Aalto-yliopisto panostaa tutkimuksessa ja opetuksessa voimakkaasti kasvavan uusiutuvan energian rakentamisen mukanaan tuomiin mahdollisuuksiin ja haasteisiin. Tutkimuksen painopiste on laajamittaisen arktisen maa- ja merituulivoiman, energiajärjestelmien ja vetytalouden yhdistämisessä. Kehitämme parhaillaan tuulivoima ja vetytekniikan opetusta ja esimerkiksi keväästä 2023 lähtien opiskelijat pääsevät vierailemaan yhteen Suomen suurimmista tuulipuistoista virtuaalitodellisuuden (VR) avulla. Opetuksessa painotetaan ekologisesti ja sosiaalisesti kestäviä kokonaisratkaisuja.

Tuulivoima-alalla ollaan tällä hetkellä reippaassa myötätuulessa. On ollut mielenkiintoista seurata alan kehitystä jo 1990-luvun alusta lähtien. Esimerkkinä olen kertonut Aallon energiatekniikan opiskelijoilleni omista kokemuksistani 1990-luvulta, DI-opintojeni ajalta, jolloin tuulivoima oli vielä täysin marginaalinen sähköntuotantomuoto. Tuolloin opetuksessa tälle aiheelle oli omistettu yksi luento.

Kun aloitin Aallossa Professorina 2012, tuulivoiman osuus Suomen sähköntuotannosta oli vielä alle 1 %. Nyt reilu 10 vuotta myöhemmin 2022, jo 14.1 % Suomen sähkönkulutuksesta katettiin tuulivoimalla, ja 2022 aikana tuulivoiman tuotannon kasvu oli 44 %. Suurimmat kaupalliset turbiinit ovat teholtaan ~15 MW ja suunnitelmissa on jo 25 MW kokoisia jättiläisiä. Tähän pääseminen on vaatinut valtavaa panostusta ja pitkäjänteistä tutkimusta ja kehitystyötä eri aloilla, esimerkiksi lapojen materiaalien ja tehoelektroniikan kehitykseen ja virtausteknisiin ratkaisuihin liittyen.

Monia tutkimustarpeita

Suomeen suunnitellun tuulivoiman määrästä ja vetytalouden vaikutuksista energiajärjestelmäämme on monia skenaarioita. Valtioneuvosto esimerkiksi tarkastelee selvityksessään[1] eri skenaarioita tulevaisuudelle ja kunnianhimoisimman mukaan Suomeen tarvittaisiin 53 GW uutta tuulivoimaa vuoteen 2050 mennessä, vuoden 2020 kapasiteetin lisäksi. Tämän kapasiteetin mahdollistaminen Suomen olosuhteissa, vaatisi suuria investointeja, hankekehitystä, tuotekehitystä ja erityisesti kumulatiivisten luontovaikutusten parempaa ymmärtämistä. Tarvitsemme lisätietoa esimerkiksi Itämerelle tulevien suurien merituulivoimaloiden rakenteista ja perustusratkaisuista, merijään ja lapojen jäätymisen vaikutuksista sekä siitä, miten tuulivoiman vaihteleva tuotanto tulee huomioida koko energiajärjestelmää uudelleen kasattaessa.

Arktiselle alueelle rakennettavista merituulivoimaloista ei ole vielä tarpeeksi kokemusta. Karkeasti arvioituna 10 MW kokoisiin turbiineihin perustuva 53 GW asennetun tehon tarvitsema pinta-ala olisi noin 12 000 km² (4.6 MW/km²). Vertailun vuoksi, Suomen viljelty peltopinta-ala on 23 000 km², Perämeren pinta-ala 36 800 km² ja Suomenlahti 30 000 km². 53 GW vastaisi vuotuista 180–200 TWh sähköntuotantoa (sähkö ja lämpö yhteensä 377 TWh vuonna 2021). Tuulivoiman voimakas lisääminen on siis haaste voimaloiden sopivalle sijoittelulle. Paitsi että tuuliolosuhteet vaihtelevat, tuulivoimarakentamisessa pitää pystyä huomioimaan kasvavissa määrin sen vaikutukset luontoon ja ihmisiin.

Aallon tutkimushankkeet

Aallossa on meneillään useita tuulivoimaloiden tekniikkaan liittyviä tutkimushankkeita, myös Suomen Akatemian huippuyksikkö. Yhtenä esimerkkinä kehitämme yhteistyössä alan teollisuuden kanssa verkon puolen vaihtosuuntaajille uusia säätömenetelmiä, joilla tuulivoimala saadaan käyttäytymään sähköverkon näkökulmasta perinteisen tahtigeneraattorin tavoin. Toisena esimerkkinä Suomen Akatemian rahoittamassa WindySea hankkeessa on tavoitteena tuottaa perusteet merituulivoimapuiston digitaaliselle kaksoselle, jota voidaan käyttää tulevaisuuden kylmien merialueiden olosuhteiden ja jääolojen ennustamiseen ja toisaalta tuulivoimapuistojen rakenteiden suunnitteluun ja optimointiin.

Power2X teknologioihin ja energian varastointiin liittyen Aallossa on myös monia hankkeita. Aalto sai 2023 vuoden alussa Suomen Akatemian Profi7 rahoitusta yhteensä 18.9 M€ hankkeeseen, josta yli kolmasosa käytetään vetytalouden ja laajamittaisen arktisen merituulivoiman yhdistämisen haasteiden ratkomiseen. Viimeisen 2 vuoden aikana tuulivoimaan liittyvien opinnäytetöiden määrä on myös huomattavasti kasvanut ja useita opiskelijoitamme on siirtynyt tuulivoima-alan palvelukseen.

Lisää alan koulutusta

Opetuksessa on myös selkeä suunta siihen, että pyrimme lisäämään tuulivoiman ja vetytalouden tarpeisiin vastaavia kursseja. Esimerkiksi keväällä 2023 alkaa uusi kurssi ”Hydrogen technologies” ja syksystä 2024 alkaen uusi kurssi tuulivoimalaitoksen suunnittelusta. Opetamme kattavasti tuulivoimalan sähkömekaanisen energianmuunnosjärjestelmän toimintaperiaatteita, mallinnusta ja suunnittelumenetelmiä. Yhtenä mielenkiintoisena seikkana opetuksen kehityshankkeen ansiosta vuodesta 2023 lähtien opiskelijat pääsevät vierailemaan yhteen Suomen suurimmista tuulipuistoista virtuaalitodellisuuden avulla.

Yhtenä isona kokoavana hankkeena valmistelemme myös uutta oppikirjaa uusiutuvasta energiasta (Mika Järvinen ja Hanna Paulomäki), mukaan lukien tuulivoima ja energian varastointiratkaisut ja se, kuinka käynnissä oleva siirtymä uusiutuvaan energiaan pitäisi toteuttaa, niin että ratkoessamme ilmastonmuutosta emme päädy lisäämään luontokatoa. Kirjan julkaisee Springer Nature ja se ilmestyy vuonna 2024. Kirjaa rahoittaa Tiina ja Antti Herlinin Säätiö ja mukana on noin 30 kirjoittajaa suomalaisista ja kansainvälisistä korkeakouluista ja tutkimuslaitoksista.

[1] Vetytalous – mahdollisuudet ja rajoitteet (2022) Leena Sivill, Marika Bröckl, Nikita Semkin, Antti Ruismäki, Henriikka Pilpola, Olli Laukkanen, Hannele Lehtinen, Saana Takamäki, Petri Vasara, Jenni Patronen Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan julkaisusarja 2022:21, Valtioneuvoston kanslia