Tanskan ja Euroopan tuulivoimavertailua

Kahdessa edellisessä artikkelissa käsittelin Tanskan ja Euroopan tuulivoimaa. Tanskan esimerkki pohjautui todellisiin, mitattuihin tietoihin. Euroopan esimerkissä käytin Tanskan tietojen perusteella luotua laskukaavaa Euroopan oletetun tuulivoimatehon laskemiseen mitattujen tuulennopeuksien perusteella.

Tässä kolmannessa artikkelissa tarkastelen säätövoiman tarvetta ja tuulivoiman tehonmuutosten todennäköisyyksiä sekä Tanskassa että Euroopassa.

Perusvoima

Perusvoimalla tarkoitetaan sitä sähköverkkoon syötettävää tehoa, joka ei muutu tarkastelujakson aikana. Otetaan esimerkiksi Suomen mitattu kulutus viime keskiviikolta. Tiedot löytyvät NordPoolista. Kuvassa on sekä tuntikäyrä, että pysyvyyskäyrä. Perusvoimalla katettava kulutus, 10000 magawatin alapuolinen osuus, on kuvassa väritetty sinisellä. Sen yläpuolinen osuus katetaan säätövoimalla. Lisäksi voidaan tarvita huippuvoimaa, jos kulutuksessa olisi lyhytkestoinen korkea piikki, mitä tässä ei ole.

Kuva 1.

Koko vuoden kulutuksesta tehty pysyvyyskäyrä kuvastaa paremmin tarvittavan perus-, säätö- ja huippuvoiman tarvetta. Lisäksi tarvitaan varavoimaa.

Perusvoima kannattaa tuottaa mahdollisimman halvalla, koska sitä tarvitaan koko ajan. Säätövoima saa olla kalliimpaa, ja sen pitää olla helposti säädettävissä. Huippuvoima saa olla hyvinkin kallista, esim. lentopetrolilla toimivaa kaasuturbiinitehoa. Se on laitoksena halpa rakentaa, ja vaikka käyttö on kallista, tarve on lyhytaikaista ja ratkaisu kokonaistaloudellisesti edullisin.

Perus- ja säätövoiman raja on veteen piirretty viiva, koska myös perusvoimalaitoksia voi säätää, myös ydinvoimaloita.

Tuulivoiman käyttö perusvoimana

On itsestään selvää, että satunnaisesti vaihteleva tuulivoima ei yksinään sovellu perusvoimaksi. Sitä ei voida säätä, joten se ei sovellu säätövoimaksikaan, eikä huippuvoimaksi. Sillä voidaan ainoastaan täydentää muuta tuotantoa.

Katsotaan miltä tuulivoiman täydentämä perusvoima näyttäisi. Alla olevissa kuvissa on Tanskan ja koko Euroopan alueen tuulivoiman pysyvyyskäyrät. Alapuolinen sininen alue on tuulivoimalla tuotettu osuus, punainen on säätövoimalla tuotettu osuus. Yhdessä ne muodostavat perusvoimatuotannon.

Kuva 2.

Silmämääräisesti nähdään, että osuuksien suhde Tanskassa ja Euroopassa ei ole mitenkään oleellisesti erilainen. Se on vähän yllättävää, koska laajemmalla alueella voisi olettaa tuulen tehonvaihtelun tasaantuvan merkittävästi. Valkoisen viivan alapuolinen osuus kuvastaa sitä osaa tuulivoimasta, joka toimii koko ajan eikä tarvitse säätöä.

Säätötarvetta voidaan vähentää jättämällä tuulivoiman huippu käyttämättä. Se kannattaa ehkä tehdä, niin ei tarvita yhtä paljon säätöä. Käytetään siis tuulivoimasta vain 80 % huipun tehosta, leikataan ylimenevä osa pois. Kuvat näyttävät nyt tältä.

Kuva 3.

Tanskasta voisi leikata enemmänkin, mutta olkoon nyt näin.

Seuraavissa ympyräkaavioissa nähdään perusvoimatuotannon tuuli- ja säätöosuudet.

Kuva 4.

Euroopan tapauksessa säätöä tarvitaan luonnollisesti vähemmän, mutta silti edelleen lähes puolet – 46 %.

Tuulivoiman korvaama hiilivoimakapasiteetti

Jos lähdetään siitä, että tuulivoimalla halutaan korvata hiilivoimaa, katsotaan seuraavaksi, paljonko hiilivoimaloita tuulen avulla voisi sulkea lopullisesti. Vastaus nähdään kuvista 2 ja 3. Valkoisen viivan alapuolinen tuulivoiman osuus ei tarvitse säätöä lainkaan, tuuliteho ei koskaan laske viivan alle.

Tanskassa tuulivoima voi korvata 4  % hiilivoimakapasiteettia suhteessa tuulivoiman asennettuun tehoon. Euroopassa luku on 9 %. Huomaa, että kuvissa Euroopan tuulivoiman maksimiteho on vain 39 % asennetusta tehosta. Näin ollen, jos Eurooppaan rakennetaan esim. 100 000 MW tuulivoimaa, voidaan hiilivoimaloita lopullisesti sulkea vain 9000 MW:n edestä. Loput tarvitaan edelleen säätövoimaksi. Ne on pidettävä edelleen kunnossa, miehitettynä ja käynnistysvalmiudessa, osa käynnissä vajaateholla valmiina säätämään. Vajaateholla hiilivoimalan hyötysuhde huononee.

Tuulivoiman säätöön paras on vesivoima, mutta sitä on rajallinen määrä käytettävissä.

Tuulivoiman tehon muutosnopeudet

Lopuksi tarkastellaan tuulivoiman tehon muutosnopeutta. Tarkastelu pitäisi tehdä tuntitasolla, jopa minuuttitasolla, koska sähköverkkoa täytyy säätää minuuttitasolla. Käytettävissä on nyt kuitenkin vain vuorokausitason tietoja, joten tyydytään siihen. Alla olevat kuvat näyttävän tuulivoiman tehonmuutoksen todennäköisyysjakaumat. Yksikkönä on prosentti. Esim. kuvasta 5 nähdään todennäköisyys sille, että Tanskassa tuulivoiman teho vähenee vuorokaudessa 20 % (vaaka-akseli) on n. 10 % (pystyakseli).

Kuva 5.

Kuva 6.

Tässä on huomattava ero Tanskan ja Euroopan välillä. Euroopan tuulivoima vaihtelee vähemmän ja on siten helpommin säädettävissä kuin Tanskan, mikä oli ennalta odotettavissa. Tuntitasolla ero on todennäköisesti vielä suurempi.

Tämä, ja kaksi edellistä artikkelia antavat toivottavasti jonkunlaisen käsityksen tuulivoiman mahdollisuuksista ja ongelmista. Olemme nähneet, että tuulivoiman tehonmuutokset ovat ongelma, joka vähenee rakennettaessa tuulivoimaa laajemmalle alueelle ja yhdistämällä alueen sähköverkot, mutta ongelma ei poistu. Tuulivoima voi korvata kokonaan muuta tuotantokapasiteettia vain n. 9% asennetusta tehostaan vaikka sitä rakennettaisiin koko Euroopan alueelle. Suuren tuulivoima-alueen säädettävyys on parempi kuin pienen.

Kompastuskiveksi suuren alueen tuulivoiman hyödyntämisessä muodostuu tarvittava suuritehoinen ja kattava runkoverkko. Esimerkkinä voidaan ajatella Brittein saaria, jossa sähkönkulutus on vuoden aikana keskimäärin 40000 MW. Huipputehoa en tiedä, mutta se on arvattavasti joitakin kymmeniä prosentteja keskiarvoa suurempi. Tuulettomana aikana suuri osa tästä teho jouduttaisiin tuomaan saarivaltakuntaan runkoverkkoa pitkin ehkä hyvinkin kaukaa. Tarvittava runkoverkko on kallis, sen rakentaminen kestää kauemmin kuin tarvittavan tuulivoimatehon rakentaminen Verkko olisi hyvin haavoittuva jättäen pahimmassa tapauksessa koko saarivaltakunnan ilman sähköä. Nykyinen runkoverkko ei pysty siirtämään kuin pienen osan tarvittavasta tehosta.

Samanlainen tehonvaihtelu koskee useita muitakin uusiutuvia energiamuotoja, kuten aurinko-, aalto- ja vuorovesivoimaa. Vesivoimaa ja biomassaa voidaan säätää, mutta niiden potentiaali on rajallinen. Geoterminen lämpö ei käytännössä ole täysin uusiutuva, koska porareikä vuosien mittaan jäähtyy ja lämpö ehtyy.

Edelliset artikkelit:

Aikaisemmat artikkelit tuulivoimasta:

Muita lähteitä:

10 thoughts on “Tanskan ja Euroopan tuulivoimavertailua

  1. Näyttää enemmän olevan ydinvoiman puolustajia liikenteessä, perseeseen ammutun karhun mielentilassa!

    Joku kirjoittikin US:n blogissa miten onnettomuuksien todennäköisyydet koostuvat kahdesta komponentista.
    Sellaisista skenaarioista joihin insinöörit ovat osanneet varautua ja niistä, jotka eivät ole tulleet heille mieleen.

    Vaikka tämä ensimmäinen olisikin Suomessa hyvin hallinnassa eikä täällä ole maanjäristyksiä tai tsunameita, niin tämä toinen puoli on silti olemassa meidänkin voimaloissamme. On olemassa mahdollisuus sellaiseen onnettomuteen, johon ei ole osattu varautua.

    Tykkää

  2. Näyttää enemmän olevan ydinvoiman puolustajia liikenteessä, perseeseen ammutun karhun mielentilassa!

    Jaaha. Aion kyllä ottaa asiaan kantaa, mutta vasta sitten, kun tiedetään mitä on tapahtunut. Tuossa voi mennä viikko tai pari ennen kuin tilanne stabiloituu.

    Joku kirjoittikin US:n blogissa miten onnettomuuksien todennäköisyydet koostuvat kahdesta komponentista.
    Sellaisista skenaarioista joihin insinöörit ovat osanneet varautua ja niistä, jotka eivät ole tulleet heille mieleen.

    Tämä on aivan totta, ja insinööritkin tietävät sen. Osittain reaktorin sulkeminen suorajarakennuksen sisään palvelee juuri tuota jälkimmäistä kohtaa, eli vaikka sitten kaikki meneekin persiilleen, tapaus on pyritty rajoittamaan laitoksen seinien sisälle. Toistaiseksi tilanne on käsittääkseni tämä.

    Sen voi ehkä nyt jo sanoa, että jos diesel-sähköä ei tosiaankaan ollut käytettävissä, se on aika anteeksiantamatonta. Insinöörit osaavat suunnitella maanjäristyksen JA tsunamin kestäviä dieselkoneistoja. Ei pitäisi olla edes vaikeaa. Minäkin osaisin. Höyrynpaineella ja akkusähköllä toimivat jäähdytysjärjestelmät lienevät silti toimineet.

    Uutisvirrasta päätellen Japanissa on tapahtunut ydinkatastrofi. Muistanko väärin, vai oliko siellä kymmeniä tuhansia kuolleita jostain muusta syystä?

    Tykkää

  3. Juu, ihmisten täytyy vain opetella elämään ydinvoimaloiden ja uraanikaivosten kanssa.

    Ehkä evoluutio lopulta tuottaa ihmislajin, joka ei pelkää säteilyä?

    Itse olen lämmittänyt tänä talvena klapeilla sähkölämmityksen lisäksi. Sehän on tunnetusti vaarallista ja aiheuttaa N kuolemaa vuodessa.
    En ole tarkemmin perehtynyt alan tutkimuksiin, mutta olen pohtinut, että millaista on kuolla puulämmityksen päästöihin?
    Missään ei näy hiukkaspäästöihin äkillisesti kuolleita, esim. koiran ulkoiluttajia.

    Lieneekin niin, että puulämmityksen hiukkaspäästöt enneaikaistavat kuolemaa, joka vie lopulta heikentyneen yksilön.
    Onkohan siitä tietoa kuinka paljon elämä tämän takia lyhenee?

    Uutisoinnista päätellen milloin mikäkin teko vaikuttaa elinikään. Jokainen suupala joko pidentää tai lyhentää sitä.

    Tykkää

  4. Ihmisten täytyisi oppia elämään riskien kanssa. En tosiaan minäkään olen nähnyt kuolleita koiranulkoiluttajia lähinurkilla. Onko niitä näkynyt Japanissa?

    Minulta on tänä talvena jäänyt klapilämmitys hyvin vähiin. Sen sijaan olen ajanut autolla, ja siten riskeerannut omani, kanssamatkustajieni ja täysin vieraiden, minulle tuntemattomien ihmisten hengen. Toiminnassa, joka aiheuttaa n. 300 kuolemaa yksin Suomessa joka vuosi, loukkaantumisia useita tuhansia. Uhrikulu ylittää jokyhyessä ajassa Tsernobylin viralliset uhrilukemat. Pitäisikö seuraavan hallituksen laatia strategia jolla luovutaan liikenteestä? Vai jatketaanko sittenkin liikenteen turvallisuuden parantamista?

    Hiilikaivosonnettomuuksissa on kuollut ilmeisesti muutama sata tuhatta ihmistä tähän mennessä. Ja sattuuhan erilaisia onnettomuuksia tämän tästä, esim. Japanissa ilmeisesti joitakin kymmeniä tai satoja on kuollut öljyjalostamoissa ja kaasuterminaaleissa sattuneissa tulipaloissa ja räjähdyksissä, tuskin ovat ylittäneet uutiskynnystä.

    Muuten lienee niin kuin oletit, fossiilisten polttoaineiden käyttö vähentää elinikäodotetta, ja se näkyy tilastoissa. Ehkä vanhojen ihmisten tappaminen ei ole niini paha asia?

    Tykkää

  5. Ehkä ihmisten on helpompi hyväksyä riskejä, kun ne eivät ole liian pistemäisiä.
    Suurin osa meistä hyväksyy liikennekuoleman riskin lähtemällä sitä enemmin ajattelematta aamulla töihin tai viikonlopuksi mökille.

    Jos ilmoitettaisiin, että viikonloppuna tulee Suomessa muutama kuolemaan radioaktiivisiin päästöihin, niin aika moni sulkeutuisi sisätiloihin, vetäisi jodi-tabletit naamaan ja jäisi odottamaan lauantai-illan lottoarvontaa.

    Puulämmityksen haittoja voitaisiin vähentää tekemällä pitempiä korsteeneja, jolloin riskin pistemäisyys vähenisi. Tällä varmaan ei olisi kuitenkaan mitään vaikutusta eliniän odotteeseen?

    Tykkää

  6. Ihmisten suhtautuminen riskeihin on aika irrationaalista, kyllä. Olisi hyvä pitää pää kylmänä ja ajatella kaksi kertaa ennen kuin tekee tai sanoo mitään. Nukkua vaikka yön yli jos ei heti tiedä.

    Tykkää

  7. Tästä aiheesta on muuten tehty väitöskirjatason tutkimusta jo yli kymmenen vuotta sitten. Risön rapsan löysin tähän hätään, Giebelin väikkäriä en:

    http://130.226.56.153/rispubl/vea/veapdf/ris-r-1182.pdf

    Tuosta voit vertailla analyysisi tulosta. Uudempaa analyysiä on Trade-Wind -projektista:

    http://www.trade-wind.eu/fileadmin/documents/publications/Final_Report.pdf

    Tuulivoiman kapasiteettiarvolaskelmasi menee sen sijaan pahasti pieleen koska oletat muiden voimaloiden käytettävyydeksi 100%., mitä se ei ole. Eli metodiikassa on hieman hiomista.

    Lauhdevoimaloilla energiaepäkäytettävyys on tyypillisesti luokkaa 5%, ydinvoimaloilla 2%.

    Jotta ”Tuulivoiman korvaama hiilivoimakapasiteetti” -analyysi voitaisiin tehdä oikein tarvitaan aikasarjat tuulivoiman tuotannosta, sähkön kulutuksesta ja vesivoimatilanteesta. Sen lisäksi tarvitaan olemassaolevan voimalakannan ja siirtolinjojen (ja kaasuputkien?) FOR (forced ourage rate). Toki vielä parempi olisi MTTF ja MTTR (mean time to failure/repair) arvot jokaiselle voimalalle/linjalle.

    Tähän päälle pitäisi pystyä arvioimaan yhteisvikaantumisen todennäköisyys eli käytännössä siis ydinvoimaloiden kohdalla havaittu suunnittelu/säätövirhe, jonka johdosta kaikki saman tyypin voimalat joudutaan pysäyttämään tilanteen korjauksen ajaksi. Tai sitten trombi pyyhkäisee Olkiluodon niemen poikki ja katkaisee koko klusterin siirtolinjat.

    Sitten pitää määrittää hyväksyttävä LOLP (loss of load probability) ja LOEE (loss of energy expectation), mutta tämä onkin hankalampaa, koska ensin pitäisi tietää mikä on VOLL (value of loss load), joka sitten onkin riippuvainen käyttäjästä, katkon pituudesta ja katkon ennakoitavuudesta.

    Optimikohta LOLP tai LOEE-arvoille löydetään tietenkin paikasta jossa VOLL ja tehon saatavuuden turvaavan lisäkapasiteetin (kaasuturbiinit) hinta saavuttaa minimin.

    Kun tuota analyysiä pyörittää niin voidaan havaita muutamia seikkoja.

    1. Tuulivoiman kapasiteettiarvo on hyvin lähellä sen huippukuluksen ajan keskitehoa kun sitä lisätään pieniä määriä. Se lähtee kuitenkin voimakkaasti laskuun ja laskee isoissa määrissä sitten tietylle vakiotaolle, joka riippuu pääasiassa muiden voimaloiden FORista.

    2. Isojen ydinvoimaloiden kapasiteettiarvo pienissä sähköjärjestelmissä on heikko, vaikka FOR saataisiin tasolle 2%.

    Jos vielä samaan järjestelmään laitetaan useampi saman tyypin ylikokoinen yksikkö, niin tilanteen yhteisvikaantumisen riskien ymmärtäminen ei tunnu oikein olevan hallussa juuri kellään. Tai sitten riskit ymmärtävät haluavat olla hiljaa niin kauan että ydinlobbaus on saatu loppuun ja lupa Fortumillekin on saatu.

    Tykkää

  8. Päivitysilmoitus: Kapasiteettikertoimen muutos ja sen vaikutus energiapaletissa « PassiiviIdentiteetti

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