Miten tuulivoimalat kestävät merijään törmäykset? Vastaus voi selvitä maailman suurimmassa sisäjääaltaassa

Tällä hetkellä merituulipuistot sijaitsevat pääosin jäätymättömillä vesillä. Nyt Aalto-yliopiston, Delftin teknillisen yliopiston ja Siemens Gamesa Renewable Energyn tutkijat selvittävät, mitä 200 metrin korkuisille tuulivoimaloille tapahtuu hyisissä olosuhteissa, jotka vastaavat luonnonoloja Itämerellä, Pohjois-Amerikan Suurilla järvillä tai Kiinan Bohainlahdella.

”Emme oikeastaan tiedä, millaisia voimia ja paineita jää kohdistaa voimaloihin merellä”, sanoo Aalto-yliopiston jäämekaniikan apulaisprofessori Arttu Polojärvi.

”Asiaa ei ole ennen tutkittu täysin hallituissa mallimittakaavan laboratoriotutkimuksissa.”

40 metriä pitkä ja leveä sisäjääallas Aalto Ice Tank on yksi maailman harvoista paikoista, jossa tutkijat voivat tuottaa haluamansa kokoisia ja paksuisia jäälaattoja ja testata tarkasti, miten ne vaikuttavat ihmisen tekemiin rakenteisiin, kuten siltoihin, majakoihin – ja tuulivoimaloihin.

Jään törmätessä tuulivoimaloihin ne voivat alkaa värähdellä voimakkaasti. Tämä on yksi suurimmista haasteista voimaloiden pystyttämisessä jäisille vesille.

”Kokeemme ovat ainutlaatuisia, sillä olemme varmistaneet jään vahvuuden ja realistisen murtumisen toteuttamalla kokeet -11 celsiusasteen lämpötilassa”, kertoo jään ja rakenteiden vuorovaikutukseen erikoistunut apulaisprofessori Hayo Hendrikse Delftin teknillisestä yliopistosta.

16 lentokonemoottorin voima

Testaus suoritettiin mittakaavassa 1: 30 eli testatun rakenteen ja jään paksuus olivat 1/30 siitä, mitä ne olisivat luonnossa.

Tuulivoimalaan vaikuttavia merellisiä tuuliolosuhteita ja muita luonnonoloja simuloitiin kokeiden yhteydessä numeerisella mallinnuksella. Testattu jääkuormitus oli noin 8 meganewtonia, joka vastaa 16 maailman suurimman lentokonemoottorin yhdistettyä työntövoimaa.

”Alustavat tulokset antavat viitteitä ilmiöistä, joita ei ole aiemmin havaittu muun tyyppisissä rakenteissa, kuten majakoissa, väyläpoijuissa tai öljyn- ja kaasunporauslautoissa. Tuuliturbiinit ovat hyvin korkeita ja kapeita, ja ne voivat värähdellessään liikkua paljon. Havaintomme vaikuttavat täysin uudenlaiselta jään aiheuttamalta värähtelyltä”, Hendrikse sanoo.

Polojärvi uskoo, että tarkempi ymmärrys merijään aiheuttamista kuormista lisäisi uusiutuvan energian käyttöä ja nopeuttaisi vihreää siirtymää myös Suomessa.

”Monet merialueemme ovat muuten erinomaisia tuulivoiman tuotantoon, mutta voimaloiden jääkuormiin liittyvän tiedon vähyyden vuoksi rakentamisessa joudutaan pelaamaan varman päälle. Siksi merituulipuistot tulevat tällä hetkellä usein liian kalliiksi. Mallimittakaavan kokeet ja niihin liittyvä numeerinen mallinnus ovat erittäin tärkeitä menetelmiä tiedon lisäämiseksi.”

Merijää voi muodostua, liikkua, murtua, sulaa ja jäätyä uudelleen useita kertoja kylminä vuodenaikoina. Kun yhtälöön lisätään ilmaston lämpeneminen, jäämassojen käyttäytymistä on hyvin vaikea ennustaa. SHIVER-hankkeen tutkimusryhmä pyrkii nyt luomaan kerätyn datan pohjalta luotettavia numeerisia malleja testatakseen monenlaisia jääolosuhteita, joihin tuulivoimalat voivat joutua yli 50 vuoden elinkaarensa aikana. Data on avoimesti saatavilla ja julkaistaan Data-in-Brief-lehdessä.

Yhteyshenkilöt

Lisätietoja jään murtumisesta, ilmastonmuutoksesta johtuvista muutoksista jään käyttäytymisessä ja rakenteiden jääkuormissa ja Aalto Ice Tank -altaasta:

Arttu Polojärvi
Apulaisprofessori, jäämekaniikka
Konetekniikan laitos, Aalto-yliopisto
puh. 050 430 1682
arttu.polojarvi@aalto.fi

Lisätietoa jään aiheuttamasta värähtelystä merituulivoimaloissa ja artikkelissa kuvailluista kokeista:

Hayo Hendrikse
Apulaisprofessori, jään ja rakenteiden vuorovaikutus
Delftin teknologiayliopisto
puh. + 31 15 27 88223
h.hendrikse@tudelft.nl