Nykyinen tuuliturbiiniteknologia on tehotonta metsäalueilla

Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa (Lappeenranta University of Technology, LUT) tarkastettavan väitöskirjan mukaan metsät pienentävät tuuliturbiinien tuottaman tosiasiallisen sähkövoiman määrää. Tutkimuksen perusteella ongelma voidaan korjata säätämällä aktiivisesti tuuliturbiinin potkurinlapojen kohtauskulmaa.

Tutkimus osoittaa, että turbiinit tuottavat 20 prosenttia vähemmän tosiasiallista sähkövoimaa, jos turbiinit on sijoitettu metsäisille alueille. Tämä johtuu siitä, että tuuliolosuhteet metsän yläpuolella poikkeavat huomattavasti olosuhteista alueilla, joilla ei ole metsää. Erityisesti turbulenssi ja tuuliväänne ovat voimakkaita metsässä ja metsän yläpuolella verrattuna tasaisilla metsättömillä alueilla oleviin tuulivoimapuistoihin.

Nyt käytössä olevat tuuliturbiinit on suunniteltu viimeisimpien sähköalan kansainvälisen standardisointijärjestön International Electrotechnical Commissionin (IEC) määrittämien turvallisuusstandardien mukaisesti. Standardeissa annetaan maksimiarvot tuulen eri ominaisuuksille kuten tuuliväänteelle ja turbulenssin voimakkuudelle. Standardien maksimiarvot ovat kuitenkin paljon pienemmät kuin metsän yläpuolelta numeerisesti saadut arvot, ja myös kenttämittaukset vahvistavat tämän. Potkurin lapoihin tulevassa turbulentissa virtauksessa on myös vaihtelua. Tällä voi olla myös vaikutusta tuuliturbiinien väsymiseen ja se voi lyhentää niiden käyttöikää.

Lisäksi lavan kohtauskulma, eli lapaan tulevan ilmavirtauksen suunnan ja lavan välinen kulma, eroaa metsän yläpuolella ihanteellisesta kohtauskulmasta. Tutkimuksen mukaan ei-ihanteellinen kohtauskulma selittää voimantuotannon pienentymisen metsäisillä alueilla olevissa turbiineissa. Tutkimuksen mukaan kohtauskulmaa aktiivisesti säätämällä voimantuotannon tosiasiallista menetystä voidaan pienentää metsäisillä alueilla. Säätämällä aktiivisesti tuuliturbiinin potkurinlapojen kohtauskulmaa kulma saadaan ihanteelliseksi kaikissa tuuliolosuhteissa ja kaikilla käytössä olevilla lapaprofiileilla. Kohtauskulman säätöön kuluvan energian oletetaan olevan hyvin pieni verrattuna säädöllä saatavaan virrantuotannon kasvuun.

"Yli 70 prosenttia Suomen pinta-alasta on metsän peitossa, ja metsissä on jo tuuliturbiineita. Mutta metsäpinta-alan laajuuden johdosta on todennäköistä, että metsäalueille tullaan rakentamaan lisää tuuliturbiineita. Mutta kuten tutkimus osoittaa, tuuli käyttäytyy monimutkaisella tavalla metsissä. Tämän vuoksi tuulivoimapuistoihin investoivan yhtiön tulee ennen tuuliturbiinien asentamista tutkia metsän vaikutus turbiinien vanaan, väsymiseen ja voimantuotantoon", tutkimuksen tehnyt Oxana Agafonova toteaa.

Suomen energiantuotantoa ei ole pystytty kattamaan kotimaisella tuotannolla enää moneen vuoteen. Noin 20 prosenttia Suomen kokonaisenergiankulutuksesta on ollut tuontienergiaa. Suotuisista tuuliolosuhteista huolimatta tuulienenergian tuotanto Suomessa on pientä, noin kolme prosenttia energian kokonaiskysynnästä. Vuoden 2016 loppuun mennessä asennetun tuulivoiman kokonaiskapasiteetti oli 1 533 megawattia. Tuulivoiman tuotanto oli kuitenkin vain vähän yli kolme terawattituntia. Määrä on pieni ottaen huomioon tuulivoiman kokonaiskapasiteetin, mikä tarkoittaa sitä, että tuotannon tulisi olla noin 13,5 terawattituntia vuodessa edellyttäen, että kaikki turbiinit toimivat optimaalisesti vuorokauden ympäri 365 päivää vuodessa.

Oxana Agafonova puolustaa väitöskirjaansa LUT:ssä 21.7. alkaen klo. 12.00 huoneessa 2310. Hänen väitöskirjansa otsikko on "A numerical study of forest influences on the atmospheric boundary layer and wind turbines". Vastaväittäjänä toimii tohtori Antonio Segalini Ruotsin Kuninkaallisesta teknillisestä korkeakoulusta. Kustoksena toimii apulaisprofessori Antti Hellsten Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta.

Väitöskirja on julkaistu Acta Universitatis Lappeenrantaensis -tutkimussarjassa numerolla 757. ISBN 978-952-335-110-3, ISBN 978-952-335-111-0 (PDF), ISSN 1456-4491. Sähköinen versio on LUTPub-tietokannassa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-335-111-0. Väitöskirjan voi ostaa painettuna Aalef-kirjakaupasta, puh. +358 44 744 5511, tai tilata osoitteesta kirjakauppa@aalef.fi tai LUT-verkkokaupasta https://lutshop.lut.fi/

Väittelijä:

Nimi: Oxana Agafonova

Syntymävuosi ja -paikka: 1988, Pietari, Venäjän federaatio

Muut tutkinnot: Luonnontieteiden kandidaatti 2009, Pietarin valtion teknillinen yliopisto; luonnontieteiden maisteri 2011, Pietarin valtion teknillinen yliopisto, luonnontieteiden maisteri 2011, Lappeenrannan teknillinen yliopisto

Työhistoria: LUT, nuorempi tutkija, 2011-2017

Lisätietoja:

Oxana Agafonova, oxana.agafonova@lut.fi