BCDC Energia -tutkimusprojektissa pyritään pitkälle. Vastauksia haetaan tärkeään kysymykseen: miten ilmakehän jäätävät olosuhteet vaikuttavat tuulivoiman tuotantolukuihin?

Uusiutuvien ja säästä riippuvien energiamuotojen yleistyessä haasteet energiavarmuuden turvaamisen osalta kasvavat. Suomen pohjoinen sijainti luo omat haasteensa niin energiantuotannon, -tarpeen kuin -siirron osalta. Energian saanti on turvattava joka tilanteessa ja erityisesti talvikautena, jolloin myös energian tarve on suurimmillaan. Jotta hetkittäistä energian tuotantoa pystyttäisiin mahdollisimman tarkasti ennustamaan myös tilanteessa, jossa säästä riippuvat energialähteet muodostavat merkittävän osan kokonaistuotannosta, tarvitaan tuotannon tueksi uudentyyppisiä sääennusteita.

Talvikaudella jäätämisprosessit vaikuttavat sekä energiansiirtoon että tuulivoiman tuotantoon. Talviset olosuhteemme ovat haasteellisia alhaisen lämpötilan lisäksi myös lumen ja jään vuoksi. Tuulivoimalat ja sähkönsiirtolinjat ovat alttiita lumen- ja etenkin jäänkertymiselle. Voimalinjoissa huurrejää aiheuttaa koronailmiötä, jolloin johtimissa tapahtuu sähköpurkaus ja vapautuva energia menee hukkaan. Tuulivoimaloissa lapoihin kertynyt jää aiheuttaa puolestaan tehohäviöitä. Lavan pintaan kertynyt jää muuttaa lavan aerodynaamista muotoa, jolloin virtaus irtoaa lavan pinnasta eikä tuulesta saada täyttä tehoa talteen.

JÄÄTÄMISEN MALLINTAMINEN:
Mitkä tekijät vaikuttavat jäätäviin olosuhteisiin ilmakehässä?

Ilmatieteen laitoksella on jatkokehitetty jäätämismallia, jolla ennustetaan jään kertymää sylinterin muotoisen kappaleen pintaan. Alunperin tämä laskentamenetelmä on kehitetty voimalinjojen jään kertymän arviointia varten, mutta sitä on sittemmin sovellettu myös tuulivoimalan lapajään muodostumisen arviointiin. Tätä mallia on hyödynnetty mm. Suomen Jäätämisatlaksessa [Hämäläinen ja Niemelä (2016)], joka edustaa jäätämisen alueellisia ilmastollisia keskiarvoja. BCDC Energia -tutkimusprojektin puitteissa mallia on sittemmin kehitetty päivittäisten jäätämisennusteiden tekoa varten, ja se on kytketty yhteen HARMONIE säämallin kanssa, jolta se saa tarvitsemansa alkuarvot.

Jäätämisprosessiin vaikuttavat meteorologisista suureista lämpötila, tuulen nopeus, ilman suhteellinen kosteus sekä hydrometeorien olomuoto. Hydrometeoreilla tarkoitetaan ilmakehässä esiintyviä erikokoisia vesipisaroita ja jääkiteitä. HARMONIE säämalli pystyy ennustamaan viiden hydrometeoriluokan määrän ilmakehän eri korkeuksilla. Näihin kuuluvat pilvivesi ja -jää sekä satava vesi, lumi ja lumirakeet. Teräsjäätä aiheuttavat jäätävät sateet ovat Suomen ilmastossa kohtalaisen harvinaisia. Sen sijaan matalalla esiintyvien pilvien ja sumujen sisältämä nestemäinen vesi aiheuttaa talvikaudella päivittäin jäätäviä olosuhteita ympäri Suomen. Tämä niin kutsuttu huurrejää sekoitetaan usein ulkonäkönsä perusteella lumeen, vaikka sen syntytapa onkin lumesta poikkeava.

Huurrejäätä syntyy kun nestemäiset pilvipisarat kohtaavat kylmän pinnan. Pisaroiden oma sisäisen energian määrä on niin pieni, etteivät ne kylmän pinnan kohdatessaan kykene enää säilyttämään nestemäistä muotoaan vaan jäätyvät välittömästi. Kertyvän jään määrään vaikuttaa pisaroiden kokojakauma. Hyvin pienet pisarat ovat kevyitä ja pyrkivät noudattamaan ilmavirtauksen liikerataa, jolloin ne kiertävät kiinteän rakenteen. Vastaavasti isompien pisaroiden suurempi massa tekee niistä “kömpelöitä”, jolloin ne jatkavat liikerataansa suoraan eteenpäin ja osuvat kohteeseen pieniä pisaroita suuremmalla todennäköisyydellä. Pisaroiden kokojakauman lisäksi jään kertymään vaikuttaa myös pisaroiden lukumäärä tarkkailtavassa ilmatilavuudessa. Pilvipisaroiden lukumäärä yhdessä pisaroiden kokojakauman kanssa muodostaa pilven sisältämän kokonaisvesimäärän (LWC).

JÄÄTÄMISEN ENNUSTAMINEN:
Miten, missä ja milloin jäätäminen vaikuttaa tuulivoimatuotantoon?

Kuvassa 1 on esitetty säämalliin kytketyllä jäätämismallilla ennustettuja meteorologisia suureita Ilmatieteen laitoksen Puijon mittausasemalta. Kuvasta nähdään, että malli kerryttää jäätä kun lämpötila on pakkasella ja nestemäistä vettä on saatavilla. Toisaalta lämpötilan kohoaminen nollan asteen yläpuolelle sulattaa kertynyttä jäätä.

Kuva 1. Meteorologiset ennusteaikasarjat ylhäältä alaspäin: jään massa [kg] (vihreä), jään kertymä nopeus [g/h] (tummansininen), ilman nestemäinen vesisisältö [g/m3] (vaaleansininen), ilman lämpötila [ºC] (punainen) sekä tuulen nopeus [m/s] (violetti).

Jäätämismallilla voidaan mm. luoda tuulienergian tuotantoon suunnattua ”varoitustietoa”. Kuvassa 2 on esimerkki varoituskuvasta, jossa liikennevaloperiaatteella kerrotaan milloin ja millä tuulen nopeuksilla jäätäminen voi vaikuttaa negatiivisesti tuulivoimalan tehon tuottoon.

Kuva 2. Varoituskuva jäätävistä olosuhteista Puijon mittausasemalle 20.-22.3.2017. Yhtenäinen viiva esittää ennustettua tuulennopeutta oletetun tuuliturbiinin napakorkeudella ajan funktiona. Käyrän väri kuvaa jäätämisen voimakkuutta.

BCDC Energia -projektissa on tarkoitus viedä jäätämismallin hyödyntäminen pidemmälle aina tehohäviöiden arviointiin asti. Tarkoituksena on parantaa tuulienergian tuotantoennusteita talviolosuhteissa. Jään kertyminen tuulivoimalan lapaan heikentää tehon tuotantoa, eikä ideaalinen tehokäyrä pidä enää paikkaansa. Tehokäyrä kuvastaa kunkin voimalan kykyä muuttaa tuuli sähkötehoksi. Kuvassa 3 on esitetty teoreettinen tehokäyrä sekä sen lisäksi kolme eri heikennettyä tehokäyrää riippuen jään kertymän voimakkuudesta. Kuvasta nähdään, että samalla tuulen nopeudella saavutetaan heikompi tehon tuotto jo heti jäätävien olosuhteiden alettua. Tällöin tuuliturbiinin sileä lavan pinta muuttuu hieman karheaksi, santapaperin tyyppiseksi pinnaksi. BCDC-projektissa pyritäänkin vastaamaan kysymyksiin missä ja milloin jäätämistä esiintyy ja kuinka se vaikuttaa hetkittäisiin tuulivoiman tuotantolukuihin.

Kuva 3. Esimerkki tuulivoimalan tehokäyrästä.

Kirjallisuus:
Hämäläinen, K., and Niemelä, S. (2016) Production of a Numerical Icing Atlas for Finland. Wind Energ., 20: 171–189. doi: 10.1002/we.1998.

Kirjoittaja:

Karoliina Hämäläinen
tohtorikoulutettava
BCDC Sää -tiimi
Ilmatieteen laitos
karoliina.hamalainen(a)fmi.fi

Teksti luettavissa myös: Ilmatieteen laitoksen verkkosivuilla

Read also: Improving the solar production forecast

Lue myös Atmos-verkkolehdestä: Energia-alan murrokseen liittyviä monimutkaisia kysymyksiä ratkaistaan tutkimuksella 

Oulun yliopiston BCDC Energiablogi >>