Sen avulla lataamme akkuja sukellusveneessä tuhansien metrien syvyydessä, pääsemme eroon karjatalouden haitallisista kaasupäästöistä ja hyödynnämme kaikenlaista hukkalämpöä.



Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2009

Sisältö jatkuu mainoksen alla


Suuret turbiinit ovat jo iät ajat jauhaneet sähköä suurissa voimalaitoksissa, mutta mikroturbiinit ovat tulossa vasta nyt.

Mikroturbiini pyörii kymmeniätuhansia kierroksia minuutissa. Turbiini mahtuu matkalaukkuun, ja koko voimalaitos menee kuljetuskonttiin. Teho on satoja kilowatteja. Konttivoimala sopii hyvin hajautettuun energiantuotantoon.

Tähän on tarvittu paljon kehittämistä ja keksimistä. Pienentäminen ei nimittäin yksin riitä. Samalla on lisättävä kierroksia.


Pieni tarvitsee vauhtia

Kuvitellaan, että meidän pitää pyörittää kädellä polkupyörän pyörää. Tartumme kehään ja annamme vauhtia. Kuinka nopeasti pyörä pyörii?

Vastauksia on kaksi. Kehänopeus tarkoittaa kehän pisteen nopeutta. Kierrosnopeus taas kertoo, kuinka monta kierrosta pyörä pyörähtää aikayksikössä, vaikka sekunnissa. Esimerkiksi auton moottori ja suuret voimalaitosturbiinit pyörivät tavallisesti kolmetuhatta kierrosta minuutissa.

Kehänopeus on suoraan verrannollinen kierrosnopeuteen ja pyörän halkaisijaan. Jos pienennämme pyörän kokoa, kehänopeuskin pienenee. Jos se halutaan pitää ennallaan, pyörälle on annettava enemmän vauhtia eli pitää nostaa kierroslukua.


Kaasukin osaa tahmautua

Jotta turbiini toimisi hyvin, sen kehänopeuden pitää olla riittävän suuri. Kaasut tuntuvat arkikokemuksen perusteella "ohuilta" aineilta, mutta jos ne pannaan liikkumaan hitaasti kapeassa raossa, ne käyttäytyvät kuin siirappi. Turbiini pyörii nihkeästi.

Siksi virtauksen pitää olla tarpeeksi nopea. Turbiinin koon pienentäminen on korvattava roottorin kierrosnopeutta kasvattamalla. Silloin kaasukin virtaa nopeasti.

- Karkea nyrkkisääntö on, että 1 000 kilowatin höyryturbiinin nopeuden pitää olla 15 000 kierrosta minuutissa tai yli, ja 100 kilowatin turbiinin 50 000 kierrosta tai yli, sanoo professori Jaakko Larjola.

Larjola on yli kahdenkymmenen vuoden ajan vetänyt suurnopeustekniikan kehitystyötä Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Se on yksi alan tutkimuksen keskuksista maailmassa - ja tutkittavaa on riittänyt.


Taajuusmuuttaja avuksi

Turbiinin kierrosluvun nostaminen toi ongelman. Turbiini pyörittää generaattoria, jonka on tuotettava sähköä verkon vaatimalla 50 hertsin taajuudella.

Jos siis turbiinin nopeutta haluttiin ennen nostaa, generaattorin nopeus oli pidettävä ennallaan. Väliin piti asentaa alennusvaihde, joka olisi tehnyt pienvoimalasta liian monimutkaisen.

Apuun tuli eräs viime vuosisadan suurista keksinnöistä tehoelektroniikan alalla, taajuusmuuttaja. Se muuttaa generaattorin tuottaman vaihtovirran ensin tasavirraksi ja sitten uudelleen halutun taajuiseksi vaihtovirraksi. Kun taajuutta pystyttiin muuttamaan vapaasti, turbiini ja generaattori voitiin panna pyörimään samalla nopeudella ja asentaa yhdelle akselille.

Tarvittiin paljon muutakin. Niinpä tavalliset laakerit korvattiin ilma- tai magneettilaakereilla, jotka eivät vaadi erillisiä voiteluaineita. Lappeenrantalaiset puhuvatkin uudesta tekniikan alasta, suurnopeustekniikasta, jolla on paljon käyttökohteita. Lappeenrantalaisten ensimmäisiä kaupallisia sovelluksia olivat ilmastuskompressorit, joita käytetään vedenpuhdistamoissa.


Pakokaasutkin polttoaineeksi

Mikrovoimaloitakin on suomalaistekniikalla jo rakennettu, nimittäin Hollannissa.

- Hollantilainen Tri-O-Gen kääntyi suomalaisten puoleen halutessaan kehittää suurnopeustekniikkaan perustuvan voimalan, Larjola kertoo.

Kyseinen yhtiö, Lappeenrannan teknillinen yliopisto ja Delftin yliopisto kehittivät yhdessä konttikokoisen ORC-voimalan. Hyvällä hyötysuhteella kannattaa tuottaa sähköä huonoistakin energialähteistä, kuten suurten moottorien pakokaasuista.

Yksi Tri-O-Genin rakentamista laitoksista toimii lisävoimalana Esbeekin biokaasuvoimalassa. Ensin tehdään lannasta biokaasua, ja se poltetaan kaasumoottorivoimalassa, joka jauhaa sähköä 1,4 megawatin teholla. Perään on asennettu mikroturbiinivoimala, joka puristaa isomman voimalan pakokaasuista vielä 125 kilowattia lisää.


Kaasuturbiinilla lehmäsähköä

Mikrovoimalat mahdollistavat pienten lämpö- ja polttoainelähteiden hyödyntämisen. Yksi suuri hyötyjä on karjatalous, jonka riesana ovat metaanipäästöt. Uusi tekniikka muuttaa saasteen sähköksi.

Suomessakin toimii jo ainakin yksi "lehmävoimala", mutta ei suomalaisella vaan amerikkalaisella tekniikalla. Hannu Koivusella ja Kaija Morrilla on Virroilla maitotila, jossa mikroturbiini tekee metaanista sähköä.

Tekniikka eroaa lappeenrantalaisten ORC-voimalasta siinä, että turbiini on kaasuturbiini, kalifornialaisen Capstonen valmistama. Ensin tehdään lannasta mädättämössä metaania ja sitten metaanista sähköä kaasuturbiinissa ja generaattorissa.


Kapteeni Nemokin hykertelisi

Käyttäjiä, kuten karjatiloja ja lämpöyrityksiä, mikroturbiineille löytyy tutkijoiden mukaan pelkästään Suomessa satoja. Kun katsotaan koko maailmaa, sovellusten kirjo laajenee hyvinkin jännittävästi.
Lappeenrantalaisten ratkaisuista eksoottisin on ollut ORC-voimala, joka pystyy toimimaan 6 000 metrin syvyydessä. Sillä ladattiin tutkimussukellusvene Mirin akustoja. Voimalan polttoaine, hydratsiini, ei tarvitse palamisilmaa. Pakokaasut ovat pääasiassa ammoniakkia ja pitoisuudet niin pienet, ettei meren ekosysteemi häiriinny.
Jos Jules Vernen romaanisankari, kapteeni Nemo olisi aavistanut suurnopeustekniikan kehityksen, hän olisi varmaan valinnut suomalaisen mikroturbiinin Nautiluksen voimakoneeksi.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Tähän kaikkeen käy mikroturbiini




















- maatilan mikrovoimala
- lämpökeskuksen mikrovoimala
- puualan pienyrityksen mikrovoimala
- "pakokaasuvoimala" eli voimala, joka tekee mäntämoottorin pakokaasusta sähköä
- aurinkolämpövoimala
- sukellusveneen voimakone
- vedenpuhdistamon ilmastuskompressori
- kaupan kylmälaitteen kompressori
- kotijääkaapin kompressori

Pieni voimalakurssi


















- Turbiini muuttaa polttoaineen lämmön mekaaniseksi energiaksi, akselin pyörimisliikkeeksi. Turbiinista saa käsityksen kuvittelemalla tuulivoimalan roottorin, jossa on hyvin monta siipeä ja joka pyörii putken sisällä. Kaasu tai höyry virtaa turbiiniin johtosiivistön eli kapeiden rakojen tai suuttimien kautta.
- Generaattori toimii turbiinin perässä ja muuttaa akselin pyörimisliikkeen sähköksi.
- Höyryturbiini on turbiini, jonka läpi kiertää vesi- tai muu höyry. Höyry tuotetaan erillisessä kattilassa.
- Höyryvoimala on voimala, jossa on höyryturbiini. Höyryvoimala syö mitä vain, koska savukaasut eivät mene turbiiniin. Polttaa voidaan myös haketta, pellettejä ja turvetta.
- Kaasuturbiini on turbiini, jonka läpi polttoaineen palokaasut kulkevat suoraan.
- Kaasuturbiinivoimalan polttoainevalikoimaa rajoittaa vaatimus, että palokaasujen on oltava riittävän puhtaita.
- Mikroturbiini on pieni turbiini, jonka teho voi vaihdella sadoista kilowateista muutamiin kymmeniin watteihin ja mitat matkalaukkukoosta alle tulitikkuaskin kokoon.
- ORC-voimala tarkoittaa höyryvoimalaa, jossa kiertää veden asemesta orgaaninen neste. Hyötysuhde saadaan hyväksi alhaisillakin lämpötiloilla. Nimitys tulee sanoista organic rankine cycle.
Sisältö jatkuu mainoksen alla