Ilmassa, Teema 9.3.2017

Energia-alan murrokseen liittyviä monimutkaisia kysymyksiä ratkaistaan tutkimuksella

Suomen tavoitteeksi on asetettu, että uusituvan energian osuus noin 50 % kulutuksesta ja energiaomavaraisuus 55 % vuoteen 2030 mennessä. Ilmatieteen laitoksella tehdään monenlaista tutkimusta ja kehitetään palveluita uusiutuvien energiamuotojen käytön tehostamiseksi.

Uusiutuva energia on peräisin auringosta, tuulesta, vedestä, maaperän varastoimasta lämmöstä ja biomassoista. Uusiutuvilla energialähteillä tuotetaan Suomessa tällä hetkellä noin neljännes energiasta. Suomi on jo tällä hetkellä yksi uusiutuvan energian käytön kärkima

ita Euroopassa, mutta väistämättä Suomessakin tullaan lisäämään uusiutuvan energian tuotantoa. ”Näen, että meillä on edessä iso muutos energiajärjestelmässä, sekä tuotanto- että kulutuspuolella, seuraavan kymmenen vuoden aikana”, toteaa Ilmatieteen laitoksen tutkimusprofessori Anders Lindfors. Valtion uudessa Energia- ja ilmastostrategiassa Suomen pitkän ajan tavoitteeksi on merkitty vahvasti uusiutuviin energialähteisiin perustuva energiajärjestelmä. ”Toimivien energiaratkaisujen löytämiseksi ja kehittämiseksi tarvitaan tieteellistä tutkimustietoa”, Lindfors sanoo.

Toimivien energiaratkaisujen löytämiseksi ja kehittämiseksi tarvitaan tieteellistä tutkimustietoa.

Uusiutuva energiantuotanto tarvitsee ennustetietoa

Haasteellista uusiutuvan energian tuotannossa on esimerkiksi se, että tuotantomäärät vaihtelevat sääolojen mukaan. Perinteisissä voimaloissa tuotantomäärät pysyvät tasaisena sääoloista riippumatta. Aurinko- ja tuulivoima vaatii panostusta sähköntuotannon ennustamiseen. Ilmatieteen laitos tutkii ja kehittää parhaillaan säänennustusmalleihin pohjautuvia energiasääennusteita.

Energiantuotannon ja sään ennustamisessa numeeriset säänennustusmallit ovat hyvin keskeisessä asemassa. Säänennustusmalli on laskennallinen tietokoneohjelma, joka simuloi ilmakehän käyttäytymistä fysiikan lakien mukaan tietystä alkuhetkestä ajassa eteenpäin. Malli sisältää kaikki tuuli- ja aurinkovoiman tuotannon kannalta oleelliset suureet, keskeisimpinä auringon säteily ja tuulen nopeus. Näin ollen mallin tuottaman sääennusteen perusteella voidaan laskea esimerkiksi se, paljonko tuuli- tai aurinkosähköä tietty voimala tuottaisi mallin ennustamissa sääoloissa. Tämä tuotannon ennakointi on tärkeätä sähköverkon ja energiamarkkinoiden toimivuuden kannalta.

Ilmatieteen laitoksessa tutkitaan myös todennäköisyysennusteiden soveltamista energiasääennusteisiin. Todennäköisyysennuste antaa perinteisen ennusteen sijaan jakauman sään todennäköisestä kehityksestä. Jos otetaan esimerkkinä huomisen sää Helsingissä, todennäköisyysennuste voi kertoa, että lämpötila on 80 prosentin todennäköisyydellä välillä 1-6 astetta. Niinpä myös ennusteen epävarmuudesta kertova tieto on tärkeä sähkömarkkinoiden kannalta.

Pohjoiset olosuhteet tuottavat myös muita haasteita

Sää voi vaikuttaa uusiutuvan energian tuotantoon myös muulla tavoin. Suomen pohjoisen sijainnin takia tuulivoiman ennustamisessa tulee tuulen nopeuden lisäksi ottaa huomioon ilmakehän jäätävät olosuhteet. Jos esimerkiksi tuulivoimalan lapoihin pääsee kertymään jäätä, niiden pinta karhenee ja aerodynaamiset ominaisuudet heikkenevät. Tämän seurauksena ilmavirtaus irtoaa lavan pinnasta aiheuttaen sähkön tuotantotappioita ja turvallisuusriskejä. Isommat jäämäärät voivat myös aiheuttaa voimalan alasajon. Jotta sähköä voitaisiin tuottaa riittävästi sääoloista riippumatta, Ilmatieteen laitos on kehittänyt tuulivoiman tukemiseksi jäätämisennusteen, joka auttaa varautumaan tuotantoa hankaloittaviin tilanteisiin.

Lumiset olosuhteet vaikuttavat myös aurinkoenergian tuotantoon. Lumi, joka kertyy esimerkiksi aurinkopaneelipinnan päälle, estää tehokkaasti säteilyn pääsemisen aurinkopaneeliin asti, jolloin energiantuotanto vähenee. Toisaalta luminen pinta heijastaa auringonsäteilyä tehokkaasti, jolloin etenkin melko pystyyn asennettu aurinkopaneeli saattaakin tuottaa enemmän energiaa kuin lumettomana aikana. ”Parhaillaan selvitämme laajemminkin erilaisten säätilanteiden ja ympäristöolosuhteiden vaikutusta aurinkoenergian tuotantoon Ilmatieteen laitokselle rakennetun oman aurinkovoimalan avulla”, kertoo Ilmatieteen laitoksen tutkija Pirkko Pylkkö.

Ilmatieteen laitos on vienyt tuulienergiaosaamistaan myös ulkomaille. Osaamista on viety mm. pohjoiselle Napapiirille Nenetsian autonomiseen maakuntaan Venäjälle. ”Ennen kaikkea tietoa on viety tuulen mittaamisesta, tuulienergian tuotantoanalyyseistä ja tuulesta energian lähteenä”, kertoo Ilmatieteen laitoksen ryhmäpäällikkö Jenni Latikka.

Tuotantopotentiaalista tarvitaan tarkkaa tietoa

Ilmatieteen laitos toteutti vuonna 2009 Suomen tuuliolosuhteista kertovan Tuuliatlaksen, jossa kartoitettiin säämalleihin perustuen Suomen tuuliolosuhteet maalla ja merellä. Tuuliatlasta on sen jälkeen käytetty Suomessa mm. syöttötariffin määrittelyyn, maakuntakaavoituksessa ja tietenkin myös potentiaalisten tuulivoima-alueiden etsimiseen. Tuuliatlas on osaltaan tukenut tuulienergian viimeaikaista kasvua, joka on ollut 2010-luvulla vuosittain noin 50 %.

”Vastaavalla tavalla uusiutuvien energioiden markkinoille kaivataan aurinkoenergian tuotantoa varten Aurinkoatlasta. Tarkkaa kuvaa Suomen pitkänajan keskimääräisen aurinkoenergian alueellisesta jakautumisesta ei ole tällä hetkellä saatavilla. Ilmatieteen laitoksen satelliittituotteita ja maanpintamittauksia yhdessä hyödyntämällä voitaisiin tuottaa Aurinkoatlas, joka sisältäisi entistä tarkempaa ja luotettavampaa tietoa Suomen auringonsäteilyn ja aurinkoenergiapotentiaalin maantieteellisestä jakaumasta ja vuodenaikaisvaihteluista. Tämä edistäisi aurinkoenergiajärjestelmien tarkempaa suunnittelua ja tukisi siten investointipäätöksiä ja koko aurinkoenergia-alan kehitystä Suomessa”, toteaa tutkimusprofessori Anders Lindfors.

Bioenergian päästöt selvityksen alle

Ilmatieteen laitos tuottaa tietoa myös siitä, miten bioenergian tuotanto vaikuttaisi ilmastopäästöihin. Puusta, peltokasveista ja bioperäisistä jätteistä tuotetun bioenergian on oletettu pitkään olevan hiilineutraalia, koska uudistuessaan biomassa kuten puu tai peltokasvillisuus sitoo uudelleen hiiltä ilmakehästä. Tämä peruste on kuitenkin osittain kyseenalainen, sillä lyhyellä aikavälillä puunpoltossa vapautuu hiilidioksidia ilmakehään huomattavia määriä ja ilmastonmuutoksen torjumiseksi päästöjä pitäisi kuitenkin leikata nopeasti. ”Tämän takia puun energiakäytön mahdollisuudet Suomen hiilipäästöjen kutistajana kannattaa arvioida tarkasti, sillä eri puumateriaalit vapauttavat hiiltä erilaisella vauhdilla”, Ilmatieteen laitoksen tutkimusprofessori Jari Liski tiivistää. ”Kaikki puunpoltto ei siis ole ilmaston kannalta hiilineutraalia. Nyt tehtävät valinnat ja energiantuotannon ratkaisut muovaavat tulevaisuuttamme vuosikymmeniksi eteenpäin, siksi ratkaisut tarvitsevat taakseen luotettavaa tutkittua tietoa”, Liski huomauttaa.

Lisätietoja:

http://ilmatieteenlaitos.fi/aurinkoatlas

Teksti:
Kuvat:

Shutterstock, BCDC, Tero Pajukallio