Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa

Tuulivoiman laajamittainen potentiaali on merellä, missä tuuliolosuhteet ovat rannikkoa paremmat ja alueiden käyttörajoitukset lievemmät. Merelle rakennettaessa tulee kuitenkin huomattavia lisäkustannuksia varsinkin perustuksista ja merikaapelista. Tässä raportissa luodaan katsaus offshore- eli merituulivoimaan Euroopassa, erityisesti toteutettujen ja suunniteltujen hankkeiden perustustekniikoihin ja kustannuksiin. Suomessa merituulivoimaa tarkastellaan Perämeren matalikoiden kannalta. Perämeren alueella on laajoja matalikoita, jotka soveltuvat tuulivoiman tuottamiseen. Merkittävän ongelman muodostavat jäiden aiheuttamat kuormat, jotka rasittavat perustuksia ja voimalaitosta. Tässä raportissa Perämeren jääoloja ja jääkuormia tarkastellaan laajasti merituulivoimaloiden suunnittelun taustatiedoiksi. Jäälle sopivat lujuusarvot ja jään aiheuttamat staattiset ja dynaamiset kuormitustapaukset ja niiden laskenta käydään läpi. Merkittävin kuormitus syntyy jään murtuessa rakennetta vasten. Kartion muotoiselle rakenteelle kuorma putoaa jopa kolmannekseen ja myös dynaamiset rasitukset pienenevät huomattavasti. Megawattiluokan tuulivoimaloiden sijoittamiselle suositellaan paikkoja, joilla liikkuvien jäiden paksuus on alle 40 cm. Lisäksi tuulivoimalaan suositellaan rakennettavaksi jääkartio vesirajaan, jolloin jääkuormat jäävät alle 1 MN tasolle. Merituulivoiman tekninen potentiaali Suomen Perämeren matalikoilla, Vaasasta Tornioon, on yli 40 TWh/a, kun vaaditaan 7 m/s keskituulennopeus, alle 10 m veden syvyys ja liikkuvien jäiden maksimipaksuus 40 cm. Potentiaali on laskettu täyttämällä kaikki yllä olevat ehdot täyttävät alueet tuulivoimalaitoksilla (lähes 2 000 km2, yli 11 000 voimalaa, vajaat 17 000 MW). Käytännössä toteutuskelpoisia alueista on vain osa, kun otetaan huomioon alueiden käytön rajoitukset (mm. merenkulku, luonnonsuojelu ja puolustusvoimat). Merituulivoimalaitosten perustusten materiaaleissa ja pintakäsittelyissä on kiinnitettävä huomio teräksen korroosion ja betonin huokosveden jäätymisen estoon sekä pohjan eroosioon. Kulkutiet tuulivoimalaitokseen on tehtävä siten, että sinne nousu on mahdollista sekä kohtuullisessa aallokossa että talvella jäiden aikaan. Mitoituksen tulee ottaa huomioon sekä paikalliset korkeat jääpaineet että laajalta alalta kertyvät kokonaisjääkuormat niin staattisina kuin dynaamisina. Aaltokuormien laskennassa on huomioitava aaltojen taajuussisältö sekä aallon iskut rakenteeseen ja se, kuinka korkealle pärskeet nousevat. Erisyvyiset vedet vaativat erilaisia perustus- ja pystytystekniikoita. Raportissa tarkastellaan lähemmin elementeistä rakennettua kasuuniperustusta erisyvyisiin vesiin. Pystytysvaihtoehdoista tarkastellaan lähemmin voimalan ja perustuksen uittoa, ja niille tehdään alustavat vakavuustarkastelut. Yhden megawattiluokan tuulivoimalan perustuksen kustannukset asennuksineen alle 10 m syvyiseen veteen ovat arviolta 1,5-2,5 miljoonaa markkaa. 10 laitoksen merituulipuistolle tehdyt alustavat kustannusarviot osoittavat, että merituulivoima on vielä selvästi maalle rakennettavaa kalliimpaa, 33-35 p/kWh verrattuna 26 p:iin/kWh. Rakennettaessa suuria merituulipuistoja kustannukset tuotettua kWh kohti putoavat. Esimerkiksi Tanskassa vuosituhannen vaihteessa rakennettavien merituulipuistojen (100 tuulivoimalaa, 150 MW) tuotantokustannuksiksi arvioidaan noin 30 p/kWh (maalle rakennettaessa noin 20 p/kWh). Tuulivoimalaitoskoko on 10 viime vuoden aikana kasvanut sadan kilowatin kokoluokasta megawattiluokkaan. Tällä hetkellä 1,5 MW voimalaitoksia on kaupallisesti saatavilla, ja nimenomaan merituulivoimaa ajatellen on aloitettu 2-3 MW laitosten suunnittelu. Perustustekniikoiden kehittyessä ja suuria yksiköitä rakennettaessa on merituulivoimalla.