Tuuliturbiinit, avomerivoimalat ja kestävyys

Tuuliturbiinit, avomerivoimalat ja kestävyys           

Antti Lehtniemi, 12.8.2016, Lohja

 

Euroopan merituulivoimaloiden tuuliolosuhteissa on ilmoitettu (havaittu?) olevan turbulenssia vain 20% verran. Uutta tietoa tulee sen sijaan USA:sta. Itärannikon tuulista on mitattu turbulenssia jopa 40% – 80% ja nyt on kyse mittaustornista ja todellisista mittauksista 20, 40 ja 60 metrin korkeuksista. Koska siellä ollaan vasta rakentamassa ensimmäisiä merituulipuistoja, asia on herättänyt keskustelua etenkin merelle rakennettavien mutta myös muiden tuulivoimaloiden mitoituksesta, kestävyydestä ja järkevyydestä.

https://wattsupwiththat.com/2016/08/11/study-wind-power-fiercer-than-expected/

Koska tuuli vaihtelee oletettua enemmän, aiemmat laskelmat ovat epävarmalla pohjalla. Tuulen rajuus ja turbulenssi tarkoittavat samaa kuin lentokoneen osuminen ’ilmakuoppaan’. Tasainen lento ja pyörteetön ilma vastaavat samassa asennossa olevan tasaisella nopeudella pyörivän tuulivoimalan tuottoa. Suihkuvirtaukset ja laskevat kylmät virtaukset tekevät lennosta heittelehtivää korkeussuunnassa ja myös sivusuunnassa. Sivusuuntainen liike ei tunnu yhtä selvästi lentokoneessa, joka on ilmassa eikä kiinteän tornin päässä kuten tuulivoimala.

 

Nykyisen tuulivoimalan koko on mahtava. Esimerkiksi Vestas V100 2MW laite, jollainen kaatui 28.12.2015 Ruotsissa: tornin korkeus on 120 metriä, kokonaispaino 400 tonnia, josta n 40% eli 160 tonnia on tornin nokassa olevan ’Onnibussin’ kokoisen moduulin ja lapojen osuus. Jäähdytys- ym öljyä on sitäkin peräti 1000 litraa siellä ylhäällä. Pyörimisnopeus säädetään lapakulmilla 15-20 kierrokseen minuutissa, ja se korotetaan vaihteistolla 1800 kierrokseen per minuutti, joka sopii tahtigeneraattorille ( 50Hz ).

 

Alimmassa asennossa lavan kärki on 55 metrin korkeudella ja ylimmässä asennossa 185 metrin korkeudella tornin perustasosta. Ero on 130 metriä. Lavan yläkärjen kohdalla on aina voimakkaampi tuuli kuin alakärjen kohdalla ( tuulen nopeus kasvaa korkeuden 7. potenssissa ). Tuulen vääntövoima kohdistuu siten vaaka-akselin laakereihin ylä-alasuunnassa. Tuulen suunnan muutokset taas kohdistavat vääntöä laakereihin vasen-oikea suunnassa, ja pyörteisyys missä tahansa 360 asteen sektorin suunnassa. 130 metrin vipuvoima kohdistuu siten varsin lyhyeen laakeriin vaihdellen tuulenpuuskien ja suunnanmuutosten mukaan, sillä raskasta ’Onnibussia’ ei voi tuuliviirin tapaan käännellä nopeasti. Pyörimisvastus- ja huojuntavärähtelyt ovat vielä oma lukunsa. Tyynellä säällä siipiä pitää pyörittää, jotta laakereihin ja akseleihin ei tule painumia. Myös öljyä ja talvella lapoja pitää lämmittää käynnistyksen varalle. Energiaa kuluu näihin kaikkiin, mikä heikentää saatavaa sähkötehoa ja kuluttaa muuta energiaa tyynellä (pakkas)säällä.

 

Laakerivioista johtuvia voimalapaloja on ollut Euroopassakin useita. Vikojen vuoksi voimaloiden odotettu käyttöikä on harvoin saavutettu. Luvattu 25 – 30 vuoden kestoaika on ollut usein vain puolet, luokkaa 12 – 15 vuotta ( joka ’sattumalta’ on samaa luokkaa kuin valtion anteliaan tuulivoimatuen kesto …). Ulkomailla matkustaessa näkee katkenneita lapoja ja tornin sivua pitkin valuvia öljyvanoja merkkinä kiinni leikanneista laakereista. Laakerivian korjaaminen on vaikeaa ja erittäin kallista: ’Onnibussin’ osien vaihtoon tarvitaan samat 120m korkeuteen yltävät parin sadan tonnin taakan nostavat nosturit. Maa-alueilla tämä vaatii, kuten rakennusvaihekin, tavallisia metsäautoteitä paljon kantavammat ja loivemmin kaartuvat ( lavan pituus määrää ) tiet. Kuva 1 kertoo, mistä on kysymys. Merellä tarvitaan ankkuroitu nosturilaiva. Kaikki huolto pitää tehdä tyynellä säällä. Itse asiassa vakava laakerivika olisi edullisinta korjata vaihtamalla koko tornin huipun koneisto uuteen (vrt auton vaihtomoottori), mikäli ei ole kyse tulipalosta, jolloin tornin lujuuteen ei voi enää luottaa. Tulipalon jälkeen jää pelkkää romua. Kukahan kerää ne pois? Tuon lystin maksajasta tulee varmasti kunnon riita.

 

Jos tuulivoimaa pitää välttämättä rakentaa, edellä kerrottuihin ongelmiin on olemassa pienemmillä malleilla vaativissa olosuhteissa yli 30 vuotta testattu ratkaisu: pystytuuliturbiini. Sitä ei tarvitse kääntää tuulenpuuskien eikä itse tuulen mukaan. Kääntökoneisto, sen moottorit ja ’Onnibussin’ kiertokannatuslaakeri ovat siten tarpeettomat. Pystytuuliturbiinin laakerit ovat pystyakselissa, osa kannatuslaakereita kuten vesivoimalassa, osa pyörimislaakereita kuten sähkömoottoreissa, ja laakerit saadaan sijoitettua akseliin riittävän etäälle toisistaan vääntökuormitusta ajatellen, myös tarvittaessa turbiinin yläpäähän. Siipimallisen turbiinin etulaakerointi vaatisi käännettyä polkupyörän etuhaarukkaa vastaavan rakenteen. 60 metrin pituinen haarukka – hmm, ehkei ihan halpa ja kevytkään ratkaisu. Tuulivastus on pystyturbiinissa kanta kertaa korkeus- suorakulmion aikaansaama ja ylä-alasuuntainen, eikä siinä ole 130 metrin vipuvoimia kaikkiin kellonsuuntiin. Poikkipinnan muodon ja siipilieriön rakenteen vuoksi linnut ja lepakot eivät ole vaarassa. Kuva 2 kertoo, mitä siipimalliset voimalat tekevät. Esimerkiksi 12 sekuntimetrin tuulella lavan kärkinopeus on 280 km/h. Tästä aiheutuu melua, infraääntä. Isot linnut eivät pysty väistämään noin nopeaa iskua. Luonnonsuojelijoiden ja WWF:n soisi heräävän. Hiljaista sieltäpäin, miksi?

 

Itse generaattori voidaan haluttaessa asentaa maan pinnalle turbiinia alemmas: voima voidaan välittää pystyakselilla. Erikoisen generaattorin ansiosta vaihteistoa ei tarvita, joten ympäristön öljyvahinkojen riski poistuu. Ylärakenteet eli torni saadaan kevyemmäksi niin kustannusten, kuljetuksen, asennuksen kuin huollonkin suhteen. Ylös ei tarvita kuin laakerien voitelu, joka on automatisoitavissa. Myöskään generaattorin jäähdytyslaitteisto ei kuormita tornia. Pystyturbiini ei tarvitse jäänestoa päinvastoin kuin siipivoimala, jonka lapoihin pitää meidän leveysasteilla asentaa sähkövastukset. Ellei niiden teho riitä, jää pitää poistaa tasapainon ja turvallisuuden ( kymmenien kilojen painoisia jääkimpaleita sinkoutuu siivistä ) vuoksi ennen kuin siipimallinen tuulivoimala voidaan käynnistää. Ruotsissa on poistettu jäätä jopa helikopteriruiskutuksilla lentokoneiden jäänpoiston tapaan ( kuva 3.). Ei halpaa puuhaa.

 

Miksi tähän malliin ja sen kehitykseen ei ole satsattu, on poliittinen ja oman kirjoituksensa arvoinen kysymys. Toki tämäkään malli ei ratkaise tuulivoiman vaihtelua ja energian varastointia, mutta on tuotoltaan merkittävästi tehokkaampi. Pystytuuliturbiini sietää myrskytuulet ainakin 60m/sek saakka, jolloin sähkön tuotanto vain kasvaa. Mainittakoon, että Huittisten seudun keskikokoinen siipimallinen voimala oli pysäytetty jo 14m/sek puuskaisella tuulella. Miksi ylipäätään maksamme tuulitukia?

Kuva 1: Tuulivoimalapuiston rakennus- ja huoltotiet

1kuva

Kuva 2: Tuulivoimala kotkan kohtalona

2 kuva

Kuva 3: Jäänpoistoa ruotsalaisessa tuulivoimalassa

3 kuva