Vastatuulta. Matemaattisia laskelmia tuulivoimasta.

Alkuperäisteksti (hieman lyhentäen): Andreas Sindlinger, 14.7.2013.
Lähde: Gegenwind Weinheim e.V.

Tuulivoimaloiden todellinen teho

Leipzigin energiapörssin analyysi ajanjaksolta kesäkuu 2012 – kesäkuu 2013 osoitti, että Saksan tuulivoimaloiden todellinen teho on vain 16% nimellistehosta, Baden-Württembergissä peräti vain 5%. Tuulivoimalayhtiöiden antama nimellisarvo ei siis sano mitään todellisesta energiantuotannosta.

Tuulienergiasta

Ensin tietenkin tarvitaan tuulta. Tärkeintä koko keskustelussa on tuulivoimalan sijainti ja ymmärrys siitä, että tuulen nopeus lasketaan kolmannessa potenssissa tehoon nähden. Kaavat voi lukea wikipediasta. Kolmas potenssi tarkoittaa, että kun tuulen nopeus kaksinkertaistuu, niin teho kahdeksankertaistuu  (2³= 2*2*2 = 8). Seuraavan kaavion sininen viiva havainnollistaa tätä asiaa: kun tuulen nopeus v₁ saavutetaan teho P₁; tuulen nopeuden kaksinkertautuessa 2*v₁ tulee tehoksi 8*P₁.

Vasemmalla: sähköntuotanto P (wattia)
Alhaalla: tuulen nopeus v (metriä sekunnissa)
 

Fakta: tuulen nopeus vaikuttaa suuresti (siis kolmannessa potenssissa) sähkön tuotantoon.

Tuulivoimaloiden näennäisteho

Teho, jonka tuulivoimala tuottaa, tietenkin noudattaa luonnon lakeja. Hieman enemmän tuulta, paljon enemmän tehoa. Valitettavasti on olemassa teknisten mahdollisuuksien aiheuttama yläraja, sillä jos tuulee liian kovaa, laite vahingoittuu. Tätä kuvataan tehokäyrällä. Se puolestaan riippuu laitteesta. 

Nennleistung = nimellisteho
Nennwindgeschwindigkeit = nimellistuulennopeus

Kaaviosta näkyy hyvin, että nimellisteho eli asennettu teho ei koskaan ylity, sama miten paljon tuulee. Nimellisteho on siis aina tuulivoimalan maksimiteho.

Koska nimellisteho verrattuna todelliseen tehoon on aina vakio, se mainitaan tehona aina, kun puhutaan tuulivoimaloista. Esimerkiksi tuulivoimayhdistyksen sivulla Baden-Württembergissä mainitaan tehoksi 486 MW. Se on siis kaikkien osavaltiossa sijaitsevien tuulivoimaloiden nimellis- eli maksimiteho. Todellinen teho piilotetaan ilmaisun ”1% kokonaisenergiasta” taakse. Wattimääriä ei mainita. Totta kai tämä on laillista, mutta monille kansalaisille harhaanjohtavaa. Jos tällä perusteella lasketaan, että niin ja niin monen talouden sähköntarve voidaan tuottaa tuulivoimalla, se on yksinkertaisesti tahallinen petos.

Nyt kun tunnetaan tuo ensimmäinen kaavio, on selvää, että puoli nimellistehoa todellisuudessa tuottaa myös vain kahdeksannen osan (½³ = ½*½*½=1/8) tai 12,5% nimellistehosta. 

Fakta: Tuulivoimala ei koskaan tuota enempää tehoa kuin nimellistehon. Nimellistehon puolittuessa teho laskee siitä kahdeksanteen osaan.

Tuulivoimaloiden todellista tehoa ei koskaan voi laskea etukäteen. Koska se riippuu suoraan todellisista tuulen nopeuksista, voidaan etukäteen tehdä vain arvioita. Sen sijaan kyllä voidaan laskea sen tuulivoimalan todellinen teho, joka on toiminnassa. Kun tätä verrataan usean vuoden ajan nimellistehoon, voidaan laskea tuulimyllyn todellinen tehokkuus tietyssä sijaintipaikassa.

Koko maata kattava tehokkuus voidaan sitten lukea julkisista Leipzigin energiapörssin tilastoista. 

Siellä kerrotaan tunneittain (15 minuutin välein tilastoituna) verkkoon syötetty teho Saksassa yksiöitynä kaikkien energiantuottajien osalta. Tilastot voi myös tulostaa excel-taulukkoina. Pörssistä voidaan myös lukea eri tuottajien vuositulokset. 

Jos lataa kaikkien päivien tilastot, voi laskea koko vuoden tehon. Tässä näkyy tulos:

Saksan tuulimyllyt tuottivat 1.7.2012-30.6.2013 keskimäärin 4963,8 MW. Huomattava tulos?

Mielenkiintoiseksi tuloksen tekee se, kun vertaa sitä asennettuun kokonaistehoon. Se on 31 GW eli 31.000 MW. Seuraavasta taulukosta näkyy muutaman Saksan sähköntuottajan asennettuja tehoja sekä samojen tuottajien kokonaistuoton.

Näillä arvoilla voi laskea tehokkuuden jakamalla toteutuneen tehon asennetulla teholla. Siitä siis näkee, miten monta prosenttia asennetusta tehosta saavutettiin. Koko Saksassa se oli 16,2%. Toisin sanoen: jos tuulitilannetta tarkentamatta puhutaan jostain tuulipuistosta Saksassa ja sillä myydään myllyjä asennetun tehon mukaan, ei ole väärin ilmoittaa todelliseksi tulokseksi 16% asennetusta tehosta.

Yksi arvo tosin poikkeaa taulukoissa muista: Baden-Württembergissä saavutetaan asennetusta tehosta vain 4,9%. Koska tehokkuus antaa suhteellisen arvon, tällä alhaisella luvulla ei ole mitään tekemistä vähäisen tuulimyllyjen määrän kanssa, joka onkin Baden-Württembergissä pienempi kuin muissa osavaltioissa. Miksi näin alhainen luku? Katsotaanpa taas ensimmäistä taulukkoa ja siitä ilmenevää tehon ja tuulen nopeuden suhdetta. Asia selviää siitä: Jos tuulen nopeus olisi Baden-Württembergissä 70% verrattuna muuhun Saksaan – joka ei juuri näytä vähemmältä ensi katsomalla – niin teho olisi kolmannes koko Saksan tehosta (0,7³ = 0,7*0,7*0,7 = 0,343). Se selittää koko Saksan arvon 15% ja Baden-Württembergin arvon 5% välisen eron.

Kun siis puhutaan tuulivoimalasta Baden-Württembergissä ja nimellisteho otetaan oletusarvoksi, voidaan olettaa todelliseksi tehoksi 5% siitä tehosta. 2 MW:n myllyn teho olisi siis 100 KW. (Autoissa puhuttaisiin 136 hevosvoimasta.)

Fakta: sähköverkkoon tuulivoimaloista todellisuudessa syötetty teho (heinäkuu 2012-kesäkuu 2013) oli koko Saksassa 15% asennetusta tehosta. Baden-Württembergissä vain 5%.

Tuulta, tuulta, tuulta

Edellä kerrottu sanoo selvästi, että asennuspaikan tuulen nopeus suuresti vaikuttaa tuulimyllyn tehokkuuteen. Valitettavaa on, että tähän ei usein kiinnitetä riittävästi huomiota. 

…

Allaoleva kaavio selventää tilannetta. 2 MW:n tuulimyllyn näennäistuulennopeuden oletetaan olevan 12 m/s 140 metrin korkeudessa. 5,5 m/s tarkoittaisi 5,5/12 = 0,46 tai 46% (41,6% tuulen nopeudella 5 m/s ja 30,8% nopeudella 3,7 m/s). Todellisen tehon näennäistehosta voisi siis laskea optimistisesti 0,46³ = 0,46*0,46*0,46 = 0,097 eli  9,7% (7,2% tuulen nopeudella 5 m/s; 2,9% nopeudella 3,7 m/s). Se tarkoittaisi: 200 kW (144KW tuulen nopeudella 5 m/s; 58KW nopeudella  3,7 m/s).

Vasemmalla: sähköntuotanto P (kilowattia)
Alla: tuulen nopeus v (metriä sekunnissa)

Kovalla tuulella myllyt käännetään pois tuulesta. Jos ei, käy näin.

…………

Tästä linkistä voi lukea arvioidut tuulen nopeudet Suomessa:

Kalajoki/Ulkokalla:
http://www.eeki.biz/tuulitilanne.php?&asema=Kalajoki%20Ulkokalla
Tätä kirjoittaessa: 2 m/s, korkein nopeus tänään 5 m/s, alin 1 m/s

Ylivieska/lentokenttä: http://www.eeki.biz/tuulitilanne.php?&asema=Ylivieska%20lentokentt%E4
Tätä kirjoittaessa: n. 2 m/s, korkein nopeus tänään 4 m/s, alin 1 m/s

………………….

Edellä ei sanottu mitään myllykeskustelusta puolesta tai vastaan, esiteltiin vain fysiikan lakeja. 

 

Koska tuuli ei aina tuule eikä ole olemassa eikä edes suunnitteilla sellaista tekniikkaa, joka voisi taltioida tuulivoimaa tarpeellisessa määrin, on edelleenkin pakko käyttää kaasu- ja hiilivoimaloita. Tuulivoimalat ovat myös Saksassa edelleenkin energiakääpiöitä huolimatta 200 metrin korkeudestaan.

Karlsruhessa otettiin kesällä 2014 käyttöön supermoderni tarkasti päästöt suodattava hiilivoimala. Tuo 1,2 miljoonaa maksanut laitos toimiessaan 8260 tuntia tuottaa 11,3 miljardia kilowattituntia sähköä ja kaukolämpöä vuodessa. Jotta saataisiin sama energiamäärä tuulivoimaloista, pitäisi pystyttää 1950 kappaletta 2,4 megawatin voimalaa, kappalehinta 5 miljoonaa euroa, jotta saataisiin sama määrä eli noin 2000 käyttötuntia, mikä kuitenkin on utopistista.  Ikävä kyllä, tuulivoima on satunnaista. Tuo voimalaitos tarvitaan siis tuulimyllyistä huolimatta.

Miten paljon maata tarvitsee tuhatyhdeksansataaviisikymmentä tuulimyllyä ja miten paljon raaka-aiheita, esimerkiksi 3000 tonnia teräsbetonia ja 75 tonnia syöpää aiheuttavia hiilikuitusiipiä yhtä myllyä kohti? Jokaisen myllyn alta on kaadettava 200 puuta. 20 vuoden kuluttua viimeistään myllyt on käytetty loppuun, ne 1950 myllyä on joko purettava tai rakennettava uudelleen? Ehkä nyt 300 metrin korkuisina? Mutta tuuli on edelleen arvaamaton, eli hiilivoimalaa tarvitaan silti yhä!  

Saksassa iso ongelma on se, että pohjoisessa tuulee, mutta energiaa tarvitaan etelässä. Maa on tuhat kilometriä pitkä. Miten teollisuusvaltio tästä siirosta selviää, jää nähtäväksi. Tällä hetkellä asiasta on menossa riita: yksityiset vastustavat "energiatietä" suuresti.

Tällä hetkellä sähkön hinta on Saksassa 48% kalliimpaa kuin muissa EU-maissa keskimäärin.  (Teollisuus pärjää siellä silti. Siellä ei tarvita yhteiskuntasopimusta...)

 Suojele Saksan metsiä!
VIHREÄT 25 vuotta.