Tuulivoimala on korkea masto, jonka huipulla pyörii kolmilapainen roottori. Voisiko se olla kuitenkin toisenlainen?
Useat yritykset ovat kehittämässä vaihtoehtoa klassiselle merituulipuistojen voimalatyypille. Niihen kuuluu ruotsalaisyhtiö SeaTwirl, joka yksinkertaisesti kaataa tornin.
Kun perinteinen tuulivoimala muistuttaa potkurikoneen nokkaa, SeaTwirlin pystysuora turbiini näyttää enemmän vatkaimelta. Rakenneratkaisu on monessa suhteessa parempi kuin klassinen. Pystyakselisella tuulivoimalalla on vain vähän käyttöä rajoittavia tekijöitä, joten se voi olla avainasemassa, kun Eurooppa pyrkii tuottamaan tarvitsemansa sähkön hiilineutraalisti vuosisadan puolivälissä.
Vatkaimella on suomalaiset juuret
SeaTwirlin kehittämän tuulivoimalamallin perusrakenne ei ole uusi. Tekniikka juontuu suomalaisen insinöörin Sigurd Savoniuksen 1920-luvulla keksimästä pystyakselisesta tuuliturbiinista, Savonius-roottorista, ja perustuu etenkin Darrieus-roottoriin, jonka ranskalainen Georges Darrieus patentoi vuonna 1931. Sekin on pystyakselinen tuuliturbiini.
Roottorin lavat kiinnittyvät akselisalkoon, ja sähkögeneraattori sijaitsee alhaalla eikä ylhäällä niin kuin klassisessa mastomallissa.
Nykyään vain pieni osa tuulivoimaloista on pystyakselisia. Esimerkiksi Kaliforniassa viisi prosenttia tuuliturbiineista on niin sanottuja Darrieus-roottoreita.
Darrieus kuvasi roottoriaan turbiiniksi, jonka akseli pyörii suorassa kulmassa virtaussuuntaa vastaan.
Virtaussuunta on ymmärrettävä tässä tuuleksi, joka liikkuu meren- tai maanpintaa pitkin ja osuu pyörivään akseliin ja siihen kiinnitettyihin lapoihin 90 asteen kulmassa. Tavallisissa tuuliturbiineissa ilmavirta kohtaa lavat akselin suuntaisesti.
Darrieus-roottoreita on käytössä eri puolilla maailmaa, ja esimerkiksi viisi prosenttia Kalifornian tuuliturbiineista on Darrieus-mallisia. Vaaka-akseliset tuuliturbiinit ovat kuitenkin kaikkialla selvästi yleisempiä kuin pystyakseliset.
Tärkein selittävä tekijä on hyötysuhde, joka ilmaisee sen, kuinka suuri osa tuulen energiasta muuttuu sähköksi voimalan toimiessa. Kun vaaka-akselisilla tuuliturbiineilla saavutetaan parhaassa tapauksessa yli 50 prosentin hyötysuhde, pystyakselilla huippulukemat ovat yleensä jääneet noin 40 prosenttiin.
40 prosenttia tuulen energiasta muuttuu sähköksi pystyakselisessa voimalassa.
Ero johtuu muun muassa tuulivoimaloiden perusrakenteesta. Vaaka-akselisessa mallissa kaikkiin roottorin lapoihin osuu jatkuvasti yhtä paljon tuulta, mutta pystyakselisessa voimalassa salon takana oleva lapa on jossain määrin tuulensuojassa – mikä huonontaa hyötysuhdetta.
Saksalainen fyysikko Albert Betz tutki tuuliturbiinin teoreettista hyötysuhdetta ja tuli siihen tulokseen, että se voi olla enimmillään 59,3 prosenttia tuulen liike-energiasta.
Ja tuulesta on tarpeen ottaa talteen niin paljon energiaa kuin mahdollista.
Voimaloiden koko kasvaa
Euroopan unioni yrittää saavuttaa ilmastoneutraaliuden vuoteen 2050 mennessä. Onnistuminen riippuu paljolti tuulivoimasta, sillä asiantuntijoiden mukaan sen osuus vihreästä sähköstä on 30 vuoden kuluttua puolet.
Kunnianhimoinen ilmastotavoite, joka vaatii siirtymistä uusiutuvien energialähteiden käyttöön, pakottaa rakentamaan aina vain isompia tuulivoimaloita. Esimerkiksi tanskalainen Vestas on ilmoittanut tuovansa vuonna 2024 markkinoille 15 megawatin tuuliturbiinin. Se on 280 metrin korkuinen kolossi, jonka lavat ovat jalkapallokenttää pitempiä ja joka voi tyydyttää noin 20 000 kotitalouden sähköntarpeen.
Tanskassa suunnitellaan lisäksi uutta jopa 450 metriä korkeiden tuulivoimaloiden tutkimuskeskusta.
Sähköntuotanto hyötyy siitä, että korkealla tuulee voimakkaammin ja tasaisemmin kuin lähellä maanpintaa. Tuulen energiamäärä on suoraan verrannollinen virtausnopeuden kolmanteen potenssiin. Toisin sanoen nopeuden kaksinkertaistuessa tuulivoimalan sähköntuotanto kahdeksankertaistuu. Lisäksi pidentämällä lapoja kasvatetaan roottorin pyyhkäisypinta-alaa, eli voimala voi ottaa talteen enemmän tuulen liike-energiaa ja tuottaa enemmän sähköä.
Siksi tuulivoimaloista kannattaa tehdä korkeita.
Voi vaikuttaa oudolta, että tuulivoimaloille, joiden ominaisuuksia on onnistuttu jatkuvasti parantamaan, kehitetään kiivaasti vaihtoehtoa.
Ruotsalaisen start-up-yrityksen SeaTwirlin mukaan pystyakselisella tuuliturbiinilla on kuitenkin useita etuja, jotka nostavat sen jopa Vestasin kolossien rinnalle.
Rakenne kestää hirmumyrskyn
SeaTwirl rakensi vuonna 2015 ensimmäisen – S1-nimisen – koevoimalansa Ruotsin länsirannikolle Lysekilin edustalle. Vain 13 metriä merenpinnan yläpuolelle kohoava laitos toimii yhä ja näyttää kääpiöltä uusien merituulipuistojen jättiläisiin verrattuna.
SeaTwirl rakensi pystyakselisen tuulivoimalan koemallin Ruotsin länsirannikolle Lysekilin edustalle vuonna 2015. Se on vain 13 metriä korkea.
Vaatimaton 30 kilowatin teho on 500 kertaa pienempi kuin Vestasin suunnitteleman uuden kolossin. S1:n ensisijainen tehtävä onkin ollut osoittaa, että pystyakselinen voimala tuottaa luotettavasti sähköä myös silloin, kun tuulee kovaa.
Esimerkiksi joulukuussa 2015 S1:n annettiin toimia Helgaksi nimetyn myrskyn riehuessa. Koevoimala kesti hyvin tuulen, jonka nopeudeksi mitattiin jopa 35 metriä sekunnissa.
SeaTwirl aikoo pystyttää vuoden 2023 aikana ensimmäisen S2x-tyyppisen koevoimalan, joka kohoaa 55 metrin korkeuteen. Sen teho on 1 megawatti, eli se on yli 30 kertaa niin tehokas kuin edeltäjänsä.
Pystyakselinen voimala kelluu
Toisin kuin tavallisessa tuulivoimalassa SeaTwirlin vatkainta muistuttavassa pystyakselisessa mallissa on pystysuorat lavat. Sen painopiste on alhaalla, joten se voi kellua vedessä.
1. Lavat pyörittävät salkoa
SeaTwirlin kolme lapaa on kiinnitetty pystyakseliin varsilla toisin kuin tavallisen tuulivoimalan lavat. Vuonna 2023 toimintansa aloittavan 1 megawatin S2x-mallin lavat ovat 40 metriä pitkiä.
2. Generaattori on alhaalla
Pyörimisliikkeeen sähköksi muuttava generaattori sijaitsee akselisalon alapäässä. Sijainti helpottaa huoltoa ja korjausta. Lisäksi pystyakselinen voimala on vakaampi kuin vaaka-akselinen.
3. Poiju kannattaa voimalaa
Voimalan kantavana alusrakenteena toimii vedenalainen poiju, joka pyörii akselisalon mukana. Veden noste kelluttaa voimalaa ja vähentää generaattorin sisältävään konehuoneeseen mm. rakenteiden painon vuoksi kohdistuvaa rasitusta.
4. Voimala ankkuroidaan
Konehuone on ainoa voimalan rakenneosa, joka ei pyöri. Jotta voimala pysyy kutakuinkin paikallaan, se kiinnitetään konehuoneesta lähtevillä vaijereilla lujasti merenpohjaan.
Kehittäjien silmissä siintää jo 10 megawatin malli, jonka läpimitta on yhtiön mukaan noin 135 metriä ja lavat peräti 110 metriä pitkät – eli melkein samanpituiset kuin Vestasin kolossin.
Koon kasvattamisen puolesta puhuu se, että teoriassa pystyakselisen tuulivoimalan lavat voivat olla jopa 250-metrisiä ja teho 30 megawattia. Pystyssä pyörivään akseliin liittyy nimittäin monta hyvää ominaisuutta, joita SeaTwirl hyödyntää valloittaessaan tuulivoimamarkkinoita.
Etua akselin asennosta
Pystyakselisen tuulivoimalan ei tarvitse reagoida siihen, mistä suunnasta kulloinkin tuulee. Tavallisen vaaka-akselisen tuuliturbiininhan pitää aina kääntyä tuulta päin, ennen kuin sen lavat alkavat pyörittää sähkögeneraattoria.
Tuulta kohti kääntäminen vaatii oman ohjauslaitteistonsa. Yleensä isoissa vaaka-akselisissa voimaloissa tuuliohjauksen toteuttavat moottorit ja lapojen säädöstä huolehtii hydrauliikkajärjestelmä kulloistenkin sääolosuhteiden mukaan. Toisin sanoen tavallinen tuuliturbiini vaatii paljon ylimääräistä tekniikkaa toimiakseen optimaalisesti.
Pystyakselisen tuulivoimalan etuihin kuuluu myös se, että se voidaan kiinnittää merenpohjaan ilman perustuksia.
Klassinen tuulivoimala koostuu raskaista osista, kuten generaattorista, vaihteistosta, kääntömekanismista ja monista muista maston huipulla sijaitsevan konehuoneen sisäänsä kätkemistä laitteista. Kokonaispaino vaatii tukevan alusrakenteen. Vaikka valmistajat ovat leikitelleet ajatuksella kelluvista perustuksista, nykyään tuulivoimaloita voidaan rakentaa vain merialueille, joiden vedensyvyys on enintään noin 50 metriä. Jos etäisyys pohjaan on suurempi, voimalan perustusten rakentamisesta tulee liian vaikeaa ja kallista.
Pystyakselisessa tuulivoimalassa raskaat laitteet sijoittuvat vain vähän merenpinnan yläpuolelle, ja siksi painopiste on alhaalla. Koska voimala kelluu vedessä, se on mahdollista kiinnittää pohjaan vaijereilla, olipa vedensyvyys paikalla sitten kymmeniä, satoja tai tuhansia metrejä.
Sähkön tuottaminen avomerellä on ollut ongelmallista siellä, missä matalan veden alue ei ulotu kovin kauas mantereesta. Pystyakselisiin turbiineihin perustuvat merituulipuistot voivat pian parantaa tuotantomahdollisuuksia.
Vatkain sähköistää syrjäseutuja
1. Merituulipuisto ei vaadi matalikkoa
Vain neljäsosa merestä on syvyydeltään alle 200 metriä. Koska tavallisiin tuulivoimaloihin on pakko rakentaa perustukset, niitä pystytetään sinne, missä pohjaan on matkaa alle 50 metriä. Kelluva voimala voidaan ankkuroida melkein minne vain.
2. Saariin uusiutuvaa energiaa
Useissa syrjäisissä saarissa tuotetaan sähköä fossiilisilla polttoaineilla. Pystyakseliset 1 megawatin tuulivoimalat voivat korvata dieselaggregaatit, jotka aiheuttavat runsaasti hiukkas- ja hiilidioksidipäästöjä.
3. Kalanviljely kuluttaa sähköä
Kalankasvattamoissa käytetään sähköpumppuja, ja tyypillinen lohenviljelylaitos tuottaa noin 120 tonnia hiilidioksidia vuodessa. Pystyakseliset tuulivoimalat voivat ratkaista monta ongelmaa, sillä niiden ansiosta kasvattamot voidaan sijoittaa avomerelle.
Kolmantena merkittävänä etuna pidetään sitä, että pystyakselisen tuulivoimalan koneistoa on helpompi huoltaa ja korjata, koska se sijaitsee alhaalla eli melkein merenpinnan tasossa. Yhdysvaltojen energiaministeriön alaisen Sandia National Laboratories -tutkimuslaitoksen mukaan nimenomaan tämä ominaisuus tekee pystyakselisista tuulivoimaloista erityisen houkuttelevia. Kun vaaka-akselisten tuulivoimaloiden koko kasvaa, konehuone nousee aina vain korkeammalle.
SeaTwirl ja muut maailmanvalloitukseen tähtäävät pystyakselisten tuulivoimaloiden kehittäjät yrittävät nyt muuttaa voimakkaasti käsitystä siitä, millaisilla myllyillä sähköä jauhetaan parhaiten merellä.