Kuinka nopeasti tuulivoimala tuottaa kaksion sähköt?

STY on teettänyt onnenpyörästä inspiraationsa saaneen tuulenpyörän, joka on ollut jo monilla messuilla ja monissa tapahtumissa mukana. Tuulenpyörän pelaajan tehtävänä on arvata, kuinka nopeasti yksi moderni 3 MW:n tuulivoimala tuottaa kerrastalokaksion vuoden sähköt eri tuulennopeuksilla. Tilastojen mukaan kerrostalokaksiossa kuluu keskimäärin parituhatta kilowattituntia vuodessa.

Kysymys siis kuuluu: Kuinka nopeasti yksi 3 MW tuulivoimala tuottaa kerrostalokaksion vuoden sähköt, kun tuulennopeus on:

A. 5 m/s

B. 7 m/s

C. 9 m/s

D. 11 m/s

Useat tuulivoimalat hyvin tunteva insinööri onkin joutunut tiukkoihin päässälaskuharjoituksiin kesken messujen selvittäessään oikeat vastaukset. Yleisötapahtumissa vastaukset ovat vaihdelleet minuuteista ikuisuuteen – ja monesti lasten vastaukset ovat osuneet lähimmäksi oikeaa. Miten käy sinun kahvipöytäsi ympärillä? Kuka osuu lähimmäksi?

Vinkkinä kerrottakoon, että tuulen nopeuden vaikutus tuulivoimalan tuotantoon on merkittävä.Tuulivoimala tuottaa sähköä kun tuulen nopeus on noin 3 m/s. Myrskynopeuksissa, kun tuulennopeus on 25 m/s kauemmin kuin vain lyhyen puuskan ajan, tuulivoimala sammuu, jotta vältyttäisiin laiterikoilta.

(Oikeat vastaukset: A: 5h, B: 2h, C: 54min, D: 42min)

Voiko tuulivoimalan aiheuttaman tutkaongelman ratkaista?

Suomalainen startup-yritys Oy Winden Ltd on kehittänyt nanoteknologiaan perustuvan epoksipohjaisen vaimennusmateriaalimaalin, jolla voidaan pienentää merkittävästi tuulivoimaloiden aiheuttamia tutkahäiriöitä.

Tuulivoimalat häiritsevät tutkia suuren kokonsa ja liikkuvien osiensa takia. Merkittävimmät häiriöt ovat tuulivoimalan varjostusvaikutuksen aiheuttamat katvealueet ja tutkan kantaman lyheneminen sekä välähdysvaikutuksen aiheuttamat virhehavainnot. Puolustusvoimien tutkille erityisen ongelmallisia ovat tuulivoimaloiden tornien aiheuttamat varjostusvaikutukset.

Tuulivoimalan lavat puolestaan aiheuttavat vääriä havaintoja sää- ja siviili-ilmailututkiin. Nämä seikat ovat johtaneet siihen, että tornien ja lapojen aiheuttamat tutkahäiriöt haittaavat tai jopa estävät tuulivoiman rakentamista Suomessa, mutta myös muualla maailmassa.

Windenin kehittämän materiaalin vaimennustesteissä on saavutettu metallin pinnalla -10 dB signaalin vaimennustaso 3 GHz tutkataajuudella, mikä tarkoittaa tutkasignaalin aiheuttamien häiriöiden tason vaimentumista kymmenesosaan. Lapatyyppisissä vaimennusmittauksissa materiaalilla saavutettu vaimennus on -20 dB 9 GHz tutkataajuudella. Tutkasignaalin häiriötaso pienenee siten sadasosaan, mikä on merkittävä muutos.

Vaimentavan materiaalin paksuus näissä mittauksissa on ollut alle 1 mm ja lisäksi materiaali on kevyttä – se painaa vain 500 g/m2. Keveyden ja tarvittavan kerroksen ohuuden vuoksi materiaali ei aiheuta lavoissa aerodynaamisia muutoksia eikä siten energiantuotannon alentumista.

Vaimentava materiaali on epoksipohjaista maalattavaa tai levitettävää pinnoitetta. Materiaali voidaan lisätä tuulivoimalan torniin ja lapoihin tavanomaisen valmistusprosessin yhteydessä. Tornissa vaimentava maali maalataan pohjamaalin ja pintamaalikerroksen väliin. Lavoissa vaimentava maali voidaan sijoittaa esimerkiksi pintakerroksen alle. Koska vaimentava materiaali on sähköä johtavaa, sen avulla voidaan toteuttaa myös lapalämmitys eli ehkäistä jään muodostumista lavan pinnalle.

Vaimentavan materiaalin käytöllä alennetaan merkittävästi tuulivoimaloiden aiheuttamien tutkahäiriöiden tasoa. Häiriöiden alentaminen mahdollistaa tuulipuistojen rakentamisen alueille, joissa se tällä hetkellä on tutkahäiriöiden vuoksi mahdotonta.

Materiaalin lopullinen kaupallistaminen on aloitettu, mitä varten on saatu rahoitusta Tekesiltä. Seuraava askel on materiaalin toimivuuden todentaminen pienimuotoisin kenttätestein, minkä jälkeen toteutetaan verifiointi todellisessa mittakaavassa eli useamman voimalan tuulipuistossa. Tavoitteena on testata pinnoitetta pilottihankkeessa vuoden 2017 aikana.

Alkuperätakuut – uusiutuvilla tuotetun sähkön aitoustodistus

Kuluttajat valitsevat ostamansa hyödykkeet monin eri perustein. Monille tuotteen alkuperä on tärkeä tieto. Moni valitsee sähkön sen tuotantopaikan tai –tavan mukaan, vaikka tietyssä paikassa tuotettu sähkö ei tiettyyn kotiin – vaikkapa toiselle puolelle Suomea – tulekaan. Alkuperätakuu varmistaa sen, että kuluttajan valinnallaan tekemä kannanotto tulee kuuluville.

Sähkö on hyödykkeenä hyvin erityinen. Sitä ei voi juurikaan varastoida ja sitä täytyy joka hetki tuottaa ja kuluttaa täsmälleen yhtä paljon. Sähkö siirretään tuottajilta asiakkaille ainoastaan yhden, kaikille yhteisen, sähköverkon kautta. Sähköä pystytään tuottamaan monilla eri teknologioilla ja energialähteillä. Osa energialähteistä on uusiutuvia ja osa fossiilisia. Sähköä markkinoidaan asiakkaille monin eri argumentein, on muun muassa tuulisähköä, päästötöntä sähköä ja lähellä tuotettua sähköä. Jo tällä hetkellä moni haluaa valita sähkötuotteen omien arvojensa mukaan, ja tulevaisuudessa asiakkaat toivottavasti tiedostavat sähkön alkuperän merkityksen vieläkin paremmin.

Kaikki tuotettu sähkö siirretään kuitenkin samassa sähköverkossa, jolloin asiakkaalle toimitetun sähkön alkuperän määrittäminen on käytännössä mahdotonta. Jotta uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön markkinat voisivat syntyä ja toimia, on tarvittu luotettava mekanismi, jolla myydyn sähkön alkuperä voidaan varmentaa. Tähän tarpeeseen on kehitetty alkuperätakuujärjestelmä, joka antaa kuluttajalle mahdollisuuden vaikuttaa ostamansa sähkön alkuperään ja sähkön myyjälle mahdollisuuden antaa asiakkaalle sähkön uusiutuvaan alkuperään liittyviä tietoja perustellusti ja luotettavasti.

Alkuperätakuiden peruuttaminen keskeistä

Sähkön tuottajille alkuperätakuujärjestelmä on täysin vapaaehtoinen. Uusiutuvilla energialähteillä sähköä tuottava tuottaja voi rekisteröidä voimalaitoksensa alkuperätakuiden rekisterinpitäjän alkuperätakuurekisteriin. Suomessa rekisterinpitäjänä toimii kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj, joka on eriyttänyt alkuperätakuupalvelun tytäryhtiölleen Finextra Oy:lle.

Rekisteröinnin jälkeen sähkön tuottaja ilmoittaa rekisterinpitäjälle sovituin väliajoin uusiutuvan sähkön tuotantomääränsä ja rekisterinpitäjä myöntää tuottajalle vastaavan määrän alkuperätakuita. Yksi alkuperätakuu vastaa yhden megawattitunnin uusiutuvaa sähkön tuotantoa ja se on voimassa 12 kuukautta. Alkuperätakuut on mahdollista myydä eteenpäin täysin erillään fyysisen sähkön myynnistä.

Jos sähkön myyjä myy asiakkailleen alkuperältään uusiutuvaksi määriteltyä sähköä, tulee tämän uusiutuvan sähkön alkuperä varmentaa peruuttamalla myyntiä vastaava määrä alkuperätakuita. Alkuperätakuiden peruuttaminen on ainoa tapa varmentaa sähkön uusiutuva alkuperä, mikä tekee järjestelmästä uusiutuvan sähkön osalta selkeän ja varman.

Energiavirasto on asettanut aikarajan, mihin mennessä tarvittava määrä alkuperätakuita tulee peruuttaa edellistä kalenterivuotta koskevan myynnin osalta. Laissa asetettujen velvollisuuksien noudattamista valvoo Energiavirasto.

Tuulivoimalat kattavasti järjestelmän piirissä

Sähkön myyjien tulee ilmoittaa asiakkailleen vähintään kerran vuodessa edellisen vuoden aikana myymänsä sähkön alkuperäjakauma. Alkuperä-takuujärjestelmällä on myös tässä tärkeä rooli.

Sähkön myyjä voi laskea alkuperäjakaumaansa uusiutuvaksi sähköksi ainoastaan peruuttamiaan alkuperätakuita vastaavan määrän. Varmentamattoman ja alkuperältään tuntemattoman sähkön osalta sähkön myyjän tulee ilmoittaa sähkön alkuperä Energiaviraston laskeman jäännösjakauman mukaisesti. Jäännösjakauma kertoo Suomessa kulutetun varmentamattoman sähkön keskimääräisen alkuperän.

Tuulivoiman tuottajat hakevat aktiivisesti alkuperätakuita tuotannolleen. Alkuperätakuurekisteriin on rekisteröitynyt 72 tuulivoimalaitosta, joiden kapasiteetti on yhteensä hieman yli 1000 MW. Tuulivoimalla tuotetulle sähkölle myönnettyjen alkuperätakuiden määrä on noussut voimakkaasti viime vuosina.

Vuonna 2015 tuotetulle tuulisähkölle myönnettiin alkuperätakuita lähes 2,2 terawattitunnin edestä, kun tuulivoimalla tuotettiin Suomessa sähköä vuoden aikana noin 2,3 terawattituntia. Myös muiden uusiutuvien tuotantomuotojen osalta alkuperätakuita haetaan huomattavissa määrin. Viime vuonna uusiutuvan sähkön nettotuotanto oli Suomessa 29,6 TWh ja sähkön alkuperätakuita myönnettiin 25,1 TWh. Suomen uusiutuvan sähkön tuotannosta siis noin 85 prosentille myönnettiin alkuperätakuita, mikä on jo varsin hyvä taso.

EU:n laajuinen järjestelmä

Sähkön alkuperätakuujärjestelmästä on säädetty Euroopan Unionissa direktiivitasolla ja järjestelmä on käytössä kaikissa EU-maissa. Alkuperätakuita myöntävät tahot ovat perustaneet yhteisen järjestön (AIB, Association of Issuing Bodies), jonka jäsenyys on jo lähes kahdellakymmenellä EU- tai ETA-maalla. AIB:n hubin kautta alkuperätakuita voidaan siirtää luotettavasti ja sähköisesti eri maiden välillä.

Alkuperätakuista käydään kauppaa niin kahdenvälisillä sopimuksilla kuin pörssissäkin. Kauppaa tehdään huomatavissa määrin myös kansainvälisesti, Suomen rekisterissä alkuperätakuiden vientiä ja tuontia on vuositasolla noin 30 terawattitunnin edestä. EEX-pörssissä (The European Energy Exchange) on listattuna kolme eri alkuperätakuutuotetta: pohjoismainen vesivoima, Alppi-vesivoima sekä Keski-Euroopan tuulivoima. Hintataso pörssiin listatulla pohjoismaisella vesivoimalla on ollut viime aikoina noin 0,20 euroa ja Keski-Euroopan tuulivoimalla noin 0,30 euroa. Suurin osa kaupoista tehdään suoraan osapuolten kesken tai välittäjien avulla, ja hinnat voivat näissä erota selvästikin EEX-pörssin noteerauksista.

Täydellistä energiantuotantomuotoa etsimässä

Viime viikonloppuna päädyin taas kerran Facebookissa väittelyyn tuulivoimasta. Tuttuni kertoi päivityksessään, että emme tarvitse Suomessa tuulivoiman kaltaista vaihtelevaa sähköntuotantoa. Oli pakko vastata, että itse asiassa tuulivoimatuotanto pystytään ennustamaan hyvin, kulutuskin vaihtelee, eikä mikään tuotantolaitos ole sataprosenttisella varmuudella aina käytössä. Ja että olisi Suomelta sulaa hulluutta olla hyödyntämättä myös tuulivoimaa ilmastonmuutoksen vastaisessa kamppailussa.

Seuraavaksi tuli esiin yleinen väite siitä, että ”kaikki rahat valuvat ulkomaille” – vaikka noin 70 % voimaloista oli vuoden 2016 lopussa kotimaisessa omistuksessa ja TEMin selvityksen mukaan tuulivoimalan elinkaaren aikaisista rahavirroista 59 % jää Suomeen. Tämän jälkeen epäiltiin, kattaako tuulivoimalan tuotanto koskaan sen rakentamiseen käytettyä energiaa (kyllä, tuulivoimala tuottaa sen rakentamiseen, käyttöön ja kunnossapitoon sekä purkamiseen tarvittavan energiamäärän 3–9 kuukaudessa). Keskustelu jatkui loputtomiin.

Tuntuu, että tuulivoiman vastustamisessa on kauan sitten kadonnut järki. Aina kaivetaan uusi ja taas uusi (usein virheellinen) väite, jolla perustellaan, miksi tuulivoimaa ei pitäisi ainakaan Suomeen rakentaa. Itse olen keskittynyt näiden myyttien purkamiseen osoittelematta muiden energiantuotantomuotojen huonoja puolia – sillä niitähän on kaikissa, myös tuulivoimassa.

Lähdetään nyt vaikka liikkeelle nykyhallituksen suosikkituotantomuodosta, bioenergiasta. Puun polttoa suunnitellaan lisättävän niin paljon, että metsäteollisuus on huolissaan raaka-aineen saannistaan. Samalla tuhotaan ilmastonmuutoksen hillinnän kannalta elintärkeitä hiilinieluja ja heikennetään metsäluonnon monimuotoisuutta. Poltossa syntyvät pienhiukkaset vaurioittavat keuhkojamme.

Fossiilisten polttoaineiden ongelmista tuskin tarvitsee tässä välissä edes mainita. Suomen oma erikoisuuden, turpeen, käytöllä on haitallisia vaikutuksia niin ilmastoon kuin vesistöihinkin.

Edes polttoa korvaavat tuotantomuodot eivät ole täydellisiä. Vesivoima heikentää biodiversiteettiä niin tekoaltaiden alle jäävillä maa-alueilla kuin vesiuomissakin. Entä ydinvoima? Sähköä tulee tasaisesti. Nimenomaan. Kulutus kuitenkin vaihtelee jatkuvasti, eikä ydinvoima pysty joustamaan kulutuksen mukaisesti sen enempää kuin tuulivoimakaan.

Ja pakkohan se on vannoutuneimmankin ydinvoiman kannattajan myöntää: ydinjätteen käsittely, mahdollisen ydinonnettomuuden riski ja raaka-aineen louhinnan aiheuttamat ympäristöongelmat ovat todellisia haasteita.

Jokaisella sähköntuotantomuodolla on jonkinlaisia vaikutuksia ympäristöön, sähköjärjestelmän toimintaan ja niin edelleen. Julkinen keskustelu on viime aikoina keskittynyt suhteettomasti tuulivoimaan, ja monesti tuulivoimaa vastaan esitetyt faktat ovat enemmän tai vähemmän virheellisiä, jopa absurdeja.

Sen sijaan, että keksitään kuvitteellisia vikoja energiantuotantomuodoista, pitäisi keskustella ratkaisuista: kuinka sähköntuotantojärjestelmä saadaan parhaiten toimimaan. Ilmastonmuutoksen vuoksi on siirryttävä mahdollisimman pian kestävään uusiutuvaan energiajärjestelmään. Vaihtelevaa sähköntuotantoa tarvitaan, kuten myös säätövoimaksi soveltuvaa kapasiteettia.

Samalla tulee löytää ratkaisu siihen, kuinka vaihteleva tuotanto ja niin ikään vaihteleva kulutus saadaan sovitettua parhaiten yhteen. Kysyntäjouston ja sähkön varastoinnin ratkaisut tulevat olemaan kultaakin arvokkaampia ja loistava vientituote. Myös tälle markkinalle Suomenkin pitäisi pyrkiä tarjoamalla toimiva kotimarkkina – lisäämällä tuuli- ja aurinkovoimaa osana monipuolista energiapalettia.

Tartteeko säätää?

Tuulivoimakeskustelussa esiintyy aika ajoin väite, että jokaista rakennettua tuulivoimalaa kohden on oltava saman verran säätövoimaa. Väitettä perustellaan sillä, että jollain sähkö on pystyttävä tuottamaan myös niinä hetkinä, jolloin ei tuule. Sinänsä pitää tietysti paikkansa, että sähkön tuotannon on vastattava kulutusta, mutta tämän periaatteen typistäminen tuulivoiman tarvitsemaan säätövoimaan kuvastaa vanhakantaista näkemystä sähköjärjestelmästä.

Tämän näkemyksen mukaan sähköntuotanto jakaantuu tasaisesti tuottavaan perusvoimaan ja kulutuksen mukaan vaihtelevaan säätövoimaan. Perusvoimaa on perinteisesti ollut ydinvoima ja jossain määrin vesivoima, säädettävää tuotantoa taas vesivoima sekä fossiilisilla polttoaineilla tuotettu lauhdevoima.

Jako perus- ja säätövoimaan on aina ollut yksinkertaistamista. Viime vuosina sekä uudet sähköntuotantomuodot että digitalisaatio ovat kehittyneet niin vauhdikkaasti, ettei tuotannon luokittelussa perus- ja säätövoimaan ole enää mieltä. Ilmastonmuutoksen hillinnän edellyttämä energiamurros etenee tuuli- ja aurinkosähkön määrän kasvaessa ympäri maailmaa. Samaan aikaan niin tuotannon kuin kulutuksenkin säädettävyys on parantunut digitaalisten ohjausjärjestelmien myötä. Vaihtelevaa kulutusta säädetäänkin sadoilla megawateilla joka päivä.

Sähkön kulutuksen ja tuotannon tasapaino onkin nykyään hallittavissa huomattavasti useammanlaisella keinolla kuin perinteisesti vesi- ja lauhdevoimalla. Erityisesti kulutuspuolella kehittyy kysyntäjoustoon jatkuvasti uusia toimintamalleja, joissa erilaisten kuormien etäohjauksella pystytään leikkaamaan sähkönkulutuksen korkeimpia piikkejä juuri niinä aikoina, kun sähköteho on niukimmillaan. Esimerkiksi supermarkettien kylmävarastoissa ja asuntojen lämminvesivaraajissa on joustovaraa, jota voi hyödyntää sähkön hinnan vaihteluiden mukaan ilman, että kylmävaraston lämpötila nousee tai varaajan lämpötila laskee liikaa. Jousto voidaan toteuttaa automaattisesti ilman, että yksittäinen kuluttaja edes on tietoinen, minä hetkinä osallistuu joustoon ja milloin ei.

Säädettävän tuotannon ja kulutuksen lisäksi tuuli- ja aurinkosähkön vaihtelua tasapainottaa laaja verkosto siirtoyhteyksiä, joita Suomella nykyään jo on moneen ilmansuuntaan. Mitä laajempi järjestelmä, sitä enemmän vaihtelevaa tuotantoa siihen mahtuu. Siirtoyhteyksien vahvistaminen ja Euroopan sähköjärjestelmän yhtenäistäminen on myös EU:n Energiaunionin päätavoitteita.

Lisäksi energian varastointiin kehitetään koko ajan uusia menetelmiä. Tulevaisuudessa esimerkiksi sähköautojen akut voivat toimia kulutuksen ja tuotannon tasapainottajana aina auton ollessa kytkettynä latauspisteeseen. Järjestelmissä, joissa vaihtelevaa tuotantoa on ajoittain enemmän kuin kulutusta, ylijäämäsähköllä voidaan jatkossa tuottaa myös polttoaineita esimerkiksi liikenteen tarpeisiin.

Eri tutkimushankkeissa tehtyjen skenaariotarkastelujen mukaan näyttää selvältä, että tuuli- ja aurinkosähkön rooli ilmastoystävällisessä sähköjärjestelmässä tulee olemaan merkittävä joka puolella maailmaa. Entinen jako perus- ja säätövoiman välillä onkin muuttumassa jakoon sään mukaan vaihtelevan tuotannon sekä tuotannon ja kulutuksen tasapainoa ylläpitävien menetelmien välillä. On myös syytä muistaa, että tuulivoiman tuotanto ei vaihtele äkillisesti, vaan on hyvin ennustettavaa. Nykyaikainen älykäs sähköjärjestelmä voi sisältää runsaasti tuulivoimaa ja toimia luotettavasti, joustavasti ja edullisesti. Meillä nykyinen säätövoiman määrä riittää, vaikka vaihteleva tuotanto viisinkertaistuisi nykyisestä (Energiakolmio 2014).

Marja Kaitaniemi, hankekehityspäällikkö, Nordisk Vindkraft Oy