Tuulivoima

Teknologia

Tuulivoima on tuulen eli ilman virtauksen liike-energian muuntamista roottorilla pyörimisliikkeeksi ja generaattorilla edelleen sähköksi. Tuuliturbiinilla tarkoitetaan yleensä koko tuulivoimalaitosta, johon kuuluu muun muassa roottori (napa ja lavat/siivet), konehuone, masto ja perustukset. Eri voimalaitosvalmistajien mallit poikkeavat jossain määrin toisistaan johtuen erilaisista teknisistä ratkaisuista. Suurin ulkoinen ero on konehuoneen koossa ja muodossa. Tuulivoimaloita on hyvin erilaisia, pystyakseloituja ja vaaka-akseloituja, 1-, 2-, 3- ja monilapaisia.

Tuulivoimalan tuottama energia riippuu olennaisesti tuulivoimalan lapojen alueella vallitsevasta tuulen nopeudesta ja laadusta. Lavan kykyyn ottaa tuulesta energiaa vaikuttaa sekä sen materiaali että malli. Sähköntuotannossa yleisesti käytetyn kolmilapaisen voimalan hyötysuhde on suhteellisen hyvä tuulennopeuksissa 5–10 metriä sekunnissa. Hitaasti pyörivän useampilapaisen voimalan hyötysuhde pienenee nopeasti tuulennopeuden kasvaessa. Sellainen soveltuu hyvin esimerkiksi veden pumppaamiseen, jolloin vaaditaan toimintaa myös pienillä tuulilla jo paljon vääntömomenttia.

Tuulivoimalan teoreettinen hyötysuhde on suurimmillaan 59 prosenttia tuulen sisältämästä energiasta. Lähimmäksi sitä päästään nykyisillä kolmi- tai kaksilapaisilla tuulivoimaloilla. Yleisimmin suuren kokoluokan sähköntuotannossa käytössä olevat voimalat ovat vaaka-akseloituja ja 3-lapaisia. Pientuulivoimaloita, teholtaan yleensä enintään 20 kW, käytetään mm. maataloudessa, laitoksissa, kotitalouksissa ja vapaa-ajan asunnoissa.

Tuulivoimalan nimellistehon yksikkö kilowatti (kW) ei yksin kerro sitä, kuinka paljon voimala tuottaa energiaa eli kilowattitunteja (kWh). Voimalan tuotto riippuu voimalan ominaisuuksista, paikallisista tuuliolosuhteista ja maston korkeudesta. Voimaloita voi vertailla ja niiden tuottoa arvioida tehokäyrien avulla, eli missä näkyy saatavan tehon ja tuulen välinen riippuvuus. Käytännössä voimalan tuottama todellinen teho ei kuitenkaan noudata täysin tehokäyrää. Esimerkiksi jos lavat ovat jäässä, putoaa tuotettu teho huomattavasti laskennallisen tehokäyrän alapuolelle. Todellista tuottoa ei pysty ennakkoon määrittelemään. Nyrkkisääntönä on sanottu, että voimala on tuottanut hyvin, mikäli vuosituotannosta laskettu luku on yli 1000 kWh/m2 (roottorin pyyhkäisypinta-ala).

Tuulivoimala ei voi hyödyntää tuulen koko nopeusaluetta. Voimaloilla on niille ominaiset käynnistymistuulennopeus sekä voimalaturvallisuuteen liittyen pysäytystuulennopeus, joiden ulkopuolella olevilla tuulennopeuksilla voimala ei tuota mitään.

Tuulivoimalan sähköntuotanto voidaan käyttää suoraan talon tms. sähköverkossa, jolloin voimalan sähkö muutetaan tavalliseksi verkkosähköksi ja voimala kytketään sulaketauluun. Asennuksen saa tehdä vain valtuutettu sähköasentaja. Kun tuulivoimalan sähköntuotanto on tarvetta suurempaa, syötetään ylijäämä yleiseen sähköverkkoon ja kun tuotanto on alijäämäistä, otetaan normaalisti energia sähköverkosta. Ennen kytkentää täytyy kuitenkin neuvotella paikallisen sähkölaitoksen kanssa. Voimalasta saatua sähköä voidaan käyttää myös lämmitysenergian tuottamiseen tai varastoidaan akkuihin.

Hinta

Tuulivoiman kustannukset ovat merkittävimmät rakennusvaiheessa, noin 2000–6000 €/ kWe alle 20 kWe voimaloissa (sisältää tarvikkeet, asennuksen, koulutuksen yms.). Tuulivoimalla ei ole merkittäviä käytönaikaisia raaka-ainekustannuksia ja ylläpitokustannukset ovat pienet, noin 3-5 senttiä/ kWe. Sähköntuotantokustannukset 20 vuoden laskenta-ajalla ovat 12–32 senttiä/ kWe.

Lähde: Hagström, M., Pesola, A. & Vanhanen, J. mukaan. 2011. Study on Distributed Energy Options in Skaftkärr Testbed. Gaia Consulting Oy. Final report 26.5.2011.

Muuttuvat kustannukset

Ei ole.

Huolto

Yleensä tarvitaan vuosittainen huoltotarkastus. Käyttöikä on arvioitu olevan noin 20 vuotta laadukkaalla turbiinilla. Sen jälkeen tuulivoimala voidaan peruskorjata ja mikäli masto- ja perustusrakenteiden kantavuus sallii, voidaan myös turbiini vaihtaa tehokkaammaksi.

Asennus

Tuulivoimalle potentiaalisten alueiden tuulennopeudet on aina arvioitava. Keskimääräinen tuulennopeus on oltava vähintään 5,5 m/s, jotta turbiinin asentaminen on kannattavaa (tuulimittari voidaan asentaa suunnitellulle paikalle ja sen avulla voidaan tallentaa keskimääräinen tuulennopeus tiettynä aikana). Tuulikartoilta voi arvioida tuulennopeuksia ja vaihteluja, esimerkiksi Suomen TuuliAtlaksesta.

Tuulivoimalalle kannattaa siis etsiä paikallisesti tuulisin paikka. Tuulisimpia alueita ovat yleensä aukeat pellot ja järven rannat, missä puustoraja ja muut tuulen tasaisuuteen vaikuttavat tekijät (kuten rakennukset) ovat kaukana. On myös hyvä muistaa, että tuulennopeus kasvaa ylöspäin mentäessä, ja mitä korkeammalle koneisto nostetaan, sitä enemmän energiaa saadaan.

Tuulivoimalat olisi mieluiten sijoitettava jonkin matkan päähän rakennuksista. Yleinen nyrkkisääntö on, että tuulimylly pitäisi sijoittaa vähintään sen tornin korkeuden verran lähimmästä rakennuksesta. Tämä auttaa vähentämään mahdollista valon ja varjon välkehdintää (joka riippuu maston korkeudesta) sekä vähentää mahdollista meluhaittaa. Meluhaitat pitäisi ottaa huomioon, kun valitaan sopivaa paikkaa (vaikka modernit turbiinit ilman vaihteistoa ovat melko hiljaisia). Tärkeää on myös ottaa huomioon huollon ja asennuksen pääsy paikalle. Lisäksi olisi huomioitava sijaintialueiden ympäristöarvot ja muu alueidenkäyttö. Asennettaessa tuulivoimalaa on muistettava asentaa myös salaman iskulta suojaava maadoitus että ylijännitesuoja.

Tuulivoimalat eivät yleensä sovellu tiheään asutuille kaupunkialueille, koska rakennusten läheisyys häiritsee tuulennopeuksia ja energian tuotanto heikkenee. Rakennusten päälle on mahdollista asentaa pieniä tuulivoimaloita, mutta tutkimukset niiden kannattavuudesta ja tehokkuudesta ovat vielä kesken.

Luvanvaraisuus

Tuulivoiman lupamenettely vaihtelee kunnittain. Luvan myöntää kunta tai kaupunki. Tuulivoimalle yleisesti haetaan joko rakennuslupaa tai toimenpidelupaa, joista kummastakin määrätään maankäyttö- ja rakennuslaissa. Sijainti ja sen ominaispiirteet ja ympäristöarvot ovat tuulivoimalan luparatkaisuissa merkittävä tekijä. Tavallisinta on, että kaava-alueella vaaditaan rakennus- tai toimenpidelupa voimalan maston korkeudesta riippuen. Kaava-alueen ulkopuolella tyypillisesti vaaditaan vain toimenpidelupa. Raja-arvot eri kokoluokan tuulivoimaloiden luvanvaraisuudelle määritellään kunkin kunnan tai kaupungin rakennusmääräyskokoilmassa. Ennen hankintaa tulee olla yhteydessä kunnan rakennusvalvontaviranomaiseen.

Tuulivoimaa varten ei yleensä tarvitse hakea ympäristösuojelulain mukaista ympäristölupaa. Poikkeuksena ovat tapaukset, jossa tuulivoima saattaa aiheutua eräistä naapuruussuhteista annetun laissa tarkoitettua kohtuutonta rasitusta. Tällöin lupaviranomainen on kunta. Mikäli tuulivoimala rakennetaan vesistöön, se tarvitsee taas vesilain mukaisen luvan ja tällöin luvan myöntää aluehallintovirasto.

Energiamarkkinavirastolle on ilmoitettava teholtaan vähintään yhden megavolttiampeerin (MVA) laitoksen rakentamisesta tai tehonnostosta. Sähköverkkolupaa ei tarvita, mikäli yhteisön tai laitoksen hallinnassa olevalla sähköverkolla hoidetaan vain kiinteistön tai sitä vastaavan kiinteistöryhmän sisäistä sähkönjakelua. Niissä tapauksessa, jossa lupa tarvitaan, lupaviranomainen on Energiamarkkinavirasto. Sähköntuottajalla on oikeus rakentaa liittymisjohto vastuualueen jakeluverkonhaltijaan, tai kiinteistön tai sitä vastaavan kiinteistöryhmän sisäisen jakeluverkon.