Development of Forecasting Model for Offshore Wind Power Generation and Implications for Energy Use Planning

Abstract

The aim of this master’s thesis is to conduct a literature review on the potential, challenges and development prospects of Finnish offshore wind power. In addition, a forecasting model is explored to estimate the energy production of an offshore wind turbine and to draw up an energy use plan. The purpose of the forecasting model and its results is to present the profitable potential of offshore wind power in Finland. The energy use plan aims to present two possible applications for the electricity generated by offshore wind turbine: integration into Finland’s main grid and utilization for hydrogen storage. An additional goal for the thesis is to make a literature review of the current state of wind power in Finland, different forecasting models and different foundation types of offshore wind turbine.

The material for this master’s thesis literature review was collected from reliable, well-known and up-to-date sources. Openly available meteorological data and open technical data from the offshore wind turbine have been used as a source in the development of the offshore wind turbine forecasting model.

Results indicate that the Finnish sea areas have good potential for offshore wind power, as the sea depth is sufficient and the wind conditions at sea are good. The Gulf of Bothnia has found to be a better location for offshore wind farms than the Gulf of Finland, because offshore wind farms there cause less harm to human activities and nature. However, the spread of offshore wind farms in Finland is associated with many challenges. The biggest challenges are the variability of the Baltic Sea seabed and the arctic conditions in the Baltic Sea. From the development prospects of offshore wind power, it could be stated that the first large offshore wind farms will be completed after 2030. It has also been predicted that offshore wind farms will mostly be in Finnish exclusive economic zone area in 2050. According to the energy use plan, the predicted electricity generated by the offshore wind turbine predicted by the forecasting model will be used to cover electricity demand of the Finnish main grid and to produce hydrogen. Hydrogen would be produced during very windy periods, when the supply of electricity from offshore wind power exceeds the electricity demand of the Finnish main grid. There are two usage options for hydrogen produced by electrolysis. The first option is to use hydrogen to cover Finland's internal demand. The second option is to use hydrogen to balance the seasonal variability of electricity generation from an offshore wind turbine. According to the results of the financial assessment conducted for the offshore wind turbine, the offshore wind turbine has currently low levelized energy costs compared to conventional power plants, but with a long financial payback period without financial support.

Tämän diplomityön tavoitteena on tehdä kirjallisuuskatsaus Suomen merituulivoiman potentiaalista, haasteista ja kehitysnäkymistä. Lisäksi ennustemallia tutkimalla arvioidaan merituulivoimalan energiantuotantoa, ja laaditaan energiakäyttösuunnitelma. Ennustemallin ja sen tulosten tarkoitus on esittää merituulivoiman kannattavaa potentiaalia Suomessa. Ener-giakäyttösuunnitelman tavoitteena on esittää kahta mahdollista sovellusta merituulivoimalan tuottamalle sähkölle: integraatio Suomen kantaverkkoon ja hyödyntäminen vedyn varastoinnissa. Lisäksi tutkielman lisätavoitteena on tehdä kirjallisuuskatsaus Suomen tuulivoiman nykytilasta, erilaisista ennustamismalleista ja erilaisista merituulivoimalan perustamistyypeistä.

Tämän diplomityön kirjallisuuskatsauksen aineisto on kerätty luotettavista, tunnetuista ja ajantasaisista lähteistä. Merituulivoimalan ennustamismallin kehittämisessä on käytetty lähteenä avoimesti saatavilla olevaa meteorologista dataa, ja avointa merituulivoimalan teknistä dataa.

Tulokset osoittavat, että Suomen merialueilla on hyvä potenttiaali merituulivoimalle, sillä meren syvyys on riittävä ja merellä on hyvät tuuliolosuhteet. Pohjanlahti todettiin olevan parempi merituulivoimaloiden sijoituspaikka kuin Suomenlahti, koska siellä merituulivoimalat aiheuttavat vähemmän haittaa ihmisten toiminnalle ja luonnolle. Merituulivoimaloiden levinneisyyteen Suomessa liittyy kuitenkin paljon haasteita, joista suurimpina haasteiden aiheuttajina pidetään Itämeren merenpohjan vaihtelevuutta ja Itämeren arktisia olosuhteita. Merituulivoiman kehitysnäkymistä voitiin todeta, että ensimmäisiä suuria merituulipuistoja tulee valmistumaan vuoden 2030 jälkeen. Lisäksi on ennustettu, että merituulipuistoja tulee olemaan enimmäkseen Suomen talousvesialueella vuonna 2050. Ennustemallilla ennustettua merituulivoimalalla tuotettua sähköä tullaan energiakäyttösuunnitelman mukaan käyttämään Suomen kantaverkon sähkökysynnän kattamiseen ja vedyn tuottamiseen. Vetyä tuotettaisiin hyvin tuulisilla ajanjaksoilla, jolloin merituulivoiman sähkön tarjonta ylittää Suomen kantaverkon sähkön kysynnän. Elektrolyysillä valmistetulle vedylle on kaksi käyttövaihtoehtoa. Ensimmäisen vaihtoehdon mukaan vetyä käytettäisiin Suomen sisäisen kysynnän kattamiseen. Toisen vaihtoehdon mukaan vetyä käytettäisiin merituulivoimalan kausittaisen sähköntuotannon vaihtelevuuden tasaamiseen. Merituulivoimalalle tehdyn taloudellisen arviointitulosten mukaan merituulivoimalalla on tällä hetkellä alhaiset tasoitetut energiakustannukset verrattuna tavanomaisiin voimalaitoksiin, mutta pitkä taloudellinen takaisinmaksuaika ilman taloudellista tukea.