Tuuli- ja aurinkoenergia energialähteinä

Tuulivoima on maailman nopeimmin kasvava uusiutuvan energian tuotantomuoto. Voimaloiden koko ja tehokkuus ovat kasvaneet, ja tuulivoima on saavuttanut merkittävän aseman monen maan energiantuotannossa. Suomessa tuulivoiman osuus sähkön kokonaishankinnasta on vielä pieni, mutta mahdollisia tuotantoon sopivia alueita on runsaasti [1]. Rannikko, meri ja tunturit ovat parhaita alueita tuulivoiman tuotantoon. Selvitysten mukaan Suomen merialueilla tuulivoimapotentiaali on kymmeniä terawattitunteja vuodessa [2].

Toinen hyvä uusiutuvan energian tuotantomuoto on aurinkoenergia. Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää joko passiivisesti tai aktiivisesti. Suomessa aurinkoenergia toimii täydentävänä energiamuotona muiden rinnalla ja sen käyttö painottuu maalis-syyskuun väliselle ajanjaksolle, jolloin Etelä-Suomessa koko vuoden auringon säteilyenergiasta saadaan 90 %. Ympärivuotinen hyödyntäminen on Suomessa hankalaa ja se edellyttäisi aurinkoenergian varastointia kesällä talven kylmimpien ja pimeimpien ajanjaksojen varalle. [3]

Tuulivoiman käyttö Suomessa

Tuuli syntyy, kun ilma liikkuu ilmamassojen lämpötila- ja paine-erojen seurauksena. Tuulivoimakin on siis alunperin peräisin auringosta. Tuulen liike-energia voidaan muuntaa pyörimisliikkeeksi ja edelleen sähköksi generaattorissa. Tuulivoimalan toiminta perustuu ilman liikkuviin molekyyleihin, joiden liike-energia muutetaan pyörimisenergiaksi tuulivoimalan siipien avulla. Siivet pyörittävät generaattoriin kytkettyä akselia ja generaattorissa pyörimisenergia muutetaan sähköksi. Tuulivoimalla saatu sähkö johdetaan muuntajaan ja edelleen sähköverkkoon. [2]

Suomen tuulivoimakapasiteetti on yhteensä 118 voimalaa, joiden yhteenlaskettu teho on 147 megawattia (MW) (toukokuu 2010). Tuulivoimalla tuotetaan noin 0,3 % Suomen sähkönkulutuksesta (noin 277 GWh vuonna 2009) [4]. Tuulivoimalayksiköiden koko on kasvanut merkittävästi viime vuosina. Nykyään rakennettavien voimaloiden koko on lähes poikkeuksetta vähintään 1 MW, ja suurimpien markkinoilla olevien tuulivoimaloiden koko on 5 MW. Yleisin koko on 2-3 MW. Tuulivoimalaitoksen pääosat ovat roottori (napa ja siivet), konehuone, torni ja perustukset. Eri voimalaitosvalmistajien mallit poikkeavat jossain määrin toisistaan johtuen erilaisista teknisistä ratkaisuista. Suurin ulkoinen ero näkyy yleensä konehuoneen muodossa ja koossa. Voimalaitosten tornien korkeus vaihtelee 50-130 m riippuen voimalaitoksen koosta ja sijainnista [2]. Tuulivoimalan suunniteltu käyttöikä on 20-30 vuotta, jonka aikana osia joudutaan vaihtamaan ja korjaamaan. Vanhan voimalan perustuksia voidaan käyttää uuden voimalan perustuksien pohjana [5].

Tuulipuistoksi tai tuulivoimapuistoksi kutsutaan aluetta, jossa on useita toisiinsa liitettyjä tuulivoimaloita. Puisto kytkeytyy yhtenä kokonaisuutena sähköverkkoon. Tuulivoimapuistojen voimalaitokset sijoitetaan useiden satojen metrien päähän toisistaan. Sijoitusetäisyys määräytyy usean tekijän, kuten turbiinin koon, voimaloiden lukumäärän ja sijoituskuvion perusteella [5]. Yksi tuulivoimaloiden eduista on se, että niiden rakentamiseen kuluu paljon vähemmän aikaa kuin perinteisten voimalaitosten. [1]

Tuulivoiman tuotanto vaihtelee päivittäin ja vuodenajoittain, joten tuulivoima ei voi toimia ainoana energianlähteenä, vaan se tarvitsee muuta sähköntuotantoa tasaamaan kulutuksen ja tuotannon välisen eron. Erinomaisesti tuulivoima soveltuu hajautettuun sähköntuotantoon. Tyynet päivät, joita Suomessa on harvoin, eivät ole ongelma silloin, kun tuulivoimalla tuotetaan vain osa sähköstä. Tuulivoimalalle pakkaset eivät ole ongelma ja talvisin tuulee enemmän kuin kesäisin. Käynnistyäkseen tuulivoimalaitos vaatii n. 4 m/s tuulen. Laitoksen teho lisääntyy tuulen nopeuden kasvaessa. Kun tuulen nopeus kasvaa 15-25 m/s tehoa joudutaan rajoittamaan passiivisella sakkaussäädöllä tai aktiivisella lapakulmien säädöllä. Yleensä laitos joudutaan pysäyttämään yli 25 m/s tuulen nopeuksissa, jotta vältytään laitevaurioilta. [2]

Aurinkoenergian käyttö Suomessa

Tunnin aikana maapallon pinnalle tulee auringon säteilyenergiaa enemmän kuin koko ihmiskunta kuluttaa energiaa vuodessa. Vastaavasti Suomessa auringon vuosittainen säteilyn määrä on n. 1 000 kWh/m². Tätä energiaa voidaan hyödyntää joko passiivisesti tai aktiivisesti. Passiivisella hyödyntämisellä tarkoitetaan auringon valon ja lämmön suoraa käyttöä ilman erillistä laitetta. Aktiivisessa hyödyntämisessä auringonsäteily muunnetaan joko sähköksi aurinkopaneeleilla tai lämmöksi aurinkokeräimillä. Pientaloissa voidaan käyttää sekä passiivisia että aktiivisia menetelmiä. Aurinkopaneeleilla säteilyn määrästä voidaan muuttaa noin 15 % sähköksi ja aurinkokerääjillä noin 25-35 % lämmöksi [2] . Etelä-Suomen säteilyteho on n. 50 % pienempi Etelä-Eurooppaan verrattuna. Suomen kannalta keskeisiä aurinkoenergian markkinakohteita ovat rakennukset, rakennetun ympäristön ja kesäajan sovellukset sekä syrjäseutujen aurinkosähkösovellukset [3].

Aurinkokeräimiä käytetään useimmiten käyttöveden lämmittämiseen, mutta ne soveltuvat myös huoneiden lämmittämiseen. Aurinkolämmitysjärjestelmä voidaan yhdistää kaikkiin päälämmitysmuotoihin. Erityisen hyvin se soveltuu sellaisen lämmitysjärjestelmän yhteyteen, jossa jo on vesivaraaja. Taloissa, joissa on lattialämmitysjärjestelmä, saadaan enemmän energiaa aurinkolämpöjärjestelmästä, koska kiertävän nesteen lämpötila on matalampi kuin patterilämmitysjärjestelmässä. Yleisin tekninen ratkaisu on nestekiertoinen tasokeräin, jossa pumpun avulla kierrätetään vesi-glykoliseosta. Keräimessä lämmennyt neste kulkee kokoomaputkien kautta lämmönvaraajaan ja lämpö siirtyy lämmönvaihtimen kautta lämpimään käyttöveteen tai talon lämmitysjärjestelmään. Kun aurinkolämpöjärjestelmää mitoitetaan, lähtökohtana on kesäkuukausien lämpöenergiakulutus, lähinnä käyttöveden tarve. Varaajan kapasiteetin tulisi riittää muutaman päivän kulutukseen. [2]

Toinen vaihtoehto veden lämmittämiseen on tyhjiöputkikeräimet, jotka ovat nestekiertoisia tasokeräimiä tehokkaampia. Tyhjiöputkikeräin pystyy hyödyntämään auringon hajasäteilyä tehokkaammin ja voi tuottaa noin 30 % enemmän energiaa neliötä kohti. Etelä-Suomessa tyhjiöputkikeräimen lämmöntuotto alkaa jo helmikuussa ja siitä saadaan lämpöä vielä marraskuussa. Ennen keräimen hankintaa kannattaa varmistua siitä, että aurinko paistaa katolle myös sen ollessa matalalla. Maaston esteet vaikuttavat suuresti saatuun hyödyn määrään. [2]

Aurinkosähköä tuotetaan aurinkopaneelilla. Paneelit koostuvat aurinkokennoista, joissa auringonsäteiden energia saa aikaan sähköjännitteen. Aurinkokenno on elektroninen puolijohde. Auringonsäteily synnyttää kennon ala- ja yläpinnan välille jännitteen. Kennoston eli aurinkopaneelin tuottaman virran suuruus on suoraan verrannollinen auringonsäteilyn voimakkuuteen. Esimerkiksi pilvisellä ilmalla säteilyn voimakkuus on huomattavasti heikompaa kuin kirkkaalla auringon paisteella. [2]

Aurinkosähköllä voidaan tuottaa myös huomattava osa esimerkiksi kotitalouden tarvitsemasta sähköstä. Aurinkosähköjärjestelmiä voidaan asentaa myös asuin- ja toimistorakennuksiin, jolloin ne tuottavat osan rakennuksessa tarvittavasta energiasta. Aurinkopaneelin tuottama sähkö voidaan varastoida yhdessä tai useammassa akussa. Akkua käytetään yöllä ja pilvisinä päivinä. Akkujen kapasiteetti mitoitetaan kattamaan muutaman päivän normaalikulutus ilman latausta. Kulutuksen ylittävä osa voidaan syöttää yleiseen sähköverkkoon. [2]

Aurinkoenergian passiivinen hyödyntäminen on edullista. Yksinkertaisimmillaan aurinkoenergiaa hyödynnetään päivänvalona keinovalon sijasta. Tavoitteena on kerätä talteen lämpöä, edesauttaa luonnonvalon käyttöä ja vähentää lämpöhäviöitä.  Auringon valon ja lämmön käyttöä voidaan tehostaa erilaisin kiinteistön rakenneratkaisuin. Aurinkoenergian saantia ajatellen edullisin rakennuksen sijoituspaikka on etelärinne, muita tekijöitä ovat talon muoto, ikkunoiden koko ja rakennusmateriaalit. Edellä mainitut tekijät vaikuttavat huomattavasti lämmitys- ja valaistuskuluihin. [2]

Rakennuksissa on kuitenkin kesäaikaan otettava huomioon ylilämpenemisen haitat, joita voidaan estää katto- ja räystäsratkaisujen, tuuletettavien viherhuoneiden, läpituuletuksen sekä kaihtimien, verhojen ja muiden liikuteltavien elementtien avulla. Katto- ja räystäsrakennelmat voidaan suunnitella niin, että ne varjostavat kesäkuukausien aikana, mutta eivät estä kevättalvella matalalta tulevaa auringonvaloa. Erityistä huomiota on kiinnitettävä talon luonnollisen tuuletuksen järjestämiseen. Talvella hyvä eristys, lämpöä varaavat materiaalit, lasitetut kuistit ja viherhuoneet, sydänmuurit sekä isot ikkunat etelään ja pienet pohjoiseen ovat parhaita passiivisia keinoja. [2]

Suomi on sitoutunut vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä ilmastonmuutoksen torjumiseksi. Suomen ilmasto- ja energiastrategiassa (2008) on asetettu tavoitteeksi tuulivoimalla ja aurinkoenergialla tuotetun sähkön osuuden nostaminen kuuteen terawattituntiin vuoteen 2020 mennessä. Tämä tarkoittaa pääosin tuulivoiman tuotantokapasiteetin nostamista noin 2 000 MW:iin kyseisenä ajanjaksona [2]. Aurinkoenergiasta lämmön lisääminen nähdään aurinkosähkön tuottoa tärkeämpänä. Tämä johtuu pääosin aurinkolämmön alhaisemmista kustannuksista. Pitkän aikavälin ilmasto- ja energiastrategiassa todetaan, että aurinkosähkön laajamittaisempi käyttöönotto ajoittuu vasta myöhemmille vuosikymmenille ja on riippuvainen tutkimus- ja kehitystoiminnan tuloksista. [6]

 

Tuuliatlaksen käyttöliittymä

Kuva 1. Tuuliatlas tarjoaa tietoa koko Suomen tuuliolosuhteista. [1]

Suomessa on toteutettu Tuuliatlas-niminen hanke (www.tuuliatlas.fi), jossa on tuotettu tietoa koko Suomen tuuliolosuhteista. Tuuliatlaksen tarkoitus on tuottaa mahdollisimman tarkka kuvaus tuuliolosuhteista, kuten tuulen voimakkuudesta, suunnasta ja turbulenttisuudesta. Tuuliatlakseen on mallinnettu edustava otos tuuliolosuhteista viimeisten 20 vuoden ajalta ja se sisältää dynaamisen karttaliittymän, (kuva 1) jonka avulla olosuhteita voidaan tarkastella eri puolilla Suomea. Tuuliatlas on tärkeä apuväline arvioitaessa voimaloiden sijoittamista ja mahdollisuuksia tuottaa tuulen avulla sähköä. Sen avulla voidaan vertailla tuuliolojen vuotuista ja kuukausittaista vaihtelua koko Suomessa tai tietyillä rajatuilla alueilla. Sen vuoksi karttaliittymää voidaan pitää merkittävänä työvälineenä muun muassa tuulivoimarakentajille ja kaavoittajille. Alueiden varaamista esimerkiksi maakuntakaavoihin on rajoittanut tiedon puute tuuliolosuhteista eri puolilla Suomea, etenkin sisämaassa. [1]

Tuuli- ja aurinkovoiman ympäristövaikutuksista

Uusiutuvan energian käyttöön liittyy myös potentiaalisia vaikutuksia luonnon monimuotoisuuteen. Vaikutukset ovat vähäisiä suoran tuulivoiman ja aurinkoenergian hyödyntämisessä, ja osa vaikutuksista voi olla jopa myönteisiä. Suoria myönteisiä ympäristövaikutuksia ovat kasvihuonekaasupäästöjen vähentyminen ilmastonmuutoksen torjumiseksi, välillisiä voivat parhaimmillaan olla fossiilisten energialähteiden korvaaminen tuulienergialla, jolloin vältetään esim. erilaisia haitallisia päästöjä ilmaan. Mikäli aurinko- ja tuulivoimalla korvataan bioenergiaa, voidaan parhaimmillaan välttää mm. biodiversiteetin vähenemiseen liittyviä ongelmia. Sekä tuulivoiman että aurinkoenergian kasvihuonekaasupäästöt syntyvät pääosin vain rakennusvaiheessa. [7]

Tuulivoiman ympäristövaikutukset ovat kohtuullisen vähäiset. Tuulivoimasähkön tuotannossa ei synny CO2-päästöjä eikä muitakaan päästöjä. Tuulivoiman käytönaikaisista ympäristöhaitoista käyntiääni-, maankäyttö- ja maisemavaikutukset ovat merkittävimpiä. Suurin haitta kohdistuu maisemaan. Tuulivoimayksiköt erottuvat maisemassa hyvin suuren kokonsa ja muista rakennelmista poikkeavan muotonsa vuoksi. Tuulivoiman rakentamisen maisemavaikutuksia voidaan vähentää sijoittamalla voimalat esimerkiksi merelle, mahdollisimman vähän näkyvälle paikalle, tai silmää miellyttäviin muodostelmiin osaksi kulttuurimaisemaa. [7]

Tuulivoimalaitosten meluhaitat syntyvät lapojen aerodynaamisesta melusta sekä sähköntuotantokoneiston äänistä. Tuulivoimalaitoksen juurella ääni vastaa normaalin puheäänen voimakkuutta (60dB). Teollisen kokoluokan voimaloista (2 – 3 MW) koostuva maalle sijoitettu tuulivoimapuisto alittaa 40 desibelin meluarvon tyypillisesti 700–1000 metrin etäisyydellä lähimmästä voimalasta. Voimaloiden lukumäärä, maasto ja kasvillisuus vaikuttavat kuitenkin melutason laskuun. [7]

Merituulivoimaloiden vedenalaiset ympäristövaikutukset ovat hyvin samanlaisia kuin muilla ruoppausta vaativilla rakennelmilla. Merenpohjaan vaikuttavat pääasiassa ruoppaus, perustusten rakentaminen ja vedenalaisten sähkökaapelien asentaminen. Merituulivoimapuisto voi vaikuttaa kalastukseen ja merieläimien ravinnon saantiin haitallisesti. Toisaalta rakennelmat voivat elävöittää merenpohjaa antamalla suojaa eläimistölle ja kasveille. Voimalaitokset asettavat myös rajoituksia merellä liikkumiseen. [7] Merituulivoimaloiden välittämän melun ja tärinän mahdollisesti aiheuttamia haittavaikutuksia kaloille tutkitaan parhaillaan.

Tuulivoimapuistojen tiedetään maailmalla olevan uhka linnuille, jotka ovat toisinaan törmänneet tuulivoimaloihin. Riski on kuitenkin suhteellisen pieni, suuruusluokaksi on arvioitu 1/1000. Linnut näkevät ja kuulevat voimalat jo kaukaa. Lintu väistää voimalan yleensä jo 100–500 metrin etäisyydellä, myös yöllä. Voimalan koko, teho ja väri sekä voimalan sijainti maa- tai vesialueella ei vaikuta merkittävästi törmäysriskiin. Vaikka tuulivoimaloiden törmäysriski on pieni, suositellaan suurien muuttolintujen lepäilypaikkojen (esimerkiksi Liminganlahti) ja rannikon suurien muuttovirtojen solmukohtien (erityisesti Porkkala, Hanko, Pellinki) välttämistä uusien tuulivoimapuistojen sijoituspaikkoina. [7]

Aurinkolämpöjärjestelmä ei sellaisenaan tuota päästöjä toimiessaan. Välilliset päästöt ja ympäristövaikutukset syntyvät aurinkolämpöjärjestelmässä tarvittavista materiaaleista, asennustyöstä ja käytön aikana mm. pumppuihin tarvittavasta sähköstä. Aurinkosähkö ei tuota päästöjä käytön aikana. Sen pääasialliset ympäristövaikutukset tulevat aurinkopaneelien tuotantovaiheessa. Esimerkiksi onnettomuustilanteissa voisi haitallisia kemikaaleja päästä ympäristöön. Ympäristövaikutukset riippuvat paljolti aurinkokennoteknologiasta. [3]

Lähteet

  1. TEM 2008. Suomen tuuliatlas. http://www.tuuliatlas.fi/
  2. Motiva 2010. Uusiutuva energia 2009. Motiva, luettu 28.5.2010. Päivitetty 17.11.2009. http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia
  3. SOLPROS AY 2001. Aurinkoenergia Suomen olosuhteissa ja sen potentiaali ilmastomuutoksen torjunnassa. Helsinki 2001. http://www.kolumbus.fi/solpros/reports/3rdeport_final.PDF
  4. VTT 2010. Suomen tuulivoimatilastot. http://www.vtt.fi/proj/windenergystatistics/
  5. Suomen Tuulivoimayhdistys ry. http://www.tuulivoimayhdistys.fi/
  6. Valtioneuvosto 2008. Pitkän aikavälin ilmasto- ja energiastrategia. Valtioneuvoston selonteko eduskunnalle 6. päivänä marraskuuta 2008. http://www.tem.fi/files/20585/Selontekoehdotus_311008.pdf
  7. Motiva 2010. Tuulivoiman ympäristövaikutukset 2010. Tuulivoimaopas, luettu 1.6.2010. Päivitetty 5.5.2010. http://www.tuulivoimaopas.fi/

Tuottajatahot