Aaltovoima: Uusiutuvan energiantuotannon muoto

Menetelmä on pääosin koevaiheessa, kustannustason vuoksi tuotantokäyttöön ei 2010-luvulle tultaessa ollut aaltovoimalaitoksia juurikaan rakennettu. Aaltovoiman merkittävä kilpailija on merituulivoima.

Veden aaltoliike sisältää runsaasti energiaa, mutta sen hyödyntäminen on haastavaa. Aaltovoimaloiden kehitystyön haasteina on ollut rikkoutuminen myrskyissä sekä suuri tilantarve varsinkin rannikoilla. Energiantuotannon kannalta parhaat alueet ovat usein myös hankalimpia voimaloiden rakentamiselle. Merienergialaitokset halutaan tyypillisesti sijoittaa lähellä rannikkoa, sillä sähkön siirtäminen merikaapeleilla on kallista. Aaltovoimaloiden rakenteita koettelevat korroosio ja meressä ajelehtivat esineet.

Aaltoenergian lisäksi veden mekaanista energiaa hyödyntäviä energiantuotantomuotoja ovat vuoroveden, merivirran ja vesiputousten (jota nimitetään vesivoimaksi) energian valjastamiseen perustuvat tekniikat.

Ensimmäinen patentti aaltovoimalle myönnettiin vuonna 1799. Alalla oli kuitenkin hiljaista 1970-luvulle saakka.

Salterin ankat

Kuuluisimpia on englantilainen suunnitelma kelluvista "ankoista", jotka ovat aaltojen heiluttamia kellukkeita. Niiden liikettä käytettäisiin pumppaamaan vettä energiavarastona toimivaan tekojärveen.

1970-luvun puolivälissä öljykriisi innoitti Edinburghin yliopiston insinöörin, tohtori Stephen Salterin kehittämään aaltogeneraattorin, joka tunnetaan nimellä Salterin ankka. "Ankat" olivat talon kokoisia kelluvia kanistereita, jotka kiinnitettäisiin meren pohjaan narulla. Niiden keinuessa edestakaisin hydrauliikka muuttaisi liikkeen pyöriväksi, ja sitten se pyörittäisi generaattoria. Laskelman mukaan yksi "ankka" pystyisi tuottamaan 6 megawattia sähköä — tarpeeksi 4 000:lle kodille. Niitä oli määrä asentaa usean tusinan ryhmiin.

Ensimmäisten arvioiden mukaan näin tuotettu sähkö olisi kalliimpaa kuin millään muulla tavalla tuotettava sähkö. Mutta kun Salter ryhmineen paranteli suunnitelmaa, hinta saatiin laskemaan ydinvoimalan tuottaman sähkön tasolle.

Vuonna 1982 hallitus lakkautti Salterin tutkimusohjelman. Syyt pidettiin salassa. Yleisesti uskotaan, että syynä oli ydinenergiateollisuuden lobbaus. Tri Salterin mukaan uusia energianlähteitä voitaisiin arvioida tarkasti vasta kun ydinvoiman vaikutus poistettaisiin yhtälöstä.

Aaltovoimalat voidaan brittiläisen merienergian tutkimuskeskuksen (EMEC) mukaan jakaa toimintatavaltaan kahdeksaan eri tyyppiin, jonka lisäksi on joitain muita ratkaisutapoja. Erilaisia pilottihankkeita on käynnissä runsaasti eri puolilla maailmaa.

•  
  Eräs aaltovoimalan toimintaperiaate (englanniksi).
•  
  Piirros toisesta aaltovoimalan toimintatavasta (englanniksi).
•  
  Periaatepiirros Uppsalan yliopiston Lysekil-hankkeen aaltovoimalan toiminnasta (englanniksi).

Käärmemäinen Pelamis

 

Salterin ankat innoittivat muita suunnitelmia. Yksi sellainen on 140-metrinen, käärmemäinen, meren pinnalla kelluva Pelamis. Sen suunnittelivat Salterin entiset oppilaat Pelamis Wave Power -yhtiössä. Tämän aaltovoimalan sylinterin muotoiset, halkaisijaltaan 3,5 metrin rakenneosat on liitetty toisiinsa saranoiduilla liitoksilla. Aallot kääntävät näitä Pelamiksen niveliä, minkä vaikutuksesta männät pumppaavat nestettä turbiineihin ja pyörittävät sähköä tuottavia generaattoreita. Sähkö siirretään kaapelilla rannalle. Pelamisin laitteet tuottavat sitä enemmän energiaa, mitä suurempia aallot ovat. Yksi Pelamis pystyy tuottamaan 750 kW.

Poijumalli

Finavera Renewablesin Aquabuoy on yksinkertainen 25-metrinen putki joka on ankkuroitu merenpohjaan. Se kelluu pystyssä niin, että vain sen pää näkyy pinnalle. Sen pystysuuntainen liike paineistaa sen sisälle varastoitua vettä. Kun paine on riittävän suuri, vesi purkautuu turbiiniin, joka tuottaa sähköä. Aquabuoysta tulee rahallisesti kannattava vain jos jokainen laite pystyy tuottamaan vähintään 250 kW, mutta vielä siihen ei ole ylletty. Kalifornian rannikolle avattaneen Aquabuoy-voimala vuonna 2012.

Finavera Renewablesin laitteen kaltaisia poijuja kehittelevät myös muut, esimerkiksi newjerseyläinen Ocean Power Technologies, jonka malli on nimeltään PowerBuoy, ja skottilainen AWS Ocean Energy, jonka mallissa poiju on kokonaan pinnan alla.

•  
  CETO:n merenpohjaan ankkuroituja aaltovoimayksiköitä.

Maalla ja merellä

Skottilaisen Aquamarine Powerin The Oyster jakaa aaltovoimalan kahteen osaan. Ajatus on viedä merelle yksinkertaisia ja kestäviä osia ja pitää monimutkaiset ja herkät osat kuivalla maalla. Oyster on 12 m x 18 m kokoinen metallikaistale. Kun aallot vierivät sen yli, kaistale vääntyilee niiden mukana. Sen liike vaikuttaa mäntiin, jotka pakottavat merivettä paineella putken kautta rannalla sijaitsevaan generaattoriin. Yksi Oyster tuottaa 600 kW.

Maalla: Limpet ja Blower

 

Skottilaisen Wavegenin Limpet (land installed marine powered energy transformer) sijaitsee rannalla. Kun aallot lyövät rantaan, vettä työntyy avonaisesta pohjan läpi kammioon, josta ilma työntyy pois. Poistuessaan ilma pyörittää turbiinia. Kun aalto vetäytyy, alipaine vetää ilman takaisin kammioon, ja tullessaan se pyörittää turbiinia uudelleen. OWC-lähestymiseen (oscillating water column) kehitetty Wellsin turbiini pyörii samaan suuntaan ilman virtaussuunnasta riippumatta. Islayn saarella sijaitseva prototyyppi on ollut toiminnassa vuodesta 2000. Sen kolme kammiota tuottavat keskimäärin 100 kW, mutta suuremmat laitokset voisivat tuottaa kolme kertaa enemmän.

Menestyksekkäin aaltovoimala on Skotlannin ja Norjan rannikoilla kokeiltu englantilaisten yliopistojen yhteistyössä kehittelemä "Blower", jossa aallot työntyvät betoniputkeen puristaen ilmaa tuuliturbiinin läpi. Vetäytyessään aallot imevät ilmaa putkeen ja turbiinin pyörimissuunta vaihtuu. Turbiiniin liitetty generaattori tuottaa sähköä pyörimissuunasta riippumatta. Generaattorin kehitystyö oli projektin suurin haaste, ja se toteutettiin lähes kokonaan opiskelijavoimin ja tietokonemallinnuksena ennen käytännön kokeita. Laitoksen tuotannonvaihteluita voidaan tasata käyttämällä vesitornia tai tekojärveä energian varastoimiseen.

Suomessa valjastetaan pohja-aaltoja

 

Suomessa aaltovoiman hyödyntämistä on kehittänyt esimerkiksi espoolainen AW-Energy. Yhtiön Waveroller-niminen aaltovoimalayksikkö asennetaan rannikkoveteen meren pohjalle. Laitteella kerätään merien pohja-aaltojen energiaa. Näiden voimakkuuden vaihtelu on huomattavasti pinta-aaltoja pienempää. Tekniikassa vettä kevyemmän levyn edestakainen liike muuntaa aaltojen energian männän liikkeeksi, joka siirretään hydraulijärjestelmällä generaattorille, joka tuottaa siitä sähköä. AW-Energy ja Fortum ovat testanneet menetelmää Portugalissa Penichessä. Kehitteillä on myös koehanke Ranskan Bretagnessa.

Wärtsilä toimittaa AW-Energyn voimaloita asiakkaille.

Wellon kelluva Pingviini

 

Suomalainen Wello on menestyksellisesti testannut pinnalla kelluvaa, Pingviiniksi kutsuttua 0,5 MW:n aaltovoimalaa vaativissa aalto-olosuhteissa eurooppalaisella merienergian tutkimuslaitoksen (EMEC) testialueella Skotlannissa. Sähkön tuotanto perustuu aallokon liikkeessä pitämään pyörivään epäkeskoon. Usean vuoden aikana avomerioloissa testatun aaltovoimalayksikön rakennetta on myös kehitetty optimaalisemmaksi. Pinta-aaltovoiman talteenotto on tuulivoimaa hankalampi aaltojen epäsymmetrisyyden vuoksi. Pinnalla kelluvan Wello-voimalan on kehittänyt arkkitehti Heikki Paakkinen. Sen ensimmäinen kaupallinen versio on koottu valmiiksi Tallinnassa, ja se siirretään Skotlannin Orkneyn kaupungin läheisyyteen. Tämän sarjatuotantoon siirtyvän voimalan nimellisteho on 600 kilowattia.

Vedenalaiset tuulimyllyt

Brittiläinen Marine Current Turbines on kehittänyt vedenalaisiksi tuulimyllyiksi kutsuttuun lähestymiseen pohjautuvaa aaltovoimalaa.

Ensimmäinen kaupallisesti kannattava aaltovoimala avattiin lokakuussa 2007 Portugalin rannikolla. Se koostuu kolmesta käärmemäisestä putkesta, jotka kohoilevat aaltojen mukana.

Ruotsalainen Seabased Ab ja Fortum liittivät joulukuussa 2015 Fortumin tilaaman operatiivisen 1 MW:n (3 MW) aaltovoimapuiston valtakunnan sähköverkkoon Ruotsin lounaisrannikolla Sotenäsissä. Tämä 34 pienvoimalayksikön toteutus oli ensimmäinen vaihe suunnitellusta 10 MW:n ja 340 aaltovoimalayksikön kokonaisuudesta. Wellon kelluva voimala tulee sarjatuotantoon vuonna 2019.

• Aaltovoima laahaa tuuli- ja aurinkovoiman perässä, koska sen teknologia on uutta ja kehittymätöntä.
• Merellisen Britannian aaltovoimalatutkimusohjelma oli 1970-luvulla maailman suurin, ja kun se lakkautettiin Margaret Thatcherin kaudella "puuhasteluna", tutkimus nähtiin parhaaksi lakkauttaa myös muualla.
• Uusien laitteiden suunnittelijat eivät osaa varautua meren voimaan.
• Laitteiden asentaminen on kallista erikoistyötä, ja monet siihen sopivat alukset on varattu öljynporaukseen.
• Generaattoreiden kytkeminen voimaverkkoon ei onnistu, koska infrastruktuuri puuttuu. Infrastruktuurin pystyttäminen ei onnistu pienissä hankkeissa verkkoliitännän hinnan vuoksi. Suuret projektit taas ovat valtavan kalliita. Testauksen helpottamiseksi Cornwalliin asennetaan sopivia rakenteita 2010.

• Vesivoimala
• Vuorovesienergia
• Vuorovesimylly

Viitteet

 

Wiki Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Aaltovoima.

• AW-Energy Oy (englanniksi) (aw-energy.com)
• Wello Oy (englanniksi) (wello.eu)
• Seabased AB (englanniksi) (seabased.com)
• Marine Current Turbines Ltd.
• Pelamis Wave Power
• Wavegen