Jatko-opintoseminaari kirjasta: Referaatti kirjan kappaleesta 8: 8. Sähköjärjestelmän vaatimukset tuulivoimalle (Power System Requirements for Wind Power) Pasi Vuorenpää Op.num.: 176838 Email: pasi.vuorenpaa@tut.fi Tampereen teknillinen yliopisto
Referaatti kappaleesta 8: 8. Sähköjärjestelmän vaatimukset tuulivoimalle (Power System Requirements for Wind Power) Kirjoittajat: Hannele Holttinen ja Ritva Hirvonen 8.1. Johdanto Sähköjärjestelmän vaatimukset tuulivoimalle riippuvat lähinnä sähköjärjestelmän rakenteesta, käyttöönotetusta tuulivoimakapasiteetin määrästä sekä tuulivoiman aiheuttamasta tuotannon vaihtelusta. Kappaleessa tuulivoiman integroimista alueellisiin sähköjärjestelmiin tarkastellaan lähinnä teoreettisesti, koska tuulivoiman osuus sähköjärjestelmien kokonaistuotannosta on vielä suhteellisen pientä. Suurin osa kappaleen esimerkeistä käsittelee tuulivoimaa Keski- ja Pohjois-Euroopan alueilla, joissa tuulivoiman määrä on jo paikoin merkittävä ja tavoitteet tuulivoiman osuuden kasvattamiseksi ovat korkeita. Kappaleessa matalana tuulivoimatuotannon määränä pidetään alle 5 % osuutta kokonaiskulutuksesta ja korkeana yli 10 % osuutta. Kappaleessa käsitellään ensin sähköjärjestelmää ja sekä laajamittaista tuulivoiman tuotantoa. Sen jälkeen tarkastellaan tuulivoiman vaikutusta sähköjärjestelmän toimintaan, mitä havainnollistetaan olemassa olevan tutkimusaineiston avulla. 8.2. Sähköjärjestelmän toiminta Sähköjärjestelmän, joka koostuu tuotantoyksiköistä, kuluttajista sekä siirto- ja jakeluverkoista, haasteena on ylläpitää tasapaino tuotannon ja kulutuksen välillä kaikkina aikoina. Sen lisäksi mahdollisten vikojen ja häiriöiden vaikutus sähköjärjestelmän toimintaan tulisi minimoida. Sähköjärjestelmän lukuisat erilaiset sähköntuotantoyksiköt omaavat erilaiset investointi- ja tuotantokustannukset. Tämä johtaa siihen, että huolehdittaessa sähkön tuotannon ja kulutuksen jatkuva-aikaisesta tasapainosta tuotantoyksiköitä käytetään pääosin niiden tuotantokustannusten määrittelemässä järjestyksessä. Toisin sanoen, matalan tuotantokustannuksen omaavia yksiköitä pyritään käyttämään lähes jatkuvasti kun taas korkeammat tuotantokustannukset omaavia yksiköitä käytetään vain silloin, kun kasvava kulutus sitä edellyttää. Tuulivoiman käyttö muun vaihtelevan tuotannon, kuten aurinkovoiman ja vuoroverivoiman, tavoin aiheuttaa hyvin matalat tuotantokustannukset. Tämän vuoksi näitä tuotantomuotoja pyritäänkin hyödyntämään lähes aina kun se vain on mahdollista. Sähköjärjestelmän mahdollisella toimintahäiriöllä on kauaskantoiset ja kalliit seuraukset. Tämän vuoksi sähköjärjestelmän luotettavuudesta huolehtiminen sekä lyhyellä että pitkällä tähtäimellä on äärimmäisen tärkeää. Tämä tarkoittaa käytännössä riittävän järjestelmän joustavuuden ja reservien ylläpitämistä kaikissa sähköjärjestelmän suunnitelluissa ja odottamattomissa käyttötilanteissa. Sähköjärjestelmän luotettavuus koostuu järjestelmän turvallisuudesta ja kapasiteetin riittävyydestä. Turvallisuus määrittelee järjestelmän kykyä kestää häiriöitä ja kapasiteetin 2
riittävyys taas kuvaa sähkön tuotanto- ja siirtokapasiteetin tasapainoa muuttuvissa tuotantotilanteissa. 8.2.1. Järjestelmän luotettavuus Sähköjärjestelmän suunnittelu on yleensä toteutettu yhteisesti sovittujen periaatteiden mukaisesti. Näihin yhteisesti sovittuihin periaatteisiin kuuluu se, että sähköjärjestelmän on kestettävä mikä tahansa N-1 -vika järjestelmässä. Yksittäinen vika, joka aiheuttaa vakavimman mahdollisen seurauksen järjestelmän stabiilisuuden kannalta, kutsutaan järjestelmän mitoitusviaksi. Mitoitusvikoja voivat olla muun muassa suurimman tuotantoyksikön irtikytkeytyminen tai kiskovika tärkeän siirtoyhteyden päässä. Ennalta määrätyissä tarkastelutilanteissa mitoitusvika ei saa aiheuttaa esimerkiksi tahtikäytön menettämistä, jännitteen romahtamista, kuorman rajoittamista, suuria jännitteen ja taajuuden vaihteluita, ylikuormitusta tai vaimentamattomia värähtelyitä. Yleisesti ottaen, häiriöt eivät saa levitä suuremmalle alueelle tai aiheuttaa järjestelmän kaatumista. Järjestelmäoperaattori pitää huolen sähköjärjestelmän toiminnasta myös vikojen aikana sekä varmistaa järjestelmän palautumisen normaaliin käyttötilanteeseen vian jälkeen. Samalla järjestelmäoperaattori pyrkii käyttämään järjestelmää tavalla, joka minimoi mahdollisten vikojen aiheuttamat haittavaikutukset. Tämä tarkoittaa muun muassa tiettyjen siirtorajojen ja siirto- ja tuotantoreservien ylläpitämistä. Sähköjärjestelmän kapasiteetin riittävyys tarkoittaa käytännössä riittävän sähköenergian tuotantoa ja tarjoamista kattamaan kaikki mahdollinen sähköenergian kulutus jokaisena ajanhetkenä. Sähköjärjestelmän kapasiteetin riittävyyttä tarkastellaan yleensä käyttäen yksinkertaisia staattisia generaattori-kuorma malleja. Arvioitu sähköenergian tuotantotarve tulee vastata kulutusta myös esimerkiksi tilanteissa, joissa osa tuotantolaitoksista on huollettavana. 8.2.2. Taajuuden säätö Sähköjärjestelmän taajuuden voidaan ajatella kuvaavan tuotannon ja kulutuksen tasapainon toteutumista järjestelmässä. Nimellistaajuudella tuotanto ja kulutus vastaavat täysin toisiaan, kun taas nimellistaajuutta alempi taajuus kertoo kulutuksen olevan tuotantoa suurempaa ja päin vaistoin. Näin ollen taajuuden vaihtelua voidaan pitää mittana sille, kuinka hyvin tuotannon ja kulutuksen tasapaino on ylläpidetty tietyn tarkasteluajan sisällä. Kuvassa 8.1 on esitetty järjestelmän taajuuden vaihtelua päivän (kuva 8.1 a)) ja viikon aikana (kuva 8.1 b)). Kuva 8.1 a) Järjestelmän taajuuden vaihtelu yhden päivän osalta b) Järjestelmän taajuuden vaihtelu yhden viikon osalta 3
Tuotantolaitosten ensisijaisen taajuuden säädön tehtävänä on pitää järjestelmän taajuus sallituissa rajoissa. Suurin sallittu taajuuden vaihteluväli esimerkiksi Nordel-järjestelmässä on +- 0.1 Hz, jonka viimeistään ylityttyä ensisijainen taajuuden säätö pyrkii palauttamaan taajuuden nimelliseen arvoon pienentämällä tai kasvattamalla järjestelmän tuotantoa. Kuvassa 8.2 on esitetty järjestelmän todellinen tuotanto kolmen tunnin ajalta sekä tuntikohtainen kulutusennuste, joka sisältää ennustevirheen sekä lyhtyaikaisen kulutuksen vaihtelun järjestelmässä. Kuva 8.2 Järjestelmän todellinen tuotanto sekä tuntikohtainen kulutusennuste kolmen tunnin ajalta Ensisijainen reservikapasiteetti eli ns. häiriöreservi on suunniteltu tilanteisiin, joissa tuotannon ja kulutuksen välille syntyy äkillinen epätasapaino esimerkiksi suuren tuotantolaitoksen tai kuluttajan menetyksen seurauksena. Tällöin häiriöreservi mahdollistaa sekä pätö- että loistehotuen antamisen järjestelmälle. Ensisijaisen reservin lisäksi järjestelmässä on toissijainen reservi sekä pitkän aikavälin reservi, joita käytetään porrastettuna tasaamaan järjestelmän todellisen ja ennustetun kulutuksen erotusta. Kuvassa 8.3 on esitetty eri aikatasoisten reservien aktivointi ajan funktiona, kun suuri tuotantoyksikkö kytketään irti järjestelmästä. Kuva 8.3 Häiriöreservien aktivointi suuren tuotantoyksikön irtikytkeytymisen yhteydessä Ensisijaisen reservin aktivointiaikana pidetään yleisesti 30 sekuntia taajuuden muutoksen alkutilasta, kun taas toissijaisen reservin aktivointiaika on tyypillisesti 10-15 minuuttia. Toissijaisen reservin tehtävänä on korvata ensisijainen reservi, kunnes taas pitkän aikavälin reservi korvaa sen tietyn ajan kuluessa. Näin ensisijainen reservi palautuu taas käytettäväksi mahdollisten tulevien muutostilanteiden varalle. 8.2.3. Jännitteen säätö Siirtoverkon jännitetaso pidetään teknisesti ja taloudellisesti optimaalisella alueella säätämällä järjestelmän loistehotasapainoa lähinnä tuotantoyksiköiden sekä 4
kondensaattoreiden ja kelojen avulla. Lisäksi muuntajan käämikytkintä voidaan hyödyntää eri jännitetasojen välisten jännitteiden säädössä. Mahdollisten vikatilanteiden aikana järjestelmän jännitetaso pyritään pitämään sallituissa rajoissa ensisijaiseksi reservikapasiteetiksi lukeutuvan loistehoreservin avulla, joka mahdollistaa yli- ja alijännitteiden syntymisen estämisen, häviöiden minimoimisen sekä kulutuspisteiden jännitteen laadun parantamisen. 8.3. Tuulivoiman tuotanto ja sähköjärjestelmä Suuri tuotannon vaihtelu on tyypillistä tuulivoimalla tuotetulle sähköenergialle. Sähköjärjestelmän näkökulmasta tuulivoimaa tarkastellaan yleensä alueellisena ilmiönä, koska tuulivoiman tuotannon maantieteellinen jakautuminen laajalle alueelle tasoittaa tuotannon vaihtelua. Tällöin mielenkiinnonkohteena ovat erityisesti tuotannon vaihtelun ajallinen ja määrällinen jakautuminen sekä tuotannon vaihtelun hetkellinen nopeus. 8.3.1. Tuulienergian tuotantokäyrät Käytettävissä oleva tuulivoiman määrä on riippuvainen tuotantopisteen tuulioloista, minkä vuoksi tuulivoimalla tuotetun energian määrä ja sen ajallinen jakautuminen voi näyttää hyvin erilaiselta eri puolilla maailmaa. (kuva 8.4) Tyypillisesti maalla sijaitsevan tuulivoimatuotannon keskimääräinen tuotanto on noin 20 40 % nimelliskapasiteetista, joka tarkoittaa noin 1800 3500 tuotantotuntia täydellä teholla vuodessa. Merituulivoimalla vuosittainen tuotannon määrä voi olla tuotetun ja nimellisen tuotantokapasiteetin osamääränä ilmaistuna jopa 4000-8000 tuntia vuodessa (45-60 % nimelliskapasiteetista). Kuva 8.4 Esimerkki laaja-alaisen tuulivoimatuotannon ja kulutuksen vaihtelusta Tanskassa Verrattaessa muihin sähköenergian tuotantomuotoihin CHP-voimalan tuotantotunnit nimellistehoon suhteutettuna voivat olla luokkaa 4000-5000 tuntia, ydinvoimalan 7000 8000 tuntia ja kaasuvoimalan 5000 6000 tuntia. On kuitenkin huomattava, että nämä luvut eivät suoraan kerro, kuinka monta tuntia tuotantolaitos on ollut käytössä vuoden aikana. Koska tuulivoimaa tuottava yksikkö toimii lähes aina nimellistehoaan pienemmällä teholla, sen todelliset käyttötunnit vuodessa ovat luokkaa 6000-8000 tuntia. Tuulivoiman maantieteellinen jakautuminen tasoittaa tuulivoiman aiheuttamaa tuotannon vaihtelua. Tätä voidaan selittää muun muassa sillä, että laajalla alueella voidaan lähes aina olettaa jossain tuulevan. Toisaalta voidaan pitää harvinaisena tilannetta, että laajalla alueella jokainen tuulivoimaa tuottava yksikkö toimisi nimellistehollaan. Tähän vaikuttaa osaltaan myös se, että jokainen laajan alueen tuulivoimaloista ei välttämättä ole käytettävissä jokaisena vuoden tuntina esimerkiksi huoltotöiden takia. Kuvassa 8.5 on esitetty alueellisesti jakautuneen tuulivoiman pysyvyyskäyriä. Vertaamalla Pohjoismaiden ja läntisen Tanskan keskimääräistä pysyvyyskäyriä yksittäisen tuulivoimalan käyrään voidaan havaita 5
tuulivoiman alueellisen jakautumisen tasoittava vaikutus. Kuitenkin, myös alueellisesti jakautuneen tuulivoimatuotannon tuotannon tehojakaumaa voidaan pitää melko suurena verrattuna muihin tuotantomuotoihin. On myös muistettava, että alueellisen vaihtelun lisäksi tuulivoiman saatavuus vaihtelee ajallisesti esimerkiksi vuosi-, vuodenaika- ja päivätasolla. (kuva 8.6, kuva 8.7) Tämän vuoksi käytettävissä olevan tuulivoimakapasiteetin arvioimiseksi tulisikin hyödyntää mittaustuloksia mahdollisimman pitkältä ajanjaksolta. Kuva 8.5 Pohjoismaiden, läntisen Tanskan sekä yksittäisen tuulivoimalan pysyvyyskäyrä Kuva 8.6 Tuulivoimatuotannon vuosittainen ja kuukausittainen vaihtelu Suomessa Kuva 8.7 Päivittäinen tuulivoimatuotannon vaihtelu Tanskassa 8.3.2. Tuotannon vaihtelu ja tasoittumisvaikutus Tuulen nopeudelle on ominaista suuri ajallinen vaihtelu. Tuulen nopeuden vaihtelu voidaan usein yhdistää esimerkiksi erilaisiin meteorologisiin ilmiöihin, kuten tuulenpuuskiin, 6
säärintamiin ja vuodenaikojen vaihteluun. Järjestelmän suunnittelun kannalta on tärkeää tarkastella äärimmäisiä tuotannon vaihtelutilanteita ja niiden todennäköisyyttä. Tuulivoiman tuotannon jakautuminen suurelle alueelle sekä tarkasteluvälin kasvattaminen lisäävät tuotannon tasoittumisvaikutusta. Kuvassa 8.8 on esitetty jakautuneiden tuulivoiman tuotantoyksiköiden tuotannon korrelaatiota eri aikaikkunoissa. Kuva 8.8 Jakautuneiden tuulivoiman tuotantoyksiköiden tuotannon korrelaatio eri aikaikkunoissa Kuitenkin sekä tuulivoiman tuotantoyksiköiden määrän että niiden jakautumisalueen kasvattamisella on ylärajansa, jonka jälkeen niiden vaikutus tasoitusefektiin on enää minimaalinen. Sekuntitasolla jo yksittäinen tuulivoiman tuotantoyksikkö aiheuttaa tuotannon tasoittumista, koska tuulivoimalan roottorin inertia hidastaa tuulen sekuntitason nopeaa vaihtelua. Esimerkiksi pienellä alueella sijaitsevalle tuulivoiman tuotannolle on mitattu seuraavanlaisia tuotantokapasiteetin muutoksia: 4 7 % kapasiteetista sekunnissa, 10 14 % minuutissa ja 50 60 % tunnissa. Kuitenkin tuulivoiman jakautuminen laajemmalle alueella pienentää näitä tuotantokapasiteetin vaihtelunopeuksia merkittävästi. Kuvassa 8.9 on esitetty tuulivoiman tuotannon vaihtelu tunneittain Pohjoismaissa ja läntisessä Tanskassa. Kuva 8.9 Tuulivoimatuotannon vaihtelu tunneittain 8.3.3. Tuulivoiman tuotannon ennustettavuus Tuulivoiman tuotannon ennustaminen on tärkeä osa laajamittaisen tuulivoimatuotannon integroimista osaksi sähköjärjestelmää. Esimerkiksi päiväkohtaiset ennusteet mahdollistavat seuraavan päivän tuotantolaitosten ajojärjestyksen optimaalisen suunnittelun ja tuntikohtaisia 7
ennusteita käytetään reservikapasiteetin optimaaliseen määrittämiseen. Myös ennusteiden virhearvio on tärkeä osa tuotantolaitosten optimaalista käyttöä suunniteltaessa. Tulevaisuudessa käytettävissä olevan tuulivoimakapasiteetin ennustustyökalut ovat voimakkaan kehityksen alla. Tällä hetkellä tuulivoimatuotannon ennusteet perustuvat lähes täysin meteorologisiin ennusteisiin paikallisista tuulen nopeuksista. Tähän mennessä suuruusluokaltaan +-2 3 m/s ja +-3-4 h virheitä ennusteissa on pidetty riittävinä sähköjärjestelmän käytön kannalta. Kuitenkin tulevaisuudessa entistä tarkemmat ennusteet käytettävissä olevasta tuulivoimakapasiteetista mahdollistaisivat sähköjärjestelmän kapasiteetin tehokkaamman hyödyntämisen. 8.4. Tuulivoiman vaikutus sähköjärjestelmän toimintaan Tuulivoiman vaikutus sähköjärjestelmän toimintaan riippuu lähinnä sähköjärjestelmän koosta ja sen joustavuudesta. Luonnollisesti myös tuulivoimatuotannon määrällä on oma vaikutuksensa. Tuulivoiman vaikutusta sähköjärjestelmän toimintaan analysoitaessa tulisi aina huomioida tarkasteluille oleellisen alueen laajuus. Esimerkiksi jännitteen säätöön liittyvät kysymykset ratkaistaan yleensä paikallisesti lähellä tuulivoiman tuotantopaikkaa, kun taas taajuuden säätöön osallistuu koko tahtikäytössä oleva sähköjärjestelmä. Toisaalta seuraavan päivän tuotantokapasiteettia suunniteltaessa tarkastelualueena tulee käyttää koko sähkömarkkinoiden kattamaa aluetta. Sähköjärjestelmätarkastelut edellyttävät luotettavaa aineistoa tuulivoimatuotannon vaihteluista alueellisesti ja ajallisesti. Liian pieni mittausaineisto voi johtaa vääriin johtopäätöksiin tarkasteltaessa tuulivoiman vaikutuksia sähköverkon toiminnalle. Käytännössä useimmiten tarkastelut edellyttävät tietoa tuulen käyttäytymisestä useamman vuoden ajalta. Kuvassa 8.10 on esitetty tuulivoimatuotannon sähköjärjestelmälle aiheuttamia vaikutuksia, jotka voidaan jakaa lyhyt- ja pitkäaikaisiin vaikutuksiin. Kuva 8.10 Tuulivoimatuotannon vaikutuksia sähköjärjestelmän toiminnalle 8
8.4.1. Lyhytaikaiset vaikutukset reserveihin Tuulivoiman tuotannon ajallinen vaihtelu aiheuttaa lisäkustannuksia, kun sähköjärjestelmän tuotannon ja kulutuksen tasapainoa joudutaan tasapainottamaan. Vaikka osa tuulivoimatuotannon vaihteluista voidaankin ottaa huomioon etukäteen erilaisissa ennusteissa, reservien on aina huolehdittava ennusteiden ja toteutuneen tuotannon välisen erotuksen tasapainottamisesta. On kuitenkin tärkeää huomioida kasvanut reservien tarve alueellisesti, jolloin yksittäisen tuulivoiman tuotantoyksikön aiheuttamat vaihtelut voidaan jättää vähemmälle huomiolle. Sähköjärjestelmä vaatii reservejä häiriöiden ja kulutusmuutosten aiheuttaman vaihtelun tasaamiseksi. Häiriöreservi mitoitetaan yleensä kattamaan minkä tahansa N-1 -tilanteen aiheuttama epätasapaino tuotannon ja kulutuksen välillä. Koska tuulivoiman tuotantoyksiköt ovat suhteellisen pieniä, nopean häiriöreservin kasvattaminen ei ole yleensä tarpeellista. Tämän vuoksi tuulivoiman tuotannon lisääminen vaikuttaakin lähinnä kulutuksen vaihtelua tasaavien hitaampien reservien mitoitukseen. Tällöin tuulivoimatuotannon ennusteita voidaan hyödyntää mitoitettaessa kulutuksen vaihtelua tasaavan reservin määrä kattamaan kulutuksen vaihtelun ja ennustetun tuulivoiman tuotannon yhteinen vaihtelu. Tuulienergian satunnaisuus monessa eri aikatasossa on kuitenkin vielä vaikea mallintaa olemassa oleviin simulointiohjelmistoihin luotettavasti. Tuulivoiman aiheuttamaa tuotannon vaihtelua voidaan arvioida käyttämällä tilastollista keskihajontaa ja vaihtelua. Tällöin puhutaan usein järjestelmän nettokulutuksesta, jolla tarkoitetaan todellista kulutusta vähennettynä tuulivoiman tuotannolla. Jos nämä kaksi suuretta oletetaan riippumattomiksi, niiden vaihtelut voidaan summata. Mitä suurempi järjestelmä ja mitä suurempi on järjestelmän kulutuksen vaihtelu, sitä suurempi määrä tuulivoimatuotantoa voidaan liittää järjestelmään ilman nettokulutuksen vaihtelun merkittävää kasvamista. Ensisijaisten reservien suhteen, jotka toimivat sekunti- ja minuuttitasolla, tuulivoiman reservien tarvetta kasvattava vaikutus on todettu pieneksi. Toissijaisten reservien suhteen, jotka toimivat viiveillä 15 minuuttia 1 tunti, tuulivoiman vaikutus on merkittävämpi ja reservien arvioimiseksi tulisikin käyttää mahdollisimman tarkkoja ennusteita ja virhearvioita tuulesta. Sekä reservien tarpeen määrittäminen että niiden käyttö aiheuttavat lisäkustannuksia. Monissa tapauksissa tuulivoiman tuotannon aiheuttama nettokulutuksen vaihtelu on hoidettavissa olemassa olevan reservikapasiteetin avulla. Kuitenkin tuulivoiman osuuden kasvaessa tarpeeksi reservien määrää on kasvatettava, joka tuo reservien käytön energiakustannusten lisäksi myös investointikustannuksia. Ideaalisessa tilanteessa tuulivoiman tuotannon aiheuttamia lisäkustannuksia reservien käytön suhteen voidaan arvioida myös sähkömarkkinoiden kautta. Sähköjärjestelmän joustavuuden lisääminen erilaisten tekniikoiden avulla mahdollistaisi myös entistä helpommin vaihtelevien tuotantolähteiden lisäämisen järjestelmään. Esimerkiksi alueiden välisten siirtojen kasvattaminen, kuorman ohjaus, energian talteenotto tai tuulivoimalan ja vesi- tai biovoimalan yhteiskäyttö mahdollistaisivat sähköjärjestelmän entistä joustavamman käytön ja siten tuulivoimakapasiteetin lisäämisen järjestelmässä. 8.4.2. Muut lyhytaikaiset vaikutukset Muita lyhytaikaisia tuulivoiman vaikutuksia sähköjärjestelmän toimintaan ovat muun muassa tuulivoiman vaikutus järjestelmän häviöihin, sähköntuotannosta aiheutuneisiin 9
päästöihin sekä mahdolliset sähköjärjestelmän jännitteen säätöön ja loistehoreserveihin liittyvät hyödyt. Hajautetulle tuulivoiman tuotannolla on oma vaikutuksensa sähköjärjestelmän tuotanto-, siirto- ja jakelujärjestelmissä syntyviin häviöihin. Häviöt voivat pienentyä tapauksessa, jossa tuulivoimala on sijoitettu lähelle kuormitusta, mutta toisaalta esimerkiksi tuulivoiman aiheuttamat alueiden välisten tehonsiirtojen lisääntyminen voi aiheuttaa lisähäviöitä siirtoverkossa. Tuotannon kannalta taas tuulivoima voi aiheuttaa perinteisten sähköntuotantoyksiköiden käytön tehoalueella, jolla niiden käyttö ei ole optimaalisinta. Myös tuotantoyksiköiden käynnistykset ja alasajot lisääntyvät vaihtelevan tuulivoimatuotannon tasoittamisen seurauksena. Jos tuulivoiman tuotanto ylittää määrän, joka voidaan sähköjärjestelmässä hyödyntää ilman stabiilisuusmarginaalien heikkenemistä, voidaan ajautua tilanteeseen, jossa tuulivoiman tuotannon rajoittaminen tulee edulliseksi. Tällaiseen tilanteeseen voidaan ajautua erityisesti silloin, kun tuulivoiman osuus järjestelmän kokonaistuotannosta on merkittävä. Tutkimustulosten mukaan jo 10 % tuulivoiman osuudella järjestelmän kokonaiskulutuksesta tuulivoiman tuotannon rajoittaminen tiettyinä ajanhetkinä voi olla välttämätöntä. Pieni sähköjärjestelmän koko tekee tuulivoiman rajoittamisesta vielä entistä merkittävämpää. Kuitenkin on arvioitu, että käyttämällä olemassa olevia lämpövarastoja, CHPtuotantoyksiköitä sekä hyödyntämällä kulutuksen ja säädettävän lämmityksen joustavuutta tuulivoimatuotannon yhteydessä jopa 50 % tuulivoimatuotannon osuus järjestelmän kokonaiskulutuksesta on mahdollista ilman tuulivoiman tuotannon rajoittamista. Tuulivoiman tuotannon vaikutus sähköjärjestelmän aiheuttamiin hiilidioksidipäästöihin on riippuvainen järjestelmän tuotantorakenteesta. Koska tuulivoiman käyttö korvaa käytännössä aina tuotantokustannuksiltaan korkeinta tuotantomuotoa, hiilidioksidipäästöjen väheneminen on riippuvainen korvattavan tuotantomuodon hiilidioksidipäästöihin. Jos tuulivoiman tuotannon osuus järjestelmässä on merkittävä, voidaan ajautua tilanteeseen, jossa tuulivoiman tuotanto korvaa korkeita hiilidioksidipäästöjä aiheuttavien tuotantolaitosten, kuten vanhat hiilivoimalat, sijasta muita hiilidioksidipäästöttömiä tuotantolaitoksia. Tällöin tuulivoiman vaikutukset hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä muuttuvat vähäisiksi. 8.4.3. Tuulivoiman pitkäaikaiset vaikutukset ja tuotantokapasiteetin riittävyys Aina näihin päiviin asti voidaan todeta, että sähköjärjestelmän luotettavuuden ollessa tärkein järjestelmän kehitystä ohjaava tekijä, tuulivoima vaihtelevana tuotantomuotona ei ole ollut kovinkaan houkutteleva vaihtoehto järjestelmän tuotannosta ja luotettavuudesta huolehtiville tahoille. Sähköjärjestelmässä mahdollisen toiminnan keskeytyksen seuraukset ovat merkittäviä ja yleisenä suunnittelukriteerinä käytetään yleensä sitä, että järjestelmä saa kokea yhden suuremman keskeytystilanteen ainoastaan joka 10 50 vuosi. Siksi on tärkeää selvittää, mitä vaikutuksia tuulivoiman tuotannolla on sähköjärjestelmän luotettavuuteen ja tuotantokapasiteetin riittävyyteen erityisesti järjestelmän kulutushuipputilanteissa. Voidaan todeta, että vaihtelevien tuotantomuotojen ja kulutuksen kasvun välillä on tietyissä tapauksissa löydettävissä riippuvuussuhteita, kuten aurinkovoiman tuotanto ja jäähdytyskuormat ja tuulivoiman tuotanto ja lämmityskuormat. Tällaisten riippuvuussuhteiden olemassaolo voidaan nähdä erityisen hyödylliseksi järjestelmän luotettavuuden arvioinnin kannalta. Kuitenkin esimerkiksi tuulivoiman tapauksessa tutkimukset eivät ole osoittaneet voimakasta riippuvuutta tuulivoiman tuotannon ja sähköjärjestelmän kulutushuippujen välillä. Esimerkiksi Pohjois-Euroopassa, jossa 10
kulutushuiput ovat voimakkaasti verrannollisia ulkoilman lämpötilaan, tuulivoiman tuotanto ei ole tutkimusten mukaan suurimmillaan silloin, kun ulkoilman lämpötila on pienimmillään. (kuva 8.11) Voidaan kuitenkin todeta, että vaihtelevat tuotantomuodot parantavat sähköjärjestelmän tuotantokapasiteetin riittävyyttä, koska mikään käytössä oleva tuotantomuoto ei ole sataprosenttisen luotettava ja tällöin kaikki saatavilla oleva ylimääräinen tuotanto luonnollisesti parantaa järjestelmän kokonaisluotettavuutta. Samoin voidaan ajatella, että sähköntuotannon jakautuessa mahdollisimman monen tuotantomuodon kesken osaltaan parantaa tuotannon luotettavuutta. Kuva 8.11 Tuulivoiman tuotannon, sähkönkulutuksen ja lämpötilan riippuvuus kylmissä olosuhteissa hajautuneen tuulivoimatuotannon tapauksessa Tutkimukset ovat osoittaneet, että tuulivoiman tuotantokapasiteetin ollessa pientä kokonaiskulutukseen nähden tuulivoimatuotannon lisäämisen vaikutusta järjestelmän kulutuksen mahdolliseen kasvattamiseen voidaan pitää suurena, mutta tuulivoimakapasiteetin määrän kasvaessa sen merkitys kulutuksen kasvattamismahdollisuuksiin pienenee. Jos tuulivoiman tuotantokapasiteetin osuus on merkittävä järjestelmän kokonaiskulutuksesta, optimaalinen sähköjärjestelmän rakenne sisältäisi enemmän säädettävää tuotantoa ja vähemmän perustuotantoa kuin järjestelmä ilman tuulivoimaa. Kun suuri osa järjestelmän tuotannosta muodostuu vesivoimasta, järjestelmä on kapasiteettirajoitteisen sijasta enemmänkin energiarajoitteinen. Erityisesti tällöin tuulivoimalla on merkittävä vaikutus järjestelmän tuotantokapasiteetin kasvattamisessa ja tuulivoiman lisääminen voi muodostua huomattavasti vesivoiman lisäämistä edullisemmaksi. 8.4.4. Tuulivoima tulevaisuuden sähköjärjestelmissä Tulevaisuuden trendit kuten kaasuenergian hyödyntämiseen perustuva hajautettu sähköntuotanto, tuulivoimaa hyödyntävien järjestelmien välisten siirtoyhteyksien kasvattaminen sekä sähköautojen käytön yleistyminen lisäävät osaltaan sähköjärjestelmän joustavuutta ja sitä kautta parantavat tuulivoiman käyttöönottomahdollisuuksia. Toisaalta tuulivoimatekniikan kehittyminen voi tuoda myös uusia haasteita sähköjärjestelmälle. Suuret tuulivoimapuistot heikentävät laajalle alueelle jakautuneen tuulivoiman tuotannon etuja. Toisaalta yhä kehittyneemmät säätöjärjestelmät ja tuuliennusteiden tarkkuuden parantuminen mahdollistavat yhä tarkemman tuulivoimaloiden käytön ohjaamisen. Tuulivoimatuotannon keskittyessä tiettyihin pisteisiin tuulivoimaloiden on kestettävä yhä paremmin niiden läheisyydessä tapahtuvia vikoja ilman irtikytkeytymistä, 11
koska suuren tuulipuiston irtikytkeytyminen vikatilanteessa kasvattaisi entisestään vian aiheuttamia stabiilisuusongelmia järjestelmässä. 8.5. Johtopäätökset Tuulivoiman perustuva sähköntuotanto vaikuttaa muun muassa sähköjärjestelmän reservien käyttöön, sähkön tuotannon ja siirron häviöihin sekä sähköenergian tuotannosta aiheutuvien päästöjen vähenemiseen. Tuulivoiman haittoja ovat muun muassa tuotannon vaihtelevuus ja sen vaikea ennustettavuus. Tuulivoiman mahdolliset negatiiviset vaikutukset ovat kuitenkin vähäisempiä, kun sähköjärjestelmä on suuri, jolloin voidaan hyödyntää esimerkiksi erilaisten sähköntuotantomuotojen monipuolisuus ja järjestelmän maantieteellinen laajuus. Tuulivoiman tuotannon jakautuminen laajalle alueelle vähentää tuotannon vaihtelevuutta ja parantaa tuotannon ennustettavuutta. Koska järjestelmä sisältää jo entuudestaan mekanismeja kulutuksen satunnaisten muutosten varalle, osa sähkön tuotannosta voidaan korvata melko helposti tuulivoiman avulla ilman, että järjestelmän luotettavuus pienenisi merkittävästi. Lyhyellä aikavälillä vaihtelevalla tuulivoiman tuotannolla on vaikutuksia lähinnä reservien käyttöön, toisten tuotantoyksiköiden ajojärjestykseen sekä jakelu- ja siirtojärjestelmissä kulkeviin tehoihin. Laajoissa järjestelmissä kulutuksen ja tuulivoiman tuotannon vaihtelevuus kompensoivat toinen toisiaan ja reservien on huolehdittava ainoastaan nettokulutuksen aiheuttamasta kulutuksen vaihtelusta. Ensisijaisten reservien suhteen tuulivoiman tuotannon lisäämisellä on vain vähäisiä reservien kasvattamista edellyttäviä vaikutuksia. Kuitenkin tarkasteluajan kasvaessa tuulivoiman reservejä kasvattava vaikutus kasvaa jonkin verran. Pitkällä aikavälillä tuulivoiman tuotannolla on oma vaikutuksensa järjestelmän tuotantokapasiteetin riittävyyteen järjestelmän kulutushuipputilanteissa. Kun tuulivoiman tuotannon kapasiteetti on vähäistä suhteessa kokonaiskulutukseen, tuulivoiman tuotannon kasvattaminen mahdollistaa myös järjestelmän kulutuksen kasvattamisen. Kuitenkin tuulivoiman tuotannon kapasiteetin kasvaessa sen merkitys kulutuksen kasvattamismahdollisuuksiin pienenee. Vaikka tuulivoimatuotannon liittämiseksi sähköjärjestelmään ei ole teknisiä esteitä, on aina huolehdittava, että tuulivoiman tuotannon vaihtelevuus ei heikennä sähköjärjestelmän luotettavuutta. Tuulivoimatuotannon lisäämisen taloudelliset vaikutukset sähköjärjestelmän kannalta kasvavat, kun tuulivoimatuotannon osuus kokonaiskulutuksesta ylittää 10 % rajan. Laajamittainen tuulivoimatuotannon hyödyntäminen on monissa maissa vielä tulevaisuutta. Tulevaisuuden uudet tekniikat voivat osaltaan auttaa tuulivoiman integroimista osaksi perinteisiä sähköjärjestelmiä. Kun tuulivoiman tuotantokapasiteetti sähköjärjestelmissä kasvaa, voidaan optimaalisia sähköntuotantomuotojen suhteita joutua suunnittelemaan uudelleen perinteiseen järjestelmään verrattuna. 12