Intro julkaisusarjaan
Tämä julkaisusarja käsittelee merituulivoiman tilannetta maailmassa tänään ja sen mahdollisuuksia sekä haasteita tulevaisuudessa. Teksti pohjautuu VAMK:n Energia- ja ympäristötekniikan koulutusohjelman ”Uusiutuva energia” opintojaksolla tehtyyn harjoitustyöhön. Ensimmäisessä osassa tarkastellaan merituulivoiman perusteita sekä sen teknisiä ratkaisuja. Toisessa osassa käsitellään eri organisaatioiden ennusteita merituulivoiman roolista tulevaisuuden energiantuotantopaletissa ja sen merkitystä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Lisäksi tarkastellaan merituulivoiman potentiaalia globaalisti sekä suomessa ja merituulivoiman kustannustekijöitä.
Merituulivoima on todennäköisesti merkittävä osa lähitulevaisuuden energiaratkaisuja, sillä se voi tarjota suuren määrän puhdasta sähköä, erityisesti alueilla, joissa on rajoitetusti maata käytettävissä maatuulivoimaloille tai aurinkovoimaloiden asennusmahdollisuudet ovat rajalliset.
Merituulivoiman globaalit mahdollisuudet ja haasteet
Tuulivoima voidaan jakaa kahteen päätyyppiin – maatuulivoimaan (onshore wind) ja merituulivoimaan (offshore wind). Molemmissa on sama periaate eli tuulen liike-energian muuttamiseen sähköksi tuulivoimalan lapojen generaattorin avulla.
Tuulivoima on yleistynyt viimeisen kahden vuosikymmenen vuoden aikana rajusti ympäri maailmaa, kuten kuva 2 esittää. Kasvu on toistaiseksi kohdistunut pääasiassa maatuulivoimaan. Merituulivoiman osuus on kuitenkin kasvussa.
Merituulivoima
Tuuliturbiinille teoreettinen tuulesta saatavissa oleva teho lasketaan seuraavasti (Kasper, 2024):
- P (teho W),
- ρ (ilmantiheys kg/m^3),
- A (roottorin pyyhkäisyn pinta-ala m^2)
- v, tuulen nopeus m/s
Tuulen nopeudella on teholle erittäin suuri merkitys. Laskettu teho pitää vielä kertoa turbiinin hyötysuhteella, jonka teoreettinen maksimiarvo on 59,3% (ns. Betzin laki) (Windpower Engineering, 2009).
Merituulivoimalla on useita etuja maatuulivoimaan verrattuna tuotannon ja rakentamisen näkökulmasta (Bilgili, Yasar, & Simsek, 2011) (Barzehkar, Parnell, Soomere, & Koivisto, 2024):
- Merellä tuulen voimakkuus on suurempi ja tuuli on tasaisempaa.
- Turbiinin torni voi olla matalampi, sillä tuulen voimakkuus ei heikkene niin paljon pinnan lähellä.
- Voimaloille on enemmän tilaa saatavilla ja voimaloiden sijoittelu tuulivoima-alueen sisällä on vapaampaa.
- Merituulivoimalla on ihmisille vähemmän meluhaittoja ja maisemavaikutusta .
- Merituulivoimalat mahdollistavat myös usein lyhyemmät sähkön siirtoyhteydet suuriin käyttäjiin kuten kaupunkeihin.
Merituulivoiman kustannuksia nostavat useat tekijät verrattuna maatuulivoimaan. Suuret pohjaan asti ulottuvat tukirakenteet matalissa vesissä ovat usein kalliimpia kuin maatuulivoimaloissa. Syvien vesien kelluvat perustusrakenteet ovat yhä kehitteillä ja kalliita. Rakentamisessa, huollossa ja kunnossapidossa tarvitaan meriolosuhteet huomioivaa erikoisosaamista ja -välineistöä, kuten erikoisvalmisteisia laivoja. Huonot sääolosuhteet rajoittavat kunnossapitoa ja rakentamista. Voimaloiden tulee kestää suolaiset meriolosuhteet, mikä nostaa kustannuksia maatuulivoimaloihin verrattuna. (Bilgili, Yasar, & Simsek, 2011) (Barzehkar, Parnell, Soomere, & Koivisto, 2024)
Koska merituulivoima rakennetaan merelle, on rakennustöiden kannalta kohteen veden syvyydellä suuri merkitys. Tällä hetkellä suurin osa käytössä olevista meri-tuulivoimaloista on rakennettu mataliin vesiin ja voimalat on tuettu suoraan pohjaan. Syvillä merialueilla tuulen voimakkuus on suurempi ja tuuli on kuitenkin tasaisempaa, mutta siellä kiinteät pohjaan asti ulottuvat rakenteet eivät ole mahdollisia. Pohjaan tuettuja rakenteita käytetään noin 60–80 metrin syvyyteen asti ja syvemmälle mentäessä tarvitaan kelluvia tukirakenteita. (Edwards, et al., 2023)
Merituulivoimalan tuki- ja perustusrakenteet
Merituulivoimalan tuki- ja perustusrakenteiden tehtävä on pitää turbiini paikoillaan ja siirtää siihen muodostuvat kuormitukset merenpohjaan. Kuva 7 esittää mataliin vesiin sopivia tukirakenteita jaettuna kolmeen osaan – torniin, alusrakenteeseen (substructure) ja perustukseen (foundation). Kelluvissa tukirakenteissa on lisäksi kiinnitysjärjestelmä, joka kiinnittää voimalan merenpohjaan. Tukirakenteen korkeus suunnitellaan niin, että suurimmatkaan aallot eivät osu suoraan torniin ja siinä olevaan kulkuaukkoon. (de Vries, et al., 2011)
Voimalan tuki- ja perustusrakenteen voi toteuttaa monella eri tavalla riippuen vaatimuksista, joita asettavat:
- paikan syvyys,
- merenpohjan rakenne,
- meri- ja ilmatieteelliset olosuhteet ja
- turbiinin malli.
Yleisin rakennetyyppi on ollut merenpohjaan paalutettava ns. monopile -perustus. Muita yleisiä ratkaisuja ovat ns. jacket -perustus tai maanvarainen gra-vitaatioperustus. Kuva 4 esittää yleisimmät tuki- ja perustusrakennetyypit meri-tuulivoimaloille sekä niille sopivat syvyydet. (The Empire Engineering, 2021) (The Empire Engineering, 2021) (EYSTRASALT OFFSHORE Kuulemisasiakirja, 2021):
Suomen ensimmäisessä merituulivoimapuistossa Porin Tahkoluodossa on käytössä gravitaatioperustus (Hyötytuuli, 2024).
Monopilen rakenne koostuu merenpohjaan upotettavasta teräsputkesta, jonka päälle turbiinitorni kiinnitetään. Rakenne on jäykkä ja pysyy pystyssä pohjaan upotetun osan antaman sivuttaistuen ansiosta. Teräsputki on suhteellisen helppo valmistaa, kuljettaa ja asentaa. (de Vries, et al., 2011)
Monopile vaatii merenpohjan, johon putki voidaan upottaa junttaamalla. Asennuksessa syntyy erittäin paljon merieläimistöä haittaavaa melua, jopa 210 dB voimakkuudella. Syntyvä melu on niin voimakasta, että se voi vammauttaa tai tappaa eläimiä kuten ryhävalaita tai kilpikonnia (Greene, 2021).
Betonista valmistettu gravitaatioperustus on vanhin ja yksinkertaisin kaikista pe-rustusmuodoista, rakenteen vakavuus perustuu suureen massaan. Asennuspaikan tulee olla tukeva, esimerkiksi peruskalliota, jonka päälle rakenne lasketaan. (Jiang, 2021) (The Empire Engineering, 2021)
Gravitaatioperustuksen materiaalin määrä kasvaa rajusti noin 35 metrin syvyyden jälkeen. Rakenne on erittäin kallis toteuttaa syvään veteen, mutta kustannustehokas mataliin vesiin. (The Empire Engineering, 2021)
Gravitaatioperustuksen asennuspaikka valmistellaan ruoppaamalla, jos pohjassa on pehmeää maata. Pohjan muokkaus kohdistuu jopa 7 % alalle koko merituulivoimala-alueen pohjan pinta-alasta, mikä on merkittävästi enemmän kuin esimerkiksi monopile-rakenteessa ja aiheuttaa ympäristölle haittoja. (Greene, 2021) (EYSTRASALT OFFSHORE Kuulemisasiakirja, 2021)
Monilla alueilla maailmassa syvyydet heti rannikon läheisyydessä ovat liian suuria kiinteästi asennettaville rakenteille. Esimerkiksi Yhdysvalloissa 2/3 merituulivoiman potentiaalisista alueista edellyttää kelluvia voimaloita, kuten on nähtävissä kuvassa 14. (U.S. Department of Energy, 2022)
Kiinteissä tukirakenteissa muutama rakennetyyppi on vakiinnuttanut asemansa ja sitä kautta tuonut kustannusetuja. Kelluvissa tukirakenteissa ei ole vielä yhtä vakiintunutta rakennetyyppiä. Useita erilaisia ratkaisuja on kehitteillä ja testeissä (Edwards, et al., 2023). Kuva 7 esittää näkymän eri maissa toteutetuista kelluvista kokeiluista. Toistaiseksi kokeilut ovat olleet pieniä prototyyppejä ja 2023 mennessä oli vasta kolme kappaletta yli 10 MW pilottilaitoksia. Vuonna 2021 käyttöön otettu 50 MW WindFloat Iso-Britanniassa on suurin.
Vakiintuneen rakenneratkaisun puuttuminen on merkittävä kustannustekijä, sillä pilottilaitoksissa ei päästä teollisen mittakaavan skaalaetuihin ja kustannukset ovat suuria kaikissa kelluvan voimalaprojektin vaiheissa. Merkittävimmiksi ratkaisuiksi arvioidaan seuraavat rakennetyypit (suomennokset suluissa) (Edwards, et al., 2023):
- Semi-submersible (puolikelluva)
- Spar (puomi)
- Tension Leg Platform (jännitetty tuotantolautta)
Kelluvien rakenteiden ympäristövaikutukset ovat kiinteitä perustusratkaisuja vähäisemmät, sillä meren pohjaan vaikuttavien osien pinta-ala on paljon pienempi ja asennustyöstä ei synny melua kuten esimerkiksi monopile -rakenteiden junttauksessa. Kelluvan voimalan elinkaaren päättyessä voimala tukirakenteineen voidaan yksinkertaisesti hinata pois kierrätettäväksi, toisin kuin kiinteät rakenteet.
Kelluvista voimalarakenteista pisimmällä tuotekehityksessä on semi-submersible rakenne, josta esimerkki Kuva 8. Laitos pysyy paikoillaan kiinnitettynä merenpohjaan yhdestä tai useammasta kohdasta. Rakenne on käyttökelpoinen vesialueilla, joiden syvyys on vähintään 40 metriä . (The Empire Engineering, 2021)
WindFloatin prototyyppejä on testattu merellä jo vuodesta 2011 lähtien. Tällä hetkellä toiminnassa on yksi pilottipuisto 15 km päässä Skotlannin itärannikosta, jossa viisi 9, 5 MW turbiinia sijaitsee 60–80 m syvyyden vesialueella. Puolikelluvan rakenteen turbiinitornit voidaan asentaa satamassa ja hinata sitten sijoituspaikalle, mistä esimerkki kuvassa 9. Kokoonpano satamassa tarjoaa merkittäviä kustannussäästömahdollisuuksia, koska kuvien 10 ja 11 kaltaisia kiinteiden perustusten ja turbiinitornien asentamiseen tarvittavia erikoisaluksia ei tarvita.
