Tuulivoiman varastointi
Tuulienergiaa pidetään yhtenä tulevaisuuden energian tuotantomuotona, ja hyvistä syistä; Tuulienergia on uusiutuvaa, sen tuotanto ei saastuta ja sen tuotanto on (periaatteessa) melko yksinkertaista.
Huonojakin puolia sillä on. Yhtä tuuligeneraattoria kohden saatava teho on melko vaatimaton vaikkapa tavanomaiseen vesivoimalaan verrattuna, ja yksittäisiä voimaloita tarvitaan paljon (tuulivoimapuistot), jotta tuotannosta siirtolinjojen rakentamisineen ja voimaloiden yksikkökustannuksineen tulisi kilpailukykyistä. Esimerkiksi Taivalkosken vesivoimalaitos Kemijoessa tuottaa vuodessa keskimäärin saman määrän sähköenergiaa (540,7 GWh) 540,7 gigawattituntia (GWh) kuin noin 60 tuulivoimalaa vuoden 2021 tuotantolukujen perusteella (keskimäärin 891,5 voimalaa 8,1TWh kokonaistuotannolla).
Toinen huono puoli tuuli- ja myös aurinkoenergialla on niiden nk. matala inertia sähköverkossa. Sähköverkon inertialla tarkoitetaan sähköverkon kykyä kestää lyhytaikaisia kuormituspiikkejä ilman, että verkon jännite tai taajuus muuttuisi haitallisesti. Höyry- ja vesivoimalaitoksissa suoraan sähköverkkoon liitetty vaihtovirtageneraattori on yhdistetty turbiiniin, joka toimii energiaa säilövänä vauhtipyöränä. Äkillisen kuormituspiikin tapahtuessa vauhtipyörään säilötty energia saadaan nopeasti muutettua lisätehoksi sähköverkkoon ennen kuin tuotantotehoa saadaan muuten lisättyä. Tuulivoimaloissa käytettävä tekniikka ei kuitenkaan (nykyisin) mahdollista voimalan roottoriin sisältyvän inertian käyttöä samaan tarkoitukseen.
Kolmas ongelma käytännössä on yhden luonnonvoiman, tuulivoiman, tuotannon epätasaisuus ja satunnaisuus. Tuulivoiman tuotanto saattaa vaihdella lähes nollan ja täyden tehon välillä täysin riippumatta kulutuksesta, ks. esimerkiksi Fingridin sivut. Huipputehojen aikaan sähkön ylituotanto pitäisi saada myytyä ulkomaille tai varastoitua, mutta toisaalta tuulisähkön tuotannon ollessa nollassa, sähköä pitäisi mahdollisesti tuoda ulkomailta, saada käyttöön varastoista tai järjestää suuria ja yleensä epätaloudellisia ja saastuttavia varavoimalaitoksia säätövoimaksi.
Järkevin ratkaisu olisi sähkön varastointi ylituotannon aikana ja varastojen purkaminen kulutuksen taas ylittäessä tuotannon. Sähköenergian suora tallentaminen sellaisenaan suuriin akkuihin tuntuisi aluksi luonnollisimmalta ratkaisulta. Nykyaikainen akkutekniikka ei kuitenkaan vielä mahdollista tarvittavan energiamäärän tallentamista taloudellisesti, kuten esimerkiksi oheisessa raportissa esitetään. Ylituotannon tallentaminen esimerkiksi kemiallisena energiana vedyntuotannossa on puolestaan hyötysuhteeltaan varsin huono ja kallis ratkaisu, vaatien suuria investointeja, eikä välttämättä riskitönkään. Toki jos tuotettua vetyä tarvitaan jatkojalostukseen tai esimerkiksi liikennevälineiden polttoaineeksi sellaisenaan tai jatkojalostettuna esimerkiksi metanoliksi tai ammoniakiksi, on tässäkin järkeä.
Patoaltaiden veden potentiaalienergia
Tehokas ja turvallinen tapa varastoida energiaa on käyttää hyväksi veden potentiaalienergiaa. Uusien altaiden rakentamisen sijaan käytettäisiin hyväksi jo olemassa olevaa infrastruktuuria. Vesivoimaloissa jokiin ja patoaltaisiin varastoitunutta potentiaalienergiaa alakanavan suhteen muutetaan sähköenergiaksi jo nykyäänkin. Potentiaalienergiaa on kuitenkin mahdollista myös lisätä ja varastoida pumppaamalla vettä vastakkaiseen suuntaan.
Esimerkkinä olevan Taivalkosken voimalaitoksen patoaltaan pinta-ala on 1706ha ja sen (keskimääräinen) putouskorkeus 14,5 metriä, jolla esimerkiksi yhden metrin vedenpinnan lasku vastaa 0,67 GWh energiamäärää. Tämä vastaa yhden keskimääräisen tuulivoimalan tuotantoa vajaan kuukauden ajalta, tai kohtuullisen kokoisen tuulifarmin puskurivarastona toimimista lyhyempien tuotantohuippujen tasaajana. Vaikka tämä onkin kokonaisuuden kannalta pienehkö kapasiteetti, niin otettaessa valtaosa Suomen nykyisistä patoaltaista energian varastointikäyttöön saataisiin joka tapauksessa käyttökelpoinen työkalu tuulivoiman tuotantohuippujen tasaukseen yleisemminkin.
Päivitys 30.4.2023: Viimeisten uutisten mukaan Kemijoki Oy onkin virallisesti tutkimassa pumppuvoimaloiden käyttöönottoa. Ehkäpä näillä blogiteksteilläkin on ollut osansa asiassa 😊
Varastoidun energian saa tarvittaessa sähköverkkoon jo olemassaolevilla voimalaitoksen turbiineilla ja muulla infralla jopa ilman lisäkustannuksia, mikäli pumppaamalla saatava virtaaman lisäys pidetään kohtuullisena ja voimalaitoksen olemassa oleva kapasiteetti riittää tämän tehokkaaseen käsittelyyn.
Periaatteessa voimalan keskimääräinen teho nousisi virtaaman kasvun verran, jos virtaaman kasvu saataisiin käytettyä hyväksi täysimääräisesti. Jotta lisävirtaamasta saataisiin kaikki hyöty irti, olisi syytä mitoittaa vesivoimala toimimaan optimaalisesti pumppauksen ansiosta kasvavalle keskivirtaamalle.
Kaukanakin olevan tuulivoiman huipputuotannon aikana pumppuja voisi käyttää sähköverkosta energiansa ottavilla sähkömoottoreilla kokonaistuotannon tasaamiseksi. Voimayhtiöiden olisi mahdollista pumpata ylituotannon tai muista syistä edullisen sähkön aikana patoaltaat täyteen ja myydä varastoitu energia sähkön tarpeen ja hinnan ollessa korkeampi. Yleensä olisi kuitenkin nykyiseen tapaan järkevämpää ensisijassa säätää tavallisen vesivoimalan turbiinien läpi virtaavan veden ja sähkötehon määrää pienemmäksi tai suuremmaksi tarpeen mukaan sen sijaan että pumpattaisiin ylimääräisellä sähköntuotannolla vettä patoaltaisiin.
Veden pumppaus ylävirtaan antaa joka tapauksessa uusia mahdollisuuksia sähköntuotannon tehostamiseen esimerkiksi silloin, kun veden virtaamaa turbiineille ei voi enää tuulivoiman ylituotantotilanteessa säätää pienemmäksi.
Menettelyä voi käyttää myös sähköverkon inertian parantamiseen. Jos vettä pumpataan tuulivoimalla patoaltaaseen niin paljon, että vesivoimalaitoksien turbiinien määrä tai koko voidaan mitoittaa suuremmiksi, kasvaa myös sähköverkon inertia ja kestokyky sähkönkulutuksen kuormituspiikkien suhteen.
Voisi miettiä myös mahdollisuuksia korkealla sijaitseviin tekoaltaisiin, joissa luonnollinen veden virtaama ei riitä sähköntuotantoon, mutta vettä pumppaamalla ja tyhjentämällä niitä voisi käyttää sähköntuotannon "akkuina". Tällaisia voi käyttää usein jo valmiiksi mäkien ja vaarojen laella sijaitsevien, syrjäisten tuulifarmien yhteydessä puskureina, jolloin siirtolinjat pystyy mitoittamaan pienemmille tuotantohuipuille ja valtakunnanverkkoon toimitettava sähköntuotanto pysyy tasaisempana. Ympäristökysymyksiäkin on helpompia ratkaista rakennettaessa patoaltaat jo muutenkin sähkötuotantoon varatuille alueille. Suuren korkeuseron ansiosta tekoaltaiden koko voidaan pitää pienempänä kuin vastaavan kapasiteetin tyypillisellä vesivoimalaitoksen tekoaltaalla Suomessa, joilla on tyypillisesti vaatimaton putouskorkeus.
Vesipumppuja veden pumppaamiseen voisi käyttää tuulivoimaloilla myös suoraan mekaanisella välityksellä. Mekaanisella välityksellä olisi mahdollista saada aikaan hyvä kokonaishyötysuhde ja edullinen ratkaisu ilman tarvetta kalliisiin generaattoreihin ja inverttereihin apulaitteineen, joita tavallisissa, sähköä verkkoon tuottavissa tuulivoimaloissa tarvitaan. Haittapuolena on ainakin se, että mekaanisten tuulivoimaloiden tulisi sijaita vesivoimalaitoksen tai sen patojen yhteydessä, jotta pumppaaminen olisi taloudellista. Tämä ei ole myöskään ratkaisu energian varastointipulmaan kaukana olevien tuulifarmien suhteen, mutta sillä voitaisiin hieman kasvattaa vesivoimalaitoksen keskitehoa ja saada "vihreämpi" mielikuva laitoksesta.
 |
| Perinteisiä, vettä pumppaavia tuulimyllyjä Kinderlijkissä, Hollannissa (kuvan lähde: Wikimedia). Näillä myllyillä pumpataan vettä kuivatettavalta viljelys- ja rakennusmaalta padon toiselle puolelle kanavaan energian säilömisen tai tuotannon sijaan. |
Sähköakut
Yhden merikontin kokoisella, kaupallisella sähköakulla on nykyään tyypillisesti mahdollista varastoida vain noin 1MWh verran sähköenergiaa, eli tällaisia akustoja tarvittaisiin 670 kappaletta vastaavaan kapasiteettiin kuin edellä Taivalkosken patoaltaan esimerkistä saadaan 1m vedenpinnan muutoksella.
Kommentit
Lähetä kommentti