Lämmönvarastointi

Lämmönvarastoinnin avulla voidaan varastoida energiaa, kun tuotanto ja kulutus ovat ajal-lisesti epätasapainossa. Tällöin energiaa varastoidaan, kun sitä on saatavilla tai sitä on kan-nattavinta tuottaa. Lämpöä varastoidaan esimerkiksi CHP-laitoksissa kaukolämmön tuo-tannossa, kun sähkön hinta on korkealla, mutta lämmön tarve on vähäinen. Tällöin sähkön

0

tuotanto maksimoidaan ja ylimääräinen lämpöenergia varastoidaan kaukolämpöakkuun.

Toinen esimerkki on aurinkoenergian varastointi, jolloin päivällä kerätään aurinkoenergiaa lämpövarastoon ja se käytetään kulutuksen mukaan. Diplomityön kohteena olevaan laitok-seen tutkitut lämmitysratkaisut eivät ole riippuvaisia ulkoisesta tekijästä kuten yösähköstä, aurinkoenergiasta tai hetkellisestä hukkalämmöstä. Prosessilämmitys on päällä tehon tar-peen mukaan. Näin ollen lämmön varastoinnille ei ole tarvetta tuotannon ja kulutuksen samanaikaisuuden takia.

Lämmön kulutuksen ja tuotannon epätasaisen jakaantumisen lisäksi lämpövarastol-la on mahdollista alentaa päälämmitysratkaisun lämpötehoa ja sitä kautta investointikus-tannuksia. Lämpövaraston hyödyntäminen päälämmitysratkaisun lämpötehoa alentavana tekijänä edellyttää, että lämpövarastoa voidaan ladata ja purkaa prosessin käytön aikana.

Lämpövarasto voidaan sijoittaa lämmityspiirin paluulinjaan. Silloin lämpövarastolla voi-daan nostaa paluuveden lämpötilaa, jolloin lämpötilan nousu kattilassa on pienempi ja sa-malla tehon tarve.

Työn kohteena olevaan laitokseen lämmitysratkaisun ja lämpövaraston mitoittami-nen on haasteellista, sillä lämmitystehoon vaikuttaa materiaalin lämpötila prosessin sisällä.

Materiaali voi lämmetä ennen hygienisointia jo 70°C optimaalisen koostumuksen avulla.

Silloin lämmitettävän kiertoilman tehon tarve on vähäinen. Toisaalta materiaali voi lämme-tä huonosti ennen hygienisointia, jos materiaalin koostumus on huono ja mikrobiologinen toiminta hidasta. Tällöin lämmitettävän kiertoilman lämmitystehon tarve on suuri.

Öljykattiloiden käyntiä tutkitaan tarkemmin tuntitasolla, jotta voidaan selvittää kat-tilan käynti- ja taukoajat. Päiväksi valitaan toistaiseksi talven kylmin päivä, jolloin hygie-nisointivaihe oli käynnissä ja melkein kaikki hygiehygie-nisointivaiheen tunnelit ovat käytössä eli lämmityksen tarve on suurimmillaan. Päivämääräksi valittiin 17.2-18.2.2021, jolloin hygienisointivaihe oli käytössä, 5/6 hygienisointitunnelia oli päällä ja ulkoilman lämpötila oli -25°C. Kuvasta 21 nähdään lämmityspiirin menolämpötilat kello 23.30-06.30.

Kuva 21. Lämmityspiirin menolämpötilat.

Menolämpötila vaihtelee 93-101°C välillä. Nousevat käyrät kuvastavat kattilan käyntiä ja laskevat käyrät kuvastavat kattilan taukoa. Polttimen tehon muuttuminen 1-vaiheelta 2-vaiheeseen näkyy trendistä käyrän muutoksesta, jossa lämpötila kääntyy hetkelliseen las-kuun, mutta lähtee lähes saman tien nousuun ja nousee maksimilämpötilaan. Lämpötila nousee 10 minuuttia, jonka jälkeen lämpötila laskee 5 minuuttia. 10 minuuttia kattilasta saatava lämpöteho on noin 225 kW, jonka jälkeen 5 minuuttia kattilan lämpöteho on 0 kW.

Nimellisteholla lämpöenergiaa voidaan tuottaa tunnissa 225 kWh, joten 10 minuutin käyn-tijakson aikana tuotettu energiamäärä on 37,5 kWh. Lämmityspiiriin liitettyä lämpövaras-toa voitaisiin ladata 18,75 kWh 5 minuutin taukoaikana.

Lämpövaraston purkutehoa arvioidaan lämmön pysyvyyskäyrien pohjalta kuvassa 22. Lämmityspiirin pysyvyyskäyrässä näkyy selvä muutos 60 kW kohdalla, jossa käyrän kulmakerroin muuttuu pienemmäksi. Kulmakertoimen pienentyminen tarkoittaa, että muu-tos on vähäisempää. Lämmityspiirin lämpöteho on alle 60 kW noin 65 % vuoden tunneista.

Lisäksi tuloilman esilämmityksen pysyvyyskäyrästä voidaan todeta, että se voidaan kattaa myös alle 60 kW teholla. Tuloilman esilämmitykseen riittää tarkemmin 50 kW lämpöteho.

Joten näiden kahden pysyvyyskäyrän pohjalta lämmityspiiriin soveltuva lämpövarasto olisi purkuteholtaan 60 kW. Purkuteholla voidaan kattaa tuloilman esilämmityksen lämpöteho kokonaisuudessaan sekä hygienisointivaiheen alhaiset tehon tarpeet.

Kuva 22. Purkutehon määrittäminen

Lämmityspiirin maksimiteho on noin 225 kW, mutta se rajoittuu hygienisoinnin ajaksi. Jos päälämmitysratkaisu mitoitetaan 225 kW, niin sen säätyminen pelkästään tuloilman esi-lämmitykseen vastaisi noin 0-27 % nimellistehosta. Mitoittamalla päälämmitysjärjestelmä 165 kW lämpöteholla ja lämpövarasto 60 kW purkuteholla, niin ne kattaisivat yhdessä ko-ko lämmityspiirin lämpötehon.

Tuntitarkastelusta selvisi, että kattilan käyntiaika on 10 minuuttia ja taukoaika on 5 minuuttia. Tällöin 5 minuutin taukoaikana lämpövarasto täytyy ladata, jotta se voi purkaa 60 kW teholla kattilan käydessä. 10 minuutin käyntiaikana energiaa kuluu 37,5 kWh. Jos kattila mitoitetaan 165 kW kokoiseksi, niin se tuottaa 10 minuutin käyntiaikana 27,5 kWh eli lämpövaraston täytyy purkaa 10 minuutissa 10 kWh. Tämä on samalla lämpövarastoon kerättävä minimi energiamäärä. 5 minuutin latauksen aikana lämpövarastoa ladataan 165 kW teholla, jolloin lämpövaraston energiamäärä latauksen lopuksi on 13,75 kWh. Näin ollen lämpövarasto on mahdollista ladata taukoaikana. Lämpövarasto mitoitetaan vastaa-maan kahta lataus-purkausjaksoa eli sen koko on 27,5 kWh.

Kyselytutkimuksessa lähtötiedoissa ilmoitetaan, että lämpövaraston latauslämpötila on 99°C. Lämpövaraston mahdollisen hyödyntämisen seurauksesta kyselytutkimuksessa täytyy kysyä budjettitarjous lämmitysratkaisusta kahdelle eri lämpöteholle. Päälämmitys-ratkaisun lämpöteho on ilman lämpövarastoa 225 kW ja lämpövaraston kanssa 165 kW.

Lämpövaraston koko on 27,5 kWh, purkuteho 60 kW ja latausteho 165 kW.

Tuntuvan lämmön varastointi valitaan lämpövarastoksi sen yksinkertaisuuden ja halvan hinnan takia, sillä lämmityspiirissä virtaa vesi, jolloin kytkentä on mahdollistaa to-teuttaa suoralla kytkennällä. Tuntuvan lämmön varastointi on myös hyvin kaupallistettu varastointitapa, jolloin markkinoilta löytyy useita toimijoita. Tuntuvan lämmön varastoin-nissa useimmat tutkimushankkeet koskevat eristeiden parantamista ja niin sanottuja supe-reristeitä, jolla lämpöhäviöt voidaan minimoida (International Renewable Energy Agency 2013, 17).

Latenttilämmönvarastoa tai termokemiallista lämpövarastoa ei oteta kyselytutki-muksessa huomioon, vaikka niiden tuoma etu lämpövaraston koossa olisi merkittävä. Esi-merkiksi laitoksessa tarvittava 27,5 kWh lämpöenergia voitaisiin varastoida 5,9 m³ veden sijasta 0,5 m³ parafiinia. Latenttilämpövarastoa ei huomioida, koska varaston latausteho ei ole riittävän suuri. Esimerkiksi sokerialkoholilla saavutetaan 118°C lämpötilatasolla noin 25 % latausteho suhteessa maksimitehoon (Jing et al. 2014, 188). Tällöin 165 kW latauste-ho olisi todellisuudessa vain 41,25 kW, jolloin ladattu energiamäärä 5 minuutin taukoaika-na olisi 3,5 kWh eikä tarvittava 13,75 kWh. Termokemiallista lämpövarastointia ei huomi-oida, koska se on investointikustannuksiltaan kaikista kallein vaihtoehto sekä varastoinnin eteen tehdään vielä paljon tutkimustyötä (International Renewable Energy Agency 2013, 7,17).