SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet Tuulienergia 1
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 - 1860 2 2
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 - 1931 3
Tuulivoiman syntyhistoriaa Charles Brush, USA (1849-1929) Keksi DC dynamon Ensimmäinen tuulivoimala 1887 D rotor 17 m 144 puusta valmistettua roottorin siipeä 12 kw (hidas pyörimisnopeus) 4
Tuulivoiman syntyhistoriaa (Cont.) Paul la Court, Hollanti (1846-1908) Nopeasti pyörivä turbiini Vähemmän siipiä 5
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
Tuulivoiman kehitysnäkymiä 7
Suomen tuulivoimakapasiteetin kasvu 8
INSTALLOITU TUULIVOIMA- KAPASITEETTI SUOMESSA Syöttötariffi on otettu käyttöön Suomessa vuonna 2011. Tavoitehinta ehdotuksessa on 83,5 / MWh 9
Globaali tuulivoimakapasiteetti Vuonna 2011 239 000 MW 10
Asennettu tuulivoimakapasiteetti 2009 USA Kiina Saksa Espanja Intia Italia Ranska Iso-Britannia 2009 2008 Portugali Tanska Suomi 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 11
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 18 000 suomalaista. 12
Tuulivoima on maailman nopeimmin kasvava energiantuotantomuoto Viidessä vuodessa, 2006-2010 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 2006. 3 x Suomen investoinnit 2006. 13
Tuotantokustannukset Tuotetun sähkön hinta Vesi Ydinvoima Tuuli Hiili Turve Kaasu *CHP 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 /MWh 14
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
Globaalit virtaukset Lämpöä kuljettaa kaksi globaalia virtausta: Rossby Hadley 16
Tuulesta sähköä 1 Av 3 knowledge Power 2 17
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
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 0. 593 p where : V 2 1 3 V 1 C area (wind velocity slows by 2/3) p 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 coefficient Cp vs. PU Exit Velocity 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 PU Exit Velocity Cp vs. PU Exit Velocity 19 19
Tuulen nopeus noudattaa Weibullin jakaumaa 20
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 ~ 0.0002 (avomeri). 0.2 (asuttu sisämaa) Approksimaatio V ~ h 1/7 21
Kapasiteettikerroin MW 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 viikko Tuulivoiman kapasiteetti Tuulivoiman viikkokeskiteho 22
Kapasiteettikerroin & tuulennopeus 23
Tuulivoiman hyödynnettävyys 1000 MW:n ydinvoimalan vaatima maa-alue ~ 6 km 2. 1 MW tuulipuisto, maaalueen tarve? 24
Länsi-Euroopan tuulienergiaresurssit 25
Wind Resource U.S.A. Wind Speed (m/s @ 50m) > 8 7-8 6-7 4-6 < 4 (10 m/s = 22.4 mph) US percent of electricity consumption from wind: ~1% 26 Midwestern United States is Saudi Arabia of Wind
Suomen tuuliatlas 27
Tuuliolosuhteet Sodankylässä 28
Tuulivoimalan pääkomponentit 29
Tuulivoimalan päätyypit 30
Tuulivoimalatyypit 31
Harvinaisempia konsepteja 32
Tuulivoimalan konehuone 33
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
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 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
Maankäyttö ja kustannusrakenne 37
Rajoitteita Voimaloiden keskinäinen etäisyys 5-10 x D Maan käyttö Melu Lintukuolemat Vaikutus tietoliikennejärjestelmiin Turvallisuus Visuaalinen vaikutelma 38
Tulevaisuuden ennusteita 39
Ennustettu kasvu Euroopassa Vuonna 2030 installoitu tuulivoimateho 100 000 MW; 10% Euroopassa tuotetusta sähköstä. Synnyttää 50 000 uutta työpaikkaa. 40
Environmental Challenges 1875 Pasterze Glacier, Austria 2004 41 Increasing atmospheric CO2 is warming the planet Power generation is leading cause of CO2 emissions Carbon constraints increase demand for renewable energy