2. Energian varastointiteknologiat
2.2 Lämpövarastot
2.2.3 Suuret maanpäälliset ja maanalaiset lämpö-/kylmävarastot –
Alueellisissa ja keskitetyissä järjestelmissä lämpövarastoa käytetään lämmön kysynnän hallintaan. Lataus-purkausjakson keskipituus on yleensä vuorokausia. Varastojen väli-aineena on yleensä vesi. Suomessa lämpövarastoja on rakennettu etupäässä kaukoläm-pöjärjestelmiin, joissa tuotetaan myös sähköä. Lämpövaraston avulla voidaan CHP-tuotannossa maksimoida sähkön tuotantoa ja vähentää esimerkiksi öljyllä toimivien huippukattiloiden käyttöä. Lämpövarasto toimii myös tehoreservinä tuotantohäiriöissä, vesireservinä putkivauriotapauksissa sekä paisuntasäiliönä verkoston paineen säädössä.
Alueellisessa lämmön tuotannossa, jossa polttoaineena on biopolttoaine, lämpövarasto toimii paitsi kysynnän hallinnassa myös kompensoimalla polttoaineen laadun vaihtelua [5].
Suomeen rakennetut kaukolämpövarastot (Taulukko 3) Oulun kalliosäiliötä ja Turun uutta lämpöakkua lukuun ottamatta ovat terässäiliöitä. Ne toimivat yleensä normaali-ilmanpaineessa ja niiden maksimilämpötila on 95–98 °C. Saarijärveä lukuun ottamatta kaikki taulukon lämpövarastot ovat rakennettu järjestelmiin, joissa on CHP-tuotantoa.
Lisäksi noin puolet Suomen kaukolämpölaitoksista käyttää kaukolämpöverkkoa läm-mön lyhytaikaiseen, muutaman tunnin varastoimiseen nostamalla menoveden lämpöti-laa 10–15 °C. Lämpövaraston käyttöä ohjaavat:
- ulkolämpötila - sähkön hintataso
- kaukolämmön kulutuksen vuorokausivaihtelu - varaston varaustila.
Taulukko 3. Suomeen rakennettuja lämpövarastoja [5].
Paikka Tilavuus
Otaniemi1 500 20 10 Kaasu 1974
Oulu 15 000 800 80 Turve 1985
Oulu (kallio) 190 000 10 000 80 Turve 1996
Lahti 10 000 450 40 Hiili 1985
Lahti 200 9 1 Kaasu 1989
Naantali 15 000 690 82 Hiili 1985
Helsinki Salmisaari2
2*10 000 1 000 130 Hiili 1987
Helsinki Vuosaari
26 000 1 400 130 Kaasu 1997
Saarijärvi1 350 21 3 Turve 1988
Kouvola 10 000 420 72 Kaasu 1988
Hämeenlinna2 10 000 320 50 Hiili 1988
Hyvinkää 10 000 350 50 Kaasu 1988
Vantaa3 20 000 900 50 Hiili 1990
Rovaniemi 10 000 450 30 Turve 1998
Turku4 Hiili, biomassa 2002
1 paineistettu, 2 kytkentä lämmönsiirtimellä, 3 muutettu vanhasta öljysäiliöstä, 4 muutettu vanhasta kaasu-kellosta
Uusin lämpövarastohanke on Turku Energian vanhaan betoni-tiilirakenteiseen kaasu-kelloon sijoitettava kaukolämpöakku. Lämpöakkuun varastoidaan talvella hiilellä tuo-tettua lämpöä ja kesäaikana biokattilalaitoksen tuottamaa energiaa. Kaasukellohanke on sikäli erikoinen, että rakennuksen yläkertaan suunnitellaan korkeatasoisia toimisto- ja ravintolatiloja. Turku Energian suunnitelmissa on myös ollut lumi-jäävaraston rakenta-minen jäähdytysenergian varastoimiseen [6].
Ilmastointisovelluksissa on perinteisesti käytetty vesivarastojen lisäksi vesi-jäävarastoja, joissa jää tuotetaan esimerkiksi kompressorin avulla yöaikaan, kun sähkön hinta on alhainen. Kylmävarastoissa lataus-purkausjakson pituus on yleensä yksi vuorokausi, joten ne voidaan luokitella myös lyhytaikaiseen energian varastointiin. Kylmävarastot on kuitenkin käsitelty tässä yhteydessä, koska ne ovat yleensä suuria varastoja ja niitä usein käytetään alueellisesti kuten lämpöakkuja. Pienempiä talokohtaisia järjestelmiä on myös olemassa, mutta niiden kannattavuus on yleensä huono.
Jäävarastot ovat suosiossa erityisesti Yhdysvalloissa. USA:n kylmävarastoja hyödyntä-vistä jäähdytysjärjestelmistä 87 %:ssa käytetään jäätä, 10 %:ssa vettä ja 3 %:ssa eutek-tista suolaa varastointimateriaalina [125]. Toinen kylmävarastojen suuri käyttäjämaa on Japani, jossa on myös tehty paljon tutkimustyötä liittyen eri konsepteihin. Jäävarastossa energian siirtyminen perustuu lähinnä faasinmuutoksessa vapautuvaan tai sitoutuvaan latenttilämpöön. Ilmastointiratkaisuissa jäävaraston etu verrattuna kylmän veden varas-toihin on veden alhaisempi jakelulämpötila, jolloin kiinteistön ilmastointikanavat ja puhaltimet ovat pienempiä ja ilman kosteus on pienempi [112, 117].
Jään muodostamiseen (l. varaston lataukseen) on kehitetty useita eri menetelmiä, jotka voidaan jakaa staattisiin ja dynaamisiin. Staattisessa jäänmuodostuksessa jäämassaa kasvatetaan vedessä olevien putkien tai levyjen päälle, joissa kiertää kylmäaine. Dy-naamisessa menetelmässä jää tehdään yleensä vesitankin ulkopuolella ja jää tuodaan veteen, jossa se voi vapaasti liikkua. Staattisessa jäävarastossa jään osuus varaston tila-vuudesta on melko vähäinen, kun taas dynaamisessa varastossa jään osuus voi olla suuri [112]. Jäävaraston lataukseen ja purkaukseen on seuraavia kaupallisia teknologioita (Kuva 21–27) [117, 118]:
- Jää muodostuu haihduttimen pinnalle, josta se tietyin aikavälein irtoaa varastosäili-öön, joka on osittain täytetty vedellä (Kuva 22) (ice harvesting). Soveltuu kohteisiin, joissa vaaditaan suurta varastointikykyä ja suhteellisen pientä jäähdytyskapasiteettia.
– Upotettu putkisto, jossa kiertää kylmäaine tai sekundäärinen jäähdytysaine. Jää muodostuu putkiston ulkopinnalle. Varastoa puretaan syöttämällä lämmennyttä pa-luuvettä vesitankkiin, jolloin jää sulaa putkiston pinnalta (Kuva 23) (external melt ice-on-coil).
– Sama kuin edellä, paitsi että varastoa puretaan kierrättämällä lämmennyttä jäähdy-tysainetta putkistossa. Jäähtynyt kylmäaine kiertää talon jäähdytysjärjestelmässä tai sitä käytetään jäähdyttämään sekundäärinen jäähdytysaine (Kuva 24) (internal melt ice-on-coil).
– Kapseloidut jääjärjestelmät, joissa vesi tai jokin muu PCM-aine (lähinnä eutektinen suola) on ns. jääkapseleissa, jotka on upotettu tankkiin (Kuva 25). Varastoa ladataan tai puretaan kierrättämällä kylmää tai lämmintä jäähdytysainetta.
– Jääslurrijärjestelmät, joissa kylmäaineena käytetään vettä tai vesi/glykoliseosta.
(Jääslurri on pienten jääpartikkelien (0,01–0,1 mm), veden ja jäätymispistettä alen-tavan aineen kuten etanolin, suolan tai glykolin sekoitus). Jääslurri voidaan pumpata suoraan kiinteistön jäähdytysjärjestelmään tai käyttää sekundäärifluidin jäähdyttä-miseen (Kuva 27).
Kaupallisissa järjestelmissä varaston purku tai lataus tehdään yleisimmin kierrättämällä jäähdytysainetta putkistossa (internal melt ice-on-coil). Lataus-purkaus kierrättämällä paluuvettä tankkiin (external melt ice-on-coil) on yleisempi teollisuussovelluksissa, vaikka sitä voidaan käyttää myös kiinteistökohtaisesti tai kaukojäähdytyssovelluksissa.
Jääkapseleita voidaan käyttää myös useissa sovelluksissa. Jääslurrijärjestelmät eivät sen sijaan ole saavuttaneet suosiota kaupallisissa sovelluksissa [117].
Kuva 21. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: vesitankki ja jäähdytetty vesi [118].
Chilled water
Kuva 22. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: jään keruu haihduttimien pinnalta, vesi-/jääsäiliö [118].
Kuva 23. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: toisiojäähdytys lämmön-vaihtimella ja jääsäiliöllä ja ulkoinen sulatus [118].
Ice-harvesting
Secondary coolant ex-ternal melt ice-on-coil
Lataus
Purkaus
Kuva 24. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: jääsäiliöt [118].
Kuva 25. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: kapseloitu jääjärjestelmä [118].
Internal melt ice-on-coil
Lataus
Purkaus
Encapsulated ice
Lataus
Purkaus
Kuva 26. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: eutektiset suolat [118].
Kuva 27. Eri jäähdytysjärjestelmien tyypillisiä laiteratkaisuja: jääslurri [118].
Yllä esitetyt kylmäjärjestelmät voidaan mitoittaa koko vaadittavalle teholle tai osate-holle. Koko teholle mitoitettu järjestelmä on suurempi ja siten myös sen investointikus-tannukset ovat suuremmat kuin osateholle mitoitetun järjestelmän. Toisaalta suuremman varastointikapasiteetin ansiosta saadaan suuremmat säästöt käyttökustannusten suhteen, joten kyseinen järjestelmä soveltuu tilanteisiin, joissa tariffien hintaerot ovat suuret ja/tai huipun käyttöaika on lyhyt. Mitoitettaessa kylmävarasto osateholle osa kuormasta katetaan yleensä kompressorijäähdyttimellä. Lisäksi kylmävarasto voidaan mitoittaa koko- ja osakuormaperiaatteiden yhdistelmänä (vrt. Kuva 28).
Eutectic salt
Ice slurry
Kuva 28. Kylmävarastojen mitoitusvaihtoehtoja [118].
Yhdysvalloissa Lincolnin kaupungissa Lincoln Electric System käyttää jäävarastoa 57 MW turbiinin imuilman jäähdytykseen (Kuva 29), jolloin kuumana päivänä (ilman läm-pötila n. 38 °C) turbiinin tehoa voidaan parantaa 25 % verrattuna tilanteeseen ilman imuilman jäähdytystä. Jäävarastoa hyödynnetään myös kaupungin virastorakennusten ilmastointitarpeen tyydyttämisessä [119].
Kuva 29. Lincoln Electric Systemin kylmäjärjestelmä [119].
Japanilaisessa urheiluhallissa on käytössä jäähdytysjärjestelmä (vrt. Kuva 30), jossa kylmäenergiaa tuotetaan yöaikaan lämpöpumpulla ja energia varastoidaan maanalaiseen polyetyleeniputkistoon (halkaisija 2,5 cm, pituus 4 800 m). Putkisto, joka on sijoitettu 60–105 cm maan pinnan alle, koostuu 12 horisontaalisesta ja 4 vertikaalisesta tasosta.
Väliaineena putkistossa on vesi. [106]
Kuva 30. Maanalainen lämpövarasto yhdistettynä Park Domen urheiluhallin (Japani) ilmastointijärjestelmään [106].
Japanissa on tutkittu lumen käyttöä kylmäenergian varastointiin kaupunkien lumihuol-totyön ja kesäajan jäähdytyskustannusten vähentämiseksi (Kuva 20). Talvella lumi ke-rätään varastointisäiliöihin ja sitä sulatetaan käyttämällä esim. lauhdutusvoimalaitosten lämminvesipäästöjä hyödyksi. Keväällä lunta varastoidaan kesän tarpeita varten ilman sulatustoimintoja. Kesällä lumen kylmävarastoa hyödynnetään lämmönvaihtimien avulla toimistorakennusten, ostoskeskusten ja julkisten rakennusten jäähdyttämiseen.
Järjestelmää voidaan käyttää myös maatalouksissa turvaamaan maataloustuotteiden kesäaikana tarvitsema jäähdytysenergia. [123]
Kuva 31. Lumivaraston hyödyntäminen kaupungin rakennusten jäähdytystarpeisiin.
[123]
Suomessa ei ole suuria kylmävarastoja. Turku Energian suunnitelmissa on ollut lumi-jäävaraston rakentaminen kaukojäähdytysenergian varastoimiseen. Helsingin Energia tuottaa kaukojäähdytysenergiaa Ruoholahden ja Sörnäisten toimistotiloihin sekä Pitä-jänmäen erilliskohteessa kesäaikana litiumbromidi(LiBr)-vesiabsorptiolämpöpumpulla.
Salmisaaressa merivettä hyödynnetään absorptiopumpun jäähdytyksessä ja talviaikana merivedellä jäädytetään ilman absorptiolämpöpumppua. Kyseisissä järjestelmissä ei ole kylmävarastoa (lukuun ottamatta pieniä vesisäiliöitä) paitsi Pitäjänmäen kohteessa, jos-sa on kaksi eristämätöntä terässäiliötä. Näiden lisäksi Lahti Energia tuottaa kaukokyl-mää absorptiolämpöpumpulla uuden Sibeliustalon jäähdytykseen. Myöskään tässä jär-jestelmässä ei ole kylmävarastoa. IEA:n projektissa [120] tutkittiin mahdollisuutta yh-distää jäävarasto LiBr-vesi-absorptiolämpöpumppujärjestelmään. Tulokset osoittivat,
että tämä on teknisesti mahdollista, mutta teknistaloudellinen tarkastelu on tarpeen en-nen tutkimuksen jatkamista.
2.2.4 Suuret maanalaiset lämpövarastot – pitkäaikainen lämmön