Abstract. The global energy sector has begun a transition towards cleaner energy production due to comprehensive climate targets set by nations. Wind power is one of the low-emission and renewable forms of energy as its only fuel is the motion of air — the wind. The use of wind power is expected to increase significantly in the next decades, posing a strong demand for solutions addressing the challenges of wind power in non-conventional sites such as cold climates. Icing and cold environments can adversely affect wind power operation in multiple ways. This sets a requirement for research on the matter in order to assure safety and efficiency of wind power units in these areas.
This thesis aims to present the impact of icing on wind power production. Both the effects of icing and solutions for preventing or reducing icing risks are examined. The operating principle of a wind turbine is studied to form an understanding of wind power technology. The current and future status of wind power in Finland and Scandinavian countries is also presented as their cold weathers, occurring particularly during wintertime, can impact local wind power production. These research questions are addressed through a literature review. In addition to icing issues, low temperature challenges and adaptations are assessed to provide an overview of wind power projects in cold climates. The main types of wind turbines, the concept of wind farms, and siting of wind power units are also introduced. The topic is approached by dividing wind power into onshore and offshore technologies.
The conclusions of the thesis indicate that wind turbines and other site infrastructure can be notably affected by icing and low temperatures. Typical consequences are power losses, detrition of turbine structure, and safety risks caused by ice throw. Icing risks can be mitigated with commercially available ice protection systems and cold climate packages. The share of wind power in the electricity supply of Nordic countries is expected to increase notably towards 2030. In the discussion section of the thesis it is inferred that despite of possible additional costs of ice mitigation systems, these solutions can advance wind power production in cold climates and therefore bring environmental and financial benefits.Tuulivoiman haasteet kylmässä ilmastossa : jäätymisen vaikutukset ja ehkäisy. Tiivistelmä. Energia-ala on siirtymässä globaalisti puhtaampaan energiantuotantoon valtioiden asettamien kattavien ilmastotavoitteiden myötä. Tuulivoima on vähäpäästöinen ja uusiutuva energiamuoto, sillä sen ainoana polttoaineena toimii liikkuva ilmavirta eli tuuli. Tuulivoiman käytön odotetaan lisääntyvän merkittävästi lähivuosikymmeninä. Tämä kasvattaa haastaviin tuotantopaikkoihin, kuten kylmiin ilmastoihin, sopivan tuulivoimateknologian tarvetta. Jäätyminen ja kylmä ilma voi vaikeuttaa tuulivoiman tuotantoa monin tavoin. Aihetta on syytä tutkia, jotta tuulivoimaloiden turvallisuus ja tehokkuus kylmillä alueilla voidaan taata.
Tämän kandidaatintyön tavoitteena on esitellä jäätymisen vaikutusta tuulivoiman tuotantoon. Työssä tarkastellaan sekä jäätymisen seurauksia että jäätymisen riskejä vähentäviä ja estäviä ratkaisuja. Tuuliturbiinin toimintaperiaatetta tutkitaan pohjakäsityksen muodostamiseksi tuulivoimateknologiasta. Tuulivoiman nykyinen ja ennustettu tilanne Suomessa ja skandinaavisissa maissa esitellään, sillä niissä erityisesti talviaikaan esiintyvät matalat lämpötilat ja lumisateet voivat vaikuttaa paikalliseen tuulivoimatuotantoon. Näitä tutkimuskysymyksiä käsitellään kirjallisuuskatsauksena. Jäätymisen vaikutusten lisäksi mataliin lämpötiloihin liittyviä haasteita ja ratkaisuja käydään läpi, jotta voidaan muodostaa yleiskuva tuulivoimaprojekteista kylmissä ilmastoissa. Työssä tutustutaan lisäksi tuuliturbiinien päätyyppeihin, tuulipuiston käsitteeseen ja tuulivoimaloiden sijoittamiseen. Aihetta käsitellään sekä maatuulivoiman että merituulivoiman kannalta.
Työn johtopäätökset viittaavat, että jäätyminen ja matalat lämpötilat voivat vaikuttaa huomattavasti tuuliturbiinien toimintaan ja tuotantopaikkojen muuhun infrastruktuuriin. Tyypillisiä seurauksia ovat muun muassa tuotannonmenetykset, turbiinirakenteen kuluminen ja lavoilta putoavasta jäästä aiheutuvat turvallisuushaitat. Jäätymiseen liittyviä riskejä voidaan alentaa kaupallisesti saatavilla olevilla jäätymissuojausjärjestelmillä ja kylmään ilmastoon soveltuvilla varusteilla. Tuulivoiman osuuden pohjoismaisessa sähköntuotannossa odotetaan lisääntyvän merkittävästi vuoteen 2030 mennessä. Työn lopputuloksista pääteltiin, että jäätymissuojausmenetelmät voivat edistää tuulivoiman tuotantoa kylmissä ilmastoissa olennaisesti. Seurauksena voi olla niin ympäristöhyötyjä kuin taloudellisia etuja huolimatta menetelmistä mahdollisesti aiheutuvista lisäkustannuksista
