Tuuleenergia Eestis (1)

Eesti Maaülikool
Tuuleenergia
Referaat
Timo Kuus
Tartu 2007

SISUKORD

SISUKORD 2
Sissejuhatus 3
Tuuleenergia ressursid Eestis 4
Tuuleenergia tulevik Eestis 6
Teiste maade kogemus 6
Kokkuvõte 10
Allikad: 11
http://www.postimees.ee/020407/esileht/majandus/253101.php 11

Sissejuhatus

Euroopa Liidu ülemkogul leppisid peaministrid kokku hakata taastuvenergiat ehk rohelist energiat rohkem kasutama. Euroliidus on taastuvenergia osa alla 10 protsendi, kuid 2020. aastaks soovitakse jõuda 20 protsendini. Sellega tahetakse parandada keskkonna olukorda ja vähendada sõltuvust imporditavatest energiaallikatest
Tuuleenergia on üks taastuvaist energiaallikaist. Kuigi tegemist on puhta ja ökonoomse kütuseliigiga, on tuulepotentsiaali ilmselgelt alahinnatud. Ja mitte ainult riiklikul tasemel vaid ka kodumajapidamistes. Pidades silmas eelkõige väiketarbijat, on võimalusi alternatiivseks energiatootmiseks laialdaselt.
Tuuleenergia kasutuselevõtt Eestis on seni takerdunud mitmel põhjusel. Eestis ületab paigaldatud energiaseadmete võimsus märgatavalt riigi sisemist tarbimisvõimsust. Eesti energeetika peamiseks probleemiks on vananenud seadmete uuendamine ning soojuselektrijaamade ja energiasüsteemi tõhususe suurendamine . Seepärast pole riikliku energiapoliitika kujundajad huvitatud tuuleenergia kasutamisest Eestis. Ometi peaks energeetika arengukavades silmas pidama ka kaugemat tulevikku, mil põlevkivil põhinev energiatootmine hakkab varude lõppemise tõttu ammenduma.

Tuuleenergia ressursid Eestis

Tuules peituvat energiat kasutatakse üldiselt neil aladel, kus aasta keskmine tuulekiirus 10 m kõrgusel maapinnast on üle 4 m/s. Näiteks asub suurem osa Saksa Liitvabariigi tuuleelektrijaamadest piirkondades, kus 10 m kõrgusel mõõdetud tuulekiirus on 4...6 m/s. Majanduslikku otstarbekust silmas pidades tuleks tuuleenergeetikat eelisarendada neis piirkondades, kus aasta keskmine tuulekiirus 10 m kõrgusel on üle 5 m/s.
Suuremal osal Eesti saarte rannikualadel ületab aasta keskmine tuulekiirus 5 m/s, mõnes piirkonnas aga isegi 6 m/s. Seepärast on Eesti saared Euroopa üks tuulisemaid piirkondi, mistõttu tuuleenergia tootmine peaks olema majanduslikult kõigiti otstarbekas.
Eestis saarte ilmavaatlusjaamades pikaajaliselt läbiviidud tuulekiiruste mõõtmise tulemused on esitatud tabelis 2. Kuna mõõtekõrgus eri vaatlusjaamades on vahemikus 11...13 m, tuuleagregaatide efektiivsust võrreldakse aga 10 või 30 m kõrgusel puhuva tuule kiiruse järgi, siis on tabelis esitatud ka arvutuslikud tuulekiirused vastaval kõrgusel. Tiiviku tsentri kõrgus sõltub tuuleagregaadi võimsusest. 30 m kõrguseid maste kasutatakse umbes 250 kW võimsuse korral. 500...600 kW agregaatide mast on vähemalt 40 m kõrgune ja 1...1,5 MW agaregaatide mast üle 50 m kõrge. Kõrguse suurenemisel suureneb mõningal määral ka keskmine tuulekiirus.
Ilmajaama 
Mõõtetulemused
Arvutuslik
Arvutuslik
asukoht
Mõõtekõrgus m
Keskmine tuulekiirus m/s
tuulekiirus 10 m kõrgusel m/s
tuulekiirus 30 m kõrgusel m/s
Tahkuna ( Hiiumaa )
13
6.4
6.1
7.3
Vormsi
11
5.6
5.5
6.6
Pakri
13
5.6
5.4
6.4
Naissaar
13
5.8
5.6
6.6
Kihnu
13
6.2
5.9
7.1
Ruhnu
12
5.8
5.6
6.7
Kuressaare 
13
5.9
5.7
6.7
Sõrve säär
12
6.2
6.0
7.2
Raugi (Muhu)
13
5.3
5.1
6.1
Osmussaar
13
6.8
6.5
7.8
Vilsandi
13
6.5
6.2
7.4
Aasta keskmise tuulekiiruse järgi üksi ei saa veel täielikku ülevaadet kasutatava tuuleenergia hulgast. Tuuleenergia varude hindamisel tuleb arvestada asjaolu, et tuuleagregaadi võimsus on võrdeline tuule kiiruse kolmanda astmega, s. t.
kus Cp on agregaadi tuulekastustegur, v tuule kiirus ja D tiiviku läbimõõt. Lisaks sellele tuleb arvestada eri kiirusega tuulte esinemisagedusega. Pikaajaline tuulekiiruse jaotus vastab Weibulli jaotusseadusele, kusjuures kujuteguri väärtus on tavaliselt vahemikus 1,75...2,25. Tuuleagregaate tootvad firmad annavad oma seadmete kohta nimitunnusjoonena (nt. joonis 3) võimsuse sõltuvuse tuule kiiruse hetkväärtusest. Neid tunnusjooni ei saa aga kasutada tuuleagregaadi aastakeskmise võimsuse ning selle poolt toodetava energia leidmiseks aastakeskmise tuulekiiruse järgi. Statistilise keskmise tuulekiiruse korral on tegemist aritmeetilise keskväärtusega, tuuleagregaadi aastakeskmine võimsus on aga võrdeline tuulekiiruse kuupkeskmise väärtusega. Seepärast on tuulegeneraatori aastakeskmine võimsus palju suurem kui nimitunnusjoone põhjal leitud hetkvõimsus keskmise tuulekiiruse korral. Aastakeskmise võimsuse ning toodetava energia arvutamiseks peab olema teada tuulekiiruste jaotusseadus.

Tuuleenergia tulevik Eestis

Praegu on Eestis põlevkivienergia tunduvalt odavam kui tuule oma. Arvutuste järgi hakkab tuuleenergia end ära tasuma siis, kui elektri hind veel pisut tõuseb. Vello Selg TTÜ Soojustehnika Instituudist on veendunud, et tuuleenergia tasub end ära, kui tema toodangu hinnaks on 83…84 senti/kWh. Tuulefirmad on huvitatud, et nad saaksid 7 aastaga oma investeeringud tagasi. Praegu näitavad uuringud, et tasuvus on 10…14 aastat. Palju oleneb ka sellest, millistest vahenditest tuulejaam ehitatakse.
Elektrienergia tarbijate seisukohalt lähtudes tuleb arvesse võtta kõik kulutused, seal hulgas ka energiasüsteemi tugi tuulikute ebakindlale tööle. Praegu tegeletakse uuringutega eesmärgiga selgitada kui palju ja kuhu oleks mõttekas tuulejaamu ehitada ning kuidas neid elektrivõrku integreerida. Vello Selg on pakkunud elektritootmise hajutamiseks välja võimaluse hakata renoveerimise protsessis ehitama gaasiturbiinjaamu. Ka siin tuleb teha uuring, kui palju maksab gaasiturbiinjaama ja tuuliku koostöö. Vaidlused jätkuvad kindlasti edaspidigi.

Teiste maade kogemus

1970ndate aastate naftakriis sundis Taanit langetama otsuse, et riik peab suutma end ise energiaga ära varustada. Kuna Taani oma geograafilise asendi tõttu on pea kogu aasta tuulte meelevallas, tehti panus tuuleenergiale. 1980ndail aastail sündis oma tuuleturbiinitööstus.
Globaalse soojenemise ja uue energiakriisi tõenäosuse tingimustes on tuuleenergia võitmas populaarsust paljudes riikides ning Taani on tänu oma varasele alustamisele kindlustanud endale 62 % tuuleturbiinide maailmaturust. Tuuleturbiinide eksportijad on ka Saksamaa, Holland, Hispaania , Suurbritannia, India, Hiina. Taanis toodetakse tuulest 8 % kogu riigis tarbitavast elektrist, kavas on aastaks 2005 tõsta see 10 %ni.
Hiigeltuulikute paigaldamisel on raskusi ka Taanis, sest inimesed kardavad, et neid hakkab segama tiiviku pöörlemise müra ja loodusvaated saavad rikutud.
Taanis on elektrivõrk kohustatud tuuleenergia ostma üldvõrku kindlaksmääratud hinnaga. Kõigepealt makstakse 85 % võrguettevõtte müügihinnast, millele lisatakse umbes pool Eesti krooni. Selle lisaraha maksavad kinni soojuselektrijaamade elektritarbijad , kelle tariifi sees on CO2 maks. Kindel energiapoliitika on andnud inimestele tegutsemistahte ja tuuleveskeid on maal juba nii palju, et nende omanikud on loonud oma assotsiatsiooni .
Euroopa on tuuleenergia alal maailmas juhtpositsioonil. Meil on rohkem tuuleturbiine kui kusagil mujal maailmas. 1999 aasta lõpuks oli paigaldatud piisavalt turbiine, et toota üle 8500MW elektri, s.o üle poole rohkem kui 1996 aastal.
Tuuleelektrijaamadega seotud tehnilised probleemid
Autonoomsed ja võrku ühendatud tuuleelektrijaamad. Tuuleagregaadid võivad olla kas autonoomsed või ühendatud elektrivõrku. Autonoomsete agregaatide korral on probleemiks stabiilse sageduse ja pingega elektrienergia tootmine, sest viimased sõltuvad generaatori pöörlemissagedusest. Järelikult on vaja tiiviku pöörlemissagedust juhtida või kasutada keerukaid alalisvoolu vahelüliga sagedusmuundureid. Lisaks tuleb autonoomsete agregaatide korral lahendada energia salvestamise probleemid. Suhteliselt väikeste võimsuste korral saab elektrienergiat salvestada nt. elektrokeemilistes akumulaatorites. Autonoomsed tuuleagregaadid sobivad aga hästi soojusenergia tootmiseks, kuna seda on lihtne salvestada. Pealegi langeb soojusenergia tarbimise maksimum enamuses kokku maksimaalse tuuleenergia tootmisega, s. t. tuulega toimub majade jahtumine kõige kiiremini. Võrku ühendatud tuuleelektrijaamades kasutatakse enamasti asünkroongeneraatoreid.
Pöörlemiskiiruse reguleerimine. Tuuleagregaadi võimsus, nagu juba öeldud, on võrdeline tuule kiiruse kolmanda astmega. Seepärast tekib oht, et tugeva tuule korral võib tuuleagregaat osutuda üle koormatuks. Võimsuse piiramiseks ja kiiruse reguleerimiseks kasutatakse vääratus- ( stall ), kallutus- ( pitch ) ja kombineeritud vääratus-kallutusreguleerimist. Valmistatakse ühekiiruselisi, mitmekiiruselisi ja muutuva kiirusega tuuleagregaate. Muutuva kiirusega agregaadid sisaldavad pooljuhtmuundureid (tavaliselt alalisvoolu vahelüliga sagedusmuundureid).
Vääratusreguleerimine (stall regulation ) põhineb tiiviku laba aerodünaamiliste omaduste kasutamisel. Alates tuule teatud kiirusest tekivad laba ümber keerised, mis tekitavad pidurdusmomendi ning kiirus stabiliseerub. Seega toimib tiiviku automaatne kaitse tugeva tuule korral ülekoormuse eest. Vääratusreguleerimise eeliseks on lihtsus, kuid puuduseks reguleerimise väiksem täpsus ning sellest tulenevalt ka tuuleelektrijaama väiksem väljundvõimsus ning kasutegur (tuule kasutustegur). Vääratusreguleerimist kasutatakse tänapäeval enamiku keskmise võimsusega (100...600 kW) tuuleagregaatide juures.
Kallutusreguleerimise korral muudetakse tiiviku labade seadenurga suurust vastavalt tuule kiirusele ja koormusele. Kasutatakse nii keskreguleerimissüsteeme (nt. firma “Vestas” agregaadid), kus tiiviku kõigi labade kaldenurka reguleeritakse ühesama mehhanismi abil, kui ka eraldi ajameid iga laba kallutamise jaoks (nt. firma “Enercon” agregaadid).
Kombineeritud vääratus-kallutusreguleerimise korral reguleeritakse väiksema tuulekiiruse juures kallutusreguleerimise ning suurema tuulekiiruse juures vääratusreguleerimise põhimõttel. Kombineeritud reguleerimisviis on kasutusel peamiselt suure võimsusega (üle 1 MW) agregaatide juures.
Tuuleagregaatide kasutegur sõltub nii tiiviku aerodünaamilistest kui ka generaatori elektrilistest omadustest. Tavaliselt on suuremate agregaatide kasutegur suurem. Agregaadi võimsus on võrdeline tiiviku läbimõõdu ruuduga . Tiiviku valmistamiseks kuluvate materjalide hulk ning järelikult ka hind on aga lineaarmõõtmete kuupfunktsioon . Nende seaduspärasuste järgi saab leida tuuleagregaatide optimaalsed mõõtmed ja optimaalse võimsus. Tänapäevaste ettekujutuste kohaselt on majanduslikult kõige tõhusamad 750...1500 kW võimsusega tuuleagregaadid, kuigi on ehitatud ka eksperimentaalseid tuuleagregaate 2...3 MW.
Tuuleagregaadi tunnusjoon näitab agaregaadi poolt genereeritavat võimsust sõltuvalt tuule kiirusest. Taani tuuleelektrijaama Vestas V27-225 (225 kW) võimsuse katseline sõltuvus tuule kiirusest on näidatud joonisel 3. Jooniselt on ka hästi näha, kuidas toimib koormuse reguleerimine tiibade seadenurga muutmise abil (pitch regulation) (murdjoon graafiku ülaosas).
Ülekandemehhanismid. Tiiviku labade joonkiirus laba otsa juures ei ole tavaliselt üle
60...80 m/s. Sellest tulenevalt sõltub tiiviku pöörlemiskiirus agregaadi võimsusest ning on tavaliselt 15...40 pööret minutis . Väiksema kiiruse korral on väiksem ka tiiviku poolt tekitatud müra. Seepärast on tuuleagregaadi üheks oluliseks elemendiks mitmeastmeline ülekandemehhanism ehk kiiruskast .

Kokkuvõte

Võib öelda, et tuuleenergia näol on tegemist perspektiivse energialiigiga, mis juba täna on oma hinnalt konkurentsivõimeline teistes traditsioonilistes soojus-, hüdro- ja tuumajaamades toodetud energiaga. Tuuleenergia, nagu ka merelainete ja tõusu-mõõna energia kõige olulisemaks tunnuseks on aga asjaolu, et nimetatud energialiigid ei muuda Maa energiabilanssi. Tõsiasi, et Maa energiabilansi muutumine toob kaasa palju inimesele ebasoovitavaid ilminguid, ei vaja tänapäeval enam tõestamist.
Tuuleelektri vastased aga ütlevad, et kuna tuule vaibumise puhuks vajatakse pidevalt regulaatorit ehk varuvõimsusi, on tuuleenergeetika arendamine perspektiivitu. See on nii juhul, kui tuulenergia moodustaks riigi elektritoodangust märkimisväärse osa. Reaalselt võttes jääb tuul ka parima kasutamise juures väiketegijaks, kattes kuni 10 % ühe maa energiavajadusest.
Riigikogu on võtnud vastu Energiaseaduse ja sellega seonduvate õigusaktide muutmise seaduse. Seadus sätestab, et turgu valitsev energiatootja peab võrguga ühendatud taastuvenergia tootjatelt ostma energiat hinnaga, mis moodustab 90 % kodutarbija põhitariifist. Nii loob seadusandlik akt küll teoreetilise aluse tuuleenergia laiemaks tootmiseks, kuid ainult teoreetilise. Sellise hinnaga ostmine on võrguettevõttele majanduslikult kahjulik ning pärsib kaudselt taastuvenergia tootmist.

Allikad:

• http://www.postimees.ee/020407/esileht/majandus/253101.php

• http://www.ene.ttu.ee/Elektriajamid/teadus/artiklid/wind/TUUL1.ht m
  
• http://www.hot.ee/vulpesvulpes/Sissejuhatus.html
  

11