Pohjois-Satakunnan tuulivoimakaavoitushanke, Ratiperä, Jämijärvi Varjostusmallinnus Samir Abboud
Raportin otsikko ja kirjoittajat Pohjois-Satakunnan tuulivoimakaavoitushanke, Ratiperä - Varjostusmallinnus Samir Abboud Kankaanpään kaupunki Tiivistelmä Raportissa esitetään Jämijärven Ratiperän alueelle suunnitellun tuulivoimapuiston varjostusmallinnuksen tulokset. Alueelle suunnitellaan yhdeksän tuulivoimalan sijoittamista. Mallinnus on toteutettu kaavassa esitettävällä voimaloiden maksimikorkeudella 210 metriä. Paikka ja aika Kankaanpää 16. maaliskuu 2014 Projektipäällikkö Samir Abboud Asiatarkastus Ilmari Mattila POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 2
Sisällys 1 Johdanto... 5 2 Taustatietoja... 6 2.1 Varjon muodostuminen... 6 2.2 Välkkeen ohjearvot... 7 3 Varjostus-/välkevaikutusten mallinnusten lähtötiedot... 8 3.1 Maastoaineistot... 8 3.2 Turbiinityypit... 8 4 Varjostusmallinnuksen kuvaus... 8 4.1 Laskennan parametrit... 8 5 Mallinnuksen tulokset.9 6 Johtopäätökset...13 Viitteet... 15 LIITE 1: TILASTOJA SUOMEN ILMASTOSTA 1981-2010... 16 LIITE 2. Mallinnus peitteisyydestä... 18 POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 3
Kuva 1: Karttakuva Ratiperän alueesta (pohjakartta Maanmittauslaitos 2014) POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 4
1 Johdanto Jämijärven kunta osana Pohjois-Satakunnan tuulivoimapuistojen kaavoitushanketta on aloittanut tuulivoimaosayleiskaavan laatimisen Ratiperän alueella. Tässä työssä on suoritettu tuulivoimaloiden aiheuttaman varjostuksen mallinnus. Mallinnus on toteutettu yhdeksällä voimalalla ja kaavaehdotuksessa esitetyllä 210 metrin maksimikorkeudella. Mallinnuksessa havainnollistetaan teoreettisia varjostusvaikutuksia. Tällöin ei oteta huomioon puuston peitteisyyttä, pilvisyyttä tai ilmastollisia olosuhteita eikä välkettä aiheuttavaa voimalan pyörimistä. Laskennallisesti voidaan kuitenkin johtaa teoreettisista arvoista lähelle todellisia vaikutuksia olevat arvot. Ohjearvoja välkevaikutuksille Suomessa ei ole, mutta suunnittelussa suositellaan käytettäväksi kansainvälisesti käytössä olevia raja-arvoja. Suunnittelualue sijaitsee Jämijärven kunnassa Ratinperän alueella, jonka sijainti kartalla on esitetty kuvassa 1. Alueelle on suunnitteilla ohjeelliset rakennuspaikat yhdeksälle turbiinille, joihin on mallinnuksessa sijoitettu voimalat (sijoituskoordinaatit on esitetty taulukossa 1). Mallinnuksessa käytetyt paikat on merkittynä karttaan mustilla pisteillä, ja numerointi noudattaa taulukon 1 järjestystä. Voimala (ID) KKJ kaista1 korkeus merenpinnasta (m) 1 1591442,0 6865063,0 120 2 1591561,0 6864485,0 122 3 1591824,0 6863955,0 132 4 1592267,0 6864379,0 127 5 1592920,0 6865125,0 137 6 1592947,0 6864557,0 142 7 1593353,0 6863890,0 132 8 1593669,0 6864966,0 147 9 1594018,0 6864427,0 139 Taulukko 1: Voimaloiden sijainnit KKJ koordinaatistossa. POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 5
2 Taustatietoja 2.1 Varjon muodostuminen Tuulivoimalaitoksen pyörivät lavat muodostavat liikkuvia varjoja kirkkaalla säällä. Yksittäisessä tarkastelupisteessä tämä koetaan luonnonvalon voimakkuuden vaihteluna, välkkymisenä. Pilvisellä säällä valo ei tule selkeästi yhdestä pisteestä ja siten lapa ei muodosta selkeitä varjoja. Valon ambivalenttisuus välke efektin muodostumiseen vaikuttaa erityisesti kun ollaan kauempana voimalasta. Välkkymisen esiintyminen riippuu auringonpaisteen lisäksi auringon suunnasta ja korkeudesta, tuulen suunnasta ja siten roottorin asennosta sekä tarkastelupisteen etäisyydestä tuulivoimalaitokseen. Jotta varjo voimaloista voi syntyä, on voimalan peitettävä vähintään 20 % auringosta. Varjon muodostuminen on riippuvainen auringon säteilyn voimakkuudesta. Auringon säteilyn määrä laskee jyrkästi, kun korkeuskulma laskee alle 30 asteen. Tällöin myös erilaiset heijastukset (ambivalenssi) vaikuttavat erityisesti välkeen muodostumiseen. Valon heijastuneisuus on pilvisellä säällä 100 %, puolipilvisellä 70 % ja kirkkaalla säällä 30 %. Etelä-Suomessa aurinko kohoaa keskipäivällä yli kolmenkymmen asteen kevätpäivänseisauksen ja syyspäivän tasauksen välisenä aikana. Talvisin, kuten tiedämme, auringon paisteen intensiteetti on alhainen ja selkeän varjon muodostuminen kauempana varjostavasta kohteesta on vähäistä. Marras-tammikuun välisenä aikana säteilyn keskimääräinen intensiteetti tippuu alle 120 W/m², mitä käytetään mm. Saksassa raja-arvona teoreettisen välkevaikutusten muodostumisessa. Auringonsäteilyn voimakkuus tai auringonpaistetunnit talvikaudella huomioidaan real case mallinnuksessa varovaisemmin kuin esimerkiksi Saksassa käytössä olevan ohjeistuksen mukaan. 1 Auringon paisteen lisäksi välkevaikutuksen muodostuminen vaatii sen, että voimaloiden lavat pyörivät. Real case mallinnuksessa oletetaan, että voimaloiden lavat ovat pysähdyksissä noin 10 % ajan. Todellisia varjostusvaikutuksia arvioitaessa otetaan huomioon auringon säteilyn voimakkuuteen vaikuttavat tekijät: pilvisyys, ilmankosteus ja paistekulma. 1 Update of UK Shadow Flicker Evidence Base, Department of Energy and Climate Change https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/48052/1416-update-uk-shadow-flickerevidence-base.pdf POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 6
Pilvisyys on Suomessa runsasta varsinkin syksyllä ja talvella. Pilvisiä päiviä, jolloin vähintään 80 % taivaankannesta on pilvien peitossa, on kaikkina kuukausina yleensä enemmän kuin selkeitä (enintään 20 % taivaankannesta pilvien peitossa) tai osittain pilvisiä päiviä. Eniten selkeitä päiviä esiintyy toukokesäkuussa, vähiten marras-joulukuussa. Keskimääräinen pilvisyys on 2 maailmalaajuisesti on 70 %. Real case mallinnuksessa ei painoteta vuodenajan vaihteluja vaan käytetään pilvisyydelle keskiarvoa 70 %. Varjon/välkkeen muodostumiseen ja intensiteettiin tietyssä kohteessa (etenkin metsäisillä alueilla) vaikuttaa puuston peitteisyys, mikä voidaan tarkemmassa tarkastelussa huomioida, mutta ei mallintaa. Peitteisyys vaikuttaa sekä varjon muodostumiseen että välkevaikutuksen voimakkuuteen. Peitteisyys joko muodostaa yhtenäisen esteen voimalasta syntyvälle varjolle tai hieman läpäisevän pinnan, jolla on varjon koherenttia kuvaa rikkova vaikutus. Mitä kauemmaksi voimaloista siirrytään on välkettä vaikeampi erottaa. Tällöin myös varjostusta läpäisevät peitteet esim. puusto vaikuttavat mahdollisuuksiin havaita voimaloista syntyvää varjon liikettä eli välkettä. 2.2 Välkkeen ohjearvot Suomessa ei ole raja-arvoja tai suosituksia koskien tuulivoimaloista aiheutuvaa välkevaikutusta tai sen mallintamista. Ympäristöhallinnon ohjeen 4/2012 Tuulivoimarakentamisen suunnittelu mukaan Suomessa välkkeen vaikutusten arvioinnissa on suositeltavaa käyttää apuna muiden maiden suosituksia: Saksa Korkeintaan 30 tuntia vuodessa teoreettisessa maksimitilanteessa Korkeintaan 30 minuuttia päivässä teoreettisessa maksimitilanteessa Mikäli voimalan automaattinen säätely on käytössä, todellinen vilkkumisvaikutus tulee rajoittaa korkeintaan 8 tuntiin vuodessa Ruotsi Teoreettisessa maksimitilanteessa vilkkumisvaikutus korkeintaan 30 tuntia vuodessa. Todellinen vilkkumisvaikutus saa suositusten korkeintaan 8 tuntia vuodessa ja 30 minuuttia päivässä On hyvä huomioida, että jos mallinnustuloksia verrataan näihin ohjearvoihin/suosituksiin, tulisi mallinnuksen metodit olla täysin kyseisessä maassa käytössä olevien metodien kanssa yhtenäiset. Esimerkiksi eroavaisuuksia tuottavat käytetyt mallinnuskorkeudet ja -tavat. Mallinnus voidaan suorittaa ns. green house moodilla (360 astetta) tai käyttämällä simuloitua ikkunapintaa (mittaus 180 astetta). 2 Ilmatieteen laitos. https://ilmasto-opas.fi POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 7
3 Varjostus-/välkevaikutusten mallinnusten lähtötiedot 3.1 Maastoaineistot Alueen maanpinnan korkeuserot on saatu Maanmittauslaitoksen korkeusmallista. Korkeusdatan resoluutio on 10 m ja tarkkuus 0,5-2 m. Suunniteltuja turbiineja lähimmät asuinrakennukset sijaitsevat alueen pohjois- ja etelälaidoilla n. 750-1000 metriä voimalasta. Lähellä olevat rakennukset ovat vakituisia asuinrakennuksia. Muutamia lomarakennuksia sijaitsee noin puolentoista kilometrin etäisyydellä lähimmästä voimalasta. (aineisto Maanmittauslaitos 2012) 3.2 Turbiinityypit Mallinnus on tehty turbiinityypillä, mikä vastaa kaavan mahdollisia maksimi dimensioita eli TH 210 m. Voimalan mitat ovat HH 144 m ja TH 210 m. 4 Varjostusmallinnuksen kuvaus 4.1 Laskennan parametrit Varjostusmallinnus on suoritettu WindFarmer 5.0.10 ohjelmalla [1, 8]. Mallinnus kuvaa teoreettista varjostusvaikutusta perustuen auringon sijaintiin ja korkeuteen suhteessa tuulivoimaloihin ja maanpinnan korkeuteen. Malli ei ota huomioon sääolosuhteita tai sitä että pystyykö ihminen havainnoimaan kohteessa välkkeen. Eli malli kuvaa teoreettisesti mahdollisti syntyvää varjoa. Reseptorit tai mittauspisteet ovat kahden metrin korkeudella ja mittausdata kerätään ns. green house moodilla eli 360 astetta mittauspisteen ympäristössä. Kansainvälisiin raja-arvoihin viitattaessa mittaus yleensä tapahtuu ikkunan korkeudelta ja ainoastaan 180 astetta mittauspisteestä ikkunan avautumisen suuntaan. Selvityksessä esitetyt mallinnukset kuvaavat siis välkevaikutusta avonaisessa kohdassa esim. pihamaalla. Mallinnuksessa ei myös huomioida rakennusten lisäksi muita peitteisyyttä aiheuttavia eli vaikutuksia vähentäviä kohteita kuten puustoa. Mallinnus on suoritettu kahdessa vaiheessa, missä ensimmäiseksi mallinnetaan tilanne, jossa voimaloiden lavat ovat aina 180º suhteessa POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 8
aurinkoon ja missä ei oteta mitään varjostusta vähentäviä vaikutuksia huomioon (worst-case). Tämän jälkeen kohteissa, joille varjostusvaikutuksia vuositasolla voisi tämän mallin mukaan yli 8 tuntia vuodessa syntyä, tarkastellaan varjostusvaikutuksia tarkemmalla mallilla. Tässä tarkastelussa huomioidaan tuulen suunta (lapojen asento) ja nopeus, sääolot kuten pilvisyys ja auringon paisteen voimakkuus. Mallinnuksen jälkeen on tarkasteltu vielä peitteisyyden vaikutusta varjojen muodostumiseen kohteessa. POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 9
5 Mallinnusten tulokset Teoreettisia maksimaalisia varjostusvaikutuksia kuvaavan mallinnuksen mukaan välkevaikutuksia voi syntyä yhdeksälle asuinrakennukselle ja kolmelle lomarakennukselle. Mallinnuksen perusteella välkevaikutuksia tulee tarkastella tarkemmin suhteessa alueen pohjoispuolella sijoittuviin kiinteistöihin. Yksi kohteista sijoittuu teoreettisesti tarkasteltuna mahdollisesti yli 30 tunti/vuosi välkevaikutuksille altistuvalle alueella ja kaksi asuinkiinteistöä tähän rajalle (kuva 1: alue tummemman punainen). Kuva 1 Teoreettiset maksimaaliset välkevaikutukset worst case (voimala HH144xTH210 ja havainnointikorkeus 2 m) Tarkemmassa real case mallinnuksessa otetaan huomioon vallitseva tuulensuunta (lapojen suunta), pilvisyys, säteilyn voimakkuus ja tuulisuus. Tässäkään mallinnuksessa ei pystytä ottamaan huomioon välkkeen muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä kuten puuston peitteisyys tai valon POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 10
ambivalenssi, jotka vaikuttavat ihmisen mahdollisuuksiin havainnoida/erottaa välke kohteessa. Kuva 2 Todellisia varjostusvaikutuksia kuvaavan mallinnuksen tulokset (voimala HH144xTH210 ja havainnointipiste 2 m). Taulukko 1 Tuulipuistoa lähimpien rakennusten paikkakoordinaatit Mittauspisteet Etäisyys lähimpään turbiiniin (m) KKJ kaista 1 Itä-koordinaatti (m) Pohjoiskoordinaatti (m) Korkeus (m) 1 763,0 1592354,0 6863390,0 134,2 2 874,5 1592166,0 6865568,0 122,0 3 1278,2 1590730,0 6863294,0 123,0 4 858,6 1591166,0 6865876,0 123,0 5 1470,9 1590917,0 6866437,0 120,5 6 1406,3 1591797,0 6862549,0 129,0 Todellisia varjostusvaikutuksia kuvaavan mallinnuksen perusteella kohteessa POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 11
kaksi varjostusvaikutukset olisivat yli 8 tuntia eli noin 9 tuntia vuodessa. Kohde sijaitsee melko kaukana useasta voimalasta jolta teoreettisesti varjostusta voisi kohteeseen syntyä. Myös peitteisyys on merkittävä tekijä kohteessa, koska tontilla on paljon puustoa ja sitä ympäröi metsä (katso liite 2). Mallinnuksen perusteella kohteeseen syntyisi varjostusta viidestä voimalasta, joista kolme sijaitsee reilusti yli kilometrin etäisyydellä kohteesta (kokonaisvarjostusajasta n. 60 %). Jotta todellisuudessa näiltä etäisyyksiltä havaittavissa olevia välkevaikutuksia syntyisi, olisi sääolosuhteiden oltava lähellä optimaalista ja auringon säteilyn voimakkuuden korkea. Tällaista mahdollisuutta ei todennäköisesti usein synny, koska vaikutukset ajoittuvat syys- ja kevätpäiväntasauksen väliseen ajankohtaan. Sekä kuvassa 2 esitetyt varjostusvaikutukset että taulukossa 2 esitetyt todelliset välkevaikutusten kuukautiset kokonaisajat ovat siis jo voimaloiden ja kohteen välisen etäisyyden tarkastelun perusteella vaikutuksia korostavat. Taulukko 2 Välkevaikutukset mittauspisteessä 2 teoreettinen varjostusaika (min/kk) Pilvisyys Säteilyn voimakkuus Lapojen pyöriminen Real-case (tuntia /kk) tammikuu 680-70 % -60 % -10 % 1,224 helmikuu 340-70 % -30 % -10 % 1,071 maaliskuu 460-70 % -10 % -10 % 1,863 huhtikuu 0-70 % 0 % -10 % 0 toukokuu 0-70 % 0 % -10 % 0 kesäkuu 0-70 % 0 % -10 % 0 heinäkuu 0-70 % 0 % -10 % 0 elokuu 0-70 % 0 % -10 % 0 syyskuu 110-70 % 0 % -10 % 0,495 lokakuu 640-70 % -20 % -10 % 2,304 marraskuu 730-70 % -60 % -10 % 1,314 joulukuu 440-70 % -70 % -10 % 0,594 Vuosi 8,865 Kohteessa on tarkasteltu myös peitteisyyden vaikutuksia varjostuksen ja välkevaikutusten muodostumiseen. Kohteesta on tehty malli mikä havainnoi voimaloiden näkyvyyttä havainnointipisteeseen (katso LIITE2.). POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 12
Kuva 3 Ilmakuva havainnointipisteen 2 ympäristöstä (pohjakartta: maanmittauslaitos 2013) Ilmakuva ja mallinnus peitteisyydestä osoittavat, että sekä piharakennusten että puuston peitteisyydestä johtuen näkyvyys voimaloille on voimakkaasti rajoittunutta. Erityisesti näkyvyys/varjostuksen mahdollisuudet ovat rajoittuneita kaakon suuntaan. Lounaan suunnassa sijaitsevasta voimalasta kaksi voi kuitenkin tontin puuston harvalukuisuudesta johtuen varjostusta jonkin verran syntyä, mutta todennäköisesti puusto vaikuttaa myös tällöin välke-efektin voimakkuuteen. POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 13
6 Johtopäätökset Mallinnustulosten perusteella huomattavia välkevaikutuksia ei voimaloista synny. Erityisesti alueen pohjoispuolella sijaitsevien kolmen puistoa läheisemmän asuinrakennuksen osalta teoreettinen mahdollisuus varjostukseen muodostuu. Yksityiskohtaisemman tarkastelun perusteella vaikutukset pysyvät alle 8 tunnin. Vaikutuksia pohjoispuolelle sijaitseville rakennuksilla on havainnoitu tarkastelemalla vaikutusta yksityiskohtaisesti lähimmällä ja vaikutuksille alttiimmalla kohteelle (havainnointipiste 2). Kohdetta voidaan pitää edustavana myös muiden pohjoispuolella sijaitsevien rakennusten vaikutusten tarkastelun osalta. Havainnointipisteellä 2 suoritetun yksityiskohtaisen tarkastelun perusteella puistosta ei synny raja-arvoja ylittäviä välkevaikutuksia. Tarkastelun perusteella olisi kuitenkin hyvä kaavoituksessa huomioida kyseisen tontin puuston sekä näkyvyyttä että välkevaikutuksia vähentävä vaikutus. Voimalaa kaksi voisi mahdollisesti myös siirtää hieman lounaaseen ja näin kasvattaa etäisyyttä asuinrakennuksiin. POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 14
Viitteet [1] Update of UK Shadow Flicker Evidence Base, Department of Energy and Climate Change https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/4 8052/1416-update-uk-shadow-flicker-evidence-base.pdf [2] Ilmatieteen laitos, Tilastoja Suomen ilmastosta 1981-2010, Helsinki 2012 [3] Maanmittauslaitoksen avoimen tietoaineiston lisenssi [7] Tuulivoimarakentamisen suunnittelu, Ympäristöhallinnon ohjeita 4/2012, Helsinki 2012 [8] WindFarmer v. 4.2 ja v. 5.0, Theory Manual, GL Garrad Hassan. POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 15
LIITE 1: TILASTOJA SUOMEN ILMASTOSTA 1981-2010 POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 16
POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 17
LIITE 2. Mallinnus peitteisyydestä Mallinnuskuvat havainnollistavat sekä puuston että piharakennusten aiheuttamaa peitteisyyttä havainnointipisteessä kaksi. POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 18
POHJOIS-SATAKUNNAN TUULIVOIMAPUISTOJEN KAAVOITUSHANKE 19