Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa

Hannele Holttinen, Seppo Liukkonen, Karl-Johan Furustam, Mauri Määttänen, Erkki Haapanen, Esa Holttinen

Research output: Book/ReportReport

2 Citations (Scopus)

Abstract

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.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages131
ISBN (Print)951-38-5001-3
Publication statusPublished - 1998
MoE publication typeD4 Published development or research report or study

Publication series

SeriesVTT Julkaisuja - Publikationer
Number828
ISSN1235-0613

Fingerprint

Gulf of Bothnia
wind power
ice

Keywords

  • electric power generation
  • wind energy
  • windmills
  • wind power generation
  • coasts

Cite this

Holttinen, H., Liukkonen, S., Furustam, K-J., Määttänen, M., Haapanen, E., & Holttinen, E. (1998). Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Julkaisuja - Publikationer, No. 828
Holttinen, Hannele ; Liukkonen, Seppo ; Furustam, Karl-Johan ; Määttänen, Mauri ; Haapanen, Erkki ; Holttinen, Esa. / Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1998. 131 p. (VTT Julkaisuja - Publikationer; No. 828).
@book{07347f0f7df84cac8f89347e81383bbf,
title = "Offshore-tuulivoima Per{\"a}meren j{\"a}{\"a}olosuhteissa",
abstract = "Tuulivoiman laajamittainen potentiaali on merell{\"a}, miss{\"a} tuuliolosuhteet ovat rannikkoa paremmat ja alueiden k{\"a}ytt{\"o}rajoitukset lievemm{\"a}t. Merelle rakennettaessa tulee kuitenkin huomattavia lis{\"a}kustannuksia varsinkin perustuksista ja merikaapelista. T{\"a}ss{\"a} raportissa luodaan katsaus offshore- eli merituulivoimaan Euroopassa, erityisesti toteutettujen ja suunniteltujen hankkeiden perustustekniikoihin ja kustannuksiin. Suomessa merituulivoimaa tarkastellaan Per{\"a}meren matalikoiden kannalta. Per{\"a}meren alueella on laajoja matalikoita, jotka soveltuvat tuulivoiman tuottamiseen. Merkitt{\"a}v{\"a}n ongelman muodostavat j{\"a}iden aiheuttamat kuormat, jotka rasittavat perustuksia ja voimalaitosta. T{\"a}ss{\"a} raportissa Per{\"a}meren j{\"a}{\"a}oloja ja j{\"a}{\"a}kuormia tarkastellaan laajasti merituulivoimaloiden suunnittelun taustatiedoiksi. J{\"a}{\"a}lle sopivat lujuusarvot ja j{\"a}{\"a}n aiheuttamat staattiset ja dynaamiset kuormitustapaukset ja niiden laskenta k{\"a}yd{\"a}{\"a}n l{\"a}pi. Merkitt{\"a}vin kuormitus syntyy j{\"a}{\"a}n murtuessa rakennetta vasten. Kartion muotoiselle rakenteelle kuorma putoaa jopa kolmannekseen ja my{\"o}s dynaamiset rasitukset pienenev{\"a}t huomattavasti. Megawattiluokan tuulivoimaloiden sijoittamiselle suositellaan paikkoja, joilla liikkuvien j{\"a}iden paksuus on alle 40 cm. Lis{\"a}ksi tuulivoimalaan suositellaan rakennettavaksi j{\"a}{\"a}kartio vesirajaan, jolloin j{\"a}{\"a}kuormat j{\"a}{\"a}v{\"a}t alle 1 MN tasolle. Merituulivoiman tekninen potentiaali Suomen Per{\"a}meren matalikoilla, Vaasasta Tornioon, on yli 40 TWh/a, kun vaaditaan 7 m/s keskituulennopeus, alle 10 m veden syvyys ja liikkuvien j{\"a}iden maksimipaksuus 40 cm. Potentiaali on laskettu t{\"a}ytt{\"a}m{\"a}ll{\"a} kaikki yll{\"a} olevat ehdot t{\"a}ytt{\"a}v{\"a}t alueet tuulivoimalaitoksilla (l{\"a}hes 2 000 km2, yli 11 000 voimalaa, vajaat 17 000 MW). K{\"a}yt{\"a}nn{\"o}ss{\"a} toteutuskelpoisia alueista on vain osa, kun otetaan huomioon alueiden k{\"a}yt{\"o}n rajoitukset (mm. merenkulku, luonnonsuojelu ja puolustusvoimat). Merituulivoimalaitosten perustusten materiaaleissa ja pintak{\"a}sittelyiss{\"a} on kiinnitett{\"a}v{\"a} huomio ter{\"a}ksen korroosion ja betonin huokosveden j{\"a}{\"a}tymisen estoon sek{\"a} pohjan eroosioon. Kulkutiet tuulivoimalaitokseen on teht{\"a}v{\"a} siten, ett{\"a} sinne nousu on mahdollista sek{\"a} kohtuullisessa aallokossa ett{\"a} talvella j{\"a}iden aikaan. Mitoituksen tulee ottaa huomioon sek{\"a} paikalliset korkeat j{\"a}{\"a}paineet ett{\"a} laajalta alalta kertyv{\"a}t kokonaisj{\"a}{\"a}kuormat niin staattisina kuin dynaamisina. Aaltokuormien laskennassa on huomioitava aaltojen taajuussis{\"a}lt{\"o} sek{\"a} aallon iskut rakenteeseen ja se, kuinka korkealle p{\"a}rskeet nousevat. Erisyvyiset vedet vaativat erilaisia perustus- ja pystytystekniikoita. Raportissa tarkastellaan l{\"a}hemmin elementeist{\"a} rakennettua kasuuniperustusta erisyvyisiin vesiin. Pystytysvaihtoehdoista tarkastellaan l{\"a}hemmin voimalan ja perustuksen uittoa, ja niille tehd{\"a}{\"a}n 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, ett{\"a} merituulivoima on viel{\"a} selv{\"a}sti 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. T{\"a}ll{\"a} hetkell{\"a} 1,5 MW voimalaitoksia on kaupallisesti saatavilla, ja nimenomaan merituulivoimaa ajatellen on aloitettu 2-3 MW laitosten suunnittelu. Perustustekniikoiden kehittyess{\"a} ja suuria yksik{\"o}it{\"a} rakennettaessa on merituulivoimalla.",
keywords = "electric power generation, wind energy, windmills, wind power generation, coasts",
author = "Hannele Holttinen and Seppo Liukkonen and Karl-Johan Furustam and Mauri M{\"a}{\"a}tt{\"a}nen and Erkki Haapanen and Esa Holttinen",
year = "1998",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-5001-3",
series = "VTT Julkaisuja - Publikationer",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "828",
address = "Finland",

}

Holttinen, H, Liukkonen, S, Furustam, K-J, Määttänen, M, Haapanen, E & Holttinen, E 1998, Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa. VTT Julkaisuja - Publikationer, no. 828, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa. / Holttinen, Hannele; Liukkonen, Seppo; Furustam, Karl-Johan; Määttänen, Mauri; Haapanen, Erkki; Holttinen, Esa.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1998. 131 p. (VTT Julkaisuja - Publikationer; No. 828).

Research output: Book/ReportReport

TY - BOOK

T1 - Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa

AU - Holttinen, Hannele

AU - Liukkonen, Seppo

AU - Furustam, Karl-Johan

AU - Määttänen, Mauri

AU - Haapanen, Erkki

AU - Holttinen, Esa

PY - 1998

Y1 - 1998

N2 - 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.

AB - 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.

KW - electric power generation

KW - wind energy

KW - windmills

KW - wind power generation

KW - coasts

M3 - Report

SN - 951-38-5001-3

T3 - VTT Julkaisuja - Publikationer

BT - Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Holttinen H, Liukkonen S, Furustam K-J, Määttänen M, Haapanen E, Holttinen E. Offshore-tuulivoima Perämeren jääolosuhteissa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 1998. 131 p. (VTT Julkaisuja - Publikationer; No. 828).