Tuulivoimatuotannon alueellisen riippuvuuden arviointi
Nenonen, Aleksi (2023)
Nenonen, Aleksi
2023
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-02-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202301251765
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202301251765
Tiivistelmä
Tuulivoimalla tuotetun sähköenergian osuus Suomen kokonaissähköntuotannosta kasvaa jatkuvasti. Tuulivoiman tehontuotto kuitenkin vaihtelee huomattavasti, sillä se riippuu kuutiollisesti tuulennopeudesta. Koska puolestaan sähköverkoissa kulutetun ja tuotetun tehon tulee olla koko ajan tasapainossa, aiheuttaa jo lähtökohtaisesti tuulivoimalla tuotetun sähkön osuuden nousu haasteita Suomen kantaverkon tehotasapainon ylläpitoon ja säätöön. Tässä työssä tarkastellaan, kuinka paljon Suomeen rakenteilla olevan tuulivoimakapasiteetin tehontuotanto korreloi keskenään. Näin voidaan selvittää, kuinka suuria haasteita ja häiriövaikutuksia tuulivoimaloiden sijainnit toisiinsa nähden tulevat voimaloiden valmistuttua aiheuttamaan kantaverkon tehotasapainon ylläpitoon.
Työssä käytetään havaintoaineistona Ilmatieteen laitoksen havaintoasemien tuulennopeushavaintoja vuodelta 2021. Tutkittavat havaintoasemat on valittu asemaverkostosta rakenteilla olevien tuulivoimapuistojen sijaintitietojen perusteella. Tutkittavat alueet ovat eteläinen Pohjanmaa sekä Raahen, Oulujärven ja Kemin seudut. Tuulennopeushavainnot on approksimoitu 150 metrin korkeudelle ja korotettu 3. potenssiin tuulen sisältämän tehon arvioimiseksi keskimääräisen tuulivoimalan napakorkeudella. Tuulennopeushavaintojen tilastollinen analyysi toteutetaan ristikorrelaatiomenetelmällä noin vuorokauden mittaisille havaintojaksoille. Jaksot on valittu havaintoaineistosta siten, että tuulen suunta on pysynyt mahdollisimman vakiona. Tällaisina ajanjaksoina on oletettavissa suurimmat yhteneväisyydet tutkittavilla alueilla myös tuulennopeudessa sekä tuulivoimaloiden tuottamassa tehossa.
Työn tulosten perusteella tuulivoiman sähköverkkoon aiheuttamat häiriöt ovat sitä suurempia, mitä voimakkaammin tuulee. Tällaisissa säätilanteissa tuuli käyttäytyy usein laajoilla alueilla samankaltaisesti. Tuloksista on myös havaittavissa usein muutaman tunnin viive suurimman korrelaation arvossa riippuen voimaloiden tai alueiden maantieteellisestä etäisyydestä. Sen sijaan ristikorrelaation huippuarvoon etäisyydellä ei juuri ollut vaikutusta työssä tutkittavien alueiden välisillä, lyhyehköillä, etäisyyksillä – pidemmillä ja toisaalta lyhyillä välimatkoilla vaikutus on sen sijaan havaittavissa. Alhaisemmilla tuulennopeuksilla ristikorrelaation maksimiarvot olivat matalampia tarkoittaen, että myös Suomen kantaverkkoon aiheutuva häiriö on pienempi. Matalilla tuulennopeuksilla myös alueiden välisellä etäisyydellä on enemmän vaikutusta ristikorrelaation maksimiarvoon. Yhteenvetona voidaan todeta, että tuulivoimaloiden maantieteellinen sijoittaminen vaikuttaa Suomen kantaverkkoon aiheutuvien häiriöiden suuruuteen. Mitä laajemmalle alueelle voimalat voidaan sijoittaa, sitä vähemmän häiriöitä sähköverkkoon on odotettavissa. Koska tuulivoimakapasiteetin voimakas nousu jatkuu myös tulevaisuudessa, tarvitaan sähköntuotannon tasaamiseksi valtakunnallisia sähkön varastointiratkaisuja, kuten pumppuvoimaloita.
Työssä käytetään havaintoaineistona Ilmatieteen laitoksen havaintoasemien tuulennopeushavaintoja vuodelta 2021. Tutkittavat havaintoasemat on valittu asemaverkostosta rakenteilla olevien tuulivoimapuistojen sijaintitietojen perusteella. Tutkittavat alueet ovat eteläinen Pohjanmaa sekä Raahen, Oulujärven ja Kemin seudut. Tuulennopeushavainnot on approksimoitu 150 metrin korkeudelle ja korotettu 3. potenssiin tuulen sisältämän tehon arvioimiseksi keskimääräisen tuulivoimalan napakorkeudella. Tuulennopeushavaintojen tilastollinen analyysi toteutetaan ristikorrelaatiomenetelmällä noin vuorokauden mittaisille havaintojaksoille. Jaksot on valittu havaintoaineistosta siten, että tuulen suunta on pysynyt mahdollisimman vakiona. Tällaisina ajanjaksoina on oletettavissa suurimmat yhteneväisyydet tutkittavilla alueilla myös tuulennopeudessa sekä tuulivoimaloiden tuottamassa tehossa.
Työn tulosten perusteella tuulivoiman sähköverkkoon aiheuttamat häiriöt ovat sitä suurempia, mitä voimakkaammin tuulee. Tällaisissa säätilanteissa tuuli käyttäytyy usein laajoilla alueilla samankaltaisesti. Tuloksista on myös havaittavissa usein muutaman tunnin viive suurimman korrelaation arvossa riippuen voimaloiden tai alueiden maantieteellisestä etäisyydestä. Sen sijaan ristikorrelaation huippuarvoon etäisyydellä ei juuri ollut vaikutusta työssä tutkittavien alueiden välisillä, lyhyehköillä, etäisyyksillä – pidemmillä ja toisaalta lyhyillä välimatkoilla vaikutus on sen sijaan havaittavissa. Alhaisemmilla tuulennopeuksilla ristikorrelaation maksimiarvot olivat matalampia tarkoittaen, että myös Suomen kantaverkkoon aiheutuva häiriö on pienempi. Matalilla tuulennopeuksilla myös alueiden välisellä etäisyydellä on enemmän vaikutusta ristikorrelaation maksimiarvoon. Yhteenvetona voidaan todeta, että tuulivoimaloiden maantieteellinen sijoittaminen vaikuttaa Suomen kantaverkkoon aiheutuvien häiriöiden suuruuteen. Mitä laajemmalle alueelle voimalat voidaan sijoittaa, sitä vähemmän häiriöitä sähköverkkoon on odotettavissa. Koska tuulivoimakapasiteetin voimakas nousu jatkuu myös tulevaisuudessa, tarvitaan sähköntuotannon tasaamiseksi valtakunnallisia sähkön varastointiratkaisuja, kuten pumppuvoimaloita.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]