Euroopan laajuinen tuulivoimaverkosto ei poista säätötehon tarvetta

Tässä esitän, miten Euroopassa tuulee ja miten koko Euroopan alueelle levittäytyvä tuulivoiman tuotanto voisi toimia. Aikaisemmassa artikkelissa Tanskan tuulituotannosta voidaan huomata, että tuulen nopeus ja siten tuulisähköteho vaihtelee vuoden mittaan lähes nollasta lähes täyteen tehoon. Tämä on tuulivoiman ongelma, johon toistaiseksi ei ole ratkaisua. Sama ongelma koskee aurinkosähköä.

Yksi tapa vähentää tätä tehonvaihtelun ongelmaa, on jakaa tuotanto laajemmalle maantieteelliselle alueelle. Useinhan kuulee sanottavan, että jossain tuulee aina. Selvittääkseni miten tämä väite pitää paikkansa, tein tarkastelun koko Euroopan alueen tuulisuudesta. Tanskan esimerkissä luodun kaavan avulla laskin, millaista sähkötehoa Euroopassa voitaisiin tuulivoimalla tuottaa.

Tässä tarkastelussa käytetyt 28 sääasemaa ovat:

Amsterdam, Ankara, Ateena, Berliini, Brest, Budapest, Dublin, Helsinki, Ivalo, Las Palmas, Le Havre , Lissabon, Lontoo, Madrid, Mallorca, Moskova, Murmansk, Praha, Reykjavik, Rika, Rooma, Stavanger, Tukholma, Tromssa, Varsova, Wien ja Strasbourg.

Sääasemat kartalla. Asemat on valittu satunnaisesti, silmämääräisesti riittävän kattavuuden saavuttamiseksi. Karttaa voi zoomata vasemman ylänurkan painikkeilla.

Jos kartta ei näy, avaa se tästä.

Käytetyt tuulitiedot ovat vuorokausikeskiarvoja vuodelta 2009 ja ne on kerätty Wunderground-sääpalvelusta.

Tarkastelussa on otettu lähtökohdaksi, että jokaista sääasemaa kohti olisi yhtä paljon asennettua tuulivoimatehoa kuin Tanskan DK1-verkossa, 2420 MW, yhteensä 67760 MW.

Vuositason vaihtelua kuvataan pysyvyyskäyrällä. Se ilmaisee ajan, jonka tietty arvo on saavutettuna tai ylitettynä. Piirretään tuulen pysyvyyskäyrä jakamalla yksittäisten sääasemien tiedot asemien lukumäärällä, lajittelemalla tiedot niiden summan mukaiseen järjestykseen ja piirtämällä tulokset pinottuun aluekaavioon. Kaavion alueen yläreuna muodostaa pysyvyyskäyrän.

Kuva 1.

Lasketaan tuulimittauksista tuulisähköteho vuoden jokaiselle päivälle edellisessä artikkelissa laaditulla kaavalla

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

jossa y on tuulisähkön teho ja x on tuulen nopeus.

Piirretään tulokset samaan kaavioon tuulen keskinopeuden kanssa. Tuulen nopeus on kerrottu luvulla 2000, jotta se skaalautuu kuvaan sopivaksi.

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

Kuva 2.

Tehonvaihtelu on vähäisempää kuin Tanskan esimerkissä, mutta on edelleen suurta. Suurin vuoden aikana tuotettu tuulisähköteho on 26 280 MW, 39% nimellistehosta. Pienimillään teho on 6 292 MW, 9% nimellistehosta. (Tanskassa vaihtelu on 80% – 1,3% vuorokausikeskiarvoista laskettuna)

Piirretään seuraavaksi lasketun sähkötehon pysyvyyskäyrä. Yksikkönä käytetään suhteellista tehoa, eli tuotetun tehon suhdetta asennetusta tehosta prosentteina.

Kuva 3.

Seuraavat kaksi kaaviota näyttävät asemien tuulimittausten keskiarvon koko vuoden ajalta, sekä laskennalliset tuulivoiman kapasiteettikertoimet ao. aseman alueella.

Kuva 4.

Kuva 5.

Yhteenveto

Tuulivoiman rakentaminen koko Euroopan alueelle ja tehon tasaaminen yhteisen sähköverkon avulla vähentää tuulivoiman tarvitseman säätötehon tarvetta, mutta ei poista sitä. Teho vaihtelee edelleen 9% ja 39% välillä suhteessa asennettuun tehoon. Tanskaan verrattuna säätötehon tarve vähenee noin kolmasosaan asennetusta tehosta, mutta vain noin kolmasosan suhteessa järjestelmän maksimitehoon.

Jotta tällainen mantereen laajuinen tuulivoima-installaatio ylipäätään olisi mahdollinen, tarvitaan myös mantereen laajuinen riittävän tehokas siirtoverkko, käytännössä HVDC-tekniikalla toteutettu ns. supergrid. Yritin muodostaa arviota sellaisen kustannuksesta, mutta tietoa on kovin kitsaasti tarjolla. Jotta systeemistä olisi todellista hyötyä, siirrettävien tehojen on oltava suuria, kymmeniä tuhansia megawatteja, ja välimatkojen pitkiä, useita tuhansia kilometrejä. Tällaisen verkon haavoittuvuus ja katkosten vaikutus on suuri. Mielestäni on perusteltua kysyä, onko tällainen kehityssuunta mielekäs, vai saisiko samoilla resursseilla suuremman päästövähennyksen kohdistamalla resurssit toisin?

Tarkastelu sisältää liikaa oletuksia ja siten virhemahdollisuuksia ollakseen lopullinen totuus asiasta. Vaikka käytetty laskukaava pätee Tanskassa, se ei välttämättä päde kaikkialla. Tuulivoimaa voidaan rakentaa vuoristoon, missä tuuliolosuhteet ovat selvästi paremmat kuin siellä missä tässä käytetyt sääasemat sijaitsevat. Lisäksi tuulisuus voi vaihdella eri korkeuksilla eri tavalla kuin Tanskassa, jossa pintasääasemien mittaukset vastaavat hyvin tuulivoiman tuotantoa. Tarkastelua voi silti mielestäni pitää suuntaa-antavana.

(Jos lukijat osaavat neuvoa paikan, mistä muiden maiden tuulisähkötilastoja löytyy, teen mielelläni lisää maakohtaisia tarkasteluja. Erityisesti Saksa ja Espanja kiinnostavat.)

9 thoughts on “Euroopan laajuinen tuulivoimaverkosto ei poista säätötehon tarvetta

  1. Ihan mielenkiintoinen analyysi. Tanskan tilannehan on se että siellä pääosa voimaloista on suht vanhoja jo ja rakennettu aikana kun optimimitoituksena pidettiin 400-450 W/m2. Siis genun teho / pyyhkäisypinta-ala.

    Nyttemmin samoihin tuulioloihin on tyypillinen mitoitus noin 300 W/m2, mikä lisää huipunkäyttöaikaa 20-25% ja muuttaa tietenkin myös pysyvyyskäyrän muotoa. Nimellisteho saavutetaan noissa voimaloissa 11-12 m/s välillä.

    Veikkaan että tuon ottamalla huomioon laskelmasi muuttuvat jonkin verran.

    Se onko säätöteho millainen teknillis-taloudellinen ongelma ja miten koko analyysi pitää tehdä yhdessä muun tuotannon ja kulutuksen kanssa on sitten pidempi tarina.

    Tykkää

  2. Kiitos Jari!

    mikä lisää huipunkäyttöaikaa 20-25%

    Mikä tarkoittaa, että huipunkäyttöaika olisi 0,27 sijasta 0,32..0,34.

    Nimellisteho saavutetaan noissa voimaloissa 11-12 m/s välillä.

    Millä tuulennopeuksilla nykyiset myllyt saavuttavat nimellistehonsa? Esimerkiksi nappaamani kuva on vain 600 kW:n koneesta, ei melko vanha. Simulaation voisi nimittäin tehdä uudestaan säätämällä laskukaavaa vastamaan uusia myllyjä.

    Alhaisempi W/m2 -mitoitus tekee voimalan tehonmuutokset nopeammiksi, mylly reagoi tuulen muutoksiin herkemmin, mikä ei pienessä verkossa ole pelkästään hyvä asia. Sen edut tullevat paremmin esiin suuressa verkossa.

    Sähköverkko taitaa olla koko infrastruktuurimme monimutkaisin järjestelmä, jonka säätämisen teknis-taloudellisiin ongelmiin ei tämän perusteellisemmin ollut tarkoitus tässä syventyä. Periaatteet on silti hyvä kaikkien tietää, ja ne ovat yksinkertaisina: Tuotannon on joka sekunti vastattava kulutusta. Tuulivoima on tämän takia haasteellinen, rajallinen mahdollisuus.

    Tykkää

  3. ”Mikä tarkoittaa, että huipunkäyttöaika olisi 0,27 sijasta 0,32..0,34”

    Suunnilleen noin. Riippu toki tuulen nopeuden weibull-jakaumasta.

    Suomessa on Raahe mainio vertailupaikka. Siellä on viisi vanhemaa Siemensin voimalaa ja nejjä uudempaa. Sama generattorin teho ja napakorkeus, mutta uudemmissa 1,5 x suurempi roottorin pinta-alan.

    Joulu- ja tammikuun tilastoissa on uudempien voimaloiden käyttökerroin ollut karkeasti 50% ja 34% suurempi. Aika iso ero ja selittynee pääosin tuulen nopeuden eri jakaumalla.

    http://www.vtt.fi/files/projects/windenergystatistics/2010_12.pdf

    ja

    http://www.vtt.fi/files/projects/windenergystatistics/2011_01.pdf

    Huomaa myös Porin off-shore voimalan huikea tuontanto. Jos sattuu yhtään tavallista tuulisempi vuosipuolisko, niin ensimmäisen vuoden huipunkäyttöajassa voi 4000 tuntia paukkua rikki.

    Mitoitushan on teknillistaloudellinen valinta. Jos säätö- ja varavoima tai siirtoverkon rakentaminen alkavat maksaa liikaa, kokonaiskustannusten optimointi tapahtuu suurentamalla roottorin kokoa samalla nimellisteholla.

    Tällä on seurasta mm. USAn markkinoilla, joihon Vestas ja Repower myyvät voimaloita 100 metrin roottorilla ja 1,8 MW:n generaattorilla. Tietyillä hyvätuulisilla alueilla ei verkon vahvistaminen ole mahdollista tai onnistu järkevässä ajassa. Tällöin valitaan voimalat, jotka tuottavat mahdollisimman paljon, vaikka tuotantohinta per kWh nousisi reilustikin.

    Seurauksena on se että siellä maalle rakennettuja tuulipuistoja, joissa käyttökerroin on 45% tai yli.

    En usko että mitoituksen muuttaminen aiheuttaa paikallisen verkon puolella mainittavia ongelmia. Ylituotantotilanteessa voidaan voimaloita säätää alas, jos ei siirtoon ole kapasiteettia.

    Sen sijaan on selvää että tuulen muutos isomman sähköjärjestelmän alueella aiheuttaa suuremman tehonmuutoksen verrattuna nimelliskapasiteettiin silloin kun tehokäyrä on jyrkempi.

    Tällöin myös ennustevirhe tuulen nopeudessa aiheuttaa isomman ennustevirheen tuotannossa laskettuna prosentteina nimellistehosta. Tämä korostaa sitä että hyvät tuotantoennusteet ovat avainasemassa tuulivoimaa integroitaessa.

    Tykkää

  4. Hyvä postaus. Skenaario mitä pohdit on tietenkin hypoteettinen, mutta nyt kun asiaa mietin niin sitähän voisi tehdä vähän ehkä realistisemmaksi. Tuulivoimaahan rakennetaan ennen kaikkea tukiaspolitiikan ohjaamana eikä välttämättä sinne minne sitä olisi järkevintä rakentaa. Toisaalta, jos teemme sen oletuksen, että tukiaiset ovat samoja ympäri Eurooppaa niin edes silloin tuulivoimaa ei rakennettaisi tasaisesti vaan eniten sinne missä väestöntiheydet ovat suurimpia. (Saksalaiset rakentavat voimalansa Saksaan eivätkä vaikka Suomen lappiin ja vedä sieltä siirtolinjoja Saksaan.) Siinä mielessä olisi hauska tietää mitä säätötehon tarpeelle tapahtuu mikäli jakaisit asennetun tehon eri maihin siinä suhteessa mikä pisteen alla olevan maan väkiluku on. Jos samassa maassa on monta pistettä, niin näiden kesken maakohtaisen tehon voisi varmaan jakaa tasaisesti. Olettaisin, että tässä skenaariossa säätötehon tarve on suurempi kuin sinun laskussasi, mutta en osaa sanoa kuinka paljon suurempi.

    Tykkää

  5. Päivitysilmoitus: Tuulivoiman tuottoa ja luotettavuutta liioiteltu? « Kaikenhuipun blogi

  6. Tuli silmäiltyä nopeasti läpi. Ihmetytti vähän tiivistelmän sivut 25-26: fossiilisten polttoaineiden ja uusiutuvien poltettavien primäärienergiantuotanto ilmoitettiin lämpöenergiana, ydinvoiman primäärienergiantuotanto pelkästään sähköenergiana. Tekstilaatikko sivulla 25 kertoo kyllä tämän, mutta voi jäädä aika monelta havaitsematta.

    Mielenkiintoinen tuo kyllä on, ja hyviä uutisia sinänsä. Sain kuitenkin sen käsityksen, että uutisoinnin otsikko ”uusiutuvat riittäisivät maailman energiantuotantoon” viittaa raportin optimistisimpaan skenaarioon. Tästähän ei liene kiistaa kenenkään asiaan perehtyneen kanssa, kyllähän uusiutuvat teoriassa riittäisivät – eri asia on vain se, saadaanko niitä rakennettua ja verkkoon kytkettyä siinä tahdissa, kuin pitäisi.

    Tykkää

  7. Ihmettelin Janne vähän samaa. Vaikkakin huolta on selkeästi pidetty, että jokaisen kuvan yhteydessä tuon valinnan vaikutusta korostetaan ja viitataan siihen asian selittävään Box 2:een. Esitystapa saa kaikki ei polttoon perustuvat energiamuodot (tuuli, aurinko, geoterminen, ydinvoima) näyttämään suhteessa pienemmiltä fossiilisiin ja bioenergiaan verrattuna, mikä vaan täytyy tiedostaa. Eniten tämä oikeastaan vaikuttaa tuohon sivun 6 kuvaajaan kaikkien energialähteiden nykyisistä osuuksista. Kuvaaja on jotenkin harhaanjohtava, varsinkin kun aiemmin tekstissä on kerrottu, että bioenergiasta yli 60% on risujen polttoa kehitysmaiden kotitalouksissa (hyötysuhde varmasti päätä huimaava).

    Ja vielä suora linkki raporttiin:
    http://srren.ipcc-wg3.de/report/srren-spm-fd4

    Valitettavaa oli myös huomata, että SPM:n kpleessa 5 käsiteltäessä eri vaihtoehtojen GHG-taseita on bioenergiaa esitelty toinen silmä ummessa. Kuva SPM.8 on tältä osin huono.

    -Tuomas

    Tykkää

  8. Tuo pienpolton huima osuus jää kokemukseni mukaan monelta havaitsematta – varsinkin, jos tarkoituksena on edistää uusiutuvia. Ikävä homma, varsinkin jos bioenergian GHG-taseet on asetettu turhan optimistisiksi.

    Sinänsä tuolle primäärienergian esitystavalle on perusteita – tällä hetkellä ydinvoima tuottaa käytännössä vain sähköä. En ole silti varma, onko tuo paras tapa esittää ko. asia.

    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