Suuret maanalaiset lämpövarastot – pitkäaikainen lämmön varastointi40

Yleensä lämmön pitkäaikaisella varastoinnilla tarkoitetaan varastointijaksoa, jonka kesto on viikkoja – kuukausia. Suuret energiamäärät vaativat suuret varastointikapasi-teetit ja -järjestelmät. Suurien varastojen etuna ovat pienet lämpöhäviöt. Maanpinnan lämpötila on keskimäärin 13 °C ja yli 10–20 m syvyydessä lämpötila kasvaa 0,03 °C/m.

Energia siirtyy maan alla konduktiolla eli johtumalla (λ ~ 1–5 W/mK) tai konvektiolla.

Suuret, maanalaiset varastotyypit voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin riippuen siitä, millä periaatteella lämmön siirtyminen tapahtuu:

1. Virtausvarastot – kaivantovarasto

– kallioon louhittu luola varastona 2. Johtumiseen perustuva varasto

– pysty- tai vaakasuora lämmönvaihdin maaperässä tai kalliossa (putki- tai porarei-kävarasto)

3. Sekoitettu varasto (varastoitavana väliaineena sekä maa että vesi; lämmön virtaus ja johtuminen)

– pohjavesiesiintymä – sora-vesikaivanto

Seuraavassa (Kuva 32) on esitetty erityyppisten maanalaisten varastojen toimintaperi-aatteita. Sekoitetussa varastossa on yleensä vakiolämpötila koko varastossa. Lämmin vesi lisätään varaston pohjalle ja purku tapahtuu varaston yläosasta. Kerrostuneessa varastossa on vertikaalisesti kerrostunut lämpötilajakauma. Varastoa ladataan lisäämällä yläosaan lämmintä vettä ja myös purku tapahtuu varaston yläosasta [3].

Eristetyn kaivantovaraston väliaineena voi olla vesi, sora-vesiaines tai lumi. Kokonsa puolesta kaivantovarastot soveltuvat lyhyempiaikaiseen lämmön varastointiin, kuten kaukolämpöjärjestelmiin. Lisäksi lämpöhäviöt muodostuisivat kaivantovarastoissa kohtuuttoman suuriksi lämmön kausivarastoinnissa. Kalliovaraston väliaineena on vesi tai vesi-louheseos. Kalliovarasto on eristämätön ja se soveltuu suuriin, keskitettyihin järjestelmiin energian kausivarastointiin. Porareikävarastossa lämmönsiirto tapahtuu ns.

maalämmönvaihtimen avulla, joka koostuu maaperään asennetuista putkista, joissa

kul-kee lämmön siirtoon käytettävää nestettä. Putkivarasto voidaan rakentaa kallioon tai pehmeään maaperään, kuten saveen. Putkisysteemiä ympäröivää maaperää lämmitetään tai jäähdytetään varaston latauksen aikana. Suomessa on tehty tutkimusta porareikäva-rastojen soveltuvuudesta lämmön varastointiin 1980-luvulla ja 1990-luvun alussa [7, 8, 9]. Maanalaiset pohjavesiesiintymät ovat luonnostaan vettä ja kiviainesta sisältäviä

’luonnollisia lämpösäiliöitä’. Käytännössä lämpöenergiaa varastoituu jatkuvasti pohja-vesiesiintymiin vuodenaika- ja jopa vuosimittakaavassa sadeveden siirtäessä lämpöä eli aurinkoenergiaa maaperään. Lisäämällä maaperään kulkeutuvaa lämpömäärää voidaan suuriakin energiamääriä varastoida kuukausimittakaavassa.

Eristetty kaivantovarasto 10² - 10 ⁵ m³

Kylmä Lämmin

Kylmä

Kalliolämpövarasto 10⁵ - 10⁶ Lämmin

Porareikävarasto 10³ - 10⁵ m³ Lämmin Kylmä

Kylmä Lämmin

Kylmä Tiivis kerros

Tiivis kerros

Pohjavesivarasto 10⁴ - 10⁶ m³

Kuva 32. Suurien lämpövarastojen rakenteita [3,10].

Kuten edellä on esitetty, pohjavesivarastot voivat olla yksi- tai kaksikaivoisia. Koska yksikaivoisen varaston vaatimia kaksikerroksisia pohjavesiä on suhteellisen vähän, kak-sikaivoinen lämmön ja/tai kylmän pohjavesivarasto on yleisempi. Tässä energian tal-teenottokaivo sijoitetaan riittävän etäisyyden päähän syöttöalueelta pohjaveden virtaus-suunnassa alavirtaan päin. Suomen oloissa kaivojen välimatkan tulee olla noin 100–200 m [121].

Suomessa vuodenaikojen ja maantieteellisen sijainnin mukaan vaihteleva pohjaveden lämpötila on noin 2–10 °C. Yhtenäiset pohjavesiesiintymät ovat Suomessa noin 2–10 m syvyydellä maan pinnasta ja niiden pituus vaihtelee 1–10 km välillä ja leveys on muu-tama sata metriä. Varsinaista lämmön tai kylmän varastointia pohjavesiimme ei ole tiettävästi toteutettu. Sen sijaan Ruotsissa, jossa pohjavesiesiintymät ovat samantapaiset kuin Suomessa, on hyödynnetty pohjavesivarastoja lämmön ja kylmän varastointiin.

Kyseisiä järjestelmiä on Solnassa, Malmössä, Klippanissa ja Lommassa [121, 122].

Euroopan suurin kalliolämpövarasto on Oulussa (vrt. Taulukko 3). Myös Ruotsissa on käytetty suuria lämpövarastoja kaukolämpöjärjestelmissä. Esimerkiksi Lyckebossa on 105 000 m³ kallioluola, jota käytetään aurinkolämmön (paneelien pinta-ala 28 800 m²) varastointiin. Kyseinen kalliovarasto on kytketty myös paikalliseen kaukolämpöverkkoon.

Viime vuosina on maailmalla toteutettu useita satoja pohjavesivarastoihin liittyviä pro-jekteja. Useimmissa tapauksissa kylmäenergiaa varastoidaan talviaikaan ja energia käytetään suurten toimistorakennusten ja teollisuusprosessien jäähdytykseen. Verrattuna kompressorijäähdytykseen lisäinvestointien takaisinmaksuaika on yleensä alle viisi vuotta ja käyttökustannuksia on voitu alentaa jopa 75 %. Suuria porareikävarastoja on sen sijaan toteutettu huomattavasti vähemmän. [107]. Alla on esimerkki Solnassa, Ruot-sissa, vuodesta 1987 toimineesta järjestelmästä, jossa pohjaveteen varastoitua lämpöä käytetään SAS:n pääkonttorin (Kuva 33) lämmitykseen ja ilmastointiin [108]. Malmön läntiselle satama-alueelle on rakennettu moderni asuinalue, joka käyttää sataprosentti-sesti uusiutuvaa energiaa. Alue tuottaa kesäaikana lämpöä myös Malmön kaukolämpö-verkkoon (vrt. Kuva 34).

Kuva 33. Lämpö-kylmävarasto Solnassa, Ruotsissa [108].

Kuva 34. Kaukojäähdytysjärjestelmä Malmössä [109].

Zae Bayern [97] on suunnitellut aurinko- ja kaukolämpöön perustuvan alueellisen läm-mitysjärjestelmän Münchenin esikaupunkialueelle, johon kuuluu 274 asuntoa ja pien-teollisuusalue. Järjestelmässä on 5 700 m³ maanalainen vesivarasto aurinkolämmön kausivarastointiin. Aurinkolämpö (paneelipinta-ala 2 700 m²) kattaa 50 % vuosittaisesta lämmön tarpeesta. Aurinkolämpöjärjestelmän ja kaukolämpöjärjestelmän välillä on litiumbromidi-vesi-absorptiolämpöpumppu, jonka avulla tuotetaan noin 50 % tarvitta-vasta lämpöenergiasta (vrt. Kuva 34).

Kuva 35. Aurinko-kaukolämpöjärjestelmän toimintaperiaate [97].

2.3 Paineilmavarastot

Paineilmavarastoja käytetään ns. CAES (Compressed Air Energy Storage) -laitoksissa keskitetyssä sähköntuotannossa. CAES-laitos koostuu paineilman komprimointiosasta, modifioidusta kaasuturbiinigeneraattorista ja paineilmavarastosta. Komprimointiosaan lisätään kompressoria pyörittävä moottori tai generaattori korvataan moottorigeneraatto-rilla. Varastoidun paineilman avulla CAES-laitos tuottaa sähköä ilman kompressoria, jolloin turbiinin energia voidaan käyttää kokonaan sähkön tuottamiseen. Varastoa lada-taan kompressorilla (l. toimii moottorina), kun sähkön hinta on alhainen tai kun sähkön kulutus on alhainen. Vastaavasti paineilmavarastoa puretaan huippukulutustilanteissa.

Paineilmaa voidaan varastoida usean tyyppiseen luonnolliseen muodostelmaan, kuten maanalaiseen suolakiviesiintymään, suolavesiesiintymään tai vaihtoehtoisesti louhia kallioon. Suolavesiesiintymän käyttö paineilmavarastona on nykyään halvin vaihtoehto.

Paineilmavarasto soveltuu suuren kokoluokan energian kysynnän hallintaan. Maailmalla on muutamia CAES-laitoksia. Nykyään toiminnassa on 290 MWe Huntorfin laitos Sak-sassa ja 110 MWe McIntoshin laitos Alabamassa. Paineilmavarastona molemmissa on luonnollinen geologinen muodostelma. Ohioon on suunnitteilla 2700 MWe CAES-laitos, joka hyödyntäisi vanhaa kalkkikivikaivosta paineilmavarastona. Kyseinen Norto-nin laitos olisi toteutuessaan ensimmäinen kalkkikivikaivosta hyödyntävä CAES-laitos maailmassa. Laitos olisi jaettu 300 MW moduuleihin, joista kukin tuottaisi 15 000 MWh paineilman avulla. Suomessa tutkittiin 1990-luvulla Pyhäsalmen sinkkikaivoksen käyttökelpoisuutta CAES-laitoksen paineilmavarastona. Laitos oli suunniteltu toimivak-si kaasuturbiinilaitoksen yhteydessä. Suunniteltu sähköteho olitoimivak-si ollut 35 MW ja komp-ressorin koko 25 MW. Hankkeelle ei kuitenkaan löytynyt riittävän vahvoja taloudellisia perusteita [5, 11, 12].

CAES-laitoksen muunnosta eli CAS-laitosta on kehitetty kulkuneuvojen energiavaras-toksi. CAS-systeemissä paineilma on varastoitu säiliöön, jonka korkeiden kustannusten vuoksi ainoastaan muutaman tunnin varastointi voisi tulla kyseeseen [11].