Johdanto tuulivoimaan ja energiamarkkinoihin

​

Sähkön tuotanto

• Tuulivoiman osuus sähköntuotannosta Suomessa EU:n keskitasoa

Sähkön hinta

• Tuulivoimaa ja muita uusiutuvan energian investointeja on Suomessa todennäköisesti hidastanut verrattain edullinen energia ja kilpailukykyiset muut tuotantomenetelmät​.
• Hintakehitys (2018-2022) ja epävarmuus tuontienenergian osalta tekee omasta tuotannosta uusiutuvilla energialähteillä houkuttelevamman vaihtoehdon koko Euroopassa ja myös Suomessa​

Sähkön tuotantohinta​

• Energian tuotannon hinta yksikköä kohden, jaettuna laitoksen koko elinkaarelle​
• Vertailuluku, ohjaa lähinnä investointeja​
• Vaihtelee oletusten, laskentaperusteiden ​
  (ja agendan) mukaan​
• Poliittisilla päätöksillä suuri merkitys ​
  (tuet, verotus, päästökauppa)​

Potentiaali​: Tuulennopeudet Euroopassa

• Keskimääräiset tuulennopeudet Suomessa verrattavissa muuhun Eurooppaan, pl. Atlantin rannikkoalueet​ https://globalwindatlas.info/en
• Keskimääräiset tuulennopeudet Suomessa verrattavissa muuhun Eurooppaan, pl. Atlantin rannikkoalueet​ https://globalwindatlas.info/en

Tuulivoimalat suomessa:Tuotannossa olevat voimalat

• Vuoden 2023 lopussa Suomessa yhteensä 1601 toiminnassa olevaa tuulivoimalaa.​
• Tuulivoimakapasiteetti vuoden 2023 lopussa 6 946 MW​
• Uusia voimaloita rakennettiin vuoden 2023 aikana 212 kpl, ​
  yht. 1280 MW​
• https://tuulivoimayhdistys.fi/tuulivoima-suomessa/kartta

Tuulivoimalat suomessa:Rakennus- ja suunnitteluvaiheessa

2023 lopussa julkaistuja suunniteltuja hankkeita:​

• Maatuulivoimahankkeita yli 68 800 MW​
• Merelle suunniteltuja hankkeita yli 65 500 MW​
• https://tuulivoimayhdistys.fi/tuulivoima-suomessa/kartta

Ennuste: Fingrid kasvuennuste

• Fingrid Q1/2023 Best estimate skenaarion mukaan tuulivoimakapasiteetti kasvaa ​
  n. 22500 MW:iin ja tuotanto 75TWh:iin v. 2030 mennessä​

 

Lähde Fingrid / data.fingrid.fi, lisenssi CC 4.0 BY

Ennuste:

• Fingrid ennuste, sähkön tuotanto ja kulutus (2030)
• Taustalla mm. oletus kulutuksen kasvusta teollisuudessa ja datakeskuksissa, vedyn tuotannon vaatimukset sekä liikenteen sähköistyminen​

 

Lähde Fingrid / data.fingrid.fi, lisenssi CC 4.0 BY

 

Lähde Fingrid / data.fingrid.fi, lisenssi CC 4.0 BY

Sähkön tuotanto ja kulutus: Hinnan viikkovaihtelu Suomessa ja Ruotsissa (2023)

• Sähkön hinnassa vaihtelu on hieman suurempaa ​
• 2022 lähtien hintavaihtelu myös arvaamattomampaa​
• Erityisesti hintaan vaikuttaa mm. ydinvoimaloiden vuosihuollot​
• Parhaillaan OL2 ja OL3 huollot päällekkäin ja venyneet

Sähkön tuotanto ja kulutus: Ratkaisuja epätasaiseen tuotantoon

• Sähkön siirto​
• Sähkön varastointi​

Sähkönsiirto: Sähkömarkkinat ja Fingrid kantaverkko

• Sähkön siirto Suomen sisällä​
• Säätösähkö ja sähköreservi​
• Siirtoa rajoittaa kantaverkon kapasiteetti​
• Fingrid ylläpitää ja kehittää Suomen sähkönsiirtoverkkoa

 

Lähde Fingrid / data.fingrid.fi, lisenssi CC 4.0 BY

Sähkönsiirto: Suomen rajasiirtoyhteydet

• Suomi on osa pohjoismaista synkronialuetta, jossa sijaitsevat sähköverkot ovat toisiinsa yhteydessä vaihtosahköyhteyksillä.​
• Pohjoismainen sähkömarkkina, säätökapasiteetti ja reservi​
• Siirtoa muihin pohjoismaihin ja Baltiaan rajoittaa rajasiirtoyhteyksien kapasiteetti​

 

Lähde Fingrid / data.fingrid.fi, lisenssi CC 4.0 BY

Energianvarastointi: Varastointitapoja

• Pumppuvoimalat​
• Akut​
• Vetyyn varastointi​
• Lämmön varastointi​
• Muut ratkaisut, mm.​
  kineettiset energiavarastot,​
  paineilma​

Energianvarastointi: Pumppuvoimalat

• Vettä pumpataan yläaltaaseen sähkön ollessa halpaa​
• Vettä juoksutetaan ala-altaaseen sähkön ollessa kallista​
• Tekniikka tavanomaista vesivoimaa​
• Hankkeita vireillä myös Suomessa​

Turbiinityypit: Soveltuvuus eri tuulennopeuksille

• Eri turbiinityypit soveltuvat erilaisille tuulennopeusalueille​
• Toimintaperiaate joko ilmanvastukseen tai siiven nostovoimaan perustuva​

Turbiinityypit: Drag-based

• Toiminta perustuu ilmanvastukseen​
• Ilmanvastuksen oltava eri suuruinen turbiinin eri puolilla ​
• Pienen mittakaavan sovelluskohteet​
• Tuulennopeuden mittaus​

Turbiinityypit: Savonius-turbiineja

Turbiinityypit: Lift-based

• Toiminta perustuu siiven nostovoimaan​
• Pysty- (VAWT, Vertical Axis Wind Turbine) ja vaaka-akselisia (HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine) turbiineja​
• Sähköntuotannossa yleisimmin käytetään 2- ja 3-lapaisia vaaka-akselisia tuuliturbiineja​

Turbiinityypit: Darrieus-turbiineja

Turbiinityypit: HAWT-turbiineja eri siipimäärillä

Turbiinityypit: HAWT rakenne

• 1-3 roottori, siivet ja niiden säätö​
• 4-6 vaihteiston ja voimansiirron osat​
• 7-8 generaattori ja ohjaus​
• 9-10 tuulisensorit​
• 11-15 runko ja kääntömekanismi​

Turbiinityypit: Tehokäyrä

• Cut-in = Käynnistysnopeus. Minimituulennopeus, jolla turbiini lähtee pyörimään​
• Rated speed / Rated power: turbiinin nimellisteho ja sitä vastaava tuulennopeusalue​
• Cut-out = Sammutusnopeus Maksimituulennopeus, jolla turbiinia voidaan käyttää​

Turbiinityypit: HAWT kehitys

• HAWT-turbiinien koko on parissakymmenessä vuodessa moninkertaistunut ja kasvavat edelleen​

Mitoitus ja suunnittelu: Tuulen nopeuden korkeusvaihtelu

• Keskimääräinen tuulennopeus kasvaa maanpinnan tasosta noustaessa ​
• -> Korkeampi torni ja suurempi turbiini paitsi kasvattavat turbiinin pinta-alaa, myös nostavat turbiinin alueelle, jossa keskimääräinen tuulennopeus on suurempi​

Mitoitus ja suunnittelu: Kasvillisuus ja rakennukset

• Keskimääräiseen tuulennopeuteen vaikuttaa myös maaston peitteisyys, korkeat rakennukset yms​
• Maaston vaikutusta tuulennopeuteen kuvataan termillä ”surface roughness lenght” , Z₀
• Vaikuttaa keskimääräisen tuulennopeuden laskentaan
• https://en.wikipedia.org/wiki/roughness_lenght

 

 

 

• Karkeampaan suunnitteluun ja kartoitukseen käytetään myös ”roughness class” –luokitteluja, jotka huomioidaan suoraan keskituulinopeuden käyrissä​
• 0: Avomeri​
  …​
  4: umpimetsät ja asutuskeskukset

Mitoitus ja suunnittelu: Tuulen nopeuden korkeusvaihtelu

• Tuulennopeudet eri korkeuksilla voidaan myös mitata sijoituspaikkakohtaisesti suunnitteluvaiheessa​
• Kasvillisuuden ja rakennusten vaikutus näkyy suoraan mitatussa datassa​

Mitoitus ja suunnittelu: Tuulen nopeusjakauma

• Pitkäaikaisen mittausdatan tai laskennallisen Weibull-jakauman perusteella voidaan arvioida sijoituspaikan tuuliprofiilia vuoden aikana​
• Mitataan yleensä h/a​
• Tuulen nopeusjakauman ja turbiinin tehokäyrän perusteella saadaan laskennallinen tuotantojakauma​
• Tehontuotto integroimalla​
• Capacity factor = prosentuaalinen osuus a/h kun voimala tuottaa sähköä​
• Operating hours = ​
  tuotanto h/a ​
  (kaikilla tehoalueilla)​
• Full load hours = ​
  tuotanto nimellisteholla h/a​

Mitoitus ja suunnittelu: Turbiinien etäisyydet toisistaan

• Turbiinit on sijoitettava tuulipuistossa vallitsevan tuulensuunnan mukaisesti 4…12 turbiinihalkaisijan etäisyydelle toisistaan, jotta ‘varjostukselta’ ja turbulenssilta vältytään