Lisääntyvä aurinko- ja tuulivoima – kaaos vai pysyvä energiaratkaisu?

Tällä hetkellä Suomi tulee tuulivoiman käytössä muuta Eurooppaa jäljessä. Vuonna 2011 Suomessa oli 130 tuulivoimalaa, joiden tuulivoimakapasiteetti oli 197 megawattia. Kokonaissähkönkulutuksesta tuulivoimalla katetaan noin 0,3 prosenttia. EU:n asettaman tavoitteen mukaisesti Suomi on sitoutunut rakentamaan uutta tuulivoimatuotantoa vuoteen 2020 mennessä yhteensä 2500 megawattia.

Lappeenrannan teknillisen yliopiston tuulivoimateknologian professori Olli Pyrhönen kertoo, että Suomessa otettiin käyttöön vuonna 2011 tukijärjestelmä, joka on edesauttanut tuulivoimalahankkeiden aloittamista. Tukijärjestelmä takaa tukea tuottajalle 12 vuoden ajan.

Tavoitteena on, että vuonna 2020 Suomen sähköstä kuusi prosenttia tuotetaan tuulivoimalla.

– Varsinkin rannikolle rakennetaan tuuliturbiineja, koska siellä tuulee enemmän ja tasaisemmin. Tuuliturbiineja voidaan pystyttää myös sisämaahan, kun teknologian kehittyessä turbiinien korkeus nousee tarpeeksi korkealle, kertoo Pyrhönen.

Uudet tuuliturbiinit ovat 3-5 megawatin suuruusluokkaa, niiden torni on 100 – 140 metriä korkea ja roottorin halkaisija 100 metriä. Tulevaisuudessa tähdätään jopa 15-20 megawatin voimaloihin.

Suurten tuulivoimaloiden lisäksi pientuulivoima on varteenotettava kiinteistökohtainen sähköenergian tuotantomuoto. Teknologiaa on saatavilla sekä vaaka- että pystyroottorikonstruktiona, ja osa voimaloista soveltuu sijoitettaviksi rakennusten katoille. Monissa maissa pientuulivoiman tuotantoa tuetaan, ja tuottaja voi myydä ylijäämäsähkön verkkoon takuuhinnalla.

Pyrhönen harmittelee, että Suomessa tuetaan vain suuria, yli 500 kilowatin turbiineja, eikä pientuulivoima saa lainkaan tukea.

Tuulivoima yksin ei ole ratkaisu, mutta sen avulla on mahdollista saavuttaa tasapaino erilaisten energiamuotojen, kuten bioenergian ja tuulivoiman, välillä.

– Potentiaalia on, mutta se vaatii yhteistyötä ja sitoutumista. Yhteistyöllä pääosa ihmiskunnan energiasta voitaisiin tuottaa ympäristöystävällisemmillä menetelmillä, Pyrhönen toteaa.
 

Aurinkoenergian valoisa tulevaisuus

Saksa on aurinkoenergian edelläkävijämaa. Vuonna 2010 kaksi prosenttia energiasta tuotettiin auringosta. Tavoitteena on tuottaa neljännes koko energiatarpeesta auringon avulla vuoteen 2050 mennessä. Aurinkovoiman rakentamista vauhdittaa aurinkosähköenergian takuuhinta, joka koskee myös pientuottajia. Suomessa pientuotantoa ei tueta.

Suomi ei ole juurikaan Keski-Eurooppaa huonompi alue aurinkoenergian tuotannon kannalta. Pimeitä talvia kompensoi valoisa kesä, jolloin aurinkoa riittää lähes vuorokauden ympäri. Lisäksi Suomen etuna on matala ympäristön lämpötila, joka parantaa aurinkokennojen hyötysuhdetta.

Syöttötariffin ja pientuottajasäädösten puuttuminen on jarruttanut Suomen aurinkoenergiatuotannon kasvua. Aurinkopaneelijärjestelmien hinta on laskenut viime vuosina huimasti, ja seuraavien 5-10 vuoden aikana aurinkopaneelijärjestelmien hankkiminen tulee taloudellisesti kannattavaksi Suomessa ilman syöttötariffejakin. Tämä onkin saanut yksittäiset ihmiset ryhtymään sähköenergian pientuottajiksi, ja Power to the People -ajattelu yleistyy hyvää vauhtia myös Suomessa.

Nuorempi tutkija Mikko Purhonen tutkii Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla aurinkoinvertteriä.

– Se muuntaa aurinkopaneelilta tulevan sähkön verkkoon sopivaksi mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Tavoitteenani on kehittää aurinkoinvertteri, jonka hyötysuhde on kova, 97-98 prosenttia.

Purhonen näkee aurinkoenergian tulevaisuuden valoisana.

– Aurinkoenergia on ilmaista, sitä riittää, sen hyödyntäminen ei saastuta eikä sen tuottaminen synnytä melua. Euroopassa aurinkoenergian tuottaminen on iso bisnes, suurimmat aurinkosähkön tuottajat ovatkin Euroopassa. Saksa on suurin tuottaja, Italia kakkosena, Espanja kolmanneksi suurin tuottaja. Saksassa suurin osa tuotetaan omakotitalojen yhteydessä olevilla aurinkokennoilla, kun taas Espanjassa on keskitytty suuriin aurinkopuistoihin.

Professori Jero Ahola on perehtynyt hajautettuun energiantuotantoon.

– Mikäli asetamme tavoitteeksi, että vuoteen 2022 mennessä Suomessa käytetystä sähköenergiasta  tuotetaan prosentti aurinkovoimalla, tarvitaan ihmisten kiinteistöjen katoille miljoona 1 kilowatin aurinkosähkövoimalaa. Se puolestaan tarkoittaisi 100 000 voimalan asennusta vuosittain kymmenen vuoden ajan. Investointia voisi verrata esimerkiksi tulisijaan tai ilmalämpöpumppuun, joita molempia asennettiin vuonna 2010 noin 60 000 kappaletta. Tavoite on realistinen, mutta se vaatii kunnilta ja valtiolta kannustustoimia; on laadittava menettelytavat, joilla kiinteistö liitetään standardoidusti sähköverkkoon. Samoin kuntien rakennustoimen määräykset hankaloittavat nykyisellään kattoasennuksia.
 

Green Campus

Lappeenrannan teknillisen yliopiston kampuksella seisoo uunituore 20 kW:n tuulivoimala, jonka tornin korkeus on 30 metriä ja roottorin halkaisija 12 metriä. Keväällä yliopiston katolle rakennetaan aurinkovoimala, jonka teho tulee olemaan 10 – 20 kW. Tuuli- ja aurinkovoimala antavat tutkijoiden käyttöön aidon tutkimusvälineen ja todelliset käyttöolosuhteet. Järjestelmästä tulee moderni tuotekehityslaboratorio, joka soveltuu hyvin yliopiston tutkimus, harjoittelu- ja oppilastyökohteeksi.

Voimaloista saatava energia syötetään LUT Energian laboratorioon, mikä mahdollistaa monipuoliset sähköntuotannon ja jakeluverkoston tutkimukset. Tuotettu sähkö käytetään aluksi kampuksen ulkovalaistukseen sekä sähköautojen, -polkupyörien ja -skootterin lataamiseen. Green Campus -hankkeen edetessä käyttömahdollisuudet lisääntyvät.

Tuulivoimala antaa mahdollisuuden tutkia monia tuulivoimateknologian lisääntymisen kannalta merkittäviä tutkimusaiheita. Rakenteiden optimointi, rakenteiden värähtelyjen hallinta, materiaalitekniikka, kunnossapidettävyys sekä rakenteiden ja osien edullinen valmistettavuus kiinnostavat niin tutkijoita kuin tuulivoima-alan yrityksiäkin.

Kasvava tuulienergian tuotanto johtaa tarpeeseen lisätä tuulivoimaloiden kunnossapitoon liittyvää tietämystä ja käytännön osaamista. Tätä osaamista kehitetään LUT:ssa koko ajan. Myös Etelä-Karjalaan sijoittuneet alan yritykset hyötyvät tutkimuskäyttöön tarkoitetusta tuulivoimalasta.
 

Smart Grid – Power to the People

Tuuli- ja aurinkovoiman lisääminen asettaa monia uusia haasteita koko sähköenergiajärjestelmälle. Niiden tehoahan ei voi ohjata kuin alaspäin. Perusperiaate sähköenergiajärjestelmissä on kautta aikojen ollut, että tuotanto seuraa kulutusta – järjestelmässä on oltava kulutuksen ja tuotannon tasapaino joka hetki.

Kuinkas sitten toimitaan, kun pääosa tuotannosta onkin ohjaamatonta?

Ensinnäkin tämä edellyttää tehokasta Euroopan laajuista sähköverkkoa, jossa tehoa voidaan siirtää joustavasti maasta toiseen. Tämä mahdollistaa sähkön siirron esimerkiksi tuuliselta alueelta alueille, joissa on puutetta tuotannosta esimerkiksi pilvisen sään vuoksi. Tehotasapainon hallinta edellyttää myös mahdollisuutta kuormien ohjaukseen (ilman kuluttajille aiheutuvaa haittaa) ja energiavarastojen hyödyntämistä. Tuleekin olemaan hetkiä, jolloin kuormat seuraavat vaihtelevaa tuotantoa.

Sähkön varastoinnin suhteen on mitä ilmeisimmin tapahtumassa vallankumouksellinen muutos, kun sähköautojen kehittämisen myötä nopeasti kehittynyt akkuteknologia mahdollistanee 10-15 vuoden kuluttua sähkön varastoinnin taloudellisesti ja laajassa mittakaavassa. Maantieteellisesti hajautunut pientuotanto, kuormien ohjaus (kysynnän jousto) ja sähkön varastointimahdollisuus ovat ratkaisumalleja sähköenergiajärjestelmän hallintaan myös tilanteessa, jossa suurin osa sähköstä tuotetaan uusiutuvilla ohjaamattomilla tuotantotavoilla.

Lappeenrannan teknillisen yliopiston Green Campus -hankkeessa kaikki edellä kuvatut palikat yhdistetään toisiinsa Smart Gridin – älykkään sähköverkon avulla. Älykkäässä sähköverkossa kulutetaan, tuotetaan ja varastoidaan energiaa. Verkossa tapahtuvilla jatkuvilla mittauksilla saadaan tarkkaa tietoa siitä, milloin ja missä sähköä käytetään. Mittaustuloksia hyödynnetään energiatehokkuussuunnitelmissa. Järjestelmäkokonaisuus on ensimmäinen suuren mittaluokan pilotti Suomessa, ja sitä hyödynnetään opetuksessa sekä tutkimustoiminnassa osana valtakunnallista Smart Grid –tutkimusohjelmaa.

Älykkään sähköverkon kuormitusta voidaan ohjata tarpeen mukaan. Kulutushuippuja pystytään tasaamaan siirtämällä verkon kuormitusta. Tulevaisuutta ovat akkujen käyttö energiavarastona, jolloin akkuja käytetään kuormitushuippujen tasaamiseen. Hiljaisena aikana akkuja ladataan ja kuormitushuippujen aikana niistä saadaan sähköä verkkoon.

Keskeinen asia älykkäässä sähköverkossa on se, että yksittäinen sähkön käyttäjä voi osallistua aktiivisesti sähkömarkkinoille. Ylijäämä omasta energiantuotannosta voidaan syöttää sähköverkkoon. Omia kuormituksiaan, esimerkiksi lämmitysvaraajan vastustehon, voi tarjota säätösähköksi tai työkaluksi sähkön myyjän tasevirheiden minimointiin. Tavoitteena on, että sähkönkäyttäjä on kuningas markkinoilla – siis kuten muillakin hyödykemarkkinoilla. Siis vielä kerran – Power to the people.

Omakotitalon energiaratkaisuna verkkoon kytketty aurinkosähkövoimala, joka tuottaa noin viidenneksen kulutetusta sähköstä.
 

Kysymys-/vastauspalsta MuroBBS:ssä

Foorumin puolella on edelleen oma viestiketju, jossa Lappeenrannan teknillisen yliopiston tohtoriopiskelijat ja professorit vastaavat murolaisten kysymyksiin. Kysymykset voivat liittyä yhtä hyvin opintoihin kuin muihinkin energia-, sähkö- tai ympäristötekniikan kiinnostaviin kysymyksiin, esimerkiksi tuulivoimaan, aurinkoenergiaan, bioenergiaan, ydinvoimaan ymv. Toki myös Lappeenranta opiskelukaupunkina voi herättää mietteitä. Kysymyksissä voi nostaa esille omakohtaisia kokemuksia, oivalluksia ja haasteita, joihin on törmännyt energiaan liittyen. Emme rajaa aiheita tiukasti, joten nyt vain kysymysten pariin ja odottamaan vastauksia!

Tässä vastauksia jo muutamaan kiinnostavaan kysymykseen.

Kuinka älykkäät sähköverkot auttavat vuoden lopussa tapahtuneissa laajoissa sähkökatkoissa?

Lyhyellä aikavälillä apu on marginaalinen. Ainoa tehokas keino pahojen myrskyjen suhteen on laittaa verkot sääoloilta suojaan, käytännössä siis maahan. Toki oma energiatuotanto auttaisi pitämään toiminnassa tärkeimmät toiminnot, olettaen että tuulee tai aurinko paistaa. Lähivuosina energiavarastojen eli akkujen hinnat ovat vielä liian kalliita laajaan käyttöön. Energiavarastojen kapasiteetti on myös riittämätön vuorokausia kestävien sähkökatkojen varalta. Pitemmällä aikavälillä kun verkot ovat pääosin maakaapelia sähkönkäyttö voidaan turvata myös muutamien tuntien mittaisten verkkovikojen aikana oman tuotannon ja akkujen avulla.

Onko aurinkoenergia pysyvä pitkän aikavälin energiaratkaisu – jääkö tuulienergia välivaiheen ratkaisuksi (ja mitä muita vaihtoehtoja voisi olla tai kuinka pitkälle aurinkoenergialla voisi korvata nykyisiä muita energian lähteitä?)

Pitkällä aikavälillä, siis joskus 2050+ aurinkoenergia voi olla pääasiallinen energian tuotantoratkaisu. Ensinnäkin se mitä todennäköisemmin on tuolloin erittäin taloudellinen tapa tuottaa sähköä, ja sähkön varastointi voidaan toteuttaa tehokkaasti. Toki vesivoimaa, tuulivoimaa ja bioenergiaa tuotetaan aina niillä alueilla, joissa sitä on luontevasti tarjolla. Tuulivoimaa tuotetaan todennäköisesti valtavissa merellä sijaitsevissa tuulipuistoissa, määrä riippuu kuitenkin merkittävästi investointi- ja käyttökustannusten kehityksestä. Hiilen polton ja ydinenergian käytön ehtona on pitkällä aikavälillä kaksi reunaehtoa. Hiilen osalta täysin puhdas poltto ja ydinenergian osalta superturvallinen prosessi. Juuri nyt maailman johtavat kansakunnat laittavat suurimman osan tutkimusresursseistaan uusiutuviin energialähteisiin perustuviin teknologioihin. Täysin puhdas hiilenpoltto ja superturvallinen ydinvoima ovat pienemmällä painolla tutkimusstrategioissa.

Mikä Saksassa on laukaissut todella rajun kehityksen aurinkosähkön hyödyntämisessä?

Saksassa on tehty useita toimenpiteitä aurinkovoiman lisäämiseksi. Aurinkovoimakapasiteetin osalta merkittävin edistäjä on ollut  vuodesta 2004 alkaen syöttötariffijärjestelmä, joka koskee myös pientuottajia. Järjestelmä on porrastettu siten, että tuotantokapasiteetin kasvaessa syöttötariffi pienenee. Esimerkiksi vuonna 2011 alle 30 kW laitoksen tuottamasta sähköenergiasta maksetaan vajaa 29 senttiä/kWh. Vertailukohtana tähän Suomessa kuluttaja maksaa käyttämästään sähköenergiasta noin 10 senttiä/kWh. Syöttötariffin lisäksi Saksassa aurinkovoimalan sähköverkkoon liittymisessä tarvittava byrokratia on tehty yksinkertaiseksi. Esimerkiksi 5 kW nimellistehoisen aurinkovoimalan osalta byrokratian hoitamiseen kuluu keskimäärin kaksi tuntia. Syöttötariffijärjestelmän lisäksi Saksassa on panostettu pitkäjänteisesti aurinkosähköjärjestelmien teknologiakehitykseen, mikä on synnyttänyt sekä aurinkopaneeleja, verkkoliityntälaitteita ja muuta aurinkosähköjärjestelmiin komponentteja valmistavaa kotimaista teollisuutta.

Miksi Suomessa on vain vähän tuulivoimaa ja aurinkovoimaa?

Suomessa ei ole tehty vastaavia toimenpiteitä kuin Saksassa. Suomessa energiantuotantoa on tähän saakka ajateltu keskitettynä ja suuren mittakaavan toimintana, jossa sähköenergiaa siirretään suurilta voimalaitoksilta energiatehokkaasti sähköverkkoja pitkin kulutuskohteille. Tuotantoa säädetään ja optimoidaan tehontarpeen perusteella. Hajautettua tuotantoa ja erityisesti mikrotuotantoa on voitu tavallaan pitää merkityksettömänä kokonaisuuden kannalta. Lisäksi on ajateltu, että tuotantoteholtaan kontrolloimattomalta tuuli- ja aurinkovoimasta tulee lähinnä haittaa ja häiriötä olemassa olevan infrastruktuurin toiminnalle. Tältä osin vähäinen panostaminen tuuli- ja aurinkovoimaan on ollut hyvin johdonmukaista toimintaa.

Tilanne on nyt kuitenkin muuttunut täysin. Esimerkiksi yksi keskeisimmistä ajatuksista tulevaisuuden sähköverkoissa on joustava energian hinta, joka vaikuttaa kulutukseen ja energian varastointi. Nämä molemmat sopivat erittäin hyvin maailmaan, jossa suuri osa tuotannosta tehdään hajautetulla tuuli- ja aurinkovoimalla. Samanaikaisesti tekniikat ovat kehittyneet ja valmistusmäärät kasvaneet, jotka molemmat ovat johtaneet tuuli- ja aurinkovoimalaitosten hintojen alenemiseen. Ihannetilanteena olisikin, että jatkossa kaikkea energiantuotantokapasiteettia rakennettaisiin ilman tukea tai piilotukia ja kaikki energiantuotannosta aiheutuvat kustannukset otettaisiin kustannuslaskennassa huomioon.