Aurinkovoiman hinnan lasku saa enemmän julkisuutta, mutta myös tuulivoimateknologiassa tapahtuu suuria asioita. Ja tarkoitan suuria.

Tuuliturbiinien matematiikka on melko yksinkertaista: Isompi on parempi. Tarkemmin sanottuna on kaksi tapaa tuottaa enemmän sähköä tuulesta tietyllä alueella.

Ensimmäinen on isommat roottorit ja lavat, jotka kattavat laajemman alueen. Tämä lisää turbiinin kapasiteettia eli sen kokonaispotentiaalista tuotantoa.

Toisena keinona on saada lavat korkeammalle ilmakehään, jossa tuuli puhaltaa tasaisemmin. Tämä kasvattaa turbiinin ”kapasiteettikerrointa” eli sitä, kuinka paljon energiaa se tosiasiallisesti tuottaa suhteessa kokonaispotentiaaliinsa (tai puhekielessä: kuinka usein se käy).

Tuulivoiman kehityshistoria on ollut historiaa yhä korkeampien ja korkeampien turbiinien suunnittelusta yhä suuremmilla ja suuremmilla siivillä. Se on hankalaa ja herkkää hommaa. Korkeisiin tuuliin sijoitetuilla korkeilla ja laihoilla vehkeillä on taipumus taipua ja taipua. Kun pitkät turbiinin lavat taipuvat, ne voivat törmätä torniin tai napaan, kuten tässä tanskalaisessa järjestelmässä tapahtui vuonna 2008, kun sen ”jarru” petti ja se pyörähti hallitsemattomasti:

Kolmas insinööritaitojen haaste on siis löytää malleja ja materiaaleja, jotka kestävät korkeuden ja kovempien tuulten mukanaan tuomat rasitukset. Nämä rasitukset ovat melko voimakkaita – katso tämä video, jossa insinöörit testaavat valtavaa turbiinin siipeä vetämällä sitä edestakaisin ”noin 16 afrikkalaisen norsun painolla.”

Joka tapauksessa, turbiinien tekeminen yhä suuremmiksi on pelin nimi. Kun kyse on maalla sijaitsevista (onshore) tuulivoimaloista, tämä prosessi alkaa törmätä erilaisiin ei-teknisiin rajoituksiin – liikenne- ja infrastruktuurin pullonkauloihin, maankäyttöön liittyviin huolenaiheisiin, näkymistä, suurista linnuista, varjoista jne. aiheutuviin huoliin.

Mutta erityisesti Euroopassa tuulivoima siirtyy yhä enemmän merelle. Ja merellä, jossa maata on tuskin näkyvissä, ainoa kokorajoitus on tekniikka. Näin ollen offshore-turbiinit paisuvat nykyään jopa nopeammin kuin onshore-turbiinit ovat kasvaneet viime vuosikymmenen aikana.

Eräs esimerkki tästä suuntauksesta putkahti esiin maaliskuussa 2018 (jolloin julkaisin tämän jutun ensimmäisen kerran). GE Renewable Energy ilmoitti investoivansa 400 miljoonaa dollaria uuden hirviöturbiinin kehittämiseen: Haliade-X, joka on (ainakin seuraavaan suureen ilmoitukseen asti) maailman suurin, korkein ja tehokkain.

Se on vaikuttava insinööriteknisenä saavutuksena, mutta turbiinien koon kasvattamisen merkitys on paljon laajempi. Suuremmat turbiinit keräävät enemmän energiaa tasaisemmin; mitä suuremmiksi ne kasvavat, sitä vähemmän vaihtelevia ja luotettavampia niistä tulee ja sitä helpompi ne on integroida verkkoon. Tuulivoima kilpailee jo nyt muiden energialähteiden kanssa energian tukkumarkkinoilla. Kun kasvu on jatkunut vielä muutaman sukupolven ajan, kyse ei ole enää edes kilpailusta.

Mitä tuulivoimaloista on tulossa

Jotta saisimme käsityksen siitä, kuinka suuri tämä uusi GE:n turbiini on, aloitetaan muutamalla vertailulla.

Soitin Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa työskentelevälle Ben Hoenille saadakseni viimeisimmät luvut tuuliturbiinien koosta. (Hän korostaa, että nämä ovat alustavia lukuja – LBNL:llä on tulossa asiasta raportti muutaman kuukauden kuluttua, mutta hän ei odota, että luvut muuttuisivat kovinkaan paljon, jos ollenkaan.)

Hoenin mukaan Yhdysvaltain maalla sijaitsevien tuulivoimaloiden keskimääräinen kokonaiskorkeus (tyvestä kärkeen) vuonna 2017 oli 142 metriä (466 jalkaa). Mediaaniturbiini oli lähempänä 152 metriä (499 jalkaa). Hoenin mukaan mediaani lähestyy itse asiassa maksimitasoa. Toisin sanoen Yhdysvaltain maalla sijaitsevien turbiinien korkeus näyttää ajan mittaan lähestyvän suunnilleen tätä korkeutta. Miksi? Koska jos rakennat korkeammalle kuin 499 jalkaa, Federal Aviation Administration (FAA) vaatii hyväksymisprosessissaan joitakin ylimääräisiä vaiheita, ja ilmeisesti useimmat rakennuttajat eivät ole pitäneet sitä vaivan arvoisena.

Yhdysvaltojen korkeimmat maaturbiinit ovat Hancock Wind -hankkeessa Hancockin piirikunnassa Mainessa. Ne – Vestas V117-3.3 -turbiinit, jos haluatte tietää – ovat noin 574 jalkaa korkeita.

Se on siis maalla. Entä offshore? Yhdysvalloissa on toistaiseksi vain yksi toiminnassa oleva merituulivoimala, Block Islandin tuulipuisto Rhode Islandin edustalla. Sen turbiinit kohoavat noin 590 jalkaan.

Miten Haliade-X vertautuu tähän kaikkeen? GE:n mukaan se nousee 853 jalkaa korkeaksi.

Se olisi tietääkseni maailman korkein tuuliturbiini. Tietääkseni googlaamalla (kuten sanoin, nämä asiat muuttuvat nopeasti), edellinen ennätyksen haltija on 809-jalkainen maalla oleva turbiini Saksassa.

Kookkaammat turbiinit tarkoittavat enemmän tehoa, useammin

Korkeus ei kuitenkaan ole ainoa asia, jolla on merkitystä. Haliade-X:llä on myös muutama muukin superlatiivi.

Roottorin halkaisija on turbiinin lapojen koko pyyhkäisyn mitta (niiden rajaaman ympyrän halkaisija). Jos roottorin halkaisija on muuten sama, suurempi roottorin halkaisija tarkoittaa, että turbiini pystyy keräämään enemmän tuulta.

Vuonna 2017 yhdysvaltalaisten tuuliturbiinien keskimääräinen roottorin halkaisija oli 367 jalkaa, Hoen kertoi minulle. Haliade-X:n roottorin halkaisija on 722 jalkaa, mikä on noin kaksinkertainen keskiarvoon verrattuna. Lavat ovat jättiläismäiset, 351 jalkaa pitkät kumpikin, pidemmät kuin jalkapallokenttä ja GE:n mukaan pidemmät kuin minkään muun offshore-lavan lapa tähän mennessä.

Massiivinen roottorin halkaisija ja tasainen merituuli sekä 12 MW:n turbiini (maalla keskimäärin noin 3 MW, offshore noin 6 MW) tarkoittavat, että Haliade-X:n kapasiteettikerroin on epätavallisen korkea.

Tämä lainaus energiaministeriön vuoden 2016 Wind Technologies Market Report -raportista osoittaa, miten tuulivoiman kapasiteettikertoimet ovat kehittyneet ajan myötä: ”Vuosina 2014 ja 2015 rakennettujen hankkeiden keskimääräinen kapasiteettikerroin vuonna 2016 oli 42,5 prosenttia, kun vuosina 2004-2011 rakennettujen hankkeiden keskimääräinen kapasiteettikerroin oli 32,1 prosenttia ja vuosina 1998-2001 rakennettujen hankkeiden keskimääräinen kapasiteettikerroin oli vain 25,4 prosenttia.”

Vertailun vuoksi mainittakoon, että Yhdysvaltain ydinvoimalaivaston keskimääräinen kapasiteettikerroin oli vuonna 2016 noin 92 prosenttia. (Nykyisillä markkinoilla ydinvoima on taloudellisesti kannattavaa vain silloin, kun se toimii jatkuvasti peruskuormituksena). Kivihiilen osuus oli 55 prosenttia ja maakaasun 56 prosenttia. (Maakaasun hyötysuhde on näin alhainen, koska se nousee ja laskee usein kysynnän vaihteluiden mukaan. Kivihiilen osuus oli ennen lähes 80 prosenttia, mutta kivihiilivoimalaitosten käyttäminen on yhä epätaloudellisempaa.)

Nykyaikaisen Yhdysvaltojen tuulivoiman osuus on siis 42,5 prosenttia ja maakaasun osuus 56 prosenttia. Haliade-X:n kapasiteettikerroin on GE:n mukaan 63 prosenttia. Se on hurjaa, vaikka se ei olisikaan maailman korkein – Skotlannin Hywind-hankkeen kelluvat meriturbiinit saavuttivat hiljattain 65 prosenttia.

Laskekaa kaikki tämä yhteen, ja GE:n mukaan ”tyypillisessä saksalaisessa Pohjanmeren kohteessa” kukin Haliade-X tuottaa vuosittain noin 67 GWh, ”tarpeeksi puhdasta sähköä 16 000 kotitaloudelle turbiinia kohden ja jopa miljoonalle eurooppalaiselle kotitaloudelle 750 MW:n tuulivoimapuistokokoonpanossa”. (Sanottakoon vain, että määrä olisi pienempi energiaköyhille amerikkalaisille kotitalouksille.) Tämä on yhtiön mukaan ”45 prosenttia enemmän energiaa kuin mikään muu tällä hetkellä saatavilla oleva merituulivoimala”.

Ensimmäinen Haliade-X on parhaillaan rakenteilla Rotterdamissa, Alankomaissa. GE kertoi huhtikuussa, että se alkaa tuottaa sähköä myöhemmin tänä vuonna.

Kookkaammat turbiinit, jotka käyvät useammin, murskaavat kaikki kilpailijat

Pohditaanpa, mitä nämä kasvavat kapasiteettikertoimet merkitsevät tuulivoiman kannalta.

Palaan usein tähän energia-analyytikko Ramez Naamin vuonna 2015 julkaisemaan viestiin, jossa hän käsitteli tuulivoiman lopullisia mahdollisuuksia. ”Tuulivoima 60 prosentin kapasiteettikertoimella”, hän kirjoitti, ”jopa samalla kwh-hinnalla kuin nykyään, olisi valtavasti arvokkaampaa kuin nyt, ja rajoituksia sille, kuinka paljon voisimme käyttää sitä, olisi vähemmän.”

Miksi näin on?

• Mitä vaihtelevampi lähde on, sitä enemmän tarvitaan varmuuskopioita sen vakiinnuttamiseksi ja luotettavuuden lisäämiseksi. (Nykyään varavoiman tarjoavat useimmiten maakaasuvoimalat, vaikka akut ovatkin hiipimässä esiin). Suuremmat kapasiteettikertoimet vähentävät varavoimakustannuksia tekemällä tuulivoimasta vähemmän vaihtelevaa ja luotettavampaa.
• Vaihtelevalla uusiutuvalla energialla (aurinko ja tuuli) on taipumus ”syödä oma lounaansa”. Koska se kaikki tuottaa energiaa samaan aikaan (kun aurinko paistaa tai tuuli puhaltaa), seuraava lisätty kapasiteetin lisäys alentaa kaikkien muiden lisäysten selvityshintaa. Mitä enemmän energiaa otetaan kerralla käyttöön, sitä alhaisempi hinta on. Jakamalla energiansa pidemmälle ajalle – noin kaksi kertaa enemmän kuin vuoden 2011 turbiinien 32 prosenttia – turbiini, jonka kapasiteettikerroin on 60 prosenttia, vaimentaa ja hidastaa tätä hintoja alentavaa vaikutusta.
• Pidentämällä käyttötuntejaan korkean kapasiteettikertoimen turbiini tuottaa todennäköisemmin kysyntähuippujen aikana, jolloin energia on arvokkainta.

Yli 60 prosentin kapasiteettikerroin ei ole aivan ”peruskuormitettu”, mutta se näyttää paljon vähemmän vaihtelevalta. Haliade-X:n kaltaiset turbiinit olisivat siis arvokkaampia, vaikka tuulivoimasähkön hinta pysyisi samana.

Mutta se ei tietenkään pysy samana; se on laskenut 65 prosenttia vuodesta 2009. Tuoreessa NREL:n raportissa ennustettiin, että tuulivoimateknologian innovaatiot (joista isommat turbiinit ovat yksi monista) voivat laskea sitä vielä 50 prosenttia vuoteen 2030 mennessä. (Virginian yliopiston tutkijat suunnittelevat parhaillaan offshore-turbiinia, joka kohoaa, ei valehtele, 1 640 jalkaa, korkeammalle kuin Empire State Building.)

Seurataan, että Yhdysvaltojen uudet tuulivoimalat saavuttavat keskimääräisen 460 jalan napakorkeuden vuoteen 2025 mennessä, mikä vastaa suunnilleen nykyisiä ennusteita. NREL:n tietojen mukaan tällaiset turbiinit voisivat saavuttaa yli 60 prosentin kapasiteettikertoimen yli 750 000 neliökilometrin alueella Yhdysvalloissa ja yli 50 prosentin kapasiteettikertoimen yli 1,16 miljoonan neliökilometrin alueella.

Tällaisella kapasiteettikertoimella tuollainen tuulivoimamäärä tuottaa tuulivoimateknologian ennakoitavissa olevalla kehityksellä tarpeeksi halpaa sähköä murskatakseen kaikki kilpailijat täysin. Eikä vuosi 2025 ole kovin kaukana.