Tuulienergia, joka tunnetaan myös nimellä tuulivoima, on keino valjastaa tuulta ja muuttaa se sähköksi. Turbiinien keskimääräinen tuulihyötysuhde on 35-45 %.
Tuulivoiman tuotanto
Tuuli syntyy maan ilmakehässä paikallisten tai alueellisten ja globaalien lämpötilojen erojen vuoksi. Kun lämmin lämpenee, se nousee ja poistuu paikasta alhaisella ilmanpaineella; ilma kylmemmiltä alueilta, joilla on korkeampi ilmanpaine, siirtyy sisään tasaamaan ilmanpainetta.
Tuulivoimalat ja -turbiinit hyödyntävät kineettistä energiaa eli "liikeenergiaa", joka siirtää ilmaa tai tuulta paikasta toiseen ja muuntaa sen sähköksi. Tuulivoimalat pystytetään tuulisiin paikkoihin, jotta tuuli voi liikuttaa turbiinien siipiä. Nämä terät pyörittävät moottoria ja vaihteet lisäävät kierroksia tarpeeksi tuottamaan sähköä. Erityyppiset turbiinit sopivat vaihteleviin olosuhteisiin.
Tuulitehokkuus ja tuulikapasiteettitekijä
Tuulitehokkuus ei ole sama kuin tuulen kapasiteettitekijä, josta puhutaan, kun ihmiset ajattelevat energiatehokkuutta. Wind Watch selittää näiden kahden ilmiön eron.
Tuulitehokkuus ja sen raja
Tuulen hyötysuhde on tuulen liike-energian määrä, joka muuttuu mekaaniseksi energiaksi ja sähköksi. Betz Limitin kuvaamien fysiikan lakien mukaan teoreettinen enimmäisraja on 59,6%. Tuuli vaatii loput energiasta puh altaakseen terien ohi. Tämä on itse asiassa hyvä. Jos turbiini jää loukkuun 100 % energiasta, tuuli lakkaisi puh altamasta eivätkä turbiinin siivet voisi kääntyä tuottamaan sähköä.
Mikään kone ei kuitenkaan tällä hetkellä pysty muuttamaan kaikkea tuulivoimasta jäänyttä 59,6 %:a kineettisestä energiasta sähköksi. Generaattorien valmistustavasta ja suunnittelusta johtuvat rajoitukset vähentävät entisestään lopulta tehoksi muunnettavan energian määrää. Keskiarvo on tällä hetkellä 35-45 %, kuten edellä todettiin. Suurin huippusuorituskyky voi olla 50 % Wind Watchin mukaan. Australian hallituksen asiakirja (NSW) on myös samaa mieltä siitä, että 50 % on suurin mahdollinen tuulen hyötysuhde (s. 3).
Energiatehokkuus ei vaihtele niin paljon kuin tuulen kapasiteettikerroin, mikä riippuu suuresti sijainnista ja sääolosuhteista.
Tuulikapasiteettitekijä
Tuulikapasiteettikerroin on Green Tech Median mukaan generaattorin tuottaman energian määrä verrattuna siihen, mitä se voisi tuottaa, jos se toimisi koko ajan huipputeholla. Tuulen kapasiteettikerroin yleensä vaihtelee paikasta toiseen ja eri vuodenaikoina, jopa samoilla turbiineilla, koska se riippuu tuulen nopeudesta, sen tiheydestä ja pyyhkäisyalasta, joka riippuu generaattorin koosta, huomauttaa Open EI. Tuulitehokerrointa voidaan optimoida valitsemalla paikkoja, joissa ihanteelliset tuuliolosuhteet vallitsevat koko tai suurimman osan vuodesta. Siksi on tärkeää ottaa huomioon tuulikapasiteettikerroin ja siihen vaikuttavat olosuhteet tehon maksimoimiseksi.
- Tuulen nopeusalle 30 mailia tunnissa tuottaa vähän energiaa Wind Watchin mukaan. Pienetkin nopeuden lisäykset voivat johtaa merkittävään lisäykseen Open EI:n mukaisessa tehossa. Tuotettu sähkö on tuulen nopeuden kuutio, selittää Wind EIS.
- Ilman tiheys on enemmän viileämmillä alueilla ja merenpinnan tasolla kuin vuoristossa. Joten ihanteellisia paikkoja, joissa tuulen tiheys on korkea, ovat meret, joiden lämpötilat ovat kylmempiä Open EI:n mukaan. Tämä on yksi syy offshore-tuulituotannon laajamittaiseen laajentumiseen.
- Suuremmat ja korkeammat turbiinit voivat hyödyntää enemmän tuulta korkeammalla maanpinnan yläpuolella ja niiden siipien suuremman jännevälin ansiosta. Taloudelliset näkökohdat ovat siksi tärkeitä tässä.
Kapasiteettikerrointa nostetaan jatkuvasti parannetun tekniikan avulla. Green Tech Median mukaan vuonna 2014 rakennetut tuuliturbiinit saavuttivat 41,2 prosentin kapasiteettikertoimen verrattuna 31,2 prosenttiin vuosina 2004-2011 rakennetuissa turbiineissa. Tuulen kapasiteettitekijään ei kuitenkaan vaikuta pelkästään teknologia, vaan myös itse tuulen saatavuus. Näin ollen vuonna 2015 turbiinien kapasiteettikerroin oli alle edellisten vuosien keskiarvon "tuulikuvuuden" vuoksi, Green Tech Media selittää.
Vertailu muihin virtalähteisiin
Tuulen energiatehokkuus on parempi kuin hiilen energiatehokkuus. Vain 29-37 % hiilen energiasta muunnetaan sähköksi ja kaasulla on lähes sama hyötysuhde kuin tuulella, kun kaasun energiasta 32-50 % voidaan muuntaa sähköksi.
Us. S. Energy Information Administrationin (EIA) mukaan fossiiliset polttoaineet menestyivät kuitenkin kapasiteettitekijöillä paremmin kuin tuuli Yhdysvalloissa vuonna 2016.
-
uusiutuva vs tehtaat Yhdysv altojen hiilivoimalat käyttivät 52,7 % kapasiteetistaan.
- Kaasulaitosten kapasiteettikerroin oli 56 % Yhdysvalloissa.
- Ydinvoiman kapasiteettikerroin oli 92,5 % ei-fossiilisten polttoaineiden YVA-lukujen mukaan.
- Vesivoiman kapasiteettikerroin oli 38 %.
- Tuulivoiman kapasiteettikerroin oli 34,7 %.
Verrattaessa eri energialähteiden tehoa, on parempi ottaa huomioon kapasiteettikertoimen lisäksi myös niiden energiatehokkuus. Tämä tekee tuulivoimantuotannon lisäämisestä kilpailukykyistä ja mahdollista verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin, joita myös vaivaavat niiden aiheuttamat saasteongelmat.
Jaksottavuus vaikuttaa tuulienergian tuotantoon
Tuulienergia kärsii ajoittaisuudesta, koska tuulta ei ole aina saatavilla ja se voi puh altaa vaihtelevalla nopeuksilla, mikä tarkoittaa, että sähköä tuotetaan epäyhtenäisellä tasolla. Energiakatkoisuus on ilmiö, jossa energiaa ei ole jatkuvasti saatavilla monien tekijöiden vuoksi, joihin ihmiset eivät voi vaikuttaa. Siksi tarjonnassa on vaihtelua.
Ratkaisut jaksoittaisuuteen
Koska tuuliturbiinien sähköntuotanto vaihtelee tunnista tuntiin tai jopa sekunnista sekuntiin, sähköntoimittajilla on oltava suurempia energiavarastoja, jotta ne voivat täyttää ja ylläpitää tasaisen virransyöttötason, selittää American Scientist. Jaksottaisuus ei tarkoita vain puutteita, vaan myös ylilyöntejä; tämä tarjoaa myös mahdollisen ratkaisun. American Scientist selittää, että kun tuulivoiman lähteiden määrä lisääntyy, paikalliset erot sää- ja tuuliolosuhteissa voivat tasapainottaa puutteita ja ylilyöntejä.
Parannetut sääennusteet ja mallinnus helpottavat myös lyhyenkin tuulivoiman muutosten huomioimista. Lähteiden yhdistelmä on myös tarpeen tuulivoimantuotannon vuorokausi- tai kausivaihteluiden tasoittamiseksi.
Jaksottaisuudesta huolimatta laajalle levinneet uudet tuulipuistot ympäri Yhdysv altoja ovat itse asiassa auttaneet vakauttamaan virransyöttöä, varsinkin Texasin äärimmäisissä sääolosuhteissa Clean Technican mukaan.
Kustannus
The Independent ilmoitti vuonna 2017, että energian tuotanto tuulella oli halvempaa kuin fossiilisista polttoaineista. Megawattitunnin (MWh) tuottaminen maksoi 50 dollaria vuonna 2017. Teknologian kehittyessä kustannukset laskevat edelleen, mikä tekee siitä houkuttelevamman kuin perinteiset saastuttavat energialähteet. Yhdysvallat toivoo vauhdittavansa tätä liikettä tarjoamalla v altion kannustimia lisätäkseen tuulivoiman osuutta, joka tuotti 6 % sen sähköstä vuonna 2016 YVA:n mukaan.
Wind EIS toteaa, että 80 % kustannuksista on turbiinien asennukseen liittyviä pääomakustannuksia ja 20 % on toiminnassa. Tuulivoima on kuitenkin kilpailukykyistä, koska siihen ei liity polttoainekustannuksia ja kun otetaan huomioon sen koko elinkaaren aikana tuotettu sähkö.
hiilitöntä energiaa
Tuulienergia on yksi tehokkaammista vaihtoehdoista fossiilisten polttoaineiden energialle. On ennustettu, että vuoteen 2050 mennessä 139 maata, jotka käyttävät tällä hetkellä 99 prosenttia maailman energiasta, voivat käyttää 100 prosenttia uusiutuvaa energiaa. Tuuli ja aurinko voivat yhdessä tuottaa jopa 97 prosenttia tästä energiasta vuoden 2017 World Forum -raportin mukaan. Tämä voi auttaa pysäyttämään ilmaston lämpenemisen alle 1,5 asteen. Olipa kyseessä tuulipuisto rinteessä tai rannikolla, tuuliturbiinitekniikka tarjoaa huomattavasti tehokkaamman tavan tuottaa käyttökelpoista sähköä kuin uusiutumattomat perinteiset lähteet.