Osa 3

Sisältö

Osaamistavoitteet

Tässä osioissa tutustutaan tuulivoimaloiden toimintaperiaatteeseen, kehitykseen ja ympäristövaikutuksiin.

Osion jälkeen opiskelija

• tuntee pystyakselisen tuulivoimalan toimintaperiaatteen

• tuntee käsitteet huipunkäyttöaika ja kapasiteettikerroin

• tuntee tuulivoiman ympäristövaikutuksia.

Johdanto

Tuulta on vuosituhansia hyödynnetty liikkumisessa mm. purjehduksessa sekä tuulimyllyjen avulla viljan jauhatukseen, vedennostoon ja kasteluun ja pienteollisuuden voimanlähteenä ennen höyrykoneen yleistymistä. Tällaisia varhaisia tuulen hyödyntämiseksi rakennettuja koneita, joiden pyörivää akselia käytettiin suoraan mekaanisena voimanlähteenä, kutsutaan tuulimyllyiksi. Tuulen valjastamista sähköntuotantoon on käytetty huomattavasti lyhyemmän aikaa. Jos tuuliturbiinin akseliin on liitetty sähköä tuottava generaattori, käytetään laitteesta nimitystä tuulivoimala. Tässä osiossa tutustutaan erilaisten tuulivoimaloiden rakenteeseen ja toimintaperiaatteeseen.

Tuulivoimala

Tuulivoima on tuulen liike-energian muuntamista sähköksi, yleensä tuuliturbiinien pyörivien lapojen välityksellä. Tuulivoima on ehtymätöntä ja uusiutuvaa energiaa, joka on peräisin Auringon säteilystä.

Yleisin tuulivoimalatyyppi on kolmilapainen ja vaaka-akselinen tuulivoimala, joka koostuu

• roottorista, jonka muodostavat napa ja lavat

• konehuoneesta eli nasellista

• tornista

• perustuksista.

Vaaka-akseliset kolmilapaiset tuulivoimalat ovat ylivoimaisesti yleisin ja tavallisin tuulivoimalatyyppi. Tyypillisesti tuulivoimalat luokitellaan pysty- ja vaaka-akselisiin, mutta voimaloita voidaan luokitella myös sijainnin (on-shore/off-shore), toimintaperiaatteen tai säätötavan mukaan. Esimerkkejä pystyakselisista tuulivoimaloista ovat

• Darrieus-turbiini

• Savonius-turbiini

• Windside-turbiini.

Pystyakselisten voimaloiden etuihin kuuluu tuotannon riippumattomuus tuulen suunnasta, yksinkertaisempi rakenne sekä matalammat rakennuskustannukset. Pystyakselisia voimaloita voidaan myös sijoittaa lähemmäksi toisiaan kuin vaaka-akselisia voimaloita. Pystyakselisten voimaloiden suurimpana heikkoutena on kuitenkin niiden matalampi teho verrattuna vaaka-akselisiin voimaloihin. Tästä johtuen teollisen kokoluokan tuulivoimalat ovat lähes poikkeuksetta vaaka-akselisia. Pystyakselisille voimaloille voi kuitenkin löytyä merkittäviä käyttökohteita esimerkiksi osana rakennettua ympäristöä tai osana vaaka-akselisista voimaloista koostuvia tuulipuistoja.

Tuulivoimatuotanto

Tuulivoimalat vaativat käynnistyäkseen tuulennopeuden noin 3 m/s. Nimellisteho saavutetaan tyypillisesti tuulennopeudella 10 - 15 m/s. Kun tuulennopeus ylittää 25 m/s, joudutaan voimalan tehoa rajoittamaan tai pysäyttämään se laiterikkojen estämiseksi. Vaaka-akseliset voimalat ovat myös herkkiä tuulensuunnalle, ja ne sisältävätkin automaattisen ohjauksen roottorin suuntaamiseksi tuulta kohti.

Tuulisuus ja tuulen jakauma on merkittävä tekijä tuulivoimalan sähköntuotannolle, mikä korostuu tuulivoimaloiden sijoittelussa. Suomessa otollisia paikkoja tuulivoimalle on erityisesti länsirannikolla, jonne onkin rakennettu jo merkittäviä määriä tuulivoimaa. Suomen tuulioloihin voi tutustua Tuuliatlaksen avulla. Tuuliatlas on tuulienergiakartasto, joka kuvaa pitkän ajan keskimääräisiä tuuliolosuhteita koko Suomen alueella. 

Tuulivoimalan tuotanto vaihtelee 0 - 100 % nimellistehosta tuuliolosuhteiden mukaan. Tuulivoimalan vuotuista energiantuotantoa kuvataan kahden käsitteen avulla. Huipunkäyttöaika kuvaa aikaa, joka kuluisi vuodessa tuotetun energian tuottamiseen, jos voimala toimisi tämän ajan nimellistehollaan. Huipunkäyttöaika on yleinen tunnusluku kuvaamaan erilaisten voimalaitosten tuotantoa. Kapasiteettikerroin kuvaa prosentuaalisesti samaa asiaa kuin huipunkäyttöaika. Kapasiteettikerroin saadaan jakamalla huipunkäyttöaika vuoden kaikilla tunneilla. Suomessa tuulivoimaloiden huipunkäyttöajat vaihtelevat tyypillisesti välillä 2500 - 3500 h ja kapasiteettikerroin välillä 28,5 - 40 %.

Tuulivoimakapasiteetti on kasvanut viime vuosina nopeasti niin Suomessa kuin maailmallakin. Suomessa on yhteensä asennettua tuulivoimakapasiteettia noin 5000 MW, josta asennettiin vuonna 2022 noin 2400 MW. Tuulisina hetkinä tuulivoima on jo ajoittain Suomen suurin sähköntuotantomuoto. Vuonna 2022 tuulivoimalla tuotettu sähkö kattoi yhteensä 14 % Suomen kokonaissähkönkulutuksesta. Tuulivoimatuotannon kasvun oletetaan myös jatkuvan nopeana. Esimerkiksi kantaverkkoyhtiö Fingrid arvioi Suomen tuulivoimakapasiteetin ylittävän 20 000 MW vuosikymmenen lopussa. 

Tuulivoiman ympäristövaikutukset

Tuulivoiman suurin vahvuus on sen puhtaus - tuulivoima ei aiheuta tuotannonaikaisia hiilidioksidi- tai hiukkaspäästöjä ilmaan, veteen tai maaperään. Tuulivoimalan koko elinkaaren aikaiset hiilidioksipidipäästöt ovat hyvin matalat verrattuna voimalan tuottamaan energiamäärään. Koko elinkaaren aikaisista hiilidioksipäästöistä merkittävin osuus syntyy tuulivoimalan rakentamisesta, kuljettamisesta ja huollon aiheuttamista päästöistä. 

Tuulivoimaloiden käytön aikaisista vaikutuksista eläimistöön suurimpana pidetään vaikutuksia linnustoon. Nämä vaikutukset ovat pääasiassa törmäysriski sekä lapojen liikkeen häiritsevä vaikutus. Suomessa tuulivoimaloiden vaikutuksia lintuihin on selvitetty esimerkiksi 2019 valmistuneessa seurantatutkimuksessa, jonka mukaan tuulivoimaloiden vaikutukset muuttaviin lintuihin ja lintujen valtakunnallisesti tärkeisiin muuttoreitteihin ovat jääneet vähäisiksi. Seurantatulosten perusteella muuttavat linnut pyrkivät ensisijaisesti kiertämään tuulipuistot. Lintujen ja lepakoiden törmäysriskiin voidaan vaikuttaa ensisijaisesti huolellisella suunnittelulla. Teknisiä ratkaisuja edustaa lintututkat, jotka havaitsevat lähestyvät lintuparvet ja mahdollistavat voimaloiden oikea-aikaisen pysäyttämisen. Tällainen järjestelmä on käytössä esimerkiksi Porin Tahkoluodon merituulipuistossa. 

Suuret pystyakseliset tuulivoimalat aiheuttavat pyöriessään melu- ja välkehaittoja. Meluhaitat syntyvät aerodynaamisesta äänestä ilman pyörteillessä liikkuvien tuulivoimaloiden lapojen ohittaessa voimalan tornin. Syntyvän äänen voimakkuus on riippuvainen erityisesti tuulennopeudesta ja roottorin koosta sekä sen pyörimisnopeudesta. Syntyvän äänen lähtötaso määritetään laskennallisesti. Laskennalliset lähtötasot vaihtelevat suurilla 5 - 6 MW:n voimaloilla tyypillisesti välillä 104 - 107 db(A). Tuulivoimalan juurella tuulivoimalan tuottama ääni vastaa voimakkuudeltaan normaalia puheääntä.

Tuulivoimaloiden tuottaman äänen voimakkuuden ohella oleellista on myös syntyneen äänen koettu häiritsevyys, mikä pyritään huomioimaan tuulivoimaloiden sijoittelussa. Häiritsevyyden kokemus on hyvin yksilöllistä ja siihen vaikuttaa moni tekijä kuten suhtautuminen tuulivoimaan, voimaloiden näkyminen, mahdollinen taloudellinen hyötyminen ja niin edelleen. Suomessa tuulivoimaloiden äänitasoja säännellään valtioneuvoston ääniohjearvoilla, joiden mukaan tuulivoimaloiden ääni ei saa pysyvän tai vapaa-asutuksen ulkoalueilla ylittää yöllä 40 dB(A) ja päivällä 45 dB(A) rajaa. Kyseiset arvot ovat 5 - 10 dB(A) matalammat kuin muille ihmistoiminnoille sallitut äänentasot. Tuulivoimaloiden äänen mittaamisessa ja mallintamisessa seurataan aina ympäristöministeriön laatimia äänen mallinnus- ja mittausohjeita. 

Tuulivoimaloiden aiheuttamaan ääneen liittyy myös niiden tuottama infraääni, josta on käyty julkista keskustelua viime vuosina. Infraäänellä tarkoitetaan taajuudeltaan alle 20 Hz:n ääntä, joka on useimmiten ihmisen kuulokyvyn alapuolella. Tuulivoimaloiden infraäänen ja epäiltyjen terveysvaikutusten väliltä ei ole löytynyt tieteellisesti todistettua yhteyttä. Suomessa asiaa on tutkittu muun muassa valtioneuvoston rahoittamassa hankkeessa, jonka mukaan tuulivoimaloiden aiheuttama infraääni ei selitä tuulivoimaan liitettyä oireilua.

Tuulivoiman välkehaitoilla viitataan valon ja varjon vaihteluun, jota syntyy auringon paistaessa pyörivien lapojen takaa. Välkevaikutuksille ei ole Suomessa erikseen säädettyjä ohjearvoja, mutta vaikutukset huomioidaan rakennuslupaa myönnettäessä mallinnustulosten vertailulla Saksan ja Ruotsin ohjearvoihin. Välkevaikutukset riippuvat voimalan koosta, vuodenajasta, sääolosuhteista ja kellonajasta. Suurten tuulivoimaloiden roottorit pyörivät hitaasti, minkä takia välkevaikutus ei aiheuta suoranaista terveysriskiä, mutta välke voidaan kokea häiritseväksi. Välkevaikutukset ovat kuitenkin voimakkaita vain joitakin tunteja vuodessa. Usein välkevaikutusten huomioimiseen riittää melusuojaetäisyyksien noudattaminen. 

Suurten tuulivoimaloiden ja tuulipuistojen rakentaminen muuttaa maisemaa. Tuulivoimaloiden huolellisella sijoittelulla ja sen suunnittelulla on tärkeä rooli tuulivoimaloiden hyväksyttävyydelle. Yleisesti jo valmiiksi rakennetut alueet, ja erityisesti alueet, joilla on jo suurimittaista teollista toimintaa, koetaan helpommin hyväksyttäviksi tuulivoimakohteiksi. Vastavuoroisesti valtakunnallisesti arvokkaat maisema-alueet koetaan epäsuotuisiksi tuulivoimakohteiksi.  

Käytetyt materiaalit ja käytöstä poisto

Tuulivoimaloiden rakentamiseen käytetyistä materiaaleista suurin osa on helposti kierrätettävää rautaa tai terästä. Näiden lisäksi merkittäviä materiaaleja ovat roottorin lavoissa käytettävä lasikuitukomposiitti, muovi, alumiini ja erilaiset elektroniikkakomponentit. Tuulivoimaloissa tarvitaan usein myös harvinaisia maametalleja esimerkiksi generaattoreiden kestomagneeteissa. Materiaalit ja niiden osuudet voivat kuitenkin vaihdella paljonkin eri valmistajien ja mallien välillä. 

Kierrätyksen ja materiaalien uusiokäytön kannalta lavoissa käytetyt komposiittimateriaalit ovat vaikeimpia käsiteltäviä. Lavoille on kehitetty uusiokäyttökohteita esimerkiksi pyöräkatoksina tai siltoina. Tuulivoimaloiden lapojen kierrätys on merkittävä haaste tuulivoimatuotannon kestävyydelle. Teknologia on kuitenkin kehittynyt paljon viime vuosina ja useat yritykset ovat julkistaneet kehittäneensä toimivia ratkaisuja lapojen kierrätykseen. Esimeriksi Veolia uutisoi kehittäneensä teknologian, jolla tuulivoimaloiden lavat voidaan uudelleenkäyttää sementin raaka-aineena. Maailman suurin tuuliturbiinien valmistaja Vestas puolestaan on julkistanut kehittäneensä teknologiaa, jolla käytetyt lavat voidaan kierrättää uusien lapojen raaka-aineeksi. Yhtiö ilmoittaa uskovansa kierrättämään kehittämällään menetelmällä myös jo aiemmin kaatopaikoille päätyneitä tuulivoimaloiden lapoja.

Yleisten raaka-aineiden lisäksi tuulivoimalat sisältävät pieniä määriä harvinaisia maametalleja. Harvinaisia maametalleja tarvitaan erityisesti tuuliturbiinigeneraattoreiden kestomagneeteissa, joskin vaihtoehtoisia ratkaisuja on pyritty edistämään. Vaikka näiden materiaalien suhteellinen osuus koko materiaalimäärästä on vähäinen, liittyy niiden hankintaan kuitenkin merkittäviä haittatekijöitä. Ensimmäinen tekijä liittyy harvinaisten maametallien hankintaan ja kaivostoimintaan. Harvinaisia maametalleja esiintyy maaperässä pieninä esiintyminä, minkä takia kaivostoiminta vaatii suuren määrän energiaa ja usein myrkyllisiä kemikaaleja. Matalan esiintymistiheyden vuoksi kaivostoiminta vaatii laajamittaista maanmuokkausta suhteessa hyödennättäviin materiaalimääriin. Kestomagneeteissa tarvittavat harvinaiset maametallit esiintyvät usein yhdessä toriumin ja uraanin kanssa, mikä johtaa merkittäviin määriin radioaktiivista jätettä kaivostoiminnan sivutuotteena.

Toinen oleellinen uhka liittyy harvinaisten maametallien saatavuuteen. Harvinaisista maametalleista tulee olemaan pulaa jo lähitulevaisuudessa. Kestomagneeteissa tarvittavia raaka-aineita saadaan pääsääntöisesti Kiinasta, joka on myös niiden suurimman kaivostoiminnan tuottaja. Vuonna 2018 noin 70 % kaikista kaivetuista harvinaisista maametalleista oli Kiinan tuottamia. Lisääntyvä tarve harvinaisille maametalleille voi johtaa geopoliittisen jännityksen kasvuun. Geopoliittisten jännitteiden kiristymisen ehkäisemiseksi ollaan tehostettu maametallien etsintää sekä edistetty vaihtoehtoisen teknologian kehittämistä korvaavilla raaka-aineilla.

Testaa osaamistasi

HUOM: Alla oleva testi aukeaa uuteen ikkunaan klikkaamalla oikean yläkulman harmaassa neilössä olevaa nuolta ja on tehtävissä ilman kirjautumista.  

Lisämateriaalia

Dias, A. et al. (2020). The role of rare earth elements in wind energy and electric mobility. JRC Science for Policy Report. 

Gaudin, H. (2019) Implications of the use of rare-earth elements in the wind energy market 

IEA: Wind electricity 

Motiva: Tuulivoima 

Tuulivoimayhdyistys ry: Tietoa tuulivoimasta