Merituulivoimala vestas teknikot

Tuulivoimalajätit kauhovat merellä vihreää energiaa

Merituulivoimalat ovat kasvu-uralla, ja 280 metriä pitkä jättiläinen on nyt valmis koekäytettäväksi. Vihreästä siirtymästä tulee melkoinen energiasyöppö.

Merituulivoimalat ovat kasvu-uralla, ja 280 metriä pitkä jättiläinen on nyt valmis koekäytettäväksi. Vihreästä siirtymästä tulee melkoinen energiasyöppö.

Claus Lunau

43 000 neliömetriä! Pinta-ala vastaa kuutta kansainvälisten mittojen jalkapallokenttää.

Näin valtavan roottorialan muodostavat tanskalaisyhtiö Vestasin uuden jättiläistuuliturbiinin 115,5 metriä pitkät lavat.

280 metriä pitkällä tuulivoimalalla on paperinmakuinen nimi: V236-15.0 MW. Nimityksen viimeinen osa, 15 MW, on kuitenkin mielenkiintoinen. Se kertoo tuulivoimalan tehon, kapasiteetin tai suorituskyvyn olevan 15 megawattia.

15 megawatin luokka on tuulivoimaloiden vuosikymmeniä kestäneen kehityksen huipentuma. Tuuliturbiinien teho on kaksinkertaistunut noin seitsemän vuoden välein. Siten yksi ainoa uusi mastodontti voi tuottaa sähköä yhtä paljon kuin 20 000 jatkuvasti enemmän energiaa käyttävää kotitaloutta kuluttaa.

Tarkoituksena on perustaa tuulivoimalapuistoja kauas rannikolta ja antaa niiden tahkota uusiutuvaa energiaa koko maapallolle.

Ihmiskunta vaatii energiaa

Vain jokusia vuosia sitten maailman parhaiden tuulivoimaloiden teho oli 10 megawattia. Vestas on siis nyt valmis testaamaan niiden kolossimaista isoveljeä. 15 megawatin teho tekee V236-15.0 MW:sta maailman suurimman tuuliturbiinin.

Graafi tuulivoimaloiden pituus
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Voimalat kasvavat

Ensimmäiset sähköä tuottavat tuulivoimalat rakennettiin 1800-luvulla. Vestasin uuden mallin myötä noin 200 vuoden kehitys on johtanut noin 20 metrin pituudesta yli 250 metrin pituuteen.

Suuren kaliiperin tuulivoimaloita tarvitaan avuksi, kun yritetään hillitä ilmaston lämpenemistä. Vihreästä siirtymästä tulee nimittäin melkoinen energisyöppö.

Otetaan esimerkiksi Tanska. Maan nykyinen kokonaissähkönkulutus on noin 35 terawattituntia (TWh) vuodessa. Näin suuresta energiankulutuksesta voi tehdä ymmärrettävämmän tieto, että sillä saa palamaan noin 570 miljoonaa seitsemän watin lamppua jatkuvasti vuoden ympäri.

Ennusteiden mukaan Tanskan energiankulutus kaksinkertaistuu eli nousee noin 70 terawattituntiin vuoteen 2030 mennessä, jos maa aikoo leikata 70 prosenttia hiilidioksidipäästöistään niin kuin tavoitteeksi on asetettu.

Sähkö on avainasemassa.

Kun tanskalaiskodeissa nykyään sähköä nielevät valaistus, kylmä- ja ilmastointilaitteet ja viihde-elektroniikka, tulevaisuudessa sähköllä myös lämmitetään asuntoja ja liikutetaan autoja.

Lisäksi sähkönkulutusta kasvattavat palvelinkeskukset, sähköradat ja tehtaat, jotka tuottavat kemiallisilla reaktioilla vihreitä polttoaineita, kuten vetyä, petrolia tai ammoniakkia, lentokoneille ja laivoille.

Tutkijat puhuvat Power-to-X-tekniikoista, ja yksistään Tanskassa vihreiden polttoaineiden tuotannon odotetaan kuluttavan vuonna 2030 sähköä kymmenen terawattituntia.

20 000 kotitalouden sähköntarpeen tyydyttävät jättiläismäiset merituulivoimalat.

Onneksi energiaa on tarjolla yllin kyllin.

Maapallo ottaa jatkuvasti vastaan 173 000 triljoonaa wattia aurinkoenergiaa, josta vähän yli kaksi prosenttia muuttuu tuulen liike-energiaksi. Tuuli sisältää siten noin 3 500 triljoonaa wattia, jotka ovat muutettavissa tuulivoimaloilla sähköksi.

Suomalaisen ja kahden yhdysvaltalaisen tutkijan vuonna 2009 tekemän laskelman mukaan maailman tuulivoimaloilla on mahdollista ottaa talteen noin 840 000 TWh vuodessa.

Vertailun vuoksi: koko ihmiskunnan nykyinen sähkönkulutus on noin 25 000 TWh, ja vaikka se kasvaa huomattavasti lähivuosikymmeninä, tarpeen tyydyttäminen ei kaadu siihen, että energia loppuu.

Kun uusi tuuliturbiini pääsee testiin vuonna 2022 ja kaupalliseen käyttöön vuonna 2024, se on Vestasin vastaus kysymykseen, mistä vihreän siirtymän vaatima sähkö on pääasiassa peräisin.

Turbiinijätit ovat ratkaisu

Insinööreillä on monta hyvää syytä rakentaa jatkuvasti kookkaampia tuulivoimaloita, vaikka äkkiseltään voi vaikuttaa siltä, että samaan tulokseen päästäisiin yksinkertaisesti lisäämällä pienten tuulivoimaloiden määrää. Tilanne on kuitenkin monimutkaisempi – etenkin avomerellä.

Ensinnäkin pitkät tuulivoimalat nousevat korkeammalle, ja kauempana maanpinnasta tuulee voimakkaammin, esteettömämmin ja tasaisemmin.

Yhdysvaltojen uusiutuvan energian laboratorion (NREL) raportin mukaan keskimääräinen tuulen nopeus kasvaa 0,5–1 m/s, kun noustaan 80 metrin korkeudesta 110 metrin korkeuteen merenpinnasta ja vielä 0,5 m/s lisää matkalla 160 metrin korkeuteen.

Toiseksi jättiläistuulivoimalan lavat ovat leveämmät. Sen ansiosta se voi ottaa hyvin talteen heikomman tuulen energiaa eli toimia tyynemmällä säällä.

Lisäksi suuri tuulivoimala on pelkästään kokonsa vuoksi rakenteeltaan edeltäjiään vankempi, joten se kestää paremmin kovia tuulia ja on siten joustavampi käytössä.

115,5 metriä pitkät lavat alkavat pyöriä jo, kun tuulee kolme metriä sekunnissa, eikä niitä tarvitse pysäyttää, ennen kuin tuulen nopeus on 30 m/s. Silloin ollaan melkein hirmumyrskylukemissa (vähintään 32,6 m/s).

Vestasin nykyään paras malli, V164-10.0 MW, täytyy pysäyttää, kun tuulen nopeus on 25 m/s.

Vestasin insinöörit eivät rakenna maailman suurinta tuulivoimalaa päästäkseen kerskumaan. Keskeisiltä osiltaan uusi malli perustuu yhtiön nykyiseen – V164-10.0 MW-nimiseen – ykköstuotteeseen.

© Alexander Lund-Andersen

1. Pituus lisää tehoa

Pitkä tuulivoimala pääsee hyödyntämään korkeammalla esiintyviä ilmavirtoja. Kun etäisyys maanpintaan kasvaa, tuuli voi saavuttaa suuremman nopeuden ja sisältää siksi enemmän energiaa.

© Alexander Lund-Andersen

2. Jättiläinen kestää myrskyt

Jykevää voimalaa eivät hetkauta voimakkaatkaan tuulet. Siksi voimala täytyy pysäyttää laitevaurioiden välttämiseksi vasta, kun lähestytään hirmumyrskylukemia.

© Alexander Lund-Andersen

3. Tuuli tarttuu hyvin

Hyvin pitkälapainen roottori kattaa suuremman alan ja kohtaa tuulen laajemmalta alueelta. Se lisää sähköntuotantoa.

Kolmas suurten tuulivoimaloiden etu liittyy pitkiin lapoihin. Ne hyödyntävät tuulta laajemmalta alueelta. Kun lapojen pituus kaksinkertaistuu, pinta-ala, jolla ne kohtaavat tuulen, nelinkertaistuu. Tällöin sähköntuotanto kasvaa tietenkin merkittävästi.

Vestasin V117-4.2 MW:n roottorin halkaisija on 117 metriä ja enimmäisteho 4,2 MW. Uuden V236-15.0 MW:n roottori on läpimitaltaan kaksi kertaa niin suuri, joten teho yli kolminkertaistuu.

Paremmat luvut selittyvät paitsi isommasta roottorista myös tuulivoimalan korkeudesta ja suuremmasta pysäytysnopeudesta.

Koko on insinööreille haaste

Vaikka merituulivoimaloiden koon kasvattamisella on selviä etuja, niistä ei voida tehdä noin vain suurempia. Rakenteiden mittasuhteiden muuttaminen on monella tavalla ongelmallista.

Kun korkeus kaksinkertaistuu ja roottoriala nelinkertaistuu, tuulivoimalan paino kasvaa rajusti, koska korkeutta, leveyttä ja pituutta tulee lisää.

Tuulivoimalan paino jopa kahdeksankertaistuu – niin kuin myös rakennusmateriaalien tarve.

Vaikka paino asettaa jossain vaiheessa ylärajan sille, kuinka suuria merituulivoimaloista voidaan rakentaa, Kiina on suunnitellut rohkeasti 16 megawatin MySE 16.0-242 -tuulivoimalan, joka on Vestasin uutta jättiläistä kookkaampi.

Imuankkuri
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Tuulivoimala imeytyy merenpohjaan

Voimalajättiläiset seisovat tukevasti paikallaan. Uusimpia kiinnitysratkaisuja ovat niin sanotut imuankkurit, jotka alipaineen avulla saavat voimalamaston vajoamaan useita metrejä merenpohjaan ja kiinnittymään ilman valettuja perustuksia.

Merenpohja ilma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

1. Voimala vajoaa varovasti

Voimalamaston alusrakenteeseen kuuluu vähintään yksi ontto imuankkuri, joka uppoaa hitaasti pohjaan. Kun ankkureista poistetaan ilmaa, nostovoima ja samalla voimalan massan suhde ympäröivään veteen muuttuu.

Merenpohja ilma häviää
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

2. Massa tekee osan työstä

Kun voimalamasto on upotettu merenpohjaan, ankkureista poistetaan vähitellen ilmaa. Silloin rakennelma menettää nostovoimaa ja muuttuu raskaammaksi. Massa alkaa painaa imuankkuria liejuun.

Merenpohja lieju
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

3. Alipaine kiinnittää maston

Kun imuankkurista pumpataan pois vettä, hiekkaa ja liejua, syntyy alipaine. Vettä imetään lisäksi imuankkurin ulkopuolitse, jotta muodostuu juoksuhiekkaa, joka yhdessä alipaineen kanssa saa aikaan sen, että masto juuttuu kiinni liejuun.

Kiinalainen ennätystuulivoimala on olemassa vasta piirustuslaudalla, mutta sen pitäisi suunnitelmien mukaan tulla käyttöön vuonna 2024.

Valmistajat näyttävät kaiken kaikkiaan panostavan tuulivoimaloiden koon kasvattamiseen. Sekä Siemens Gamesa että General Electric tähtäävät 14 megawatin malleihin vuodesta 2024 eteenpäin.

Merituulivoimaloiden kehityksen suuressa kuvassa jättiläisten paikka ei ole enää rannikoilla lyhyen sähköjohdon päässä. Ne aiotaan sijoittaa kauas ulapalle ryhmittäin.

Voimalat luovat saariston

Ensimmäisenä maana visiota on toteuttamassa Tanska. Kaksi ensimmäistä ryhmää on tarkoitus sijoittaa Itämerelle ja Pohjanmerelle. Sähköntuotannon on määrä alkaa ennen vuotta 2030.

Huhtikuussa 2022 Tanskan hallitus ehdotti, että Pohjanmerelle suunniteltaisiin jo nyt energiasaaria. Ajatuksena on, että jokaisen yksittäisen merituulivoimalan tuottama sähkö siirretään kaapelia pitkin energiasaariin varastoitavaksi.

Ensimmäinen Pohjanmeren energiasaari tulee 80 kilometrin päähän rannikosta, ja sen kapasiteetiksi kaavaillaan 10 000 MW. Se voisi lähes kattaa Tanskan arvioidun sähkönkulutuksen tulevaisuudessa ja vastaisi 670:n Vestasin uuden jättiläisen enimmäistehoa.

Energiasaari sähkö

Jättiläistuulivoimaloiden ryhmät varastoivat sähkön maailman ensimmäisiin energiasaariin. Niistä sähköä jaetaan eri puolille maailmaa, ja niissä säilytetään huipputuotannon aikana syntynyttä ylijäämäsähköä.

© Energistyrelsen

Saaren kapasiteetti on tarkoitus nostaa peräti 10 000 megawattiin, jolla voitaisiin melkein kattaa Tanskan koko tuleva sähkönkulutus.

Energiasaarien odotetaan pitävän käynnissä muutakin kuin tanskalaisten kodinkoneita ja kulkuneuvoja.

Tanska suunnittelee ryhtyvänsä vihreän energian nettoviejäksi, jolloin energiasaarien sähköä voitaisiin jakaa myös Saksaan, Alankomaihin ja Belgiaan ja ehkä myös muille naapureille, kuten Britannialle, Norjalle, Ruotsille, Puolalle ja Baltian maille.

Jakelujärjestelmän kehittäminen on välttämätöntä ratkaistaessa vihreän energian ongelmia, joita aiheuttaa se, että aurinko ei paista aina, joskus on tyyntä ja kuivuus voi tyhjentää vesivoimaloiden altaat.

Sähköntuotannon ja -kulutuksen vaihtelujen tasaaminen vaatii sitä, että eri maanosat pystyvät välittämään toisilleen energiaa eri vuorokauden- ja vuodenaikoina.

Tuulivoimalajätti voi pienentää hiilidioksidipäästöjä 38 000 tonnia vuodessa eli 25 000 auton tupruttelun verran.

Aamuisin sähkönkulutuksessa on piikki, kun ihmiset herättyään sytyttävät valot ja panevat kahvin tippumaan.

Kun sähkö liikkuu eri aikavyöhykkeillä sijaitsevien alueiden välillä, kulutuksen paikalliseen kasvuun voidaan vastata kansainvälisesti, eikä sähköstä tule pulaa, vaikka siellä, missä sähköä tarvitaan paljon, ei sillä hetkellä tuulisikaan.

Tuulivoimalan lavat vihertyvät

Vaikka tuulivoimasta ennustetaan ratkaisevaa tekijää vihreässä siirtymässä, itse ala ei vielä loista vihreydellään.

Asia kävi ilmi laajassa tutkimuksessa, joka tehtiin Tanskan teknisessä yliopistossa insinööri Leon Mishnaevskyn johdolla helmikuussa 2021.

Parikymmentä vuotta sitten pystytetyt tuulivoimalat alkavat tulla elinkaarensa päähän, eikä niiden materiaalien kierrättäminen ja osien uudelleen käyttäminen tahdo onnistua.

Ongelmallisimpia ovat lavat. Tuulivoiman tuottajien edunvalvontajärjestö WindEurope arvioi, että romun määrä kasvaa 25 000 tonniin jo vuonna 2025.

Mishnaevskyn mukaan 6,5 tonnia painavan tuulivoimalan lavan käsitteleminen jalkakäytävän rakennusmateriaaliksi tuottaa noin 200 tonnia hiilidioksidia, mutta päästöt jäävät vain noin tonniin, kun lapa heitetään kaatopaikalle.

Järkevintä olisi kunnostaa lavat ja käyttää niitä uusissa tuulivoimaloissa. Silloin 6,5 tonnin painoisen lavan käsittelyssä syntyisi hiilidioksia vain noin kolme tonnia.

Tuulivoimaloiden valmistajat pohtivat ratkaisuja ongelmiin, ja syyskuussa 2021 Siemens esitteli maailman ensimmäisen merituulivoimalan lavan, joka ei aiheuta kierrätyspulmia.

Merituulivoimalan lapa

Siemens alkoi vuonna 2021 markkinoida 100-prosenttisesti uudelleen käytettävää merituulivoimalan lapaa. Uudenlainen liuotin mahdollistaa lavan eri komponenttien erottamisen toisistaan.

© Siemens Gamesa

Tuulivoimaloiden lavat voivat koostua useista eri materiaaleista, kuten muovista, lasi- ja hiilikuidusta, PVC:stä, vaahdosta ja balsapuusta. Eri komponentit yleensä liimataan yhteen erittäin kestävällä hartsimaisella aineella.

Siemens on kehittänyt uuden liukoisen liima-aineen. Sen ansiosta siipien eri ainekset voidaan erottaa toisistaan ja hyödyntää esimerkiksi näyttöjen tai laukkujen raaka-aineena.

Yhdysvaltalaisyhtiö Global Fiberglass Solutions tarjoaa vielä järeämpää ratkaisua. Se valmistaa puristamalla lasikuitulavoista levyjä, joita voidaan käyttää esimerkiksi kulkuväylien pinnoittamiseen.

Vestasin uuden jättiläisen ensimmäinen kaupallinen versio pystytetään vasta vuonna 2024. Niinpä maailman suurimman tuulivoimalan lavasta tehtyjä laattoja voi joutua odottamaan vuosisadan puoliväliin asti.