Merituulivoima: globaalit mahdollisuudet ja haasteet, osa 1

TEKSTI | Lasse Haverinen ja Jan Nyman
Artikkelin pysyvä osoite http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024112897394
Useita merituulivoimaloita merellä.

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.

Kuvassa kolme merituulivoimaturbiinia merellä aallokossa.
Kuva 1. Merituulivoimaloita käytössä merellä (Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 2017)

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.

Kuvaaja esittää maatuulivoiman kasvun vuoden 2000 lukemasta 17GW vuoden 2022 lukemaan 836GW ja merituulivoimalle vastaavasti 0.07GW lukemasta 62 GW määrään.
Kuva 2. Käytössä oleva tuulivoimakapasiteetti maailmanlaajuisesti (International Renewable Energy Agency, 2024)

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 merituulivoimaloista 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)

Kuvassa esitetään kolme pääasiallista kiinteästi pohjaan tuettua ratkaisua ja niiden pääosat. Pääosat ovat turbiinitorni, pinnanalainen osa ja maahan upotettu perustus.
Kuva 3. Merituulivoimalan tukirakenteiden pääosat (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 gravitaatioperustus. Kuva 4 esittää yleisimmät tuki- ja perustusrakennetyypit merituulivoimaloille 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).

Kuvassa esitetään eri rakenneratkaisujen käyttösyvyydet.
Monopile 10-60m
Tripod 25-50m
Jacket 50-80m
Tripile alle 50m
Maanvarainen 15-40m
Kelluva puomi yli 100m
Puolikelluva yli 40m
Kuva 4. Merituulivoimalan yleisimmät tuki- ja perustusrakennetyypit (de Vries, et al., 2011)

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 perustusmuodoista, rakenteen vakavuus perustuu suureen massaan. Asennuspaikan tulee olla tukeva, esimerkiksi peruskalliota, jonka päälle rakenne lasketaan. (Jiang, 2021) (The Empire Engineering, 2021)

Kuva 5. Maanvaraisen gravitaatioperustuksen havainnekuva (Greene, 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)

Yhdysvaltojen kartta, jossa näkyy rannikkoalueiden soveltuvuus kiinteille ja kelluville voimaloille. Itärannikolla voidaan käyttää kiinteitä rannikon läheisyydessä, mutta muuten vaaditaan kelluvia ratkaisuja.
Kuva 6. Merituulivoiman potentiaaliset alueet (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.

Kuva 7. Aikajana kelluviin tukirakenteisiin perustuvista prototyypeistä ja tuotannossa olevista voimalapuistoista (Edwards, et al., 2023)

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)

Kuva 8. Principle Powerin WindFloat puolikelluva tukirakenne (Diaz, Rodrigues, & Soares, 2016)

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.

Kuva 9. Turbiinien asennus Principle Powerin WindFloat alustalle Rotterdamissa (Kingcardine Offshore Wind Farm, 2024)
Kuva 10. Monopilen asennus merellä (Windpower Monthly, 2022)
Kuva 11. Turbiinien asennus merellä (Renewable Energy World, 2023)
Lähteet
  • Barzehkar, M.;Parnell, K.;Soomere, T.;& Koivisto, T. (2024). Offshore wind power plant site selection in the Baltic Sea. Noudettu osoitteesta Science Direct - Regional Studies in Marine Science: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352485524001026

  • Bilgili, M.;Yasar, A.;& Simsek, E. (Helmikuu 2011). Offshore wind power development in Europe and its comparison with onshore counterpart. Noudettu osoitteesta Science Direct: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032110003758

  • de Vries, W. E.;Matha, D.;Freiwald, B.;Vorpahl, F.;Vemula, N. K.;Passon, P.;. . . Kaufer, D. (2011). Project UpWind – Integrated Wind Turbine Final Report WP 4.2 Support Structure Concepts for Deep Water Sites. Delft University of Technology.

  • Edwards, E. C.;Holcombe, A.;Brown, S.;Ransley, E.;Hann, M.;& Greaves, D. (Syyskuu 2023). Evolution of floating offshore wind platforms: A review of at-sea devices. Noudettu osoitteesta Science Direct: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032123002733

  • EYSTRASALT OFFSHORE Kuulemisasiakirja. (19. 10 2021). Noudettu osoitteesta Ympäristöministeriö: https://ym.fi/documents/1410903/0/UUSI+SUOMENNOS+Eystrasalt_samradsunderlag_Kuulemisasiakirja_211019.pdf/9d4a5c17-625b-7a05-b940-9329d8237ec7/UUSI+SUOMENNOS+Eystrasalt_samradsunderlag_Kuulemisasiakirja_211019.pdf?t=1635784823766

  • Greene, M. (04. 01 2021). Comparing offshore wind turbine foundations. Noudettu osoitteesta Windpower Engineering & Development: https://www.windpowerengineering.com/comparing-offshore-wind-turbine-foundations/

  • Hyötytuuli. (30. 03 2024). Merituulivoima. Noudettu osoitteesta Hyötytuuli: https://hyotytuuli.fi/merituulivoima/

  • International Renewable Energy Agency. (14. 03 2024). Installed renewable electricity capacity (MW) by Region/country/area, Technology and Year. Noudettu osoitteesta IRENASTAT Online Data Query Tool: https://pxweb.irena.org/pxweb/en/IRENASTAT/IRENASTAT__Power%20Capacity%20and%20Generation/RECAP_2023_cycle2.px/

  • Jiang, Z. (04 2021). Installation of offshore wind turbines: A technical review. Noudettu osoitteesta Sciencedirect, Renewable and Sustainable Energy Reviews: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120308601#bib157

  • Kasper, D. (2024). Wind Energy and Power Calculations. Noudettu osoitteesta The Pennsylvania State University - John A. Dutton Institute: https://www.e-education.psu.edu/emsc297/node/649

  • Kingcardine Offshore Wind Farm. (31. 03 2024). Noudettu osoitteesta Principle Power: https://www.principlepower.com/projects/kincardine-offshore-wind-farm

  • Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. (06 2017). How Do Wind Turbines Survive Severe Storms? Noudettu osoitteesta Office of Energy Efficiency & Renewable Energy: https://www.energy.gov/eere/articles/how-do-wind-turbines-survive-severe-storms

  • Renewable Energy World. (9. 7 2023). Renewable Energy World. Noudettu osoitteesta Dominion Energy considers selling piece of Virginia offshore wind project: https://www.renewableenergyworld.com/wind-power/offshore/dominion-energy-considers-selling-piece-of-virginia-offshore-wind-project/#gref

  • The Empire Engineering. (2021). Guide to Offshore Wind Foundations. The Empire Engineering.

  • U.S. Department of Energy. (09 2022). Floating Offshore Wind ShotTM: Unlocking the. Noudettu osoitteesta U.S. Department of Energy: https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-09/floating-offshore-wind-shot-fact-sheet.pdf

  • Windpower Engineering. (2009). Can we Overcome the Betz Limit in Windpower Extraction? Noudettu osoitteesta Windpower Engineering & Development: https://www.windpowerengineering.com/can-we-overcome-the-betz-limit-in-windpower-extraction/

  • Windpower Monthly. (26. 07 2022). Windpower Monthly. Noudettu osoitteesta Deme Offshore installs 'largest ever offshore wind monopile foundations': https://www.windpowermonthly.com/article/1794112/deme-offshore-installs-largest-ever-offshore-wind-monopile-foundations

Aiheeseen liittyvää