Abstract. In a constantly changing world, where environmental issues are discussed more and more, the share and impact of renewable energy production methods are continuously rising. One such promising production method is wind power. The capacity of wind power has increased tremendously in the past few decades due to technological developments. Administrative factors, like the required use of renewable methods in power production have also contributed to the necessity of wind power. Unlike most of conventional power production methods, usage of wind power avoids the release of a lot of emissions, for example carbon dioxide. Wind power is produced by machines called wind turbines, that are usually massive devices. Construction of wind turbines use a lot of materials, most of which are metals. Wind turbines aim at converting some of the kinetic energy of the wind into electricity. Wind turbines can be found in many different variants. One major division in wind turbines is between onshore and offshore wind turbines. Both production methods pose challenges of their own now, and in the future. Challenges revolve mainly around the price of wind turbines, and the unpredictability of wind. The unpredictability of the wind forces the inclusion of reserve backup power in power systems, which increases the expenses even more. The electricity production criteria are also constantly growing, which puts new challenges on wind power.
This bachelor’s thesis presents as a literature review the typical wind power production methods from technological, economical, and environmental perspective. The aim of the thesis is to compare different wind turbine models to each other, and to find out the strengths, weaknesses, and economic profitability of different turbines. Comparison is also done in relation to some differing production methods from specific points of view. The ability of wind power to respond to the demands set on it is also assessed from economic and performance perspectives. The thesis presents the principle, main components and structure of wind turbines. The problems, limitations, and future prospects and developments faced by wind power are introduced. In addition to onshore and offshore wind turbines, the turbines are exhibited by their type of axis and rotational speed. Also, the principle of some of unique wind turbine designs are addressed. The suitability of wind power in different environments and climates, like in urban environment, cold climates and arid areas are presented and considered. Recyclability and life cycle of wind turbines are assessed, alongside the emissions generated in wind turbine manufacturing. The thesis showcases the use of wind farms as an answer to the high requirement demands of electricity. Problems faced by wind power are also presented alongside future prospects. Likewise, the positive and negative environmental impacts of wind power are processed.
In the conclusions of the thesis, the use of wind power as a tool in decreasing emissions to the atmosphere, capabilities in rising to a significant electricity production method all over the globe, and the applicability of wind power in different environments are assessed. The abilities of offshore wind farms in replacing large polluting power plants, utilization of water areas, and the accomplishment of additional positive environmental impacts are evaluated. Also, the possibilities of increasing the profitability of wind power through designing, extensive spreading of wind power, and expansion of recycling are considered.Tuulivoiman taloudellisuus maalla ja merellä. Tiivistelmä. Jatkuvasti muuttuvassa maailmassa, missä ilmastoasioista keskustellaan alati enemmän, uusiutuvien energiantuotantomuotojen määrä ja merkittävyys kasvaa tauotta. Yksi tällaisista lupaavista tuotantomuodoista on tuulivoima. Tuulivoiman määrä on lisääntynyt suuresti viimeisten vuosikymmenten aikana teknologian kehittyessä. Myöskin hallinnolliset tekijät, kuten vaatimus uusiutuvien tuotantomuotojen käytöstä, ovat lisänneet tuulivoiman tarpeellisuutta. Tuulivoimaa käyttämällä voidaan välttää esimerkiksi hiilidioksidipäästöjä, jotka vaivaavat useimpia perinteisiä energiantuotantomuotoja. Tuulivoimaa tuotetaan tuuliturbiineilla, jotka ovat yleensä massiivisia laitteita, joiden rakentamiseen käytetään paljon materiaaleja, joista suurin osa on metalleja. Tuuliturbiineilla pyritään muuttamaan osa tuulen sisältämästä liike-energiasta sähköksi. Tuuliturbiinit voivat esiintyä useanlaisissa muodoissa. Yksi suuri jaottelu on maa- ja merituuliturbiinien välillä. Kummallakin tuotantomenetelmällä on omat haasteensa nyt, ja tulevaisuudessa. Ongelmat liittyvät pääasiassa tuuliturbiinien hintaan, sekä tuulen ennalta-arvaamattomuuteen. Tuulen ennalta-arvaamattomuus pakottaa sisällyttämään varalähteitä energiajärjestelmiin, mikä lisää kustannuksia entisestään. Myös sähköntuotantokriteerit kasvavat jatkuvasti, mikä asettaa uusia haasteita tuulivoimalle.
Tämä kandidaatintyö esittelee kirjallisuuskatsauksena tyypillisimmät tuulivoiman tuotantomuodot teknologisesta, taloudellisesta, sekä ympäristöllisestä näkökannasta. Työn tarkoituksena on vertailla eri tuuliturbiinimuotoja keskenään ja selvittää turbiinien vahvuuksia, heikkouksia, sekä taloudellista kannattavuutta. Vertailua suoritetaan myös suhteessa joihinkin eriäviin sähköntuotantomuotoihin tietyistä näkökulmista. Lisäksi arvioidaan, kuinka hyvin tuulivoima kykenee vastaamaan sille asetettuihin vaatimuksiin, niin hinnan kuin suorituskyvynkin kannalta. Työssä esitellään tuuliturbiinien periaatteet, pääosat ja rakenteet. Myöskin tuulivoiman kohtaamiin ongelmiin, rajoituksiin ja tulevaisuuden näkymiin ja kehityksiin perehdytään. Meri- ja maatuuliturbiinien lisäksi turbiinit esitellään niiden akselien ja käyntinopeuden perusteella. Lisäksi joidenkin ainutlaatuisten tuuliturbiinimallien toimintaperiaatteita käsitellään. Tuulivoiman soveltuvuutta erilaisissa ympäristöissä ja ilmastoissa, kuten kaupunkiympäristöissä, kylmissä olosuhteissa ja kuivilla alueilla esitellään ja pohditaan. Tuulivoimaloiden kierrätettävyyttä ja elinkaarta, sekä valmistuksessa syntyviä päästöjä arvioidaan. Työssä esitellään tuulivoimapuistojen käyttämistä vastauksena korkeisiin sähköntuotantovaatimuksiin. Samoin käydään läpi tuulivoiman aiheuttamat positiiviset, sekä negatiiviset ympäristövaikutukset.
Työn loppupäätelmissä määritellään ja arvioidaan tuulivoiman käytettävyyttä työkaluna ilmastopäästöjen vähentämiseksi, potentiaalia nousta merkittäväksi sähköntuotantomuodoksi joka puolella maapalloa, sekä soveltuvuutta eri ympäristöihin. Merituulivoimapuistojen kykyjä suurien saastuttavien tuotantolaitoksien korvaamiseksi, vesialueiden hyödyntämiseksi, sekä positiivisten lisäympäristövaikutuksien aikaansaamiseksi arvioidaan. Lisäksi pohditaan, kuinka tuulivoiman kannattavuutta voitaisiin lisätä suunnittelulla, tuulivoiman laajalla levittämisellä ja kierrätyksen määrän kasvattamisella
