Tuulienergia on yksi uusiutuvista energiamuodoista, joiden odotetaan auttavan meitä vähentämään hiilidioksidipäästöjämme merkittävästi ja saavuttamaan osan YK:n kestävän kehityksen SDG 13 ilmastonmuutokseen liittyvistä tavoitteista.
Alkuperäinen artikkeli IEC e-tech 5/2023: On the path to net zero with wind energy.
Kansainvälisen uusiutuvan energian viraston (IRENA) vuoden 2023 heinäkuussa julkaisemien uusiutuvaa energiaa koskevien tilastojen mukaan uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön kokonaismäärä oli vuonna 2021 7 858 TWh (TWh = 1 000 gigawattituntia). Uusiutuvasta vesivoimasta tuli noin 55 % tästä (4 275 TWh), ja tuulienergia seurasi perässä (1 838 TWh).
Huolimatta aurinkoenergian kennojen (PV) näyttävästä kehityksestä viime vuosina, tuulienergia pysyy maailman tärkeimpänä uusiutuvan energian lähteenä vesivoiman jälkeen. Toisin kuin vesivoima, jonka tuottama sähkömäärä on vuosi vuodelta vähentynyt muihin uusiutuviin energiamuotoihin verrattuna, tuulienergian tuottama sähkömäärä jatkaa kasvuaan erityisesti Aasian vauhdittamana.
Mitkä ovat keskeiset trendit?
Tuuliturbiinien kapasiteetti on ajan myötä kasvanut huomattavasti. Vuonna 1985 tyypillisten turbiinien nimelliskapasiteetti oli 0,05 megawattia (MW). Viimeisimmät merellä sijaitsevat turbiinit tuottavat nyt 15-16 MW sähköä.
Viimeisen 10 vuoden aikana merituulivoiman kapasiteetti on kasvanut ja turbiinit ovat huomattavasti suurentuneet, korkeimpien tuulivoimaloiden lapojen pyörimishalkaisija yltää jopa 250 metriin. Nämä suuret asennukset vaativat tilaa, ja kun maalla sitä ei ole tarpeeksi, meri on vaihtoehto. Tuulen on merellä paljon voimakkaampaa ja tuottaa enemmän sähköä kuin sisämaan tuulivoimalat.
Uusi suuntaus on kelluvien merituuliturbiinien asentaminen. Toisin kuin tavanomaiset merelliset turbiinit, ne eivät vaadi kiinnittämistä merenpohjaan ja ne voidaan rakentaa kauemmas maasta. Kiinteät meriasennukset on sen sijaan asennettava suhteellisen mataliin vesiin. Kelluvat turbiinit on ankkuroitu merenpohjaan joustavien ankkureiden ja ketjujen avulla, ja ne toimittavat sähköä vedenalaisilla kaapeleilla.
Toinen tuulivoimateollisuuden tärkeä suuntaus on ollut keskittyminen tuuliturbiinien eliniän pidentämiseen, poistamiseen käytöstä ja kierrätykseen. Monet laitokset ovat olleet toiminnassa yli 20 vuotta ja niiden tilanne on arvioitava uudelleen, jotta voidaan tarkistaa, voivatko ne jatkaa toimintaansa, vai onko ne poistettava käytöstä ja lopulta kierrätettävä.
Missä IEC-standardit ja yhdenmukaisuuden arviointijärjestelmät tulevat mukaan
Alistair Mackinnon on työskennellyt asiantuntijana tuuliteollisuudessa viimeiset 40 vuotta. Neljä vuotta sitten hän siirtyi IECRE:n johtoon. Se on IEC:n sertifiointijärjestelmä liittyen standardeihin, jotka koskevat uusiutuvan energian sovelluksissa käytettävien laitteiden käyttöä.
Hän vahvistaa, että tuuliteollisuuden suuntaukset ovat paljon muuttuneet alkuaikoihin verrattuna. “Tuulivoimasta on tullut kypsä ja miljardiluokan teollisuus, joka kohtaa uusia haasteita. Yksi niistä on tuuliturbiinien elinkaari. Alun perin tuuliturbiinien lapojen valmistukseen käytettiin epoksihartseja ja muita materiaaleja, joita on vaikea kierrättää.”
”IEC:n tekninen komitea 88, joka valmistelee standardeja tuulienergian tuotantojärjestelmiin, kehittää kahta teknistä määrittelyä, IEC TS 61400-28 ja IEC TS 61400-28-2, jotka käsittelevät läpi elinkaaren hallintaa, eliniän pidentämistä ja kierrätystä. IECRE työskentelee käsi kädessä teknisen komitean kanssa, ja olemme tuottamassa toiminnallisia asiakirjoja näihin uusiin teknisiin eritelmiin liittyen. Ajatuksena on arvioida, voivatko jotkut tuuliturbiinit, jotka teoriassa ovat saavuttaneet elinkaarensa lopun, silti toimia muutaman vuoden ajan. Turbiinien eliniän pidentäminen tarjoaa paitsi taloudellisen hyödyn operaattorille, myös sopii kiertotalouden lähestymistapaan, mikä on parempi planeetalle.”
Ilmastonmuutos on suuri huolenaihe tuulivoimateollisuudessa työskenteleville asiantuntijoille, myös TC 88:ssa. “Tuulienergia-asennukset todennäköisesti kärsivät äärimmäisten sääilmiöiden vaikutuksista, jotka ovat yleistyneet ilmastonmuutoksen seurauksena,” Mackinnon kuvailee.
Tarve ottaa huomioon äärimmäisemmät sääilmiöt on saanut jotkut TC 88:n jäsenet kehittämään uuden standardin taifuuniolosuhteissa toimiville tuuliturbiineille. “Meidän on ehkä tarkasteltava tarkemmin tuulen nopeuksia ja turbulenssin voimakkuutta,” Mackinnon lisää.
Kyberturvallisuus, digitaaliset kaksoset ja varastointi
Ukrainan sota on saanut maat tietoiseksi tarpeesta turvata energiansaanti. Uudistuneet pelot kyberhyökkäyksestä kriittisiin kohteisiin, kuten energiansaantijärjestelmiin, ovat korkealla asialistalla. “Tuulienergian tarjoajat ovat tietoisia kyberhyökkäyksen riskeistä. IEC:n yhdenmukaisuuden arviointijärjestelmissä tarkastelemme, miten parhaiten voidaan toteuttaa kyberturvallisuusjärjestelmä uusiutuvan energian järjestelmiin,” Mackinnon sanoo.
Toinen tärkeä asia on mallinnuksen ja digitaalisten kaksosten lisääntyvä käyttö tuulivoimateollisuudessa, erityisesti suorituskykytestauksessa. “Suurempien tuuliturbiinien testaaminen todellisessa maailmassa on yhä vaikeampaa. Lavat ovat 100 metriä pitkiä, ja ne ovat jatkossa yhä pidempiä. Teollisuusalan kollegani kertovat minulle, että 20 megawatin turbiinit näkyvät jo horisontissa. Jossain vaiheessa saavutamme rajan, jossa tuuliturbiini ei voi enää toimia, mutta emme ole vielä aivan siellä”, Mackinnon sanoo.
Siksi digitaalisten kaksoiskappaleiden ja tietokoneella luotujen mallien käyttö tulee todellisten mallien tilalle. “Olemme perustaneet yhteisen työryhmän IECRE:n ja TC 88:n välille, joka tutkii mallin validointia ja siihen vaadittavia kriteerejä. Sidosryhmien on voitava luottaa siihen, että käyttämänsä mallit heijastavat tarkasti todellista asennusta”, hän lisää.
Toinen kehitysalue liittyy energian varastointiin. Tuulivoima, kuten aurinkosähkökin, vaihtelee tuotannoltaan. Kun on liikaa tuulta tai aurinkoa, ylimääräinen energia olisi varastoitava myöhempää käyttöä varten. Varastointi akkuihin kehittyy, mutta sillä ei edelleenkään ole riittävää kapasiteettia varastoida hetkellisesti kaikkea ylimääräistä energiaa. “Vety tai ammoniakki ovat aineita, joita voitaisiin käyttää energian varastointiin ja uudelleenkäyttöön. IECRE on perustanut työryhmän tutkimaan näitä ‘Power-to-X` -vaihtoehtoja”, Mackinnon kertoo.
Mitä tulevaisuus tuokaan tullessaan, se näyttää tuulivoimalajärjestelmien kannalta valoisalta.
Kuva Wikimedia Commons.
Käännöksen tukena on käytetty tekoälyä.