Vanhan perimätiedon mukaan Suomessa ei talvella juurikaan tuule – Väitöstutkimuksen mukaan talvikausi on tuulten osalta kesää suotuisampi

Ilmatieteen laitoksen tutkija Karoliina Hämäläinen keskittyi väitöstyössään kehittämään meteorologisia sovelluksia, joilla voidaan tukea tuulivoimaa Suomessa. Väitöstyössä kartoitettiin tuulivoimalle suotuisia olosuhteita ja tutkittiin uudentyyppisten havaintomenetelmien käyttöä tuuli- ja jäätämisennusteiden parantamisessa, kerrotaan Ilmatieteen laitoksen tiedotteessa.

Talotekniikka-lehti

Vanhan perimätiedon mukaan Suomessa ei talvella juurikaan tuule. Tämä pitää paikkaansa kylminä pakkaspäivinä katutason korkeudella, mutta korkeammalla ilmakehässä niin sanotun inversion yläpuolella ilma pääsee virtaamaan vapaasti. Väitöstutkimus osoittaakin, että talvikausi soveltuu tuulivoiman tuotantoon.

– Saadut tulokset osoittavat, että tuulivoiman kannalta talvikausi on tuulten osalta kesää suotuisampi, sanoo tutkija Karoliina Hämäläinen tiedotteessa.

Väitöstyössä hyödynnettiin numeerisia säämalleja ja mallinnettiin niillä Suomen tuuli-ilmastoa. Säämallinnuksen tulosten pohjalta voitiin laskea kuukausittaiset ja vuotuinen keskiarvo tuulelle nykyilmastossa.

Hämäläisen väitöstutkimus täydentää Suomen tuuliatlasta, joka on tärkeä apuväline arvioitaessa mahdollisuuksia tuottaa tuulen avulla sähköä. Tuuliatlas kuvaa pitkän ajan keskimääräisiä tuuliolosuhteita ja sen avulla voidaan arvioida tuulienergialle soveltuvia tuulioloja Suomessa. Tuuliatlaksessa on myös pyritty kartoittamaan tuulivoimalle suotuisimmat paikkakunnat, mikä auttaa päättäjiä ja kuntia esimerkiksi maankäytön ja kaavoituksen suunnittelussa.

Jäätävät olosuhteet voivat heikentää tuulivoimalan tuotantotehoa

Suomen pohjoinen sijainti aiheuttaa kuitenkin omat haasteensa tuulivoiman tuotannolle. Matalalla roikkuvien pilvien sisältämät nestemäiset pilvipisarat jäätyvät osuessaan tuulivoimalan turbiinin kylmiin lapoihin. Turbiinin lapoihin kertynyt ohuen ohut jääkerros heikentää lavan aerodynaamisia ominaisuuksia ja aiheuttaa energiantuotantoon tehohäviöitä.

– Jo santapaperia muistuttava pieni karheus tuuliturbiinin lavan pinnassa saattaa aiheuttaa 15–20 prosentin tehohäviöitä, Hämäläinen kertoo tiedotteessa.

Tästä syystä tuuliatlasta täydennettiin jälkikäteen jäätämisatlaksella. Tieto tukee tuulivoimahankkeen suunnittelijoita, kun tehdään investointipäätöksiä ja esimerkiksi mietitään, olisiko syytä asentaa turbiineihin lapalämmitys tai muita jäänestojärjestelmiä.

Uudentyyppiset havainnot tarkentavat tuuliennusteita ja jäätävien olosuhteiden ennakointia

Tuulivoimalan päivittäinen operointi kaipaa tuekseen tarkkoja tuuliennusteita. Väitöstutkimuksessaan Hämäläinen selvitti, miten tuulen todennäköisyysennusteita pystyttäisiin tarkentamaan hyödyntämällä tilastollisia korjausmenetelmiä. Tässä niin sanotussa kalibroinnissa vanhoja säämalliajoja yhdistetään tuulihavaintoihin ja etsitään sekä korjataan tuuliennusteesta säännönmukaisia virheitä.

Tuulivoiman kannalta tärkeiltä korkeuksilta ilmakehästä on kuitenkin tarjolla vain vähän perinteisiä mastomittauksena tehtäviä tuulihavaintoja. Väitöstutkimuksessa haluttiin kokeilla, voitaisiinko uudentyyppisiä sää- tai lidar-tutkalla tuotettuja tuulihavaintoja hyödyntää tuuliennusteiden kalibroinnissa.

Tulokset osoittavat, että uusia havaintomenetelmiä hyödyntäen kalibrointimenetelmä pystyy parantamaan tuuliennustetta etenkin heikon, kohtalaisen ja navakan tuulen osalta. Kovien ja myrskytuulien osalta ei voitu osoittaa, että menetelmä parantaisi ennustetta – osittain siitä syystä, että voimakastuulisia säätilanteita ei osunut riittävästi tutkitulle ajanjaksolle.

• lista
• lista
• lista
• lista
• lista

Myös jäätämisen havainnointi tuottaa haasteita perinteisin menetelmin. Toisinaan jäätäminen voi olla niin voimakasta, että mastossa sijaitsevat mittalaitteet jäätyvät umpeen. Lisäksi jäätämistä mitataan pääasiassa vain lentoasemien kiitoratojen tuntumassa, mikä ei vastaa tuulivoiman tarpeita.

Toinen väitöstutkimuksessa hyödynnetty uusi havaintomenetelmä oli ceilometri, eli optinen pilvenkorkeusmittari. Se antaa tietoa pilven alarajan korkeudesta ja rakenteesta, mikä yhdessä lämpötilan kanssa voidaan muuttaa jäätämishavainnoksi.

Uusi havaintomenetelmä osoittautui hyvin lupaavaksi etenkin havaintoverkon kattavuuden osalta (24 asemaa). Tutkimustulosten pohjalta voidaan todeta, että jäätämisennusteen suurimmat virheet johtuvat numeerisesta sääennustemallista saadusta alkutiedosta, eli jäätävän pilven paikallisesta ja ajallisesta osuvuudesta.

– Nämä uudet havaintomenetelmät tukevat hienosti säämallin kehitystyötä jatkossa. Työtä riittää vielä väitöskirjan jälkeenkin, toteaa Hämäläinen tiedotteessa.

Väitöskirja tarkastetaan 12.11.2021 Helsingissä

FM Karoliina Hämäläinen väittelee 12.11.2021 kello 12 Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa aiheesta ”Meteorological Solutions to Support Wind Energy Production in Finland” (Meteorologiset sovellutukset tuulivoiman tukemiseksi Suomessa).

Väitöstilaisuus järjestetään Kumpulan kampuksen Exactum-rakennuksessa (Pietari Kalmin katu 5, Helsinki), salissa CK112. Tilaisuutta voi seurata etänä Zoomissa.

Vastaväittäjänä on professori Stefan Ivanell (Uppsalan yliopisto), ja kustoksena toimii professori Heikki Järvinen (Helsingin yliopisto).