Grundläggning av vindkraftverk i kallt klimat
Simulering av tjälfront på vindkraftverksfundament med TEMP/W
Riksdagen har satt upp mål att det år 2020 ska vara möjligt att bygga vindkraft för en elproduktion på 30 TWh. Jämfört med de 3,5 TWh som vindkraften producerade år 2010 är det en kraftig utbyggnad som kräver planering. Över hälften av den kommande kapaciteten projekteras för i områden med kallt klimat. Vid grundläggning i kallt klimat är problematiken kring tjäle något som ständigt måste beaktas. Grundläggning av fundament sker vanligtvis på frostfritt djup, oftast uppskattat från enklare beräkningar eller generaliserade kartor. Tjäldjupsdimensioneringar tar därmed vanligtvis inte hänsyn till fundamentet och dess värmetekniska egenskaper. Värmeledningstalet hos icke frusen betong är normalt högre än värmeledningstalet hos icke frusen jord. Tjocka betongkonstruktioner med ett litet eller inget överlagrande skikt av jord kan därför medföra en risk att betongen för ned tjälen i terrassmaterialet. Tjäldjupet skulle därmed bli djupare under fundamentet än i omkringliggande jord. Vid grundläggning av fundament är detta ett fenomen som sällan eller aldrig behandlas. Vindkraftföretag i Sverige har dock väckt frågan om detta är ett problem. Syftet med studien är att undersöka tjälnedträngningen under vindkraftverk med typiska gravitationsfundament i norra Sverige under extrema vinterförhållanden. Huvudfrågan berör främst hur de massiva betongfundamenten till vindkraftverk påverkar tjälens nedträngning. Frågan utvecklas även vidare genom att undersöka hur ballastmaterialet i betongen påverkar dess värmeledningstal och vilken effekt det ger på tjäldjupet. I studien undersöks även vilken effekt isolering av fundament har på maximalt tjäldjup. Ett idealiserat gravitationsfundament till vindkraftverk har studerats. Tjäldjupet har simulerats i finita elementprogrammet TEMP/W. Simulering har utförts i tre typjordar med grundvattennivån antagen på stort djup. Klimatbelastning enligt städerna Östersund och Kiruna har använts. Återkomsttiden på klimatdata uppgår till vindkraftverkets livstid (25 år) samt under ett längre perspektiv (50 år). Två olika isoleringsmetoder har undersökts. Båda metoderna avser isolering med styrencellplast med skillnad gällande isoleringens placering. Betongens ballastmaterials effekt på tjäldjupet har undersökts genom att variera betongens värmeledningstal. Utförda simuleringar visar att tjäldjupet kommer vara större under betongfundamentet än i omkringliggande jord i samtliga undersökta fall. Massiva betongfundament till vindkraftverk kan därmed påverka tjälens nedträngning så att tjäldjupet blir större mitt under fundamentet. Hur mycket fundamentet påverkar tjäldjupet beror dock på omkringliggande jordtyp, simulerad köldmängd och betongens värmetekniska egenskaper. Vid mindre köldmängder kunde en större differens påvisas mellan tjäldjupet mitt under fundamentet och i omkringliggande jord. Simuleringarna visar att maximalt tjäldjup varierar beroende på värmeledningstalet hos betongen i fundamentet, varför det måste beaktas vid platsspecifik undersökning. Genom att isolera ovanpå fundamentet och inuti fundamentet, i tornets infästning, kan tjäldjupet minskas markant. I studiens undersökta fall kommer dock tjäldjupet att återfinnas under fundamentet i samtliga fall, trots isolering av fundament. Därför bör alternativ åtgärd användas som exempelvis ökat skyddslager eller grundläggningsdjup, eller alternativt placera en värmeplatta under vindkraftverksfundamentet.