Kiinan S4000-tuulivoimajärjestelmä suoritti 4 000 metrin täyden testisyklin

Kiinan S4000 Stratosphere Airborne Wind Energy System (SAWES) on suorittanut raportoidusti täyden toimintasyklin Luoteis-Kiinassa sijaitsevalla testialueella. Koe sisälsi nousun, paikallaan pysymisen, sähköntuotannon testauksen ja hallitun palautuksen enintään 4 000 metrin korkeudessa. Kiinalaismedioiden mukaan kyse oli ensimmäisestä kerrasta, kun ilmassa toimiva tuulivoimajärjestelmä on tuottanut sähköä tällä korkeudella. 25

Tulos on tärkeä, koska se todentaa ilmaan nostettavan tuulivoimalan keskeisen toimintaketjun: alustan turvallisen noston, vaijerikiinnityksellä tapahtuvan vakaana pysymisen, sähkön tuottamisen ja hallitun laskun. Se ei kuitenkaan vielä osoita, että järjestelmä kykenisi toimimaan kaupallisesti kuukausia tai vuosia riittävällä käytettävyydellä, energiantuotannolla ja kustannustasolla.

Mitä koe osoitti

Hanketta johti Pekingissä toimiva Lingyi Yunchuan Energy Technology yhteistyössä Tsinghuan yliopiston ja Kiinan tiedeakatemian Aerospace Information Research Instituten kanssa. Raporttien mukaan S4000 kävi läpi kaikki suunnitellut vaiheet ja saavutti sille asetetut testi-indikaattorit. 26

Kyse ei ole vain yhdestä sähköntuotantokerrasta, vaan usean vaativan järjestelmän yhteistoiminnasta:

• heliumin tuottamasta nosteesta;
• kiinnitysvaijerista ja maa-asemasta, joilla alustaa hallitaan korkealla;
• vakaasta paikallaan pysymisestä sähköntuotannon aikana; sekä
• alustan ja vaijerin hallitusta palautuksesta.

S4000 on aiemman S2000-mallin seuraaja. Uuden järjestelmän enimmäistoimintakorkeus on raporttien mukaan nostettu noin 2 000 metristä 4 000 metriin. 429

Miten ilmassa toimiva tuulivoimala toimii

Tavanomaisen, kiinteään torniin asennetun turbiinin sijasta S4000 käyttää heliumilla täytettyä ilmalaivamaista nostealustaa. Se kuljettaa kevyet sähköntuotantomoduulit ylempänä puhaltaviin tuuliin. Alusta on kytketty maa-asemaan kiinnitysvaijerilla, joka sekä pitää sen paikallaan että välittää sähköä maahan. 23

Julkisten tietojen mukaan S4000 on 67 metriä pitkä, 40 metriä leveä ja 23 metriä korkea. Sen ilmoitettu ilmaan nostettava hyötykuorma on yli tonni. Tuottojännitteen kerrotaan olevan 10–35 kV, mikä on tarkoitettu yhteensopivaksi tavanomaisten sähköverkkojen kanssa, ja suunniteltu käyttöikä on 20 vuotta. 26

Vaijeri on konseptin avainosa. Paikallisten raporttien mukaan sen täytyy kestää erittäin suuria mekaanisia kuormia ja samalla siirtää generaattorilta korkeajännitteistä sähköä maahan. Se voi välittää myös tiedonsiirtoa ja syöttää sähköä alustan laitteille. 3

Ratkaisu eroaa narua sisään ja ulos kelaavista leijapohjaisista järjestelmistä. S4000:n julkisesti kuvatulla toteutustavalla generaattori on ilmassa, ja sähkö johdetaan vaijeria pitkin maahan alustan pysyessä paikallaan. 3

Miksi tavoitellaan 4 000 metrin korkeutta?

Ilmassa toimivan tuulivoiman lähtökohtana on, että korkeammalla tuulet voivat olla vähemmän alttiita maaston ja maanpinnan kitkan vaikutuksille kuin tavanomaisilla tuulivoimaloiden napakorkeuksilla. Siksi hankkeessa pyritään nostamaan sähköntuotantolaitteisto useiden kilometrien korkeuteen. 2333

Kunnianhimoisiin suorituskykyväitteisiin on silti syytä suhtautua varauksella. Julkisessa uutisoinnissa korostetaan ylempien ilmakerrosten voimakkaampia ja tasaisempia tuulia sekä esitetään koe askeleena kohti teknistä käyttöönottoa. Julkaistu aineisto ei kuitenkaan tarjoa riippumattomasti auditoitua näyttöä esimerkiksi 5 000–6 000 vuotuisesta käyttötunnista, perusvoimaa vastaavasta tuotannosta, kapasiteettikertoimesta, tuotannon rajoituksista tai järjestelmän koko elinkaaren energiantuotannosta. 521

Käytännössä onnistunut testisykli osoittaa, että ratkaisun keskeinen toimintaketju toimii. Se ei vielä osoita, että laite voisi pysyä ilmassa kustannustehokkaasti vuodenaikojen vaihtelevissa sääoloissa, huoltojaksojen läpi ja pitkään sähköverkkoon kytkettynä.

Turvallisuudesta tiedetään toistaiseksi rajallisesti

Raportoitu koe tukee väitettä, että järjestelmän nousu, leijunta, sähköntuotanto ja palautus toimivat suunnitellusti testin olosuhteissa. Hanke käyttää myös älykästä vaijeri- ja maa-asemajärjestelyä leijunnan ja asennon hallintaan. Vaijeritoimittaja Juli Sling puolestaan kertoo toimittaneensa kiinnitysvaijerin sekä ulos- ja sisäänvetojärjestelmän. 439

Saatavilla olevat julkiset tiedot eivät silti riitä arvioimaan itsenäisesti keskeisiä turvajärjestelyjä, kuten:

• turbulenssin ja äärimmäisten tuulten kuormitusrajoja;
• automaattista laskeutumis- tai palautuslogiikkaa myrskyissä;
• ukkossuojausta;
• jään tunnistusta ja jäänpoistoa;
• sähkö-, ohjaus- ja vaijerijärjestelmien varmistuksia;
• heliumin vuotojen hallintaa;
• ilmailun erottelumenettelyjä; tai
• hätäpalautustilanteita.

Tällaisia ominaisuuksia voi olla olemassa, mutta toimitettu julkinen aineisto ei dokumentoi niitä riittävän yksityiskohtaisesti. Ne ovat ratkaisevia, jos järjestelmää aiotaan käyttää pitkään ja laajassa mittakaavassa.

Prototyypistä mahdolliseksi etäalueiden sähköntuotannoksi

S4000:aa suunnataan aavikoille, ylänköalueille ja saarille, joilla korkean turbiinitornin ja raskaan perustuksen välttäminen voisi olla houkuttelevaa. Järjestelmän kerrotaan soveltuvan myös sähköverkkoon liittämiseen siellä, missä verkko on käytettävissä. 713

Kehityksellä on myös teollinen ulottuvuus. Uutisoinnissa mainitaan Changshassa sijaitseva pilottiluonteinen tutkimus- ja kehityskeskus sekä Yueyangin talouskehitysalueella toimiva nostealusten loppukokoonpanokeskus. 14 Tämä viittaa pyrkimykseen siirtyä yksittäisestä demonstraattorista kohti toistettavaa tuotantoa, mutta vahvistettuja tuotantomääriä, laivastotilauksia tai kaupallisen käyttöönoton aikataulua ei ole julkistettu.

Syrjäisillä kohteilla käyttökelpoinen demonstraatio vaatisi ilmassa olevan alustan lisäksi maa-aseman vinssin ja ohjauksen, paikallisen sähkönjakelun, energian varastointia ja/tai varavoimaa sekä huolto- ja ankarien sääolosuhteiden toimintasuunnitelman. Usean laitteen kokonaisuuden olisi puolestaan osoitettava kilpailukykynsä aurinkovoimaan ja akkuihin, dieselgeneraattoreihin sekä perinteiseen tuulivoimaan verrattuna.

Yhteenveto

S4000:n koe on merkittävä osoitus vaativan ilmassa toimivan energiajärjestelmän toimintaketjusta 4 000 metrissä: noususta, vakaasta vaijerikiinnitteisestä toiminnasta, sähköntuotannon testauksesta ja palautuksesta. 25 Järjestelmän koko, sähköverkkoliitäntään tähtäävä jännitetaso ja sitä tukeva teollinen valmistelutyö viittaavat siihen, että kyseessä on enemmän kuin pelkkä laboratoriokonsepti. 214

Kaupallinen merkitys on silti vielä todistamatta. Ratkaisevaa näyttöä ovat pitkäkestoiset kenttätiedot tuotannosta, käyttökatkoista, säänkestävyydestä, huoltotarpeesta, ilmailuvaatimusten täyttymisestä, heliumin käytöstä ja toimitetun sähkön hinnasta.