Results of Seaside Energy Solutions in Land Uplift and Climate Change in the Kvarken Archipelago : A Mixed-Method Investigation

Abstract

This research primarily considers seaside renewable energy solutions that result in climate change effects and their relation to land uplift. The possible solutions considered were water heat exchanger and sediment heat energy production; suggested were wave energy, asphalt energy resources, groundwater energy utilization, wind turbines, KNBNNO-material and solar systems. Long-term weather data (1959–2019) from FMI and water quality data (1974–2018) from ELY-Keskus were gathered and used for statistical analysis. Expert opinions were used for risk analysis. The sediment heat energy production data were from two sites (Ketunkatu and Liito-oravankatu) in Suvilahti, in the city of Vaasa, Finland (August 2013 – December 2016 and September 2018). A mixed-methods approach was used, with both qualitative studies, e.g., framework chart development, and quantitative studies, e.g., data analyses and risk analyses. The air temperature increased in April and July, which was expected to indirectly increase the chlorophyll-a level (e.g. in June), an indicator of phytoplankton growth and abundance in the water systems. Water temperatures were expected to decrease in February and increase in March, June and July. Sediment heat energy production uses climate change effects in summer, but is site-specific and dependent on installation depth. Risk analysis shows that climate change is the riskiest for field biomass energy and affects ground heat sources the least. Field biomass energy has the greatest environmental effects and solar energy/collector the lowest. In addition, mixed methods analysis shows support from qualitative studies for quantitative ones.

A key conclusion is that seaside renewable energy is mainly shallow geothermal energy and most of these solutions use climate change effects in some seasons. The likely increase in air temperature on water quality in the Kvarken Archipelago may have direct and indirect effects, causing water temperature and chlorophyll-a concentration to increase in some months. Though the risks of renewable energy are low, it is important to analyse them to preserve safe, renewable energy use. These results assist in implementing and managing renewable energy in regional development. The study combines water quality, climate change, land uplift, and seaside energy solutions and presents their changes in the vicinity of the Vaasa region. This shows that climate change effects on the local area differs from world expectations. A main contribution of the research is drawing relationships between different disciplines and topics, thus creating a sophisticated view of natural phenomena and seaside renewable energy solutions.

Tämä tutkimus käsittelee ensisijaisesti meren rannalla toteutettavia uusiutuvan energian sovellutuksia ja niiden yhteyksiä ilmastonmuutokseen ja maan nousemiseen. Mahdollisia sovellutuksia olivat vesistölämmönvaihdin ja sedimenttienergian tuotanto. Ehdolla olivat myös aaltoenergia, asfalttienergia, resurssit, pohjaveden hyödyntäminen, tuuliturbiinit, KNBNNO-materiaalit ja aurinkoenergiajärjestelmät. Työhön saatiin tilastollisia analyysejä varten pitkän aikavälin säätietoja (1959–2019) Ilmatieteen laitokselta ja veden laatutietoja (1974–2018) ELY-keskuksesta. Riskianalyysit tehtiin asiantuntijakyselyihin perustuen. Sedimenttilämpöenergian tuotantoa koskeva tieto saatiin kahdelta mittauspaikalta Vaasan Suvilahdesta. Mittausajankohdat olivat 8/2013–12/2016 sekä 9/2018. Tutkimusmenetelmänä oli monimenetelmätutkimus, jossa tehtiin sekä kvalitatiivisia tutkimuksia käsitteellisessä kehyksessä että kvantitatiivisia tutkimuksia kuten data-analyysit ja riskianalyysit. Ilman lämpötila nousi huhtikuussa ja heinäkuussa, minkä odotettiin epäsuorasti lisäävän klorofylli-a:n määrää esimerkiksi heinäkuussa osoittaen kasviplanktonin kasvua ja runsastumista vesiympäristössä. Vesien lämpötilojen odotettiin laskevan helmikuussa ja nousevan maaliskuussa, kesäkuussa ja heinäkuussa. Ilmastonmuutoksen vaikutukset hyödyttävät sedimentin lämpöenergian tuottoa kesällä. Se on kuitenkin paikkariippuvaista ja riippuu myös lämmönkeruuputkiston asennussyvyydestä. Riskianalyysi osoittaa, että peltobiomassa on ilmastonmuutokselle riskialttein. Vastaavasti vaikutus maalämpöön on vähäisin. Peltobiomassaenergialla on suurimmat ympäristövaikutukset ja aurinkoenergialla/keräimillä pienimmät. Kvalitatiivisen tutkimuksen tulokset tukivat kvantitatiivisia tuloksia.

Tärkein johtopäätös on, että meren rannassa uusiutuva energia on pääsääntöisesti matalassa vedessä olevaa geoenergiaa. Useimmat sovellutukset hyödyntävät joinakin vuodenaikoina ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Ilman lämpötilan todennäköisellä nousulla saattaa olla suoria tai epäsuoria vaikutuksia Merenkurkun saaristossa veden laatuun aiheuttaen veden lämpötilan ja klorofylli-a:n pitoisuuden kasvua joidenkin kuukausien aikana. Vaikka uusiutuvaan energiaan liittyvät riskit ovat pieniä, niitä on hyvä tutkia, jotta uusiutuvan energian käyttö säilyisi turvallisena. Saadut tulokset auttavat otettaessa uusiutuvaa energiaa käyttöön ja hyödynnettäessä sitä alueen kehityksessä. Tutkimus yhdistää veden laadun, ilmastonmuutoksen, maan nousemisen ja rannikon energiaratkaisut ja käsittelee niiden muutoksia Vaasan alueen läheisyydessä. On havaittu myös, että ilmastonmuutoksen vaikutukset paikallisesti poikkeavat maailmanlaajuisista odotuksista.