Tuulivoiman kehityshistoria ja nykytila

Tuulivoiman kehityshistoria ja nykytila Johdanto Tuulivoimaa on hyödynnetty ihmisten tarpeisiin ainakin 3000 vuoden ajan. Ennen 1900- lukua tuulivoimaa käytettiin pääasiallisesti suoraan mekaanisen työn tekemiseen, kuten veden pumppaamiseen tai viljan jauhantaan. Teollistumisen myötä tällaiset tuulta hyödyntävät sovellukset korvattiin usein kuitenkin fossiilisia polttoaineita tai sähköä käyttävillä sovelluksilla, koska näin saatiin parempi riippumattomuus säästä ja näin ollen myös parempi tehonsyötön jatkuvuus. Kiinnostus tuulivoimaan, kuten muihinkin uusiutuviin energiamuotoihin, palasi kuitenkin ensimmäisen öljykriisin aikaan 1970-luvulla. Tuulivoimalla pyrittiin nyt kuitenkin tuottamaan sähköenergiaa, perinteisen mekaanisen energian sijasta. Tällä tavoin oli mahdollista hyödyntää tuulivoimaa siten, että toimintavarmuus ja tehonsyötön jatkuvuus kohteeseen ei kärsisi. Tuulivoimaa voitiin siis käyttää sähköverkon kautta apusähkönä. Vaikka vasta öljykriisi synnytti suuremman kiinnostuksen tuulivoimaan, olivat ensimmäiset tuuliturbiinit kehitetty jo 1900-luvun alussa. Merkittävin tuulivoiman kehittäminen alkoi 1970-luvun alussa, ja vaiheittain siitä oli tullut 1990-luvun loppuun mennessä yksi merkittävimmistä vakaista uusiutuvista energiamuodoista. 1990-luvulla tuulivoiman kehitys ja kapasiteetin kasvu oli erittäin voimakasta; tuulivoiman kapasiteetti noin kaksinkertaistui kolmen vuoden välein. Kehitystä on seurannut myös merkittävä tuulivoimalla tuotetun energian hinnan lasku. 1980-luvun alkupuolelta hinta on pudonnut kuudesosaan, sen edelleen laskiessa. Itse teknologia on ottanut suuria harppauksia, mikä näkyy tuulivoimaloiden tehojen ja fyysisten mittojen kasvamisena. 1980-luvun lopussa 300 kw:n turbiini ja 30 metrin roottorihalkaisija olivat sen ajan teknologian huipulla, kun taas jo 1990-luvun lopulla 2000 kw:n turbiinit ja halkaisijaltaan 80 metriä olevat roottorit olivat mahdollisia. Taulukko 1 esittelee tuulivoimalan tehojen ja mittojen kehittymistä 80-luvulta lähtien. Taulukko 1. Tuulivoimateknologian kehittyminen tehoissa ja mitoissa 1985-2004 1

Historiallinen tausta Mekaanisen tehon tuottaminen Ensimmäiset tuulimyllyt olivat pystyakselisia myllyjä. Tällaisia myllyjä on käytetty jo useita satoja vuosia ennen ajanlaskun alkua Afganistanin ylämailla viljan jauhamiseen. Kuvassa 1a on eräs pystyakselinen tuulimylly. Ensimmäisten vaaka-akselisten tuulimyllyjen (kuva 1b) käytöstä on tietoa Persian, Tiibetin ja Kiinan alueilta n. vuodelta 1000 ajanlaskun alun jälkeen. Lopulta vaaka-akseliset tuulimyllyt levisivät Persian ja Lähi-idän kautta myös Välimeren alueelle ja Keski-Eurooppaan. Syynä nopeaan tuulimyllyjen leviämisen Eurooppaan pidetään mm. ristiretkiä. Ensimmäiset tuulimyllyt ilmestyivät Englantiin n. vuonna 1150 ja Ranskaan 1180, Flanderin alueelle 1190, Saksaan 1222 ja Tanskaan 1259. Tuulimyllyjen kehittyminen Euroopassa jatkui 1300-luvulta aina 1800-luvulle asti. Tyypillinen tuulimylly 1800-luvun lopussa käytti 25 metrin roottoria, ja tyypillinen käyttökohde viljan jauhannan lisäksi oli veden pumppaaminen. Vuoteen 1800 mennessä pelkästään Ranskassa oli n. 20 000 toiminnassa olevaa tuulimyllyä, ja Alankomaissa jopa 90% teollisuuden tarvitsemasta energiasta perustui tuulivoimaan. Teollistuminen alkoi kuitenkin vähentää tuulimyllyjen käyttöä, mutta vielä vuonna 1904 11% teollisuuden energiasta tuotettiin Hollannissa tuulivoimalla. Kun tuulimyllyt alkoivat hävitä Euroopasta vähitellen, uudisasukkaat veivät tuulimyllyteknologiaa myös Pohjois-Amerikkaan. Tuulimyllyistä tuli erityisesti osa vettä karjalle pumppaavien järjestelmiä, jotka toimivat täysin itsenäisesti. Tuulimyllyt olivat suosituimmillaan USA:ssa vuosien 1920 ja 1930 välisenä aikana (yhteensä n. 600 000 tuulimyllyä). Kuva 1. Eräs vanhanaikainen a) pystyakselinen tuulimylly ja b) vaaka-akselinen tuulimylly 2

Sähkötehon tuottaminen Tanskalainen Poul La Cour kehitti ensimmäisen sähköenergiaa tuottavan tuuliturbiinin vuonna 1891. Tanskalaiset kehittivät teknologiaa seuraavien vuosikymmenien aikana, ja tuulienergiaa voitiin hyödyntää lyhyiden energianjakelukatkojen aikana. Modernien tuuliturbiinien edelläkävijänä voidaan pitää tanskalaisen yrityksen, F. L. Smidthin, vuosina 1941-1942 rakentamia turbiineja. Kyseinen yritys oli myös ensimmäinen, joka sovelsi senhetkistä aerodynamiikan tuntemusta. Samoihin aikoihin myös amerikkalainen Palmer Putnam rakensi jättimäisen turbiinin (halkaisija 53 m) Morgan Smith Co. yritykselle. Tanskalaisten ja amerikkalaisten turbiinien toimintaperiaatteetkin kuitenkin erosivat toisistaan. Tanskalaisilla toimintaperiaatteena oli ylätuuliroottori sakkausrajoittimella, kun taas Putnamilla toiminta perustui alatuuliroottoriin muutettavalla kallistuksella. Toisen maailmansodan jälkeen Johannes Juul kehitti Tanskassa edelleen siellä luotuja suunnitteluperiaatteita, ja Tanskaan Gedseriin asennettiinkin hänen kehittämä tuuliturbiini, joka tuotti n. 2.2 miljoonaa kwh sähköenergiaa vuodesta 1956 vuoteen 1967. Samoihin aikoihin Saksalainen Hütter kehitti uuden kahteen lasikuitusiipeen perustuvan tuuliturbiinin, jolla päästiin hyviin hyötysuhteisiin. Huolimatta yksittäisistä panostuksista, kiinnostus tuulivoimaan kuitenkin laski toisen maailmansodan jälkeen. 1970-luvun öljykriisin myötä tuulivoiman tutkiminen ja kehitys saivat yhä enemmän rahoittajia ja taloudellista tukea, jolloin kiinnostus tuulivoimaan palasi. Esimerkiksi Saksassa, USA:ssa ja Ruotsissa rahoitettiin suuremman mittakaavan tuuliturbiiniprototyyppien kehittämistä. Teknisten ongelmien takia kuitenkin monetkaan prototyypit eivät olleet jatkuvassa käytössä. Maiden hallituksen myönteiset tukipäätökset vauhdittivat tuulienergian hyödyntämistä, ja uusiutuvien energianmuotojen käytön edistämiseen laadittiin erilaisia suunnitelmia ja lakeja (USA:ssa Public Utility Regulatory Policies Act, PURPA). Lisäksi uusiutuviin energiamuotoihin sovellettiin erityistä verokäytäntöä. Nämä muutokset saivat aikaan ensimmäisen tuulienergiavillityksen USA:ssa, ja seurauksena rakennettiin suuria tuulipuistoja. Ensimmäiset tuuliturbiinit olivat 50 kw, mutta 1980-luvun loppuun mennessä yleinen käytetty koko oli kasvanut 200 kilowattiin. Suurin osa turbiineista tuotiin Tanskasta, jossa yritykset olivat kehittäneet edelleen edelläkävijöiden Poul LaCourin ja Johannes Juulin periaatteita ylätuuliturbiinista sakkausrajoittimella. Myöhemmin taloudellinen tuki pieneni USA:ssa, mutta kasvoi Euroopassa ja Intiassa. 1990- luvulla tukisuunnitelma perustui Euroopassa kiinteään syöttötariffiin ja Intiassa verohelpotuksiin. 1900-luvun lopulla, 20 vuotta ensimmäisten megawatin prototyyppien testaamisesta, parin megawatin tuuliturbiinit olivat vallitsevaa kaupallista teknologiaa. 3

Taulukossa 2 on esiteltynä historiallisesti merkittäviä tuuliturbiineja ja taulukossa 3 ensimmäisiä suuremman mittakaavan tuuliturbiineja 70-luvulta 90-luvulle. Taulukko 2. Historiallisesti merkittäviä tuuliturbiineja Taulukko 3. Ensimmäisiä suuremman mittakaavan tuuliturbiineja 4

Tuulivoiman nykytila maailmanlaajuisesti Eurooppa Vuoden 1995 lopusta vuoden 2003 loppuun n. 76% kaikista uusista verkkoon kytkettävistä tuuliturbiineista maailmassa asennettiin Eurooppaan (Taulukko 4). Euroopassa eniten tuulivoimakapasiteettia on Saksassa, Tanskassa ja Espanjassa (Taulukko 5). Näissä maissa merkittävin tuulivoiman kehitystä ylläpitävä tekijä on maiden hallitusten määrittelemät tuulivoiman kiinteät syöttötariffit. Se velvoittaa sähkönsiirto- ja jakeluyhtiöiden maksamaan paikallisten tuulivoimaloiden verkkoon syöttämästä sähköenergiasta. Tariffi pienentää tällöin tuulivoimaloiden perustamiseen liittyviä taloudellisia riskejä. Monet Euroopan maat ovat vaihtamassa lähestymistapaansa järjestelmään, joka perustuu siihen että hallitus antaa verkkoyhtiöille vaatimuksen siitä kuinka paljon uusiutuvaa energiaa verkkoon vuoden aikana tulee syöttää. Uusiutuvan energian tuottajat saavat ns. vihreän sertifikaatin, joka vastaa tiettyä verkkoon syötettävää energiaa ja verkkoyhtiöt täyttävät hallituksen vaatimuksen ostamalla näitä sertifikaatteja tuottajilta. Taulukko 6 esittelee Saksassa asennettujen tuuliturbiinien keskikokoja (kw). Kehitys on ollut erittäin nopeaa, verrattavissa IT-alaan. Esimerkiksi vuonna 2003 tavanomaisen tuuliturbiinin teho on kasvanut 25-kertaiseksi 16 vuoden kuluessa. Muissa Euroopan maissa useamman megawatin turbiinit ovat yleistyneet hitaammin. Taulukko 4. Tuulivoima maailmanlaajuisesti 5

Taulukko 5. Tuulivoima Euroopassa Taulukko 6. Tuuliturbiinien koon (kw) kasvaminen Saksassa 6

Pohjois-Amerikka 1980-luvun puolessavälissä tuulivoimateknologian kehitys hidastui merkittävästi Pohjois- Amerikassa. 1990-luvun puolivälissä tuulivoimakapasiteetti saattoi pienentyäkin, kun vanhoja tuulipuistoja purettiin. Kuitenkin vuonna 1998 USA:ssa alkoi uusi buumi. Tämä johtui siitä, että verotuen, Production Tax Credit (PTC), myöntämisaika tulisi päättymään vuoden 1999 kesäkuun 30. päivään mennessä. Tämä tuki takasi tietynsuuruisen veroedun 10 vuoden ajan. Vuodesta 1998 vuoden 1999 kesäkuun loppuun asti uutta tuulivoimaa asennettiinkin yli 800 MW. Samanlainen tilanne PTC:n suhteen koettiin myös vuonna 2001 ja 2003, jolloin kapasiteettiä lisääntyi 1600 kw kummallakin kertaa. Vuoden 2004 alussa PTC lopetettiin, jolloin tuulivoimateollisuuden kehitys lähtikin laskuun. Vielä saman vuoden aikana verotuki kuitenkin uudistettiin ja sitä päätettiin jatkaa vuoteen 2006 asti. PTC onkin vihreän sertifikaatin kanssa suurimmat tuulivoimaa lisäävät ja tukevat tekijät. USA:ssa vihreä sertifikaattijärjestelmä tunnetaan nimellä Renewable Portfolio Standard (RPS), ja sertifikaatit nimellä Renewable Energy Credits (RECs). 2000-luvulla USA:ssa pystytettiin ensimmäiset megawattiluokan tuulivoimalat. Taulukko 7 esittelee USA:n tuulivoimakapasiteettia. Taulukko 7. Tuulivoima Yhdysvalloissa 7

Etelä- ja Keski-Amerikka Monilla Etelä- ja Keski-Amerikan alueilla tuulivoiman kehittyminen on ollut hidasta huolimatta siitä, että tuulienergiaa olisi hyödynnettävissä laajaltikin. Tämä johtuu siitä, että tuulienergian hyödyntämisestä ei ole tehty tehokasta lainsäädäntöä, mutta osaltaan myös halvan sähkön takia. Monia tuulivoimaprojekteja Etelä-Amerikassa rahoitetaankin kansainvälisin avustusohjelmin. Argentiinassa ja Brasiliassa tosin on säädetty alueellisia säädöksiä tuulivoimaan liittyen. Tyypillinen turbiinikoko on n. 300 kw. Suurempia turbiineja on usein vaikea asentaa infrastruktuurin takia. Taulukko 8. Tuulivoima Etelä- ja Keski-Amerikassa Aasia ja Tyynenmeren alue Tuuliturbiiniasennusten määrä kasvoi merkittävästi Intiassa 1990-luvun puolessavälissä. Vuosina 1992-93 Intian hallitus alkoi myöntämään erityisiä kannustimia uusiutuvien energiamuotojen hyödyntämiseen, mm. 100% veroalennus projektin ensimmäiselle vuodelle. Myös tehon talletus tuli mahdolliseksi. Eli kun tuulivoimalan tuotanto on huipussaan, verkkoon syötetty teho voidaan tallettaa ja hyödyntää tuotannon ollessa pientä. Tukipolitiikka saikin Intian tuulivoiman kehittymään merkittävästi vuosien 1993 ja 1997 välillä. Myöhemmin epävarmat tulevaisuudennäkymät ovat hidastaneet kehitystä. Huolimatta Kiinan hallituksen tuulivoiman kehitysohjelmista, sen tuulivoiman kehittyminen on etupäässä kansainvälisten apuohjelmien varassa. Japanissa kehitystyö on keskittynyt erilaisiin testiprojekteihin, ja ensimmäinen kaupallinen tuulivoimaprojekti aloitettiin 1990- luvun lopulla ja kiinnostus tuulivoimaan on kasvamassa. Samoin Uuden-Seelannin ja Australian ensimmäiset tuulienergiaprojektit aloitettiin 90-luvun lopulla. Tyypilliset turbiinikoot Kiinassa ja Intiassa ovat 300-600 kw, ja Australiassa, Japanissa sekä Uudessa-Seelannissa 1-1.5 MW. Taulukossa 9. on esitettynä alueen tuulivoimakapasiteettia. 8

Taulukko 9. Tuulivoima Aasiassa ja Tyynenmeren alueella Lähi-itä ja Afrikka Tuulivoiman kehittyminen Afrikassa on ollut erittäin hidasta. Suurin osa projekteista tarvitsee taloudellista tukea kansainvälisiltä avustusjärjestöiltä. Projekteja on suunniteltu Egyptiin, Marokkoon sekä Jordaniaa. Tyypillinen turbiinikoko on n. 300 kw, tulevaisuudessa 500-600 kw. Taulukossa 10. on esiteltynä alueen tuulivoimakapasiteettia. Taulukko 10. Tuulivoima Lähi-idässä ja Afrikassa 9

Tuulivoiman talousnäkökohdat Tuuliturbiinien valmistamisen kustannukset ovat laskeneet n. 20 % aina, kun tuotettujen turbiinien määrä on kaksinkertaistunut. Suuremman mittakaavan verkkoon kytkettävien tuuliturbiinien tuotanto kaksinkertaistuu joka kolmas vuosi. Samanlaisen kustannusten aleneman on kokenut aikoinaan myös öljy. Tanskassa on ennustettu 1996, että tuulivoiman kustannukset tulevat laskemaan 50 % vuoteen 2020 mennessä. EU:n komissio puolestaan on arvioinut, että tuulivoimalla tuotetun energian kustannukset tulevat laskemaan ainakin 30 % vuosien 1998 ja 2010 välisenä aikana. Yleinen talousnäkökohtien vertailu on kuitenkin vaikeaa, koska tuotannon kustannukset vaihtelevat maittain esimerkiksi erilaisten olosuhteiden ja verojärjestelmän takia. Karkeasti voidaan todeta, että jos jossakin tuulen nopeus on keskimäärin 10 % suurempi kuin jossain muualla, saadaan n. 30 % suurempi energian tuotanto. Englannissa ja Walesissa otettiin 1990-luvulla käyttöön tuulivoiman kilpailutuskäytäntö (Non-Fossil Fuel Obligation, NFFO), joka perustui tarjousprosessiin, jossa uusiutuvan energian tuottajat tarjoavat uusia projekteja. Toinen osapuoli tarjoaa vastaavasti syöttötariffia tai tukea, jota maksetaan verkkoon syötetystä uusiutuvasta energiasta tietyn ennalta määritellyn ajan. Kun NFFO-käytäntöön liittyvät sopimukset olivat esim. 15-vuotisia, taloudellinen riski pieneni, ja tuulienergian tuottajat saattoivat hyväksyä alihintaisiakin sopimuksia. NFFO-käytännöllä oli siis tuulienergian hintaa laskeva vaikutus. Taulukossa 11 on esiteltynä toteutuneita hintoja eri NFFO:n toteuttamiskerroilla. Taulukko 11. Toteutuneita hintapyyntöjä Britannian pennyissä kilowattituntia kohden (1 0.7 ) 10

Tuulivoiman ympäristökysymykset Tuulienergiaa voidaan pitää ympäristöystävällisenä vaihtoehtona, mutta tuulivoimaloiden valmistamisprosessiin liittyy epäsuoria päästöjä. Päästöjä syntyy niin kauan kuin valmistamisessa ja kuljettamisessa hyödynnetään fossiilisia polttoaineita. Taulukossa 12 on eritelty eri sähköntuottotapoihin liittyviä päästöjä. Myös tuulivoimalaan liittyvä melu sekä visuaaliset tekijät ovat tärkeässä asemassa yleisen hyväksyttävyyden saavuttamiseksi, varsinkin jos tuulivoimaloita sijaitsee asutuksen lähellä. Melua voidaan kuitenkin vähentää erilaisilla tekniikoilla (muuttuva nopeus tai pienempi pyörimisnopeus). Taulukko 12. Eri sähköntuottotapoihin liittyviä päästöjä 11

Tuuliturbiiniteknologian nykytila Tuulienergiajärjestelmät voidaan jakaa järjestelmiin, jotka perustuvat ilmanvastukseen ja nosteeseen. Muinaisten Persialaisten pystyakseliset tuulimyllyt hyödynsivät ilmanvastusperiaatetta. Noste aiheuttaa moninkertaisen voiman pelkkään ilmanvastusvoimaan nähden, joten modernit tuuliturbiinit perustuvat pääasiassa aerodynaamiseen nosteeseen. Periaate hyödyntää tuulensuuntaisen ilmanvastuksen lisäksi myös tuulensuuntaan kohtisuorasti vaikuttavaa komponenttia, eli nostevoimaa. Nosteeseen perustuvat tuuliturbiinit voidaan edelleen jakaa pysty- ja vaaka-akselisiin turbiineihin. Pystyakselisen turbiinin keksi ranskalainen Darrieus vuonna 1920. Se perustui pystysuuntaisiin, kaartuviin symmetrisiin siivekkeisiin. Etuna pystysuuntaisilla turbiineilla on se, että se ei ole riippuvainen tuulen suunnasta, ja vaihteisto ja muu koneisto voidaan sijoittaa maan pinnalle. Suurimpina huonoina puolina on taas suuri virtausmomentti joka suuntaan, itsekäynnistyksen puuttuminen sekä rajoitetut mahdollisuudet nopeuden säätämiseen kovalla tuulella. Vaaka-akseliset tuuliturbiinit ovat selvästi yleisempiä kuin pysty-akseliset. Vaaka-akselinen tuuliturbiini koostuu mastosta ja sen päällä olevasta korista, joka sisältää generaattorin, vaihteiston ja roottorin. Kori voidaan kääntää tuulta vastaan erilaisilla tekniikoilla. Vaaka-akseliset tuuliturbiinit ovat tavallisesti 2- tai 3-siipisiä, jos kysymyksessä on sähkötehon tuottaminen. Yli 20-siipisiäkin käytetään esimerkiksi veden pumppaamiseen. Kärkinopeudella on yhteys siipien määrään. Kärkinopeus λ voidaan esittää seuraavasti λ = ωr/v, missä ω on kulmanopeus, R roottorin säde ja V tuulen nopeus. Siipien määrän lisääminen vähentää kärkinopeutta, mutta suurentaa alkumomenttia. Verkkoon kytkettävistä vaaka-akselisista tuuliturbiineista 3-siipiset ovat yleisimpiä verrattuna 2-siipisiin. Niiden etuna on roottorin hitausmomentin parempi ymmärtäminen ja käsitteleminen. Lisäksi 3-siipisiä turbiineja pidetään esteettisempänä ja meluhaitta ei ole niin suuri kuin 2-siipisillä turbiineilla. 2-siipisen etuna keveämpi rakenne, ja täten pienemmät valmistuskustannukset. Vaaka-akselinen tuuliturbiini voidaan suunnitella monella eri tavalla. Eri tavoista voidaan erotella kolme erilaista suunnitteluperiaatetta. Ensimmäinen periaate tähtää kovan tuulen kestämiseen, optimaaliseen luotettavuuteen ja toimii hitaahkolla kärkinopeudella. Toinen periaate tavoittelee kuormatilanteeseen sopeutumista (vuoto kovalla tuulella) ja optimoitua suorituskykyä. Kolmas periaate tähtää kuormituksesta selviämiseen ja sen hallitsemiseen mekaanisesti tai elektronisesti. Modernien tuuliturbiinien suunnittelussa käytetään tätä periaatetta. 12