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
Oppimistehtävä 1: Tuulivoimahankkeisiin perehtyminen
- Valitse uutisista tai tuulivoimayhdistyksen sivuilta vireillä oleva tuulivoimahanke
- Etsi hankkeen perustietoja, esim. Tuuliturbiinien tyyppi, lukumäärä, nimellisteho, kokoluokka ja koko tuulipuiston vuosituotanto
- Missä vaiheessa hanke on, koska tuotannon odotetaan alkavan?
- Onko hankkeen yhteyteen suunniteltu varastointiratkaisuja tai esim. vedyn tuotantoa?
- Tutki esim. Global Wind Atlaksen avulla sijoituspaikan keskimääräisiä tuulennopeuksia
- Referoi tiedoista n. 1 sivun mittainen raportti, jonka palautat Moodle palautuslaatikkoon
Lähde: Materiaalintuottaja Timo Malvisalo
Materiaalista suoritettu
Materiaalista suoritettu