VTT tutki tuuliennusteiden tarkkuutta sekä tuulivoiman vaihtelua Pohjoismaissa

24.6.2013

 
Laajojen alueiden tuulipuistoennusteilla merkittäviä säästöjä tuulivoiman tuotantoon

VTT:n mukaan tuuliennusteiden virheistä aiheutuvat kustannukset voidaan jopa puolittaa, kun tuulivoimaennusteet tehdään useille maantieteellisesti hajautetuille tuulipuistoille yksittäisten tuulipuistojen sijasta. VTT on myös selvittänyt tuotantovaihtelujen tasaantumista Pohjoismaiden alueella. Tuloksia voidaan hyödyntää säätövoimatarpeen suunnittelussa ja tuulivoiman vaihtelun ennustamisessa.

Kun käydään sähkökauppaa, ennustetaan tuulivoimatuotanto seuraavalle päivälle sääennusteiden perusteella. Ennustevirheet aiheuttavat säätötarpeita.

Ennustettaessa useille maantieteellisesti hajautetuille tuulipuistoille, ennusteiden luotettavuus paranee. Yli 20 tuulipuistolle ennustettaessa virheet ovat 2–2,5 kertaa pienemmät yhden tuulipuiston ennusteisiin verrattuna ja virheistä kertyy kustannuksia vain noin puolet eli 1–1,5 euroa megawattituntia kohden.

Virheellisistä ennusteista olisi aiheutunut yksittäiselle tuulipuistolle arviolta 2,4–3,1 euron kustannus tuotettua megawattituntia kohden. Arvio perustuu vuosien 2010–2012 säätösähkön hintoihin sekä Forecan sääennusteisiin pohjautuvaan VTT:n tuulivoiman tuotantoennusteeseen. Vertailun vuoksi keskimääräinen sähkön hinta vuosina 2010–2012 oli 37–57 €/megawattituntia.

Tuulivoiman vaihtelut Pohjoismaissa

Tulevaisuudessa sekä Pohjoismaihin rakennettu tuulivoima että muun Euroopan tuulivoima lisäävät säätövoiman tarvetta. Säätövoima auttaa pitämään sähkön kulutuksen ja tuotannon tasapainossa, kun kulutuksen ja tuotannon vaihtelut ja ennusvirheet aiheuttavat poikkeamia sähkömarkkinaratkaisun mukaisesta tuotantosuunnitelmasta. Pohjoismaissa säätövoimaa on runsaasti tarjolla vesivoimasta.

Aluksi säätövoiman lisäystarve on marginaalista, mutta tuulivoiman osuuden kasvaessa vaikutus alkaa näkyä. Pohjoismaissa tuotettiin alle 5 % sähköstä tuulivoimalla ja Suomessa alle yhden prosentin vuonna 2012. Tuulivoiman on osoitettu lisäävän säätösähkön tarvetta Saksassa, Espanjassa, Portugalissa, Irlannissa ja Tanskassa, joissa tuulivoimalla tuotetaan sähköstä jo 10–30 %. 

Tuulivoiman vaihtelut tunnista toiseen ovat suurimman osan ajasta välillä ±5 % asennetusta kapasiteetista Pohjoismaissa ja ±10 % Suomen alueella. Suurimmat vaihtelut eivät osu samanaikaisesti suurimpien sähkön kulutusvaihteluiden kanssa. Jos tuulivoimalla tuotettaisiin sähköstä 20 %, suurimmat tuntivaihtelut Pohjoismaissa lisääntyisivät ylöspäin 484 megawattia ja alaspäin 729 megawattia eli +2,4 % ja -3,6 % asennetusta tuulivoimakapasiteetista. Arvio perustuu vuosien 2009–¬2011 lukuihin.

Suomessa tuntivaihtelut lisääntyisivät vastaavalla tuulivoimaosuudella ylöspäin 410 megawattia ja alaspäin 681 megawattia ja ovat suhteessa huomattavasti suuremmat kuin koko Pohjoismaiden alueella, ollen +4,6 % ja -7,6 % asennetusta tuulivoimakapasiteetista. Tämä johtuu siitä, että Suomessa tuulivoiman vaihtelut ovat suhteessa suuremmat kuin Pohjoismaiden alueella kokonaisuudessaan: eri maiden tuulivoimavaihtelut tasaantuvat, kun vaihtelut eivät aina ole kaikissa maissa samansuuntaisia.

Tuulivoiman aiheuttamaan säätötarpeeseen vaikuttavat tunnin sisäisten vaihteluiden lisäksi ennusvirheet, joita on tarkoitus tutkia projektin seuraavassa vaiheessa. Tuulivoiman tuotannon vaihtelut 12–24 tuntia eteenpäin ovat paljon suurempia kuin tuntivaihtelut. Ne pystytään ennustamaan melko hyvin, mutta silti myös tuulettomat ja tyynet päivät aiheuttavat joustotarvetta sähkömarkkinoille. Tässäkin vesivoimavaltainen järjestelmä on hyvä.

Tuulivoiman saatavuus sähkön huippukulutuksen aikaan voi joinakin vuosina olla pientä: vain 2–5 % asennetusta kapasiteetista yhden maan alueella. Kolmen vuoden tutkimusjakson aikana Pohjoismaiden alueella pienin tuulivoimateho kymmenen suurimman sähkönkulutushuipun aikana oli 14 % asennetusta kapasiteetista. Pisimmät pienen tuotannon ajanjaksot osuivat kesälle. Pisin pienen tuotannon jakso, jolloin tuotanto oli koko ajan alle 5 %, kesti 70 tuntia. Pisin pienen tuotannon (alle 5 %) jakso talvella oli 30 tuntia.

Voimalaitoksia sulkevat myrskyt aiheuttavat suurimmat vaihtelut tuulivoimatuotantoon, mutta tällaisia tilanteita ei kuitenkaan Suomessa ole joka vuosi. Kolmen vuoden tutkimusajanjakson aikana oli vain muutama myrsky, eikä niistä aiheutunut Suomessa eikä Pohjoismaissa suuria vaihteluita tuulivoiman summatuotantoon.

Pohjoismaiset tutkimushankkeet

VTT on tutkinut tuulivoiman vaihteluita ja ennustettavuutta kansallisessa SGEM-SHOK-ohjelmassa ja pohjoismaisessa TFI-tutkimusohjelmassa. Analyysit perustuvat mitattuihin tuulivoiman ja sähkönkulutuksen tuntiaikasarjoihin Suomessa, Tanskassa ja Ruotsissa ja mallinnettuihin tuulivoiman tuotantoaikasarjoihin Norjassa sekä VTT:n ennustemalliin, joka käyttää sääennusteita Forecalta.

Jatkossa on tavoitteena tutkia, miten ennustevirheet pienenevät koko Pohjoismaiden alueella ja paljonko ennustevirheet vaikuttavat säätösähkön tarpeeseen, kun tuulivoimaa on Pohjoismaissa nykyistä enemmän.

Pohjoismaissa on yhteiset sähkömarkkinat, minkä takia tutkimuksessa tarkasteltiin tuulivoimavaihteluita pohjoismaisella tasolla. Lisäksi sähköjärjestelmän kulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen tehdään Pohjoismaissa keskitetysti yhteisten säätösähkömarkkinoiden tarjousten perusteella.

Maakohtaisten säätötarpeiden tarkastelu on myös tärkeää, koska ajoittain sähkön siirtokapasiteetti ei riitä sähkövirran ja säädön siirtoon maiden välillä.

MEDIAMATERIAALI

KAAVIO
Tuulivoimatuotanto tasaantuu, kun tarkastellaan laajoja alueita. Esimerkkiajanjaksolla näkyy Suomen suurin myrskytilanne vuonna 2011, jonka aikana ylittyi yksittäisten tuulipuistojen myrskyraja. Myrskyrintama vaikutti alueellisesti, joten koko Suomen yhteenlaskettu tuotanto ei kuitenkaan vaihtele yhtä dramaattisesti. Pohjoismaiden alueella myrskyn vaikutusta ei juuri huomaa.

VTT:n julkaisut verkossa:

Wind power forecasting accuracy and uncertainty in Finland

Wind and load variability in the Nordic countries

Asiakaspalvelu
Sähköpostiinfo@vtt.fi
Puhelin020 722 7070
Avoinna arkisin klo 9.00 - 11.00 ja 12.00 - 15.00