Tuulivoima


Tuulivoima on uusiutuva energianlähde, jossa tuulen liike-energia muunnetaan tavallisesti tuuliturbiinien avulla sähköksi pyörivien lapojen välityksellä. Tuulivoiman tuottaminen ei aiheuta polttoainekustannuksia eikä hiilidioksidipäästöjä. Tuulivoima on EU-maiden nopeimmin kasvava energianlähde. EU:n alueen tuulivoimakapasiteetti on kasvanut kuusinkertaiseksi viimeisen 15 vuoden aikana. Kaiken kaikkiaan asennetun tuulivoiman kokonaiskapasiteetti EU:n alueella oli vuoden 2015 lopussa 142 GW, mikä kattaa EU:n sähkönkulutuksesta 11,4 prosenttia.

Euroopan suurimmat tuulivoimamaat asennetun kapasiteetin mukaan ovat Saksa ja Espanja. Saksan osuus kaikesta Euroopan tuulivoimasta on noin kolmannes ja Espanjan vastaavasti kuudennes. Koko maailman laajuisesti suurin tuulivoimamaa on Kiina, jonka tuulivoimakapasiteetti on yksi kolmasosa koko maailman kapasiteetista. Jos ajatellaan tuulivoimalla tuotetun sähkön osuutta maan kokonaissähkötuotannosta, on Tanska maailman johtavia tuulivoimamaita. Vuonna 2015 Tanskassa tuotettiin 42 prosenttia kaikesta maan sähköstä. Tämä rikkoi Tanskan aiemman maailmanennätyksen, joka oli 39 prosentin tuotanto-osuus.

Historia

Tuulta on hyödynnetty purjehtimiseen jo vuosituhansien ajan, mutta tuulen pyörittämän rattaan hyödyntäminen vaatii paljon monimutkaisempaa tekniikkaan kuin vaikkapa vesivoiman hyödyntäminen. Ensimmäiset kirjalliset viittaukset tuulimyllyihin ovat 640-luvulta. Tuulimyllyt alkoivat yleistyä Euroopassa 1100-luvulta alkaen. Aiemmissa tuulimyllyissä koko rakennus kääntyi tuulen suuntaan, mutta 1500-luvulla kehitetyt hollantilaisiksi tuulimyllyiksi nimitetyt myllyt kääntyivät vain yläosastaan. Amerikassa kehitettiin 1800-luvulla Halladay-pyörä, joka oli pienisiipisempi ja kevyempi tuuliviirin avulla oikeaan suuntaan ohjautuva tuuliratas, joka toimi tehokkaammin heikommalla tuulella.

Tuulivoimaa käytettiin tuulimyllyissä viljan jauhatukseen sekä vedennostoon ja kastelujärjestelmiin ja myös pienteollisuuden voimanlähteenä, ennen kuin höyrykoneen käyttö yleistyi. Charles F. Brush rakensi ensimmäisen sähköä tuottavan tuulivoimalan Ohion Clevelandiin vuonna 1888. Tuulivoimala oli myös ensimmäinen vaihteistollinen tuulivoimala, jonka generaattorin nopeus saatiin nostettua näin 500 kierrokseen minuutissa 50:1-vaihteistolla. Tuulivoimalan teho oli 12 kW ja tuotettu sähkö varastoitiin akkuihin.

Teknologia

Tuulivoimalaitokseen kuuluvat osat ovat muun muassa tuuliturbiini, generaattori, vaihteisto, masto ja perustukset. Turbiinilla muutetaan virtaavan ilman liike-energiaa turbiinin akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Tuuliturbiinin akseli pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähköä. Pyörimisliike sovitetaan roottorilta generaattorille sopivaksi vaihteiston avulla. Tavallisesti tuuliturbiinit ovat rakenteeltaan aksiaalisia, jolloin ilman virtaaminen tapahtuu akselin suuntaisena. Pienillä tehoilla käytetään myös radiaalisia tuuliturbiineja. Tällaista erikoisvoimalatyyppiä edustaa muun muassa suomalainen Windside.

Alueelle sijoitettavan voimalan suuruus mitoitetaan tuulisuuden mukaan. Pientuulivoimalat tuottavat sähköä myös alhaisilla tuulen nopeuksilla ja tällaisten voimaloiden avulla voidaan täydentää esimerkiksi aurinkopaneelien ja dieselgeneraattoreiden energiantuotantoa. Suuret voimalat taas eivät tuota pienillä tuulen nopeuksilla sähköä lainkaan, mutta voimalan sähköntuotto nelinkertaistuu tuulen nopeuden kaksinkertaistuessa.

Teknologia

Tuotanto Suomessa

Vuoden 2016 lopussa Suomen kaikkiaan 552 tuulivoimalan kokonaiskapasiteetti oli 1 533 MW. Voimaloiden tuotto kaikesta Suomessa vuoden aikana kulutetusta sähköstä oli noin 3,6 prosenttia. Suomen ilmasto- ja energiastrategian tavoitteena on, että Suomessa tuotetaan tuulivoimalla vuodessa 9 TWh vuoteen 2025 mennessä, jolloin tuulivoimaloiden kapasiteetin täytyy olla noin 3 000 MW. Tuulivoimalla tuotetun sähkön osuus Suomessa on ollut nousussa viime vuosina, mutta tuulienergian tuotannossa on erittäin suurta vaihtelua kuukausi-, päivä- ja tuntikohtaisesti. Vuonna 2007 tehdyn VTT:n tutkimuksen mukaan Suomen sähköntarpeesta voitaisiin tuottaa jopa 10 % tuulivoimalla vuoteen 2020 mennessä.

Suomessa tuulten keskinopeudet ovat alle 5 m/s, kun esimerkiksi Euroopan tuulivyöhykkeillä Saksassa, Alankomaissa ja Tanskassa tuulten keskinopeuden ovat 7–9 m/s. Näin ollen tuulivoima ei pysty kilpailemaan samalla tavalla energiamuotona kuin tuulisemmilla alueilla sijaitsevissa maissa. Suomessa on kuitenkin tuulivoiman tuotantoon sopivia alueita, esimerkiksi Suomen merialueilla tuulen keskinopeus on 8–9 m/s ja Lapin tuntureilla 10 m/s. Pinnanmuotojen vuoksi sisämaan keskimääräinen tuulennopeus on rannikkoa ja avomerta pienempi.