DEE-53020 Tuulivoiman perusteet Kuudennen luennon aihepiirit Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset Aiheeseen liittyvä termistö Pinta-alamenetelmä Tehokäyrämenetelmä Suomen tuulivoimatuotanto DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 1
AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2) Tuulivoimalan energiantuotannon tehokkuutta kuvaavien termien kanssa tulee olla tarkkana, sillä eri lähteissä niiden merkitykset saattavat vaihdella. Tuulivoimalan kokonaishyötysuhteella tarkoitetaan yleensä sähköverkkoon syötetyn tehon ja roottorin pyyhkäisypinta-alalle tulevan ilmavirtauksen tehon osamäärää. Tällöin myös suuntaajien häviöt tulee otettua huomioon. Hyötysuhteen käsite ei kuitenkaan ole yleisesti käytössä tuulivoima-alalla. Käytännöllinen yläraja tuulivoimalan kokonaishyötysuhteelle on noin 40%. Ilmavirtauksen tehosta (0.5 Av 3 ) korkeintaan reilut 50% muuttuu roottorin mekaaniseksi tehoksi ( ). Kun lisäksi otetaan huomioon laakeroinnin lämpöhäviöt, generaattorissa tapahtuvat resistiiviset häviöt ja tehoelektroniikkaan liittyvät häviöt, päädytään parhaimmillaan noin 40%:n kokonaishyötysuhteeseen. Usein voimalat toimivat kuitenkin alle 40%:n kokonaishyötysuhteella. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 2
AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (2/2) Huipunkäyttöaika kertoo, kuinka monta tuntia voimalan tulee toimia nimellistehollaan, jotta toteutunut vuosituotanto täyttyy. Tuulivoimalan nimellisteho tarkoittaa generaattorin nimellistehoa, joka saavutetaan yleensä noin 11-14 m/s tuulennopeudella. Huipunkäyttöajan yläraja on 8760 h. Ydinvoimalat saavuttavat tyypillisesti yli 8000 tunnin huipunkäyttöajan. Tuulivoimalan hyvän tuotannon rajana pidetään 2400 h huipunkäyttöaikaa. Hyvin suunniteltu voimala voi kuitenkin hyvissä olosuhteissa saavuttaa reilusti yli 3000 tunnin huipunkäyttöajan. Kapasiteettikerroin on huipunkäyttöajan prosentuaalinen esitys. Jos tuulivoimalan huipunkäyttöajaksi on saatu 2400 h, kapasiteettikerroin on C p 2400 8760 27.4%. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 3
PINTA-ALAMENETELMÄ (1/4) Pinta-alamenetelmä on yksinkertainen tapa tuulivoimalan energiantuotannon arviointiin. Yksinkertaisuus tulee siitä, ettei pinta-alamenetelmä ota mitään kantaa tuulivoimalan generaattoriin, vaan voimalan energiantuotantoarvio perustuu pelkästään roottorin pinta-alalta virtaavan ilman energiaan. Pinta-alamenetelmän lähtökohtana on kohteen tuulennopeuden todennäköisyysjakauma voimalan napakorkeudella. Jos mitattua aineistoa ei ole saatavilla, weibull-analyysi on hyvä vaihtoehto. Jos mittausdataa (vähintään 12 kk) on saatavilla, weibull-analyysin muotokerroin sovitetaan mitatun aineiston perusteella. Arvioidaan pinta-alamenetelmällä tuulivoimalan vuosituotantoa, kun keskituulennopeus napakorkeudella on 8 m/s ja roottorin halkaisija 100 m. Lähdetään liikkeelle tuulisuuden mallintamisesta weibull-analyysillä. Kohde sijaitsee maalla, jolloin hyvä arvaus muotokertoimelle on k = 2. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 4
PINTA-ALAMENETELMÄ (2/4) Kun pystyakselin todennäköisyysarvot muutetaan vuoden tunneiksi, saadaan selville, kuinka monta tuntia vuoden aikana tuulee milläkin nopeudella. Nyt päästään kätevästi laskemaan tehoja ja energioita. Oletetaan, että lämpötila on 15 o C, jolloin ilman tiheys on 1.225 kg/m 3. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 5
PINTA-ALAMENETELMÄ (3/4) Roottorin pyyhkäisypinta-alalta virtaavan ilman teho saadaan laskettua yksinkertaisesti (P iv = 0.5 Av iv3 ). Kun tämä riippuvuus kerrotaan tuulennopeuskomponenttien vuotuisilla tuntimäärillä, saadaan selville kutakin tuulennopeuskomponenttia vastaava energiasisältö vuoden aikana. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 6
PINTA-ALAMENETELMÄ (4/4) Arvio vuotuisesta kokonaisenergiasta saadaan edellisen kuvaajan palkkien summana. Tämän tarkastelun vuotuiseksi kokonaisenergiaksi saadaan noin 41.19 GWh. Jos tuulivoimalan kokonaishyötysuhde vaihtelee välillä 20 40%, tuotettu sähköenergia vaihtelee likimain välillä 8.2 16.5 GWh. Täten tuulivoimalan vuotuista energiantuotantoa on pystytty arvioimaan pelkän roottorin pyyhkäisypinta-alan avulla ottamatta lainkaan kantaa generaattorin tehoon. Siksi tätä menetelmää kutsutaan pinta-alamenetelmäksi. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 7
TEHOKÄYRÄMENETELMÄ (1/2) Kun generaattorin tehokäyrä yhdistetään tuulennopeusjakaumaan, tuulivoimalan vuosituotantoa arvioidaan tehokäyrämenetelmällä. Generaattorin tehokäyrä kertoo, kuinka suuren sähkötehon generaattori tuottaa milläkin tuulennopeudella. Kun tuulennopeusjakauma on tiedossa, pystytään laskemaan, kuinka kauan generaattori toimii vuoden aikana milläkin teholla. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 8
TEHOKÄYRÄMENETELMÄ (2/2) Kun tarkastellaan esimerkiksi tuulennopeutta 10 m/s, tehdään seuraavat havainnot. Generaattori tuottaa tällöin likimain 2 MW:n sähkötehon. Tuulennopeus on lukemassa 10 m/s vuoden aikana likimain 630 h. Kun v iv = 10 m/s, generaattori tuottaa vuoden aikana sähköenergiaa n. 1.26 GWh. Kokonaisenergia saadaan käymällä kaikki tuulennopeudet vastaavalla tavalla läpi. Kokonaisenergiaksi saadaan noin 11.11 GWh. Kun turbiinin lävistävän ilmavirran kokonaisenergiaksi saatiin 41.19 GWh, generaattorin havaitaan toimivan 27.0%:n hyötysuhteella. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 9
TUNNUSLUKUJEN LASKENTA Kuten edellä jo mainittiin, tässä laskentaesimerkissä tuulivoimalan hyötysuhteeksi (generaattorin teho / tuulen teho) saatiin 27.0%. Jos tehoelektroniikkakomponenttien hyötysuhteen oletetaan olevan 95%, kokonaishyötysuhteeksi (verkkoon syötetty teho / tuulen teho) saadaan 25.7%. Tarkastellun tuulivoimalan nimellisteho on 3 MW, joten huipunkäyttöajaksi saadaan t h 0.95 11.11 GWh 3 MW Kapasiteettikertoimeksi saadaan siis 3500 h. C p 3500 h 8760 h 40.0%. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 10
SUOMEN TUULIVOIMATUOTANTO (1/3) Asennettujen tuulivoimaloiden yhteenlaskettu nimellisteho oli Suomessa vuoden 2015 lopussa 1005 MW (387 tuulivoimalaa). Tavoitteena on, että vuoteen 2020 mennessä nimellisteho on 2500 MW. Jos voimaloiden nimellistehon keskiarvon oletetaan olevan 2.5 MW, vuoteen 2020 mennessä Suomeen asennetaan noin 600 uutta tuulivoimalaa. MW ja GWh 2500 2327 2000 1500 1107 1000 500 0 774 481 494 1005 261 277 294 168 153 188 631 453 82 86 109 142 146 196 199 259 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Asennettu kapasiteetti vuoden lopussa (MW) DEE-53020 Tuulivoiman perusteet Tuotanto (GWh) 11
SUOMEN TUULIVOIMATUOTANTO (2/3) Edellisen kuvaajan perusteella pystytään laskemaan huipunkäyttöajat. Melko alhaiset lukemat selittyvät sillä, että kyseessä on kaikkien voimaloiden huipunkäyttöaikojen keskiarvot. Joukossa on erinomaisesti (> 3000 h) ja surkeasti (~ 500 h) toimineita voimaloita. Huolellisella suunnittelulla on keskeinen vaikutus toiminnan laadukkuuteen. Esimerkiksi Honkajoella tultaneen puiston ensimmäisenä vuonna saavuttamaan yli 3000 tunnin huipunkäyttöaika. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 12
SUOMEN TUULIVOIMATUOTANTO (3/3) DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 13
TUULIVOIMALOIDEN YLEISIMMÄT VIAT Suomen tuulivoimaloiden teknisen käytettävyyden keskiarvo on 2000-luvulla vaihdellut 89%:n ja 96%:n välillä. Tekninen käytettävyys kertoo, kuinka suuren osan vuodesta voimala on ollut käyttökunnossa. Huollot, tutkimukselliset katkot ja voimalan esittelyyn liittyvät katkot ovat suunniteltuja katkoja. Häiriö on suunnittelematon katko, joka korjaantuu uudelleenkäynnistyksellä. Vika on suunnittelematon katko, joka ei korjaannu uudelleenkäynnistyksellä. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 14
LOPUKSI YLEISIÄ (IRRALLISIA) HUOMIOITA 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 DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 15
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) DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 16
TUULIVOIMAN SYNTYHISTORIAA (CONT.) Paul la Court, Hollanti (1846-1908) Nopeasti pyörivä turbiini Vähemmän siipiä DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 17
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. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 18
GLOBAALI TUULIVOIMAKAPASITEETTI Vuonna 2015 433 000 MW DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 19
INSTALLOITU TUULIVOIMA- KAPASITEETTI SUOMESSA, 2015-1005 MW Syöttötariffi on otettu käyttöön Suomessa vuonna 2011. Tavoitehinta ehdotuksessa on 83,5 / MWh - 387 voimalaa - Kasvu 60 %! - 2.8 % tuotetusta sähköstä - Kasvu 110 %! DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 20
Suomen suurin tuulipuisto on nyt täydessä iskussa - 140 000 kerrostalokaksion vuosikulutus Talouselämä 24.8.2016 TuuliWatin rakentama Suomen suurin tuulipuisto Kalajoen Mustilankankaalla on nyt kokonaisuudessaan tuotannossa, yhtiö tiedottaa. Hankkeen ensimmäisessä vaiheessa alueelle rakennettiin 22 ja niiden valmistuttua laajennusvaiheessa kuusi Vestaksen 3,3 megawatin V126- tuulivoimalaa. Mustilankankaan 1 500 hehtaarin kaava-alueelle rakennettu kokonaisuus muodostaa Suomen suurimman tuulipuiston, jonka kokonaisteho on 92,4 megawattia. 28 voimalan vuosituotanto on kaikkiaan noin 300 000 megawattituntia, mikä vastaa 140 000 suomalaisen kerrostalokaksion sähkönkulutusta. TuuliWatti on viime vuosina rakentanut eri puolille maata jo kymmenen teollista tuulivoimapuistoa, joissa toimii lähes sata modernia tuulivoimalaa. Voimaloiden yhteenlaskettu tuotanto kattaa 460 000 kerrostaloasunnon sähkön tarpeen ja niiden aikaansaama CO2- vähenemä on 700 miljoonaa kiloa vuodessa, yhtiö kertoo tiedotteessa. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 21
TUULIVOIMAN VIIKKOKESKITEHOT JA KAPASITEETTI 2010-2015 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 viikko Tuulivoiman kapasiteetti Tuulivoiman viikkokeskiteho DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 22
TAVOITE: TUULIVOIMA SUOMESSA 2020 Tuulivoiman rakentaminen on kannattavaa ilman julkista tukea. Installoidun tuulivoiman nimellisteho 2500 MW Säästettävien päästöoikeuksien kautta saavutettava hyöty 30 M /vuosi. Suomalaisen tuulivoimateollisuuden vienti 1.4 mrd /vuosi Tuulivoima-ala työllistää 18 000 suomalaista. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 23
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. (ennen taantumaa) DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 24
SÄHKÖN TUOTANTOKUSTANNUKSET ( /kwh) Voimalaitosten sähköntuotantokustannukset ilman päästökauppaa. Reaalikorko 5 %. (Lähde LUT, 2015, kandityö) Kustannus YDIN KAASU HIILI TURVE BIOM. TUULI Pääoma 38.7 14.9 40.1 34.3 64.9 44.2 Käyttö 12.8 6.0 17.8 18.6 11.5 17.9 Polttoaine 5.0 63.5 20.0 35.0 37.9 0.00 Yhteensä 56.5 84.4 77.9 87.9 114.3 62.2 DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 25
TUULIVOIMAN HYÖDYNNETTÄVYYS 1000 MW:n ydinvoimalan vaatima maa-alue ~ 6 km 2. 1000 MW tuulipuisto, maaalueen tarve? DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 26
LÄNSI-EUROOPAN TUULIENERGIARESURSSIT DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 27
SUOMEN TUULIATLAS DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 28
TUULIOLOSUHTEET SODANKYLÄSSÄ DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 29
SUPRAJOHTAVA TUULIGENERAATTORI Conventional Gearbox 5 MW ~ 410 tons Conventional Gearless 6 MW ~ 500 tons HTS Gearless 8 MW ~ 480 tons Wind turbine output limited by weight supported on the tower Superconducting generators: half the size and weight double the output for same land area DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 30
Advantages of a superconducting generator (1) Failures of gearboxes have been reducing the reliability of offshore turbines and there have been a trend in the industry towards omitting the gearbox, introducing direct drive technologies based on copper field windings or permanent magnets Conventional Turbine Generator Copper Wound Coil with Gearbox > 500 t However, the usage of the magnets based on rare earth elements is of the order of 600 Kg/MW and will impose a considerable increase in the worldwide demande. China is producing 95% of the rare earth elements and has imposed export quotas Permanent Magnet No Gearbox DEE-53020 Tuulivoiman perusteet PM 31 < 320 t
Advantages of a superconducting generator (2) Superconducting Generators could offer several cost and reliability improvements over conventional wind turbine drivetrains when scaled up to high capacity (5 MW and larger) and when used in direct drive systems: they do not require a gearbox less mass and less volume than PM generators, resulting in an overall reduction in turbine capital costs cost advantages produced by such weight savings are most likely to be realized initially in large turbines should increase drivetrain reliability by allowing a larger air gap tolerance between rotor and stator as compared to PM generators hold the potential of providing high torques in a smaller size and with smaller weight than conventional technologies, but there are two critical points: 1. demonstrate the reliability of the technology 2. choose superconducting wires with a low price Superconducting Generators 150 t DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 32
MAANKÄYTTÖ JA KUSTANNUSRAKENNE DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 33
RAJOITTEITA Voimaloiden keskinäinen etäisyys 5-10 x D Maan käyttö Melu Lintukuolemat Vaikutus tietoliikennejärjestelmiin Turvallisuus Visuaalinen vaikutelma DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 34
TULEVAISUUDEN ENNUSTEITA DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 35
ENNUSTETTU KASVU EUROOPASSA Vuonna 2030 installoitu tuulivoimateho 100 000 MW; 10% Euroopassa tuotetusta sähköstä. Synnyttää 50 000 uutta työpaikkaa. DEE-53020 Tuulivoiman perusteet 36