Tuulen nopeuden ja tuulivoimatehon vastaavuus Tanskassa

Tässä esitän, miten Tanskassa tuulee ja miten siellä tuotetaan tuulivoimaa. Tarkoituksena on tutkia, miten tuulivoiman tuotanto seuraa tavallisten sääasemien tuulennopeusmittauksia. Tarkastelussa käytetään seitsemän sääaseman tietoja.

  • Aalborg
  • Billund
  • Esbjerg
  • Karup
  • Sønderborg
  • Tirstrup
  • Westerland

Westerland sijaitsee Saksan puolella, mutta oli ainoa saatavilla oleva sääasema Jyllannin länsirannikolla Esbjergin lisäksi, joten päätin ottaa sen mukaan. Tässä sääasemat kartalla.

Kartta Tanskan tuulivoimaloiden sijannista löytyy tästä. (Samalta sivustolta löytyy kaikki muutkin maailman tuulivoimalat, kannattaa tutustua.)

Käytetyt tuulitiedot ovat vuorokausikeskiarvoja ja ne on kerätty Wunderground-sääpalvelusta.

Tuulivoiman tuotantotiedot ovat niin ikään vuorokausikeskiarvoja ja löytyvät NordPoolista. Tanskassa on kaksi sähköverkkoa, läntinen DK1, joka toimii Jyllannin niemimaalla, ja itäinen DK2, johon kuuluu Jyllannin itäpuolella olevat saaret. Tämä tarkastelu kattaa vain Jyllannin ja verkon DK1 alueen, jossa asennettua tuulivoimakapasiteettia on 2420 MW.

Tarkastelussa on käytetty vuoden 2010 tietoja.

Ensiksi piirretään kuva, josta nähdään kaikkien seitsemän sääaseman keskimääräinen tuulenvoimakkuus ja tuulivoiman tuotanto koko vuoden ajalta samassa kuvassa. Tuulen nopeus on kerrottu sadalla, jotta se skaalautuu kuvaan sopivaksi.

Kuva on pienenä vaikeaselkoinen, mutta sen voi klikkaamalla avata suurempana.

Kuva 1.

Tarkastellaan vielä lähemmin vuoden kolmea ensimmäistä kuukautta.

Kuva 2.

Kuvista nähdään silmämääräisesti, että tuulivoiman teho noudattaa kohtalaisen hyvin tuulimittausten keskiarvoa. Tuulen nopeutta osoittava keltainen alue on läpikuultava, eli punainen teho-alue näkyy läpi.

Kuvasta nähdään selkeästi, miten voimakkaasti tuulivoiman teho vaihtelee. Tuulivoiman keskimääräinen teho koko vuoden 2010 aikana oli 644 MW. Koska asennettu teho on 2420 MW, saadaan tuulivoiman kapasiteettikerroin näiden osamäärästä. Kapasiteettikerroin on 0,27.

Suurin vuoden aikana tuotettu tuulivoimateho 2227 MW, 92% nimellistehosta, saavutettiin 25.8.2010 klo 13-14. Täyttä nimellistehoa ei saavutettu kertaakaan.

Pienimmillään tuuliteho oli 21 MW, 0,9% nimellistehosta,  9.2.2010 klo 14-15.

Vuositason vaihtelua kuvataan pysyvyyskäyrällä, joka ilmaisee ajan, jonka tietty arvo on saavutettuna tai ylitettynä. Piirretään tuulen pysyvyyskäyrä siten, että jaetaan yksittäisten sääasemien tiedot asemien lukumäärällä, lajitellaan tuloksen niiden summan mukaiseen järjestykseen ja piirretään tulokset pinottuun aluekaavioon. Kaavion alueen yläreuna muodostaa pysyvyyskäyrän.

Kuva 3.

Otetaan tarkasteluun mukaan tuulivoiman teho, ja piirretään se samaan kuvaan tuulen nopeuden pysyvyyskäyrän kanssa.

Kuva 4.

Huomataan miten tuulivoiman teho kasvaa jyrkemmin kuin tuulen nopeus. Niin kuuluukin olla, koska tuulivoimalan teho kasvaa tuulen nopeuden kolmanteen potenssiin. Esimerkkinä tästä, kuva tyypillisen tuulivoimalan tehokäyrästä tältä sivulta.

Kuva 5.

Voimala käynnistyy tuulella 4 m/s, saavuttaa nimellistehon nopeudella 15 m/s, ja pysäytetään nopeudessa 25 m/s. Voimala ei kestä tätä kovempaa tuulta.

Koska tuulivoiman teho Tanskassa selvästikin seuraa sääasemien mittauksia, voidaan olettaa, että tuulitietojen perusteella voidaan laskea tuulivoiman teho. Piirretään pistekaavio, johon sijoitetaan kaikki 365 mittauspistettä. Vaaka-akselilla on tuulen nopeus ja pystyakselilla tuulivoiman teho.

Kuva 6.

Oranssi viiva on pistejoukon läpi piirretty lineaarinen regressio. Ohut musta viiva on kolmannen asteen polynomisovitus, joka näyttäisi sopivan pistejoukkoon vähän paremmin kuvaten pienet tehot suoraa paremmin. Suoran korrelaatiokerroin on 0,8751, polynomin 0,8857. Kun tuulen nopeus tiedetään, tuulivoiman teho voidaan nyt laskea kaavasta

Suoran kaava: y = 245,64x – 392,69

tai

Polynomin kaava: y = -4,0074x3 + 69,153x2 – 109,02x + 133,2

joissa y on teho, X on tuulen nopeus.

Kokeillaan nyt, miten hyvin malli vastaa todellisuutta. Otetaan tarkastelujaksoksi vuoden kolme ensimmäistä kuukautta, kuten kuvassa 2. Piirretään siihen todelliset mitatut tehot sekä suoran kaavalla lasketut tehot.

Kuva 7.

Vastaavuus on mielestäni hämmästyttävän hyvä. Tätä menetelmää aion jatkossa käyttää Euroopan tuulisuuden ja tuulivoimapotentiaalin tarkasteluun.

On kuitenkin syytä muistaa, että tuuliolosuhteet eivät ole kaikkialla samanlaisia kuin Tanskassa. Esim. Suomen talvessa syntyy usein inversiokerros, jolloin lähellä  maanpintaa voi olla tyyntä mutta yli sadan  metrin korkeudessa tuulee toistakymmentä metriä sekunnissa.

11 thoughts on “Tuulen nopeuden ja tuulivoimatehon vastaavuus Tanskassa

  1. Mielenkiintoinen artikkeli.

    Miltähän korkeudelta nuo tuulihavainnot ovat vs. keskimääräiset napakorkeudet? Toinen kiinnostava metriikka voisi olla tehon muutosnopeudet – nekinhän voivat olla melkoisia. Tuo käyrä (tuulen nopeus vs. teho) on tosiaan jollekin voimalaitostyypille, mutta ilmeisesti pysäytysnopeus on jossain 20 m/s tienoilla, ja toisaalta tehon tarve laitoksen pitämisessä kohti tuulta kasvaa nopeasti, joka myös vaatii suurehkoa tehoa.

    Muistelen lukeneeni (olikohan Etherington), että tuulen nopeuden vaihtelut ovat myös isossa mittakaavassa (tyyliin Länsi-Eurooppa) suuria, eli edes voimakkalla maantieteellisellä hajautuksella ei tehonvaihteluista päästä eroon. Tästä oli muistaakseni esim. Eon.Netzillä aika paljon statistiikkaa.

    Tykkää

  2. Tuulihavainnot käsittääkseni ovat n. 10 metrin korkeudelta maanpinnalta, Tanskan napakorkeuksia en tiedä, oletettavasti alle 100 metriä.

    Tehon muutosnopeuksia en nyt katsonut ollenkaan. Saksassa ne ovat olleet pahimmillaan useita tuhansia megawatteja muutamissa tunneissa. Pitäisikin tarkastella tuntitasolla mieluummin kuin vuorokausikeskiarvoista. En kuitenkaan ihmettelisi, jos suuri muutosnopeus joskus kaataisi koko Saksan verkon. Tanska on paremmin kiinni Norjan vesivoimassa, joten siellä tuskin tulee ongelmia. Tanskahan ei laskennallisesti käytä kuin pienen osan tuulisähköstään suoraan, olisiko noin 25%, loput menevät Euroopan markkinoille, ja Norjaan, vähän Ruotsiin. Norjasta sitten ostavat vesisähköä takaisin kun ei tuule.

    Seuraava artikkeli käsitteleekin sitten Euroopan tilannetta. Tuulitiedot sieltä löytyy, tuulisähkötietoja ei, mutta Tanskan esimerkin mukaisesti lasken oletetut sähkötehot tuulitietojen perusteella ja katson mitä siitä tyntyy. Tehonvaihtelu tietenkin vähenee, mutta ei läheskään poistu. Säätövoiman tarve väheenee tuotettuun sähkötehoon nähden väheenee jopa yllättävän vähän.

    Tanskan reaaliaikainen tilanne näkyy tässä:

    http://energinet.dk/Flash/Forside/index.html

    Tykkää

  3. Tuuli on ongelmallinen vaikka purhelaivatkin sillä kulkevat. Hyvää ja havainnollista statistiikkaa. Käytän tuulisähköä ja pohdin joskus onko käyttämäni tuulisähkö oikeasti vai laskennallisesti tuulisähköä. Ydinsähkön valitsen ehkä kun seuraava kerran sähkösopimusta uusin. Hinta ratkaisee.

    Tuulivoimaloita kuitenkin rakennetaan kiivaasti aina Kiinaa myöten ja siksi siitä on kuitenkin tulossa merkittävä energiantuotantotapa. Jos tuotanto jakautuu mantereen kokoiselle alueelle voisiko silloin jo odottaa jonkin verran tasaisempaa tuotantotasoa?

    Tykkää

  4. Linkatusta Euroopan tuulivoimalakartasta näkee, että valtaosa tuulivoimasta on pakattu sen verran pienelle alueelle (Tanska, Saksa) että se mahtuu yhden ison korkeapaineen piiriin.

    Silloin kun on korkeapaine, on usein myös aurinkoista. Löytyisikö säästatistiikkaa, miten aurinkosähkö (teoriassa) voisi tilkitä tuulivoiman jättämiä katveita Kuva 1:ssä? Tämän jälkeen enää pitäisi ratkaista, millä sähkö tuotetaan öisin. No, silloin kulutuskin pienempi.

    Tykkää

  5. Nämä tuuli- ja aurinkonäpertelyt voisi jo jättää, koskaan niillä ei tule olemaan mitään merkittävää roolia energiantuotannossa. Kalifornia, jossa olosuhteet ihanteelliset molemmille, investoi hullun lailla 20 vuotta ja nyt ennen rikkain osavaltio on konkurssissa ja ”uusiutuvat” edustavat alle 1% energiasta, yhtä tyhjän kanssa.

    Myönnän toki, että case tukee vahvasti vihreää agendaa läntisen elämänmuodon tuhoamisesta.

    Tykkää

  6. Oletkos tutustunut siihen CEPOS;n raporttiin tuosta Tanskan tilanteesta? Raportion taustoista en tarkemmin tiedä, mutta kertoohan se jotain.

    Aurinko- ja tuulisähkön keskinäinen kompensointi, josta tuolla aiempi kirjoittaja spekuloi, toiminee joskus päiväsaikaan osan vuotta, talvella ei lainkaan.

    Lainaan erästä sähkömiestä (pienehkön sähköyhtiön tj): ”Tuulivoima ei kannata ikinä, ellei veronmaksaja avaa kukkaroaan. Ja isolle.”

    Tykkää

  7. Joo, juuri tuosta oli kyse. Kuuleman mukaan aiheutti aika laajaa keskustelua julkaisun aikaan Tanskassa, ja taustojakin muistaakseni kyseenalaistettiin – lähdekritiikki sen suhteen siis on varmaan paikallaan.

    Tykkää

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s