Tuuleenergia

Tuuleenergia on taastuvenergia liik, mille puhul tuule kineetiline energia muundatakse mehaaniliseks energiaks või elektrienergiaks. Tuuleenergia muundavad mehaaniliseks näiteks tuuleveskid ehk tuulikud ja elektrienergiaks tuulegeneraatorid ehk elektrituulikud.

Tuul ei ole püsiv, seetõttu tuleb teda kas kasutada kombineeritult teiste energiaallikatega või salvestada energiat näiteks keemiliseks energiaks akupankadesse või mehaaniliseks energiaks, pumbates vett kõrgemal asuvatesse hoidlatesse. Energia muundamisel läheb aga alati teatud osa soojusest kaduma.

Tuuleenergia kui fossiilkütuste alternatiiv on taastuv, laialdaselt levinud ja puhas. Tuuleenergia ei tooda kasvuhoonegaase.
Koormab keskkonda vähem kui teised energiaallikad. 2018. aasta seisuga kasutab üle 90 riigi tuuleenergiat ärilistel alustel, nendest 30 riigis ületab tuulegeneraatorite installeeritud võimsus 1000 MW ja 9 riigis 10 000 MW. 2017. aasta seisuga moodustas tuuleenergia 4,4% ülemaailmsest energiatarbest. Hind ühe toodetud energiaühiku kohta sarnaneb uue söe ja maagaasi installatsioonide maksumusega .

Ajalugu

Mehaaniline energia
Purjepaadid ja -laevad on kasutanud tuuleenergiat tuhandeid aastaid ja arhitektid on sama kaua tuult majades loomuliku ventilatsioonina kasutanud. Kreeka insener Heroni tuulikut 1. sajandist kasutati esimesena teadaolevalt selleks, et masinat tööle panna. 

Eriti laialt olid levinud tuuleveskid 15–19. sajandil Lääne-Euroopas, kus nad tootsid energiat erinevate ülesannete täitmiseks. Jahuveskid kasutati teravilja jahvatamiseks, kuivendusveskid vee jõkke või reservuaari pumpamiseks, õliveskid seemnetest õli eraldamiseks, paberiveskid paberi valmistamiseks, saeveskid puidu saagimiseks. 

Esimesed teated tuuleveskite kohta Liivimaa alal pärinevad 14. sajandist. Tuuleveskite ehitamisel võeti eeskuju Lääne-Euroopast, kus valmistati kogu kerega tuuldepööratavaid pukktuulikuid. Sellised tuulikud esinesid Lääne-Eestis rannarootslaste aladel, Läänemaal, Pärnumaal ja Lõuna-Harjumaal, Saaremaal ja Hiiumaal. Ühtlasi olid tuulikud sealkandis ka talu iseolemise sümboliks.

Mujal Eestis kerkisid mõisate juurde suured peast pööratavad Hollandi tüüpi tuulikud. Nende ehitamine hoogustus eriti 19.–20. sajandi vahetusel, sest siis laienes taoliste tuulikute ehitamise õigus ka talupoegadele. Tuulikuid kerkis pea kõikjale üle Eesti ja veel 20. sajandi alguses olid nad väga levinud.

Eesti traditsioonilistes paekasutuspiirkondades (Harjumaal, Lääne-, ja Ida-Virumaal, Järvamaal Pandivere kõrgustikul ja Raplamaal) levisid enamasti üleni kivist tuuleveskikehandid, Lõuna-Eestis esines rohkem puitkerega Hollandi tüüpi tuulikuid.

Elektrienergia

1887 juulis ehitas Šoti akadeemik James Blyth oma suvemaja tagahoovi riidest tuuleturbiini ja kasutas sellest saadavat elektrit, et laadida akusid, mida oli vaja maja valgustamiseks. 1887/1888. aasta talvel tootis USA leiutaja Charles Bush elektrit, ehitades tuulegeneraatori, mis varustas energiaga tema kodu ja laboratooriumi kuni 1900. aastani. 1890. ehitas Taani teadlane ja leiutaja Poul la Cour elektri tootmiseks tuuleturbiine, mida ta kasutas, et toota elektrolüüsi teel vesinikku ja hapnikku. La Cour oli esimene, kes avastas, et kiiresti pöörlevad ja vähemate rootoritega tuuleturbiinid olid elektritootmiseks kõige efektiivsemad ning 1904 asutas ta Tuuleelektrikute Seltsi.

1920. aastate keskel hakkasid firmad nagu Parris-Dunn ja Jacobs Wind tootma ühe- kuni kolmekilovatiseid tuulegeneraatoreid, mis leidsid laialdast kasutust USA Suure tasandiku maapiirkondades. 1940. aastateks oli nõudlus elektri järele suurenenud ning elektrivõrkude ülesseadmine nendel aladel kaotas käibelt väikesed generaatorid.

1920. aastate keskel ehitas prantslane Georges Darrieus esimese vertikaalteljega tuuleturbiini ja 1931. aastal kasutati Nõukogude Liidu Jaltas tänapäeva horisontaaltuulegeneraatori 100 kW eelkäijat. 1956. aastal ehitas la Couri õpilane Johannes Juul Taanis Gedseris 200 kW kolme labaga turbiini, mis mõjutas paljude tulevaste turbiinide projekteerimist.

Tuulegeneraatoreid hakati suuremas mahus tootma 1970. aastatel, kui oli naftakriis. 1975. aastal rahastas USA energeetikaministeerium projekti arendamaks kasuliku ulatusega tuuleturbiine. NASA tuuleturbiinide projektiga ehitati 13 eksperimentaalset turbiini, mis rajasid teed tänapäeval kasutatavale tehnoloogiale. Sellest ajast on turbiinid kõvasti suurenenud (nt Enercon E-126) ja on suutelised tootma kuni 7 MW. Aastal 2018 tõusis mõnede turbiinide võimsus kuni 10 MW. Tuuleturbiinide tootmine on jõudnud mitmetesse riikidesse ja eeldatakse, et tuuleenergia kasutamine kasvab 21. sajandil üle maailma . Praeguse tehnoloogia baasil ei ole otstarbekas rajada tuulegeneraatoreid piirkondadesse, kus tuule keskmine kiirus on alla 6 meetri sekundis.

Suured tuulepargid võivad koosneda sadadest individuaalsetest elektrituulikutest, mis on ühendatud elektrivõrguga. Avamere elektrituulikud on võimelised ära kasutama seal tihedamini esinevaid tugevamaid tuuli kui maismaa omad ja nii muudavad need maastiku ilmet vähem, kuid ehituskulud on sellevõrra tunduvalt kõrgemad.

Tuuleenergia Eestis

Tänu sellele, et Eesti on mereäärne riik, on Eestil tohutu suur tuuleenergia varu – hinnanguliselt üle 30 000 GWh aastas. Elektrienergia tootmiseks saab kasutada nii avameres kui ka maismaal püstitatud tuulegeneraatoreid – seal, kus aasta keskmine tuulekiirus kõrgusel 10 meetrit ületab 5 m/s.

Aastani 1997. Eestis oli vaid üksikud mõnekümne kilovatised tuulegeneraatorid sovhooside ja kolhooside keskustes. 

Aastatel 1997–2001 töötas Eestis üks tuulegeneraator – Tahkuna tuulegeneraator. Eesti esimene tuulegeneraator hakkas tööle 1997. aastal Hiiumaal Tahkuna poolsaarel ja praeguseks see on seisatud.

Esimene abstraktsirgiat andev tuulegeneraator võimsusega 225 kW alustas elektri tootmist 2002. aastal Saare maakonnas Sääre külas. Samal aastal hakkas tööle kolmest tuulegeneraatorist koosnev Eesti esimene tuulepark – Virtsu I tuulepark võimsusega 1,8 MW.

Aastal 2004 rajati Pakri tuulepark üldvõimsusega 18,4 MW. Aastatel 2005–2014 toimus kiire ja järsk Eesti tuuleenergeetika areng, mille käigus oli rajatud umbes 25 tuuleparki koguvõimsusega üle 280 MW.

2018. aasta seisuga oli Eestis üle 20 tuulepargi, kokku 140 tuulikut üldvõimsusega 314 MW ning nendega toodeti 591 GWh elektrit, mis on 12% võrra vähem kui 2017. aastal (669 GWh). See oli vastavalt 53% taastuvelektri tootmisvõimsusest ja ligikaudu 7% elektri lõpptarbimisest.

Tuuleparkide ja tuulikute installeeritud võimsus Eestis

Elektrienergia tootmise maht tuulikutega Eestis

Paraku ei ole tuuleenergia ilma dotatsioonideta või muude abimeetmeteta (nt kohustuslik toodetud energia kokkuost erihinnaga, samuti tuulevaikuse puhuks alternatiivse reservvõimsuse pakkumise nõude puudumine) konkurentsivõimeline. Selliste energiatootmise viiside toetamiseks kehtestati Eestis taastuvenergia tasu, mida arvestatakse igalt tarbitud kilovatt-tunnilt, sõltumata selle tootmisviisist.

Tuuleenergia maailmas

Maailmas kasutatakse põhiliselt meres paiknevaid avamere tuuleparke, kuna mandri tuulisemad piirkonnad, kuhu oleks mõttekas suuremaid tuuleparke ehitada, on enamasti muude objektide all kinni. Kui leidukski ruumi, siis ainult väiksematele parkidele. Tuulikute üldvõimsus on tõusnud 3–5 MWni. Hoogsalt on edenenud ka väikeste 5–20 kW tuulikute arendamine ja kasutamine majapidamistes.

GWECi (Global Wind Energy Council) 2019. aasta aprillis avaldatud aastaaruande andmeil oli maailma tuuleelektrijaamade koguvõimsus 2018. aasta lõpus 591 GW.

Tuuleparkide ja tuulikute installeeritud võimsus maailmasaastatel 2001–2018

2018. aasta lõpuks oli maismaaelektrituulikute koguvõimsus kõige suurem Hiinas (206,8 GW), järgnesid USA (96,6 GW), Saksamaa (53,2 GW), India (35,1 GW), Hispaania (23,5 GW) ja Prantsusmaa (15,3 GW) ning avamereelektrituulikute koguvõimsus oli kõige suurem Suurbritannias (8,0 GW), Saksamaal (6,4 GW), Hiinas (4,6 GW), järgnesid Taani (1,3 GW) ja Belgia (1,2 GW). Kõigi tuuleelektrijaamade koguvõimsusest moodustasid esikümneriigid 87,5%. 

10 suurimat tuuleparkide installeeritud võimsusega riiki 2018. aasta seisuga 

Kõige rohkem tuli neid 2018. aastal juurde Hiinas (23,0 GW), USA-s (7,6 GW) ja Saksamaal (2,4 GW). Aasias kasvas elektrituulikute koguvõimsus 26,7 GW, Euroopas 11,7 GW ja Põhja-Ameerika 11,9 GW.

Mõju keskkonnale

Tuuleenergia mõju keskkonnale on suhteliselt väike võrreldes traditsiooniliste energiatootmisallikatega. Olulisemateks mõjudeks on visuaalne ja mürareostus, samuti ulatuslike alade (sh loodusmaastike) hõivamine tehnorajatistega ning suhteliselt suur materjali ja energiakulu tuulikute rajamiseks ja hooldamiseks. Räägitud on ka negatiivsest mõjust lindudele, ainuüksi USA-s hukkub aastas tuuleparkide tõttu 20 000 – 37 000 lindu. Suurtel maismaa tuuleparkidel on täheldatud ka öist maapinna temperatuuri tõstev ja õhuniiskust muutev mõju. Tuuleenergia ei kasuta kütust ega erita õhureostust erinevalt fossiilkütustest. Energia, mis pannakse uue tuuleelektrijaama tootmisse ja transporti, võrdub energiaga, mida jaam toodab mõne kuuga.
Nagu teistelgi tehisehitistel, nii on ka tuuleturbiinide puhul teatatud lindude ja nahkhiirte surmadest. Ökoloogilise mõju ulatus võib olla oluline ja võib ka mitte olla, olenevalt konkreetsest olukorrast. Tuuleturbiine paigaldades ja kasutades püütakse ennetada metsaelustiku hukkumist ja kaitsta turbarabasid. 
Tuuleturbiinidele väga lähedal elavatelt inimestelt saadakse kaebusi häiriva müra kohta. Tuuleturbiinide rajamise plaanid on mitmel pool tekitanud tõsist vastuseisu nii kohalike elanike kui ka kaugemal elavate kodanike seas, mistõttu on venima jäänud või suisa peatatud mitmed tuuleparkide rajamise plaanid.

Ehitus

Tänapäeval ehitatakse tuuleenergia kasutuselevõtuks seadmeid, mida nimetatakse tuuleturbiinideks. Moodsad tuuleturbiinid jaotatakse rõhtsa võlliga (horisontaalseteks) ja püstvõlliga (vertikaalseteks) turbiinideks. Püstvõlliga turbiini labad pöörlevad ümber vertikaalse telje, sarnaselt näiteks koduse käsimikseriga. Horisontaalne ehk propellerturbiin sarnaneb hiigelsuure lennukimootori tiivikuga. Pea kõik tänapäeval kasutusel olevad tuuleturbiinid (üle 99%) on horisontaalse teljega. Tüüpiline horisontaalvõlliga turbiin koosneb kahe või enama labaga tiivikust (rootorist), mis on ühendatud masinagondliga. Gondel on reeglina paigutatud posti otsa, mis on kinnitatud vundamendiplokile. Rootori labad pöörlevad vertikaalsel tasandil, gondel aga on võimeline pöörlema horisontaalsel tasandil. Turbiinigeneraatori pöörlemist horisontaalsel tasandil nimetatakse lengerdamiseks (inglise k yaw). Rootoritiiva ja rootori pöörlemistasandi vahelist nurka nimetatakse rootori sammunurgaks (inglise k pitch angle). Rootoritiiviku sammunurga muutmise abil on võimalik kontrollida rootoritiiviku pöörlemise kiirust.

Tuulegeneraatori teoreetilise maksimaalse võimsuse koefitsienti nimetatakse Saksa füüsiku Albert Betzi järgi (Göttingeni Aerodünaamika Instituut), kes selle 1919. aastal esimesena tuletas, Betzi limiidiks. Betzi limiidi järgi on tuuleturbiini maksimaalne kasutegur u 59,3%. See saavutatakse, kui tuulekiirus pärast rootorit on 1/3 tuulekiirusest enne rootorit. Vastavalt on tuulegeneraator kõige efektiivsem siis, kui omastab u 2/3 tuule kineetilisest energiast.

Tuuleturbiinitüübid

Horisontaaltelje tuuleturbiinidel (HAWT) on torni tipus rootorvõll ja elektrigeneraator. HAWT-sid on kahte tüüpi: upwind ja downwind. Upwind-tüüp on rohkem levinud, neil paiknevad labad vastu tuult. Downwind-tüüpi turbiinil paiknevad labad teisel pool torni, kust tuul puhub ja neil pole vaja mehhanismi, mis hoiab labasid vastu tuult.

Horisontaaltelje tuuleturbiinide hulka kuulub ka tuulelääts, mis koosneb ringstruktuurist, mis ümbritseb rootorit. See suurendab õhuvoolu läbi turbiini ja muudab turbiini vaiksemaks. Tuulelääts fokuseerib tuulejõu turbiini keskele sama moodi nagu suurendusklaas päikesekiiri.

Darrieuse tuuleturbiin on vertikaaltelje tuuleturbiin (VAWT), millel on kumerad aerodünaamilised lõiketerad. Darrieuse turbiin võib pöörelda mitu korda kiiremini kui tuul, mis tema vastu puhub, see muudab ta heaks elektri tootmisel. Darrieuse turbiinid ei ole isekäivituvad, neil on vaja väikest mootorit või kahte väikest Savoniuse rootorit. Giromill on Darrieuse turbiini alamtüüp. Sellel on sirged vertikaalsed labad, mis on kinnitatud tsentraalsele tornile. See disain on odavam ja lihtsam ehitada kui originaal Darrieus, kuid on vähem efektiivne ja tal võib olla raskusi, et hoida püsivat pöörlemiskiirust.

Savonius on vertikaaltelje tuuleturbiin. Savoniuse turbiiniga pole vahet, kustpoolt tuul puhub, tehes nad ideaalseteks turbulentsete tuultega piirkondades nagu linnad, lisaks sellele on nad ka vaiksed. Savoniuse turbiinide efektiivsus elektri tootmisel on aga ainult 15%. Nad pole elektri tootmise seisukohalt piisavalt efektiivsed, kuna pöörlevad aeglaselt, aga suur pöördemoment muudab nad heaks vee pumpamises.

Palju õhus olevaid turbiine on arenduses: õhupalliga hõljuvad turbiinid, ringilendavad tuulelohe tüüpi turbiinid ja köiestatud autogüroskoobid. Nende eeliseks on kõrgatmosfääris olevate tugevate tuulte kasutamine ja puudub vajadus ehitada kallist torni.

Vaata ka
 Tuuleenergia Taanis
 NordVind
 Eesti Energia
 Enercon
 Vestas Wind Systems
 Eleon
 Eesti Tuuletehnoloogia Liit

Viited

Välislingid
Eesti Tuuleenergia Assotsiatsioon
Referaat Miksikeses
 Mari Kodres. Pärnits: tuulepark tulemata ei jää EPL, 6. jaanuar 2009
 Olev Kenk.  Konesko hakkab valmistama tuulegeneraatoreid talude tarbeks ERR.ee, 9. märts 2009
 EL ületas tuuleenergiaga 100 gigavati lati, 27. september 2012