SHIVER – Jäämallinnusta merituulivoimaloiden suunnitteluun

Aalto-yliopisto, Delftin teknillinen yliopisto ja Siemens Gamesa Renewable Energy kehittävät SHIVER-hankkeessa mallinnustekniikoita, joiden avulla voidaan suunnitella ja optimoida tuulivoimaloita, jotka ovat alttiita jään aiheuttamille värähtelyille. Värähtelyä pidetään yhtenä suurimmista haasteista jäissä toimiville tuulivoimaloille.

Ympäristöystävällisen ja kestävän energiatuotannon kysynnän kasvu ajaa tuulivoiman tuotantoa myös jäisille merialueille. Tuulivoiman taloudellinen toteuttaminen riippuu pitkälti sen rakentamiseen käytettävistä ratkaisuista.

"Olemme tutkineet jään ja meressä toimivien rakenteiden välistä vuorovaikutusta jo vuosia. Tutkimuskohteenamme ovat olleet hiilivetyjen poraamisessa käytetyt rakenteet ja jään aiheuttama värähtely niissä.  Tästä aiheesta on tullut viime aikoina hyvin tärkeä merituulivoimaloiden rakenteiden suunnittelussa jääolosuhteita varten", kertoo Delftin teknillisen yliopiston professori Hayo Hendrikse.

"Tavoitteenamme on kehittää simulaatiomalli, jolla lasketaan epälineaarisessa jään ja rakenteen välisessä vuorovaikutuksessa syntyviä jääkuormia. Aiheeseen liittyy vielä monta avointa kysymystä jäämekaniikan näkökulmasta; emme vielä täysin tiedä, mitä jään ja rakenteen rajapinnassa tapahtuu prosessin aikana. Tutkimme ensimmäistä kertaa merituulivoimalan pienoismallia laboratoriomittakaavan kokeessa", hän jatkaa.

Mallikokeet toteutetaan Aalto Ice Tankissa

"Täyden mittakaavan kokeet olisivat kalliita ja vaikeita toteuttaa. Aalto-yliopistolla on ainutlaatuinen tutkimusinfra tällaisia kokeita varten; suuri, neliön muotoinen koeallas, johon voidaan tuottaa jääpeite ja jonka avulla voidaan testata jääkuormien vaikutusta mallikoon rakenteisiin. Allas on kansainvälisessä SHIVER-yhteistyöhankkeessa avainasemassa", kertoo jäämekaniikan apulaisprofessori Arttu Polojärvi meritekniikan ja arktisen tekniikan tutkimusryhmästä.

"Panostamme numeeriseen jäämekaniikkaan, sillä jääkuormien taustalla on monimutkainen jään ja rakenteen välinen vuorovaikutusprosessi. Simulaatiot tuottavat yksityiskohtaisia havaintoja, mutta ne täytyy aina validoida vertaamalla tuloksia kokeelliseen dataan. Aalto Ice Tank on tähän ihanteellinen alusta", hän lisää.

"SHIVER-yhteistyö on meille tärkeää, sillä voimme yhdistää voimamme Delftin teknillisen yliopiston ja Siemens Gamesan kanssa kehittääksemme pohjaa kestävälle ja taloudellisesti kannattavalle kylmän ympäristön merituulivoimalle", Polojärvi muistuttaa.

"Olemme tehneet tutkimusyhteistyötä Delftin teknillisen yliopiston kanssa jo kauan. Yhteisistä tutkimushankkeista saamiemme tulosten avulla voimme hyödyntää suunnittelutyössä huipputason menetelmiä ja toimintatapoja. Osallistumme SHIVER-hankkeeseen paikataksemme tiedoissamme olevia aukkoja, jotka koskevat merituulivoimaloihin kohdistuviin merijään aiheuttamiin dynaamisiin kuormiin. Siten voimme kehittää taloudellisempia rakenteita tulevaisuuden tuulivoimaloille, joita voidaan rakentaa esimerkiksi Itämerelle", kertoo Tom Willems Siemens Gamesalta.

SHIVER - An advanced ice model for application in design of offshore wind turbines susceptible to ice-induced vibrations based on model-scale experiments
Kesto: 2019–2024
Kumppanit: Delftin teknillinen yliopisto, Siemens Gamesa Renewable Energy, Aalto-yliopisto
Rahoitus: TKI Wind op Zee

Aalto Ice Tank  pinta-alaltaan 40 x 40 metriä kokoinen monikäyttöallas, jossa testataan laivoja ja muita merirakenteita jäisissä olosuhteissa. Kokonsa ja erityisesti leveytensä ansiosta allas on ainutlaatuinen Euroopassa. Tyypillisiä altaassa tehtäviä kokeita ovat laivojen vastuksen, työntövoiman ja liikkeiden testit jäässä, jääkuormituksen testit merirakenteissa ja jääröykkiöiden kaltaisten luonnollisten jäämuodostelmien mallinnus. Allasta voidaan käyttää laajasti myös muiden merijäähän liittyvien fysikaalisten ilmiöiden – esimerkiksi jään murtumisen – tutkimiseen ja numeeristen mallien täsmälliseen vahvistamiseen.