Tuulivoima, supergrid ja energian varastointi: osa 1

Olen kirjoittanut aikaisemmin huomioistani Oregonin BPA:n tuulivoimatuotannosta ja tuulivoimasta Tanskassa ja Irlannissa perustuen todellisiin tuotantotietoihin. Näissä kirjoituksissa olen arvioinut kuinka paljon maantieteellinen hajauttaminen todellisuudessa  tasoittaa tuulivoiman satunnaisuutta kuten myös sitä kuinka paljon voimme luottaa sääennusteiden paranemisen helpottavan tilannetta olennaisesti. Päätin nyt palata asiaan hiukan korkeammalla kunnianhimolla.

Seuraavissa kirjoituksissa aion analysoida hiukan tarkemmin todellisiin tuotantotietoihin perustuvaa fiktiivistä valtiota, jonka tarvitsemasta energiasta suuri osa tuotetaan tuulivoimalla, joka on jakautunut kolmelle mantereelle: Irlantiin, Oregoniin (USA) ja kaakkois-Australiaan. Valitsin nämä otokset osin naurettavan suurien välimatkojen vuoksi ja osin siksi, että näistä paikoista löysin tarkat tuulivoiman tuotantotiedot helposti. Koska kirjoituksesta näyttää tulevan melko pitkä, jaan sen kahteen osaan. Tässä ensimmäisessä osassa pohjustan tulevaa muodostamalla näistä kolmesta klusterista yhteenlasketun tuulivoimatehon. Tältä pohjalta arvioin vielä vaadittavaa fossiilisiin polttoaineisiin perustuvaa energiantuotantoa. En jää kuitenkaan tälle "supergrid" tasolle vaan jatkan arvioimalla tarvittavaa  energianvarastoinnin määrää mikäli haluamme oikeasti luopua fossiilisista. Haluan myös ymmärtää mitä varaston rajoitukset (koossa ja tehoissa) aiheuttavat. Seuraavassa osassa seuraa mitä sylki suuhun tuo, koska aion jatkaa siitä mihin tässä jään ja mihin kiinnostukseni nyt silloin sattuukaan suuntautumaan.

No niin...ryhdytäänpä töihin. Irlannin, Bonneville Power Administrationin ja kaakkois-Australian tuulivoiman tuotantotiedot löytyvät netistä. BPA:n ja Irlannin tiedot ovat ajanjaksolta 1.7.2010-30.6.2011 ja kaakkois-Australian ajanjaksolta 1.8.2010-30.7.2011. Siinä missä muut antavat tietonsa 5 minuutin välein Irlannin tiedot onnetaan 15 minuutin  välein ja jotta saan heidän datasettinsä samankokoiseksi BPA:n kanssa, teen lineaarisen  interpolaation annettujen tietojen välille. Australian datan ajankohta poikkeaa myös hiukan  muista ja sen vuoksi sen koko on hiukan BPA:n settiä lyhyempi. Taitan  heidän datasettinsä lopusta takaisin päin ja generoin näin puuttuvat pisteet. Skaalaan kunkin klusterin kapasiteetin yhtäsuureksi niin, että yhteenlaskettu kapasiteetti on 10GW. Jos jotakin kiinnostaa leikkiä datalla, niin semifiktiivisen valtiomme tuotanto- ja kulutustiedot ovat tässä.

 Ensimmäisessä kuvassa näytän todennäköisyysjakauman tuuliteholle. x-akselilla on teho suhteessa asennettuun kapasiteettiin. Jakaumat eri paikoissa näyttävät erilaisilta luultavasti lähinnä sen vuoksi, että alueiden sisällä tuulivoimalat on jaettu eri kokoisille alueille niin, että kaakkois-Australian kapasiteetti on selvästi hajautetuin. Parempi hajautus aikaansaataisiin, jos kaikkien tuulivoimalat olisivat yhtä levällään kuin kaakkois-Australiassa, mutta melko hyvin levitettynä tätäkin tuotantoa voitaneen pitää. Eri lähteiden yhteenlaskeminen alensi pienien tuotantotehojen todennäköisyyttä (alle 10% asennetusta kapasiteetista 7% todennäköisyydellä), mutta standardipoikkeama on vielä 14% ja jakauma on selvästi ei-normaali. Keskimääräinen tuotantoteho on melko korkea eli noin 30% asennetusta tehosta. Pitäen mielessä, että tämä tulos on laskettu tuhansien eri mantereilla olevien turbiinien todellisten tehojen summana uskon, että tuulivoimaloiden tuotannon yhdistäminen  esim. EU:n kokoisella alueella tuskin tuottaa tässä nähtyä tasaisempaa tuotantoprofiilia. Käytännössähän jopa tällaisen yhteenliittämisen esteenä ovat toisaalta korkeat kustannukset sähköverkoista, jotka ovat suuren osan ajasta tyhjillään ja toisaalta voimaloiden jakautuminen epätasaisesti niin, että niiden sijoittelu seuraa enemmänkin kyseisen maan väkilukua, vaurautta ja tukiaisia kuin optimaalista tuotantotehojen tasaamista.

Kuva1: Tuulivoiman tuotantojakaumat

Seuraavat kuvat esittävät esimerkit tämän fiktiivisen maan tuulivoimatuotannosta yhdessä sähkön kulutuksen kanssa. Kulutuksen muodon otan BPA:n kulutustiedoista, mutta skaalaan sitä tarvittaessa ylös ja alas. (Esitän kuvissa vain yhden satunnaisesti valitun viikon tiedot.) Kuva 2 esittää tilanteen missä kulutus on mitoitettu niin, että tuulen maksimituotanto on aina alhaisempi kuin minimikulutus. Tämä takaa sen, että tuulivoimaa ei tarvitse varastoinnin puutteen vuoksi "hukata" tuotannon ollessa kulutusta korkeampi. Toisaalta tässä skenaariossa kulutuksen ja tuotannon erotus on katettava jollain  luotettavalla energianlähteellä. Tämän tyyppinen tilanne on vallalla nyt, kun esim. tuulivoimatehot ovat selvästi alhaisempia kuin fossiilisten voimalaitosten tehot. (Jatkossa toimin niin, että tämä "luotettava energianlähde" on vain kiertoilmaus sanalle "fossiilinen".)

Kuva 2: Tuulivoimantuotanto aina kulutusta pienempi

Kuva 3 taas olettaa, että keskimääräinen kulutus on sama kuin tuulivoiman keskimääräinen tuotanto. Ts. vuoden aikana tuulivoimalat tuottavat tismalleen saman määrän sähköä kuin mitä ihmiset kuluttavat.

Kuva 3: Keskikulutus sama kuin tuotanto

Koska kysyntä ja tarjonta eivät kummassakaan tapauksessa (Kuvat 2-3) vastaa toisiaan emmekä elä yhteiskunnassa joka sietää yllättävää sammumista, tarvitaan erotuksen  kattamiseen fossiilisia. Kuinka paljon? Teen rajun yksinkertaistuksen ja oletan, että fosiilisen kapasiteetin tehoa voidaan säätää välittömästi vastaamaan tuulivoiman ja kysynnän vaihteluja. Tämä ei tietenkään pidä paikkaansa, mutta olen blogia kirjoittava fyysikko ja teen mitä minua huvittaa. (On suotavaa, jos insinöörit tekevät tällaiset laskut kunnolla...ainakin töissä ollessaan.)  Kuvan 2 tapauksessa fossiilisilla tuotetaan 74% sähköstä ja tarvittava   fossiilinen huipputeho on 94% kulutushuipusta.  Mieleni tekee kutsua tätä skenaariota viherpesuksi, koska yhteiskunta ja tuulivoima on siinä rakennettu toimimaan fossiilisten varassa ja tuulivoiman tuottaa lähinnä hyvää mieltä eikä niinkään energiaa. Missään nimessä sillä saatavat päästövähennykset eivät ole lähelläkään sitä mitä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi tarvitaan.

Kuvan 3 tapauksessa suurin osa energiasta tuotetaan jo tuulivoimalla. Fossiilisilla tuotetaan yhä 21% sähköstä ja tarvittava fossiilinen huipputeho on 88% maksimikulutuksesta. Tässä skenaariossa tuulivoiman kapasiteettikerroin  on 24% (koska osa tehosta menee harakoille) ja fossiilisten 15%. Kustannukset aiheutuvat siis tuulivoimaloista, supergridistä ja fossiilisista voimalaitoksista, jotka voivat toimittaa melkein kaiken tarvittavan tehon. Vaihtoehtona voisi olla esimerkiksi nykytilanne,  jossa on lähinnä pelkkiä fossiilisia polttavia voimalaitoksia. Laitokset itsessään maksaisivat suunnilleen yhtä paljon kuin tuossa yllä olevassa skenaariossa, mutta polttoainekustannukset olisivat korkeampia. Toisaalta aikaisemmin mainittu alhainen 15% kapasiteettikerroin tarkoittaa, että ollakseen kannattavia dominoivan tuulivoiman rinnalla on fossiilisesta energiasta pyydettävä markkinoilla merkittävästi nykyistä korkeampaa hintaa. (LCOE on ainakin kaksinkertainen, jos kapasiteettikerroin kaasuvoimalalla on 15% 70% sijaan.) Tällaisessa tilanteessa voimme joutua maksamaan fossiilisten voimalaitosten omistajille tukiaisia siitä, että he ylläpitävät  infrastruktuuria johon tuulivoimalat nojaavat. Tästä on itseasiassa jo alettu keskustelemaan Saksassa  heidän energia "vallankumouksensa" yhteydessä.

Nämä skenaariot kuitenkin nojaavat edelleen fossiilisiin mikä ei vaikuta järkevältä mikäli oikeasti pitää ilmastonmuutosta ongelmana. Tämä riippuvuus voidaan poistaa mikäli ylijäämä  tuulivoimaa voitaisiin varastoida myöhempää käyttöä varten. Kuinka paljon varastoa vaaditaan? Oletan nyt optimistisesti, että varastoinnin ja purun yhteydessä 20% sähköstä hukkuu, että varasto ei vuoda, että varaston täytön ja purkamisen tehossa ei ole rajoituksia ja että varasto voi olla mielivaltaisen suuri. Ainut varastointitapa, joka edes hiukan saattaisi lähestyä näitä reunaehtoja on energian varastointi korkealla sijaitseviin vesialtaisiin. (Unohdetaan akut, koska niillä varastoinnin kustannukset ovat astronomisia ilman, että tarvitsee edes keskustella niiden materiaalivaatimuksista tai ympäristövaikutuksista.)

Kuvassa 4 näytän kuinka varaston energiasisältö käyttäytyy vuoden aikana tilanteessa missä energiankulutusta on alennettu niin, että loppuvuonna varasto on suunnilleen samalla tasolla kuin missä se oli vuoden alussa. Nyt koko energiankulutus voidaan kattaa tuulivoimalla ja varastoa tarvitaan noin 9% tuulivoiman vuosituotannosta eli 2.5 miljoonaa MWh. Käytännössä tuo energiamäärä voisi olla esim. 500 metrin (Norjan keskikorkeus) korkeudella olevassa  20 metrin syvyisessä 90km^2 kokoisessa järvessä. Jos yritämme tehdä vastaavan varaston Suomessa niin esimerkiksi Saimaan tyhjentäminen merenpinnan tasolle vapauttaa suunnilleen saman määrän energiaa. (Saimaan vesi pitäisi sitten varastoida jonnekin meren lähelle odottamaan takaisin pumppaamista vielä saman vuoden aikana, koska eihän järveen voi suolavettä pumpata.) Tässä skenaariossa keskikulutus on 95% keskimääräisestä tuotannosta (ei hullummin itse asiassa), mutta meidän olisi kyettävä pumppaamaan energiaa varastoon 5.1GW teholla ja purkamaan sitä 4.3GW teholla. Kun ottaa huomioon, että muun yhteiskunnan maksimikulutus on noin 4.7GW tämä vaikuttaa melko epärealistiselta.

Kuva 4: Tuotanto, kulutus ja varasto

Tämän vuoksi edetään seuraavaan ehkä hiukan realistisempaan skenaarioon, missä  varaston syöttö- ja purkuteho rajataan  yhteen gigawattiin. (Tämä on toki edelleen  massiivinen luku, sillä tällöin vesipumput vaatisivat suhteessa saman sähkötehon kuin koko metsäteollisuus Suomessa.) Koska joudumme nyt rajaamaan osan tuulivoimaloiden tuotannosta ulos, tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin laskee ja  voimme tarvita fossiilisia voimalaitoksia kattamaan hetket jolloin tuulee vähän, kulutus on korkea ja varaston maksimiteho ei ole riittävän korkea. Osoittautuu, että nyt kulutuksen on oltava 89% keskituotannosta ja varastoa vaaditaan noin 5% tuulivoiman vuosituotannosta. Fossiilisilla katetaan 4.5% kulutuksesta ja vaadittava fossiilinen huipputeho on 63% huippukulutuksesta. Tämä tarkoittaa, että fossiilisten voimalaitosten kapasiteettikerroin on 5% (LCOE yli nelinkertainen) ja tuulivoiman kapasiteettitekijä on laskenut 26% tasolle. Mikäli kuristamme varaston tehoja vielä alemmas tarvittava fossiilinen kapasiteetti nousee ja tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin laskee.

Tämä riittäköön tällä kertaa. Jatkan myöhemmin luultavasti keskustelemalla skenaarioista missä varastointi kapasiteetti on rajoitettu korkeintaan joihinkin päiviin. Samoin aion analysoida hiukan sitä mitä varaston vuotaminen aiheuttaa ja miten tulos riippuu siitä käytämmekö supergridillä yhteen liitettyjä voimaloita vai emme. Varaston vuotaminen vaikuttaa nimittäin relevantilta silloin, jos pitää ottaa kantaa energianvarastointiin esimerkiksi vauhtipyöriin tai paineistettuun ilmaan. Näissä molemmissa tapauksissa varastoitu energia hukkuu suhteellisen nopeasti tuntien tai päivien kuluessa. Itse asiassa tällöin voi osoittautua tarpeelliseksi lisätä realistisempi viive tuulivoiman muutoksen ja fossiillisen kapasiteetin reaktion välille. Stay tuned...

Seuraava osa on valmis ja luettavissa täällä.