Tämä viheliäinen ongelma voi nyt pysäyttää tuulivoimaloiden tuotannon – Siihen on kuitenkin ratkaisu

Jäälaboratoriossa Tampereen yliopiston Hervannan kampuksella tehdään ainutlaatuista jäätä hylkivien pinnoitteiden tutkimusta. Pinnoitteet toisivat apua myös sähköntuotannon huoltovarmuuteen. Pahimmassa tapauksessa jäätyminen keskeyttää yhtä aikaa useita tuulivoimaloita.

Heli Koivuluoto johtaa Tampereen yliopiston jäälaboratoriossa tehtävää tutkimusta. Jäälaboratoriossa kehitetään jäätymistä estäviä ja jäätä hylkiviä pinnoitteita.

4.12.2022 13:30

Tyyni sää ei ole ainoa asia, joka voi aiheuttaa ongelmia tuulivoiman tuotannossa. Jos tuulivoimalan siipiin kertyy liikaa jäätä, voimala pysähtyy, eikä tuota sähköä.

”Kyllä se on ihan todellinen ja yleinen ongelma talvella varsinkin Pohjois-Suomessa. Jos siipiin muodostuu jäätä, aerodynaamiset ominaisuudet heikkenevät ja siivet menettävät nostettaan”, sanoo tuulivoiman tuotantoyhtiö Suomen Hyötytuuli oy:n liiketoiminnan kehitysjohtaja Jaakko Kleemola.

”Jos jäästä ei päästä eroon, roottorin pyörimisnopeus hidastuu ja lopulta roottori pysähtyy. Turbiini yrittää kyllä käynnistyä, mutta jos nostetta ei ole riittävästi, se ei onnistu.”

Joissakin tuulivoimaloissa jäätä voidaan sulattaa siipiä lämmittämällä. Varsinkaan vanhemmissa voimaloissa sähköllä toimivaa siipilämmitysjärjestelmää ei kuitenkaan ole. Toinen tapa korjata tilanne on ohjata turbiinia hieman eri tavalla ja saada aikaan lisää nostetta ja kasvattaa siipien pyörimisnopeutta. Sen jälkeen siipien taipuminen ja keskipakovoima saattavat irrottaa jäätä.

Jos jäätä ei saada irti siivistä, on vain odotettava, että aurinko sulattaa jään tai että olosuhteet muuttuvat muuten sellaisiksi, että jäästä päästään eroon. Ihminen ei voi turvallisuussyistä kiivetä siipiin jäätä irrottamaan.

Jos jäätyminen pysäyttää samaan aikaan useita voimaloita tai jopa kokonaisia tuulivoimalapuistoja, se näkyy sähköntuotannossa. Varsinkin tulevana talvena tällä voi olla Suomessa merkitystä.

Suomen Hyötytuulella on tuulipuistoja muun muassa Raahen seudulla. Kleemola arvelee, että Raahen seudun tuulivoimaloiden vuosituotannosta voidaan jäätymisen takia menettää noin 3–4 prosenttia.

”Kyllä sillä jo merkitystä on, etenkin jos tuulivoimatuotantoa putoaa verkosta jäätymisen takia paljon yllättäen ja yhtä aikaa. Silloin tuotantoennusteet eivät pidäkään paikkaansa, eikä tuulivoima myöskään tue sähköverkkoa kuten sen pitäisi tukea.”

Ongelmallinen jää

Tampereen yliopiston Hervannan kampuksella sijaitsevassa jäälaboratoriossa on jo lähes kymmenen vuoden ajan kehitetty keinoja, joilla estetään jään muodostumista pinnoille ja helpotetaan jään irrottamista.

Jäälaboratorion toimintaa johtava yliopistontutkija Heli Koivuluoto oli mukana jo suunnittelemassa vuonna 2013 perustettua laboratoriota. Laboratorion toiminta lähti itse asiassa liikkeelle EU-projektista, jonka aiheena oli jään kertyminen tuulivoimaloiden siipiin.

Pakkashuoneessa pinnoitenäytteitä tutkitaan yleensä noin kymmenen pakkasasteen kylmyydessä. Heli Koivuluodon takana olevassa metallisessa tutkimuslaitteessa tuotetaan jäätä tutkittaville pinnoille. Etualalla olevan kuvun alla tutkitaan, miten hyvin jää erilaisista pinnoista irtoaa.

Tuulivoimaloiden siipien jäätymistä ehkäisevä työ alkaa olla pian valmiina kenttäkokeisiin. ”Kehittämämme jäätymistä ehkäisevät pinnat toimivat hyvin laboratoriossa. Etsimme parhaillaan kohdetta, jossa pinnoitteita voitaisiin kokeilla käytännössä.”

Jää voi aiheuttaa ongelmia muun muassa sähkölinjoissa, siltarakenteissa, kuplahallien katoilla sekä lentokoneissa ja droneissa. Myös jäälaboratorion työ on laajentunut moneen suuntaan. ”Jos lumi peittää täysin esimerkiksi jonkun suuren sähkölinjan pylväsrakenteiden eristelevyt, se voi aiheuttaa oikosulun”, Koivuluoto sanoo. ”Sopivalla pinnoitteella pylväiden rakenteita voitaisiin estää jäätymästä.”

Kuka?

Heli Koivuluoto

Ikä: 41 vuotta.

Kotipaikka: Nokia. Kotoisin Mäntästä.

Työ: Yliopistotutkija. Vetää Tampereen yliopiston jäälaboratorion tutkimustoimintaa. Vuonna 2013 perustetussa laboratoriossa tutkitaan ja kehitetään jäätä hylkiviä pintoja ja pinnoitteita. Tutkimusryhmässä työskentelee yhdeksän tutkijaa.

Opinnot: Aloitti materiaalitekniikan opinnot Tampereen teknillisessä yliopistossa 2000 (nykyisin Tampereen yliopiston Hervannan kampus). Väitteli tekniikan tohtoriksi 2010. Väitös käsitteli pinnoitustekniikkaa.

Harrastaa: Valmentaa ringetessä D-juniori-ikäisiä tyttöjä. Käy myös välillä itsekin höntsäämässä.

Millainen tutkittava jää on?

”Se on erittäin monimutkainen ja haastava tutkittava. Jäähän ja jään hylkimiseen vaikuttavat hyvin monet erilaiset tekijät. Sen lisäksi, että kehittämiemme pintojen on hyljittävä jäätä, niiden on kestettävä myös kaikki muut olosuhteet, jotta hylkivyys ei katoa. Tämä tekee työstä kiehtovaa.”

Monipuolista tutkimusta

Jäätä hylkivä pinta on yleensä liukas ja sileä. Ratkaisevaa ei kuitenkaan ole pelkästään materiaalin päälle levitettävä pinta, vaan myös se, että pinta ja sitä suojaava materiaali toimivat parhaalla mahdollisella tavalla toistensa kanssa.

”Emme keskity niinkään itse jäätymisprosessiin vaan siihen, miten jää kohtaa materiaalin, miten se materiaaliin kiinnittyy ja miten saamme helpotettua jään poistamista materiaalin pinnalta.”

Tampereen yliopistossa on vuosikymmenten kokemus materiaalitutkimuksesta, ja jäälaboratoriolla on käytössään laaja osaaminen pinnoitustekniikoista, pintamateriaalien valmistamisesta ja pintojen ominaisuuksista. Käytössä on myös monipuolinen valikoima laitteita, joilla pintoja voidaan tutkia.

”Se tekee tästä kuviosta aika lailla ainutlaatuisen. Meillä on muun muassa käytössämme 15 erilaista termisen ruiskutuksen menetelmää. Ei vastaavia mahdollisuuksia ole maailmassa kovinkaan monessa paikassa.”

Terminen ruiskutus on menetelmä, jossa pinnoitusmateriaali voi olla esimerkiksi jauheena, lankana tai nesteenä. Materiaali sulatetaan lämmön avulla ja suihkutetaan sen jälkeen ruiskutuspistoolilla pinnoitettavan materiaalin pinnalle.

Pinnoitteiden valmistamiseen käytettävä materiaali voi olla esimerkiksi jauhetta, nestettä tai lankaa. Kuvassa jauhemaista lähtömateriaalia.

Sulatettu jauhe suihkutetaan paineella materiaalin pinnalle ruiskutuspistoolin avulla.

Terminen ruiskutus on yleisesti teollisesti käytössä oleva prosessi. Periaatteessa mitä tahansa materiaalia voidaan ruiskuttaa minkä tahansa materiaalin päälle.

Jäätä hylkivä pinta voi olla esimerkiksi kiinteä ja sileä polymeereistä tuotettu muovinen pinta.

Tällä hetkellä tärkeä tutkimuksen suunta ovat nestetäytteiset pinnat. Niiden rakenne on huokoinen, ja huokoset täytetään öljyillä. ”Olemme maailmassa ensimmäisiä, jotka tekevät termisen ruiskutuksen avulla tällaisia pintoja.”

Nestetäytteisissä pinnoissa käytettävät öljyt ovat yleensä erilaisia teollisia öljyä, kuten silikonipohjaisia tai perfluorinoituja öljyjä. ”Myös ympäristönäkökulma on työssä mukana, ja tutkimme myös kasvipohjaisia öljyjä. ”

Pakkashuoneessa hytistään

Hervannan kampuksella päärakennuksen takana sijaitsevan rakennuksen pakkashuoneessa pinnoitteita tutkitaan yleensä noin kymmenen miinusasteen kylmyydessä.

Laboratorion perimmäisessä nurkassa on korkea metallinen tutkimuslaite. Laitteen tuulitunnelissa tutkijat pystyvät simuloimaan juuri halutun kaltaisia sääolosuhteita ja tuottamaan juuri halutun kaltaista jäätä.

Tutkittavien pinnoitteiden päälle kerrytetään noin senttimetrin paksuinen jääkerros. Samaan aikaan jäätä kerryttämässä voi olla yhdeksän kolme kertaa kolmen senttimetrin kokoista litteää kappaletta.

Kun tutkimuslaitteen oikealta puolelta syötetään ilmaa ja vasemman puoliskon yläosassa olevat suuttimet syöttävät laitteeseen vettä, pisarat alijäähtyvät alas valuessaan ja jäätä alkaa kertyä laitteen alaosaan sijoitettavien näytteiden pinnalle.

Jään tarttuvuutta pintoihin tutkitaan hiiligrillin näköisessä sentrifugaalisessa jäänadheesiotestilaitteessa. Kolhut kuvussa kertovat, että laitetta on käytetty paljon.

Näytteet kiinnitetään metalliseen tai komposiittisauvaan. Kun suojakupu suljetaan, sauva näytteineen alkaa pyöriä vinhaa vauhtia.

Mitä nopeammin ja alhaisemmalla nopeudella jää näytteen pinnasta irtoaa, sitä paremmin pinnoite jäätä hylkii. Tutkijat laskevat kullekin pinnoitteelle tartunta-arvon, jonka avulla tuloksia voidaan verrata toisiinsa.

Tutkittavien näytteiden koko on 30 kertaa 30 millimetriä.

Sentrifugaalisessa jäänadheesiotestilaitteessa testataan, miten jää pinnoista irtoaa.

”Tyypillisenä työpäivänä tuulitunnelissa kerrytetään iltapäivän aikana 30–40 näytettä. Sen jälkeen niiden annetaan jäähtyä yli yön, ja testit tehdään seuraavana aamuna. Iltapäivällä valmistellaan uudet näytteet seuraavan aamun testejä varten.”

Kylmähuone käyttöön

Toinen tutkimuspaikka on Konetalossa. Siellä otettiin viime kesänä käyttöön kylmähuone, jossa lämpötila voidaan laskea miinus 50 asteeseen.

Työntömittauslaitteella mitataan jään irrottamiseen tarvittavia voimia.

Kylmähuoneessa voidaan tehdä muun muassa pitkäkestoisia testejä, joissa lämpötilaa vaihdellaan. Pinnoite voidaan myös välillä altistaa huoneen ulkopuolella uv-säteilylle ja viedä sen jälkeen takaisin kylmähuoneeseen ja tutkia, miten uv-säteily vaikuttaa pinnan ominaisuuksiin. Jos säteily heikentää pinnan ominaisuuksia, jää tarttuu pintaan tiukemmin.

Huoneessa olevan työntömittauslaitteen avulla nähdään, kuinka suuri työntövoima tarvitaan jään irrottamiseen näytteen pinnalta.

Yksi tutkimussuunta ovat ääniaallot. Jäälaboratorio on mukana EU-hankkeessa, jossa pintaa aktivoidaan sähköisten ominaisuuksien avulla. Ajatus on, että syntyvät pienet värähtelyt irrottavat jäätä pinnasta.

Yksi jäätä estävien pinnoitteiden mahdollinen sovelluskohde olisivat esimerkiksi kotien pakastimet, joiden seiniin tuppaa kertymään jäätä. Toinen alue, jossa jäätä ja lunta hylkivälle pinnalle olisi käyttöä, ovat aurinkopaneelit. Myös liikennemerkeissä pinnoitteelle olisi käyttöä. ”Olemmekin vieneet tutkimusta siihen suuntaan, että voidaan tehdä myös läpinäkyviä pintoja.”

Seuraa ja lue artikkeliin liittyviä aiheita

Osion uusimmat

Mainos

Tuoreimmat tähtijutut