Thursday, October 20, 2011

Tuulivoima, supergrid ja energian varastointi: osa 2

Aikaisemmassa kirjoituksessani aloitin muodostamalla eri tuulivoimalaryppäiden todellisista tuotantotiedoista semifiktiivisen maan, jonka sähköntuotannosta merkittävä osa oli peräisin tuulivoimasta. Halusin ymmärtää kuinka paljon luotettavia (yleensä fossiilisia) energianlähteitä vielä tarvitaan ja kuinka tästä riippuvuudesta voisi päästä eroon energiaa varastoimalla. Jatkan nyt siitä mihin jäin.

Jos haluamme sähköntuotannon, joka on täysin vapaa fossiilisista vaadittava energiavaraston koko on herkästi liki 10% tuulivoiman vuosituotannosta. Koska näin massiivinen varasto vaikuttaa suhteellisen epärealistiselta, katsotaan mitä tapahtuu, jos varaston kokoa pienennetään ja puuttuva osa sähköntuotannosta yksinkertaisesti katetaan "luotettavilla" energianlähteillä. Jos varastoon mahtuu 5 päivän huipputuotanto ja sen in-out tehot rajataan aikaisemmin mainittuun 1000 MW:iin osoittautuu, että luotettavaa tuotantoa tarvitaan noin 9% kokonaiskulutuksesta. Laitosten teho olisi 70% maksimikulutuksesta ja kapasiteettikerroin 8%. Tuulivoiman kapasiteettikerroin laskisi nyt 25% tasolle. Jos taas haluamme poistaa nämä luotettavat energianlähteet kokonaan pois kuvioista, on kulutusta laskettava rajusti. 5 päivän varastolla keskikulutuksen on pudottava noin 870MW tasolle jotta riippuvuus katoaa. Tämä tarkoittaa luonnollisesti tuulivoimaloiden kapasiteettikertoimen laskua alle 9%.

Jos pienennämme varastoa entisestään ainoastaan 2 päivään (katso kuva 1) ja oletamme lisäksi, että varasto purkautuu 2 päivän puoliintumisajalla (ehkä realistista paineilmaan perustuvissa visioissa?), luotettavalla voimalla katetaan 12 %, niiden tehon on oltava 80% huipputehosta ja kapasiteettikerroin on 9%. Pienentämällä varastoa entisestään fossiilisten osuus nousee ja niiltä vaadittava huipputeho kasvaa.
Kuva 1: 2 päivän varasto joka purkautuu 2 päivän puoliintumisajassa.
Näissä skenaariossa olen olettanut, että luotettavat vaihtoehdot voivat seurata tuulivoiman tehon vaihteluita välittömästi. Koska näin ei useinkaan ole, niin tarkastellaan vielä sitä mitä viive varavoiman käynnistämisessä aiheuttaa. Kuvassa 2 esitän tuotannon ja kulutuksen erotuksen muutamalla eri viiveellä. Näissä esimerkeissä on siis tehty oletus, että mikäli varavoimalaitos on ollut poissa päältä kun tuuli tyyntyy, sen päälle saaminen kestää kuvassa mainitun ajan. Kuvasta huomaa, että kulutuksen ja tuotannon välille voi vuoden aikana syntyä jopa yli 600 MW:n ero (20% keskikulutuksesta) vaikka varavoiman käynnistys kestäisi vain 10 minuuttia. Pienempiä satojen megawattien heittoja tapahtuu toistuvasti ja niiden määrä kasvaa, kun varavoiman käynnistys hidastuu. Tämä antanee osviittaa siitä määrästä luotettavaa voimaa, joka on vaihtoehtoisesti koko ajan päällä tuulitilanteesta riippumatta tai mikä voidaan käynnistää välittömästi, kun tuulivoiman tuotanto muuttuu (ehkä vesivoima?).
Kuva 2: Tuotannon ja kulutuksen erotus, kun varavoiman käynnistyy vaatii 10-30 minuuttia.















On myös ehdotettu, että tuulivoimaa varastoitaisiin lyhyemmäksi aikaa esimerkiksi vauhtipyöriin (flywheels). Tämä ei voi poistaa riippuvuutta luotettavasta varavoimasta, mutta voisi auttaa tuottamalla energiaa sen aikaa, kun varavoimaloita käynnistetään. (Jos muuten kustannus on 10000$/kWh, niin varasto joka voi toimittaa 5000MW 30 minuutin ajan maksaisi enemmän kuin asennetut tuulivoimalat. Ellei teknologia tule rajusti halvemmaksi niin jopa akut ovat selvästi halvempia.) Tällaisissa skenaarioissa on kuitenkin syytä pitää mielessä se, että varaston on oltava aina käyttövalmiina.  Jos nimittäin varastoa täytetään vain hyvien tuuliolosuhteiden vallitessa, on olemassa riski siitä, että tuuli ensin tyyntyy, aloitamme käynnistämään varavoimaa ja puramme varastoja. Varasto tyhjenee, mutta sitten tuuli taas voimistuu. Päätämme sammuttaa varavoimalat, mutta sitten tuuli taas tyyntyy ilman, että varastot voivat enää tuottaa mitään ja valot sammuvat. Toinen relevantti asia on se aika missä varasto purkautuu. Jos sinne varastoidaan energia E=Pt, niin se hukkuu teholla  Pt*ln(2)/puoliintumisaika. Ainut tapa pitää tämä hukkateho pienenä on käyttää varastoa missä t/puoliintumisaika on hyvin pieni. Jos vauhtipyörät varastoivat energiaa vain esim. pariksi tunniksi ja haluamme varastoida energiaa vastaamaan 30 minuutin tarvetta, niin varaston hukkateho on jo huomattava osa kulutuksesta. Vauhtipyörät eivät tämän perusteella vaikuta kovin lupaavilta.

On myös kiinnostavaa tarkistaa mitä Irlannin, BPA:n ja Australian tuotantojen yhteenliittämisessä itse asiassa voitettiin. Mikäli tyydymme rakentamaan saman tuulivoimakapasiteetin kaakkois-Australiaan (silmämääräisesti noin miljoonan neliökilometrin alue) ja tuotamme tuulivoimalla kulutusta vastaavan sähkömäärän ilman varastointia, fossiilisilla tuotettaisiin 24% sähköstä ("supergrid" tulos oli 21%), tarvittava luotettava kapasiteetti olisi 92% huippukulutuksesta (supergridillä 88%) ja kapasiteettikerroin 17% (supergridillä 15%). Vaikuttaa siis siltä, että tuulivoimaloiden yhteenkytkeminen yli miljoonan neliökilometrin yli ei muuta tilannetta kovin olennaisesti. (Pohjoismaiden pinta-ala on enemmän kuin miljoona neliökilometriä.)

Aikaisempaa kirjoitustani kommentoitiin huomauttamalla vesivoiman roolista. Vesivoima on ylivoimaisesti merkittävin uusiutuva energianlähde. Skenaariot joissa tuulivoimaa varastoidaan joiksikin päiviksi ja jäljelle jäävää tarvetta katetaan luotettavilla energianlähteille voitaisiin osin pohjata myös nykyisten vesivoimaloiden käyttöön. Ongelma näissäkin vaihtoehdoissa on mm. vaadittava luotettavan huipputehon määrä mikä  on merkittävä osa huippukulutuksesta ja sellaista tehoa olemassa olevista voimalaitoksista ei saa.

Kulutus voi myös periaatteessa joustaa, mutta semifiktiivisen valtiomme energiantuotanto oli niin satunnaista, että vuoden aikana tapahtuvien satunnaisten kulutusjoustojen tarve on merkittävä osa koko kulutuksesta. Vaadittava jouston määrä ei ole ainoastaan suuri vaan sen pitää myös tapahtua hyvin nopeasti, koska tuotantoteho vaihtelee merkittävästi jopa 5 minuutin aikana. Kulutusjoustojen toteuttaminen älykkäiden verkkojen avulla on varmasti monessa tapauksessa järkevää, mutta sen hyöty on suurempi melko hyvin ennustettavan kulutusprofiilin tasoittamisessa kuin tuotannon satunnaisuuden kompensoimisessa kulutuksen satunnaisuutta lisäämällä. Kulutuksen tasoittaminen pienentää tarvetta voimaloihin, jotka kytketään  päälle vain kulutuspiikkejä varten. Tällöin suurempi osa tuotannosta voi olla jatkuvasti päällä olevaa halvempaa perusvoimaa.  Tämä ei ainoastaan alenna keskimääräisen kWh:n  suoria kustannuksia vaan tekee koko infrastruktuurin suunnittelun ja pyörittämisen helpommaksi (ja halvemmaksi).

Kun jousto kohdistuu nykyisen kulutusprofiiliin tasoittamiseen sekoittamisen sijaan, jouston ennustettavuus tekee myös kustannusten minimoimisen helpommaksi. (Kulutusjouston toteuttaminen  esimerkiksi silloin, kun kaikki ovat töissä on varmasti vaikeaa. Sanotaanko silloin työntekijöille, että riippumatta lomasuunnitelmistanne nyt teillä onkin puolipäivää vapaata paitsi siinä tapauksessa, että tuotanto taas kasvaa, jolloin ryntäätte takaisin töihin? Ei tarvitse olla perheellinen todetakseen tuollaisen tilanteen sietämättömyyden.) Samoin moni tulevaisuudessa edessä oleva asia voi lisätä sähkönkulutusta öisin ja näin ollen pienentää kulutuspiikkien roolia. Äkkiseltään mieleeni tulevat sähköautojen akkujen lataus, vedyn valmistus, kenties liikennepolttoaineiden valmistus ja meriveden desalinointi. Kaikki nuo ovat prosesseja, joita voidaan pyörittää ihmisten nukkuessa.

Kulutusjoustoissa on myös kyse osin ideologisista mieltymyksistä. Itse en pääsääntöisesti usko ylhäältä tapahtuvan sosiaalisen manipuloinnin (social engineering) tehokkuuteen. Evoluutio tuottaa parempia tuloksia kuin revoluutio. On helpompaa ja oikeampaa saada tekniset ratkaisut mukautumaan ihmisten mieltymyksiin kuin pakottaa ihmiset mukautumaan valittuihin teknisiin ratkaisuihin. On vaikeaa nähdä mitä lisäarvoa epäluotettavasti toimivaan energiainfrastruktuurin mukautuminen ihmisille tuottaa.

Näissä kirjoituksissa käsitellyistä syistä johtuen minusta on ilmeistä,  että sähköntuotantoa on hyvin vaikeaa saada pohjautumaan satunnaisiin uusiutuviin. Kun arvioimme vaadittavia varastointimääriä tai tarvittavaa luotettavan tehon määrää, päädymme hyvin herkästi massiivisiin lukuihin. Näissä visioissa  kulutuksen ja tuotannon saaminen tasapainoon vaatii yhä eriskummallisempia  virityksiä joille on englannin kielessä termi "Rube Goldberg device".  Ts. laite joka tekee jotain todella yksinkertaista hyvin monimutkaisella tavalla. Jos tuulivoima on liian satunnaista, rakenna supergrid ja kytke se älykkääseen verkkoon. Sitten kytke koko järjestelmä aurinkovoimaan, jota tasoitetaan aaltovoimalla, joka kytketään geotermiseen lämpöön ja kaikki kruunataan paikallisilla mikrotasolla maanosan ylitse yhteen kytketyillä (lähi-demokraattisilla?) bio- maakaasu- ja vesivoimaloilla. Ta-daa! Valmista tuli ja töpselissä on jännite-ero! Jos tavoitteena on jännite-ero töpselissä, eikö tuota voi tehdä yhtään helpommin? (Jos tavoitteena on uudelleen ohjata yhteisiä resursseja tukiaisiin kutakin laitteen osaa valmistavalle yritykselle, visiossa on oma sisäinen logiikkansa. Samoin siinä on oma järkensä mikäli todellisena tavoitteena on ylläpitää fossiilisiin pohjaavaa  energiantuotantoa.)

Kuva 3: Rube Goldberg laite avustaa hampaiden pesussa

Tällainen sekamelska ei ainoastaan hankaloita  todellisen järjestelmän toiminnan ja kustannusten ymmärtämistä vaan myös järkevää keskustelua prioriteeteistä ja lopullisista kustannuksista. Visioiden uskottavuus ei myöskään parane siitä, kun tarkastelee kuinka tällaista energiainfrastruktuuria ajetaan politiikassa. Kutakin järjestelmän osaa näperrellään toisista irrallaan, voimaloita asennellaan minne sattuu lukemattomien erilaisten kansallisten  tukiaisvirtojen innostamina. Monet laitteen osat tuntuvat vielä usein olevan pikemminkin retorisia keinoja johdattaa keskustelua pois kulloisenkin harrastuksen rajoituksista samalla, kun energiainfrastruktuurista tulee yhä pahempi tilkkutäkki,  joka nojaa  entistä voimakkaammin siihen osaan tuotantoa johon voi  luottaa -- eli fossiilisiin.

Ainoat skenaariot, joista tämä eskaloituminen puuttuu ovat niitä, jotka nojaavat jo lähtökohtaisesti luotettaviin  energianlähteisiin ja joiden rinnalla satunnaiset uusiutuvat ovat "pieni" tekijä. Haasteena on kuitenkin se, että mikäli ilmastonmuutokselle halutaan tehdä jotain on energiantuotanto muutettava liki täysin vapaaksi fossiilisista. Skenaariot joissa rakennetaan vaikkapa tuulivoimaa luottaen siihen, että sen satunnaisuus kompensoidaan fossiilisilla polttoaineilla johtavat meidät päästövähennysten ja kustannusten kannalta umpikujaan viimeistään siinä vaiheessa, kun tuulivoiman  huipputeho alkaa merkittävä osa kaikesta tehonkulutuksesta. Itseäni fossiilisista riippuvat ratkaisut eivät suuremmin kiinnosta vaan pidän parempana keskittyä vaihtoehtoihin, jotka voivat uskottavasti skaalautua kattamaan  100% ihmiskunnan energiankulutuksesta ilman näissä kirjoituksissa mainittuja ongelmia. Kun meillä on uskottava tie tuonne 100% tasolle, niin voimme alkaa kinastelemaan siitä millä viimeiset 10-20% katetaan. Kestävä pitkän tähtäimen ratkaisu ei voi pohjata ongelmien lakaisemiseen maton alle tai toiveeseen siitä, että nykyinen riippuvuus fossiilisista haihtuu ilmaan kuin paha uni.


Pieni lisäys--- Financial Times lehdessä kerrottiin Euroopan komissiosta vuotaneesta raportissa, jossa yksi skenaario EU:n sähköntuotannosta vuonna 2050 pohjautui 50% tuuleen. Jos oletamme, että kulutus pysyy nykyisellä tasolla niin oheinen kuva simuloi mahdollista kulutusta ja tuulivoimatuotantoa. Osoittautuu, että ilman varastointia luotettavilla lähteillä on tällöin kyettävä kattamaan 92% huippukulutuksesta ja niiden kapasiteettikerroin olisi 35%.
Kuva 4: Simuloitu EU:n sähkönkulutus ja miten se suhtautuu simuloituun tuulivoiman tuotantoon, kun tuulivoimalla tuotetaan 50% sähköstä.

1 comment:

Anonymous said...

Kiitos käsitteitä ja mallinnusta luovista artikkeleista.

Ja tuo hampaanpesukone on kyllä hyvä esierkki, mihin nykyisin monet haluavat energia-aioita viedä.

t. Vesa Tanskanen