäminen on tärkeässä asemassa hankkeiden ja projektien onnistumisessa. Kun markkinat kehittyvät, tulee tarve kehittää myös järjestelmän suunnitteluun ja toteutukseen liittyviä standardeja ja ohjesääntöjä. Standardit ja ohjesäännöt ovat erilaisia kansainvälisen sähköalan standardoimisorganisaation, International Electrotechnical Commissionin (IEC), kehittelemiä dokumentteja. Standardit käsittelevät tarkkoja teknisiä ratkaisuja, joista vastaa mm. IEC:n alaisuudessa toimiva Comité Europée de Normalisation Electrotechnique (CENELEC). Standardit ovat yksikäsitteisiä ohjeita, ja kaikki projektin toteuttamisessa käytetyt ohjesäännöt tulisivat perustua yhteen samaan uusiutuvia energialähteitä koskevaan standardisarjaan. 12