Tuulivoimaa rakennetaan nyt ennen näkemättömällä vauhdilla. Uusiutuva energia on hienoa asia, mutta osa tuulivoimaloiden valmistukseen käytettävistä materiaaleista ovat  länsimaiden näkökulmasta haastavia. Hollantilaistutkijat ovat analysoineet tuuliturbiinien materiaaleja kriittisten materiaalien näkökulmasta ja lopputulema on tuttua tarinaa: Kiina dominoi uuden sukupolven tuulivoimaloiden valmistukseen tarvittavien harvinaisten maametallien ja niitä käyttävien kestomagneettien tuotantoa. Tutkijat ovat analysoineet myös tuulivoimaloiden eri osien globaaleja toimitusketjuja. Tuulivoimaloiden elinkaareen loppuvaiheisiin liittyy omat haasteensa, koska kokemusta isojen tuulivoimaloiden purkamisesta ja kierrätyksestä on toistaiseksi kertynyt vähän.

Tuulivoima on monille maille kriittinen osa tulevaisuuden energiaratkaisua. Esimerkiksi Alankomaiden ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi maassa tarvitaan 49 TWh offshore-tuulienergiaa ja 35 TWh uusiutuvaa energiaa maalta. Jos asennuskanta kasvaa lineaarisesti, vuoteen 2030 mennessä pitää asentaa 11,7 GW offshore-tuulivoimaloita ja 7,2 GW maalla sijaitsevia tuulivoimaloita. Vuonna 2020 asennettu kapasiteetti on 4,99 GW.

Jotta tähän tavoitteeseen päästään, tarvitaan huomattava määrä metalleja. Tutkijoiden analyysien mukaan harvinaisten maametallien, erityisesti  neodyymin, praseodyymin ja dysprosiumin,  rooli tulee olemaan erityisen  tärkeä.

Tuulivoimalassa yli 25 000 osaa

Tuuliturbiini on kone, jolla tuulen eli virtaavan ilman liike-energiaa muutetaan turbiinin akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Akseli pyörittää edelleen sähköä tuottavaa generaattoria ja tuottaa tuulivoimaksi kutsuttavaa sähköä. Usein tuuliturbiinista puhuttaessa tarkoitetaan koko tuulivoimalaitosta, johon turbiinin lisäksi kuuluu muun muassa generaattori, vaihteisto, masto ja perustukset. (Lähde wikipedia)

Kuva 1. Tuuliturbiinin osat. (Kuva: Filson Filters / London Array). 

Tuulivoimalassa on yli 25 000 osaa, joka voidaan jakaa kolmeen pääjärjestelmään: torniin, konehuoneeseen sekä roottoriin, joka muodostuu navasta ja lavoista. Lapojen päämateriaali on lasikuitu, tai jossain tapauksissa hiilikuitu, listaavat hollantilaistutkijat.

Napa on tehty teräksestä ja pyörijä lasikuituvahvisteisesta polyesteristä. Roottori on kiinnitetty konehuoneen ja turbiinin väliseen osaan, joka on koko tuuliturbiinin monimutkaisin osa. Se käsittää vetoakselin, vaihteiston generaattorin ja ohjausjärjestelmän. Torni on tuulivoimalan suurin komponentti, joka vastaa suurimmasta osuudesta kokonaismassasta. Torni on valmistettu lähinnä teräksestä, joka on pystytetty betoni- ja rautaperustalle. Merellä sijaitsevissa tuulivoimaloissa on myös pinnanalainen rakenne.

Tuulivoimalan teknisen ratkaisun valinta riippuu kokovaatimuksista, kustannuksista, asennuspaikan olosuhteista, saatavuudesta, huollettavuudesta ja käytön vaatimuksista. Erilaisissa tuulivoimaloissa on erilaiset materiaalit ja niillä on erilaiset toimitusketjut.

Alla olevassa taulukossa on vertailtu tuuliturbiinien materiaaleja ottaen huomioon neljän pääturbiinityypin erovaisuudet.

Taulukko 1. Suoravetoisten ja vaihteistoja käyttävien tuuliturbiinien materiaalisisällöt. (Lähde: Patrahau et al 2020, Carrara et al 2020 pohjalta)

Harvinaiset maametallit tärkeässä roolissa

Harvinaiset maametallit tehostavat turbiinien suorituskykyä tekemällä generaattoreista tehokkaampia ja yhteensopivampia sähköverkon kanssa. Samalla liikkuvien osien määrä ja sen myötä huollontarve vähenee. Tämä mahdollistaa vähemmän tilaa vievien generaattorin ja voimansiirron rakentamisen. Kun rakenteisiin kuluu vähemmän materiaalia, hiilijalanjälki pienenee.

Harvinaisten maametallien määrä suoravetoisissa turbiineissa on jopa kymmenen kertaa suurempi kuin perinteisissä malleissa.

Kuva 2. Harvinaisiin maametallien kysynnän kasvu tuuliturbiinien käyttämissä kestomagneeteissa vuosina 2010 – 2025. (Lähde. Statista, Nov 2016)

Harvinaisia maametalleja tuottavan Lynas Corporationin mukaan  3 megawatin suoravetoisen turbiinin valmistukseen kuluu lähes kaksi tonnia harvinaisia maametalleja sisältäviä kestomagneetteja. Yhtiön mukaan tuuliturbiinien on arvioitu vastaava noin 30% osuudesta harvinaisia maametalleja sisältävien kestomagneettien globaaleista markkinoista vuosina 2015 – 2025.

Tuulivoimalan toimitusketju

Hollantilaistutkijat ovat analysoineet tuuliturbiinien toimitusketjuja. Seuraavassa käydään läpi kolme pääkomponenttia eli torni, konehuone ja lavat.

(1) Torni: Tuulivoimalan torni on pääosin rakenteellista terästä. Vuonna 2019 terästä valmistettiin paljon kaikissa maanosissa. Suurin teräksentuottaja oli Kiina, jonka osuus globaalista tuotannosta oli 53,3 prosenttia. Teräsosat valmistetaan tehtailla ja kootaan paikanpäällä. Osat pultataan yhteen tornin ollessa kyljellään ja nostetaan perustuksilleen nosturilla.  Johtavat tuuliturbiinien tornien valmistajat ovat Trinity Structural Towers (USA), Valmont Industries (Tanska), KGW Schweriner Maschinen- und Anlagenbau (Saksa). Tanska ja Alankomaat ovat maailmanlaajuisesti johtavia tuulimyllyjen tornien valmistajia, jotka valmistavat suuria määriä vientiin Yhdysvaltojen ja Euroopan markkinoille.

(2) Konehuone (naselli):  Tuuliturbiinin kriittiset materiaalit ovat neljä harvinaista maametallia (rare earth elements, REE) – dysprosium, neodyymi, praseodyymi ja terbium. Harvinaisia maametalleja sisältävää malmia kaivetaan ja jauhetaan hienojakoiseksi. Harvinaisia maametalleja sisältävät mineraalit erotetaan hienojakoisista partikkelista, jolloin syntyy harvinaisten maametallien konsentraatteja. Nämä konsentraatit, joka tyypillisesti sisältävät useita eri harvinaisia maametalleja, erotellaan sitten yksittäisten harvinaistem maametallien oksideiksi. Oksidit myydään joko sellaisinaan tai ne jalostetaan metalleiksi.

Kuva 3. Tuulivoimalan osat. (Lähde: Motiva)

Hollantilaistutkimuksessa on mielenkiintoista taustatietoa harvinaisten maametallien tuotannosta Kiinassa: vuonna 2019 Kiina vastasi globaalisti 70 prosentista harvinaisten maametallien kaivostoiminnasta, 85 prosentista harvinaisten maametallien oksidien jalostuksesta, 90 prosentista REE-metallien  valmistuksesta ja 90 prosentista magneettien tuotannosta. Tuotanto Kiinassa on keskittynyt Shandongin ja Sisä-Mongolian alueille pohjoisessa, Sichuanin alueella lännessä sekä Jiangxin, Guangdongin, Fujianin, Hunanin ja Guangxin alueilla Etelässä. 2000-luvulla keskushallinto on keskittänyt harvinaisten maametallien tuotantoa valtion omistamiin yhtiöihin. Lopputuloksena on, että kuusi valtio-omisteista yritystä tuottaa nyt noin 85 prosenttia Kiinan harvinaisten maametallien tuotannosta.

Harvinaisia maametalleja käytetään tuuliturbiinien kestomagneeteissa. Japani ja Kiina ovat kaksi tärkeintä harvinaisiin maametalleihin pohjautuvien magneettien tuottajaa. Kiinalla on noin 90 prosentin markkinaosuus. Euroopan osalta Saksa on suurin kestomagneettien kuluttaja ja tuottaja. Kestomagneetteja on kaikenlaisissa turbiineissa, mutta vain ns. kestomagnetoidut tahtigeneraattorit (Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG) –turbiinit käyttävät niitä suuremmassa määrin. Vuonna 2015 arviolta 23% maailmalla asennetusta tuulivoimakapasiteetista  käytti PMSG-teknologiaa ja loput 77% käyttivät perinteisiä sähkömagneettisia generaattoreita. Tuuliturbiinien konehuoneiden markkinat ovat globaalisti pirstaloituneet. Johtavia toimittajia ovat Siemens Gamesa, General Eletric ja MFG.

(3) Lavat: Tuulivoimaloiden lavat voivat olla jopa yli 100 metriä pitkiä. Niiden valmistus vaatii huolellisuutta ja tarkkuutta. Ensimmäiseksi kuidut asetetaan suljettuun ja sinetöityyn muottiiin, jonka jälkeen hartsia ruiskutetaan paineella muotin koloihin. Kun hartsi on täyttänyt koko tilan, lasereiden avulla varmistetaan, että lavat kaareutuvat asianmukaisesti.  Tämän jälkeen lavat pinnoitetaan, jotta ne kestävät pölypartikkeleita ja vesipisaroita. Lavat kuljetetaan asennuspaikoille valtavilla laveteilla pitkissä saattueissa. Vallitseva suuntaus tuulivoimaloiden kehityksessä on, että lapojen koko kasvaa. Näin pyritään pienentämään kustannuksia. Kun tuulimyllyjen koko kasvaa, kasvaa myös roottorin lapojen paino ja sen myötä myös vaatimukset käytettäville materiaaleille.

Tuulivoimaloiden roottorien lapojen valmistus on jakautunut laajasti eri puolille maailmaa ja valmistajia on paljon, esimerkkeinä hollantilaistutkijoiden listalla ovat TPI Composites SA, LM Wind Power (GE Renewable Energyn tytäryhtiö), Siemens Games Renewable Energy, Vestas Wind System ja Enercon. Osa tuulivoimalamarkkinoiden isoista pelureista ovat mukana arvoketjun eri vaiheissa.

Kuva 4. LM Wind Energy valmisti vuonna 2019 GE:n Haliade-X 12 MW -tuulivoimalaa varten lavat, joiden pituus oli 107 metriä. (Kuva: GE Renewable Energy)

Haasteita riittää

The Hague Centre for Strategic Studies (HCSS) –tutkimuslaitoksen tekemässä tutkimuksessa on analysoitu tuulivoimaloihin liittyviä haasteita ja mahdollisuuksia:

Vihreän tuotantoteknologian kehittäminen: Nimestään huolimatta harvinaiset maametallit eivät ole kovinkaan harvinaisia. Useimpia niistä esiintyyn luonnossa yhtä paljon kuin kuparia tai lyijyä. Harvinaisten maametallien tarjonta ylittää vielä toistaiseksi niiden kysynnän. Harvinaisia ovat sen sijaan ne paikat maailmassa, joissa on poliittisesti hyväksyttävää kaivaa ja prosessoida harvinaisia maametalleja kustannustehokkaalla tavalla, korostavat tutkijat. Esimerkiksi Australialla ja Venäjällä on rikkaat harvinaisten maametallien varannot, mutta niillä on haasteita saada eroteltua yksittäiset maametallit ja hoidettua syntyvä radioaktiivinen jäte ympäristövaatimusten mukaisesti. Nämä tekijät estävät laajamittaisen tuotannon syntymisen Kiinan ulkopuolella. Tutkimuksissa onkin päädytty siihen, että maiden, joilla on laajat harvinaisten maametallien varannot ja kovat tavoitteet tuulivoiman kasvattamiselle, on pantava lisää vauhtia vihreiden tuotantoteknologioiden kehittämiseen, jotta harvinaisille maametalleille saadaan kestävät ja vastuulliset toimitusketjut. Esimerkiksi syksyllä 2020 käynnistynyt European Raw Materials Alliance (ERMA) pyrkii ohjaamaan rahoitusta tällaisten tuotantomenetelmien kehittämiseen, koska tuulivoimalla on tärkeää rooli EU:n ilmastotavoitteiden saavuttamisessa.

Kuva 5. Harvinaiset maametallit ja tuulivoima ovat vahvasti European Raw Materials Alliancen (ERMA) agendalla

Pitkä käyttöikä: Tuulivoimaloille, ja erityisesti merelle sijoitattaville voimaloille,  pitkä käyttöikä on tärkeää. Niin kauan kuin tuulivoimalat tuottavat sähköä, uusia materiaaleja tarvitaan vähän. Tuulivoimaloiden tyypillinen ”eliniän odote” on noin 20 – 25 vuotta, jonka jälkeen ne yleensä puretaan. Tuulivoimaloiden purkamisesta ja kierrätyksestä on vielä varsin rajallisesti kokemusta, muistuttavat hollantilaistutkijat. He arvioivat, että menee vielä parikymmentä vuotta ennen kuin merkittävää käytännön kokemusta on saatu purkamisesta ja kierrättämisestä. Hollannissa The Netherlands Enterprise Agency on laatinut lain (Applicable Law for Offshore Energy), joka velvoittaa toimiluvan haltijan ”purkamaan ja poistamaan kaikki tuulimyllyfarmin elementit 2 vuoden kuluesssa siitä, kun sähköntuotanto on päättynyt”.

Materiaalit kiertävät pääosin hyvin

Tuulivoimalat sisältävät pääosin materiaalia, joka kiertää hyvin. Teräs, kuparikaapelit, elektroniikka ja voimansiirto voidaan kierrättää tai käyttää uudelleen. Ongelmana on lasikuidusta tehdyt roottorin lavat, joita on vaikea hävittää. Suomen tuulivoimalayhdistyksen mukaan roottorin lavat valmistetaan yleisimmin komposiittimateriaaleista, joissa käytetään lasikuitua ja joskus myös hiilikuitua tai puuta yhdessä epoksin tai polyesterin kanssa, kertoo Tekniikka&Talous.

Suomen tuulivoimayhdistyksen mukaan tuulivoimaloiden kierrätyksessä suurin ongelma ovat lavoissa käytetyt lasikuitu- ja epoksimateriaalit. Yhdistys myöntää, ettei niiden uusiokäyttö ole vielä mahdollista. ”Lavat pitää toimittaa jätteenkäsittelylaitokselle, jossa ne murskataan, ja murska sijoitetaan keräilyalueelle. Joissain tapauksissa lavoista voidaan tehdä käyttö- tai taide-esineitä”, yhdistys kirjoittaa. (Tekniikka&Talous, 4.11.2019)

Tutkijat yrittävät kehittää parempia tapoja erotella hartsin kuiduista, tai uudelleenkäyttää lasikuitua pelletteinä tai levyinä. Suomessa komposiittimateriaalien kierrätystä kehittää mm. Conenor.

(Julkaistu 21.12.2020, päivitetty 29.12.2020)

Lähteet:

  • Securing Critical Materials for Critical Sectors: Policy options for the Netherlands and the European Union. The Hague Centre for Strategic Studies (HCSS), 10 Dec 2020. https://hcss.nl/report/securing-critical-raw-materials
  • Mitä vanhalle tuulivoimalalle käy? Forssan Lehti, 23.8.2020.
  • Samuel Carrara et al., “Raw Materials Demand for Wind and Solar PV Technologies in the Transition towards a Decarbonised Energy System,” 2020, https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/raw-materials-demand-wind-andsolar-pv-technologies-transition-towards-decarbonised-energy-system
  • Wind turbine blades can’t be recycled, so they’re piling up in landfills. Bloomberg Green, 5 Feb 2020.
  • https://www.kriittisetmateriaalit.fi/vihrean-energian-synkka-puoli-tuulivoimaloiden-valtavista-lavoista-kirjaimellisesti-jattimainen-jateongelma/
  • Kuka kierrättää vanhat tuulivoimalat? Saksan ympäristövirasto huolestui pian käsiin räjähtävästä ongelmasta. Tekniikka&Talous, 4.11.2019.
  • Extreme Measures: At 107 Meters, The World’s Largest Wind Turbine Blade Is Longer Than A Football Field. Here’s What it Looks Like. GE.com, 18 April 2019.
  • Demand for rare earths in wind turbine permanent magnets worldwide from 2010  to 2025. Statista, Nov 2016.

 

Securing Critical Materials for Critical Sectors: Policy options for the Netherlands and the European Union.  The Hague Centre for Strategic Studies (HCSS), Dec 2020

Raportti on ladattavissa täältä.