Lämpövarastot

School of Energy Systems

Energiatekniikan koulutusohjelma

BH10A0202 Energiatekniikan kandidaatintyö

Lämpövarastot Heat storages

Työn tarkastaja: Markku Nikku

Työn ohjaaja: Markku Nikku

Lappeenranta 3.4.2018

Opiskelijan nimi: Matti Lumme School of Energy Systems

Energiatekniikan koulutusohjelma Opinnäytetyön ohjaaja: Markku Nikku Kandidaatintyö 2018

30 sivua, 3 kuvaa ja 5 taulukkoa

Hakusanat: lämpövarasto, lämpöenergia, lämpövarastomateriaali, faasimuutosmateriaali ja energiatiheys

Lämpövarasto on lämpöenergiaa sisältävä luonnollinen tai rakennettu tilavuus, johon lämpöenergiaa voidaan varastoida tuntuvana, latenttina tai termokemiallisena lämpöenergiana. Lämpövaraston avulla saavutetaan lämpöenergian jakelujärjestelmiin joustavuutta, jolla voidaan tasoittaa kulutus- ja hintapiikkejä.

Tässä kandidaatintyössä selvitetään lämpövarastomateriaalien ominaisuuksia ja niiden soveltuvuutta erilaisten lämpövarastojen materiaaleina. Lämpövarastoihin sidottava lämpö täytyy tuottaa tavalla tai toisella, joten työssä pohditaan myös lämpövarastojen liitettävyyttä erityisesti uusiutuvan energianlähteiden kanssa.

Lämpövarastomateriaalien ominaisuudet, kuten tiheys, ominaislämpökapasiteetti ja referenssilämpötila vaikuttavat varaston energiatiheyden arvoon. Tuntuvan lämpöenergian materiaalien ominaisuuksia on tutkittu pitkään, ja latentin lämpöenergian materiaalien tutkimus on kehittynyt jo osittaiseen kaupalliseen sovelluskäyttöön.

Termokemiallisen lämpöenergian varastointimateriaaleissa ollaan vielä täysin tutkimus- ja kehitysvaiheessa, eikä kaupallisia sovelluksia ole käytännössä olemassa.

Lämpövarastoiden liitettävyyttä erityisesti aurinkovoiman kanssa on kehitetty pitkään ja jopa suuren kapasiteetin lämpövarastoja on rakennettu osaksi sähkön tai lämmöntuotantoa. Lämpövarastojen käyttö osana uusiutuvan energian tuotantoa mahdollistaa laajemmat käyttömahdollisuudet lämmön jakelussa liitettynä kaukolämpöverkkoon tai paikalliseen lämmönjakeluun. Aurinkoenergia on helposti liitettävissä lämpövarastojärjestelmiin, jolloin lämpövarastojen kehittäminen kasvattaa aurinkoenergian hyödyntämispotentiaalia lämpöenergian varastoinnin osalta.

SISÄLLYSLUETTELO

Tiivistelmä 2

Sisällysluettelo 3

Symboli- ja lyhenneluettelo 4

1 Johdanto 5

2 Lämpöenergian varastointi 7

2.1 Lämmönvarastointimenetelmät ... 8

2.1.1 Lämpöenergiatankkijärjestelmät ... 9

2.1.2 Maanalaiset lämpövarastot ... 10

3 LÄmpövarastomateriaalien ominaisuudet 11 3.1 Tuntuvan lämpöenergian varastointi ... 11

3.1.1 Vesi ... 12

3.1.2 Suolavesi ja muut nesteet ... 13

3.1.3 Kiinteät aineet ... 14

3.2 Latentin lämpöenergian varastointi ... 16

3.2.1 Orgaaniset materiaalit ... 17

3.2.2 Epäorgaaniset materiaalit ... 18

3.2.3 Eutektiset materiaalit ... 19

3.3 Termokemiallisen lämpöenergian varastointi ... 19

3.4 Lämpövarastojen eristys ... 20

4 Lämpövaraston rooli energiantuotannossa 23 4.1 Lämpövarasto osana fossiilista energiantuotannossa ... 23

4.2 Lämpövarasto osana uusiutuvaa energiantuotantoa ... 24

4.2.1 Tuulivoiman merkitys lämpöenergian varastoinnissa ... 24

4.2.2 Aurinkovoiman merkitys lämpöenergian varastoinnissa ... 26

4.3 Tulevaisuuden näkymät lämpövarastojen kehittämisessä ... 27

5 Yhteenveto 30

Lähdeluettelo 31

Roomalaiset aakkoset

𝑐_𝑝 ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]

d etäisyys [m]

E energiatiheys [MWh/m³]

𝐿 ominaishöyrystymis/sulamislämpö [kJ/kg]

𝑚 massa [kg]

Q lämpöteho [W]

𝑞 lämpövuo [W/m²]

𝑞_𝑚 massavirta [kg/s]

T lämpötila [K]

U lämmönläpäisyluku [W/m²K]

Kreikkalaiset aakkoset

∆ muutos [-]

𝜌 tiheys [kg/m³]

𝜆 lämmönjohtavuus [W/mK]

1 JOHDANTO

Lämmön varastointi on ollut ajankohtainen ongelma aina ihmiskunnan tärkeimpiin kuuluvan keksinnön, tulen keksimisestä asti. Ihmisille ongelmaksi muodostui tulen lämpöenergian varastointi ja siirto. Siirto ja varastointi toteutettiin nuotiossa lämmenneiden kivien avulla, joita oli helppo kuljettaa mukana.

Lämpövarasto on yksinkertaisimmillaan mökin saunalla oleva musta muovisaavi, jossa vesi säilyy suihkulämpimänä kesäpäivän helteessä vielä iltaan asti. Suomessa kotitalouksien lämmitykseen käytetään pääasiassa kaukolämpöä, puuta ja sähköä (Suomen virallinen tilasto, 2016), joiden avulla tuotettua lämpöä voidaan varastoida yhteen varastoon. Useassa kotitaloudessa on lämminvesivaraaja, jonka tarkoituksena on olla käyttäjän oma lämpövarasto. Lämmönvesivaraajaa käyttämällä kuluttajalla on aina sopivan lämpöistä vettä saatavilla, ja tällöin kuluttajan ei tarvitse huolehtia kulutuspiikeistä.

Nykyään lämmön siirto ja varastointi voidaan toteuttaa itsenäisinä prosesseina ja lämmön varastointi on tullut entistä tärkeämmäksi keinoksi joustavuuden lisäämiseksi energiajärjestelmässä (Guo et al., 2017). Joustava lämpöenergiajärjestelmä tarkoittaa muun muassa järjestelmässä olevia varastoja, joihin voidaan varastoida lämpöä alhaisten tuotantokustannusten tai alhaisen kysynnän aikaan ja purkaa varasto kalliiden tuotantokustannuksen tai korkean kysynnän aikaan. Järjestelmä tasoittaa hinta- ja kulutuspiikkejä ja antaa tuottajille ja kuluttajille mahdollisuuden varautua hintamuutoksiin.

Lämpövarastojen toimintakapasiteetti asettaa rajat niiden hyödyntämiseksi, jolloin erilaisten lämpövarastoinnovaatioiden kehittämiselle osaksi entistä parempaa energiajärjestelmää on tarvetta. Uusiutuvien energiajärjestelmien lisääntyessä, kiristyvien päästövaatimusten pienentäessä fossiilisilla polttoaineilla toimivien laitosten määrää, on ajankohtaista tutkia uusiutuvan energian mahdollisuuksia lämmön varastoinnissa. (Zhang et al., 2016)

Työn tavoitteena on tutkia, miten erilaiset varastointimateriaalit vaikuttavat lämpöenergian varastointiin ja miten uusiutuvia energiajärjestelmiä voidaan käyttää lämmön varastoinnissa. Työ on kirjallisuuskatsaus, jossa lähteinä on käytetty aiheesta

julkaistuja kirjoja, artikkeleita ja uutisia. Aiheen käsittelyssä perehdytään erityisesti kansainvälisissä tutkimuksissa tehtyihin artikkeleihin, joista ilmenee erityisesti aurinkovoiman käytön liitettävyys lämpövarastojen kanssa. Kirjallisuustyössä tutustutaan yleisimpiin lämpövarastotekniikoihin ja materiaaliratkaisuihin. Lämpövarastojen eristäminen on tärkeä osa lämpövarastojen toimintakapasiteetin kasvattamisessa, mutta työssä tutustaan vain suuntaa antaen erilaisten eristeiden ominaisuuksiin. Lämpöenergiaa voidaan muuttaa erilaisten prosessien avulla myös sähköenergiaksi, mutta tässä työssä käsitellään vain lämpöenergian varastointia. Tulevaisuudessa uusiutuvan energian käyttö lisääntyy kasvavan primäärienergian tarpeen mukana, ja työssä käsiteltävät uusiutuvan energian lähteet rajataan aurinko- ja tuulivoiman käyttöön.

2 LÄMPÖENERGIAN VARASTOINTI

Lämpöenergian varastoinnilla pyritään luomaan energiantuottajalle joustavuutta lämpöenergian jakelussa. Tuottaja pystyy tällöin varastoimaan lämpöenergiaa alhaisten käyttökustannusten aikaan ja purkamaan varastoa kalliiden käyttökustannusten aikaan.

Lämpöä voidaan varastoida tuntuvana, latenttina tai termokemiallisena lämpöenergiana.

Tuntuva lämpöenergia on lämpöä, jota siirrettäessä tuloksena voidaan havaita prosessin lämpötilojen muutos (Adkins C.J., 1983). Termodynaamisen prosessin tuntuva lämpöenergia voidaan ilmaista yhtälöllä 1

𝑄_𝑇 = 𝑞_𝑚𝑐_𝑝∆𝑇 (1)

missä

𝑄_𝑇 on tuntuva lämpöteho, 𝑞_𝑚 on massavirta, 𝑐_𝑝 on aineen ominaislämpökapasiteetti ja

∆𝑇 on prosessin lämpötilan muutos

Yhtälöstä 1 voidaan havaita, että lämmönsiirto on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon.

Lämpöenergiaa varastoitaessa tyypillisin ratkaisu on tuntuvan lämpöenergian varastointi.

Esimerkiksi polttamalla biomassaa tuotetaan lämpöenergiaa, joka voidaan varastoida siirtämällä lämpöenergia varastoon.

Toinen lämpöenergian muoto on latenttilämpö. Latentin lämpövaraston lämmönvarastointikyky perustuu aineen faasimuutokseen. Faasimuutokset tapahtuvat yleensä vakiopaineessa ja -lämpötilassa, jolloin systeemin taserajan yli siirtyy lämpöenergiaa. (Hasnain S.M., 1998).

Latenttilämpö ainekohtaisesti saadaan yhtälöstä 2

𝑄_𝐿 = 𝑚𝐿 (2)

missä

𝑄_𝐿 on latenttilämpö, 𝑚 on aineen massa ja 𝐿 on aineen ominaissulamis/höyrystymislämpö

Yhtälöstä 2 havaitaan, että aineen latenttilämpö on suoraan verrannollinen sekä aineen ominaissulamis tai -höyrystymislämmön että aineen massan kanssa. Tällöin lämpövarastot, joihin varastoidaan latenttilämpöä, varastoidun aineen määrä rajoittaa lopulta varaston kokoa. Tyypillisin faasimuutos latenteissa lämpövarastoissa on kiinteän aineen muuttuminen nesteeksi ja sitä käytetään esimerkiksi sulasuolalämpövarastoissa.

Kolmas lämmönvarastointikeino on termokemiallisiin reaktioihin perustuva lämmön sitominen. Termokemiallisessa reaktiossa lämpöenergia sitoutuu kemiallisten reaktioiden seurauksena aineyhdisteisiin. Lämpövarastoratkaisuissa kyseinen menetelmä on vielä varsin uusi. Termokemiallisiin reaktioihin perustuva lämpöenergian varastointi on kuitenkin huomionarvoinen ratkaisu lämmön varastoinnissa, sillä termokemiallisilla materiaaleilla on lähes 8-10 kertaa suurempi varastointikapasiteetti verrattuna tuntuvan lämpöenergian avulla toteutettuun varastoon ja kaksi kertaa suurempi latentteihin lämpövarastoihin. (Aydin, Casey ja Riffat, 2015)

2.1 Lämmönvarastointimenetelmät

Lämpöenergiaa voidaan varastoida vaihtelevia ajanjaksoja, kuitenkin yleensä tunneista vuorokausiin. Tyypillisesti lämpövarastot ovat rakenteeltaan yksinkertaisia säiliöitä, joissa on sisällä sovelluskäyttöön sopivaa lämmönvarastointimateriaalia, yleensä kuitenkin vettä. Tanskalainen pikkukaupunki Vojens pitää tällä hetkellä hallussaan maailman suurimman vesilämpövaraston tilavuusennätystä 200 000 m³ varastollaan (Ramboll, 2015), mutta Helsingissä aiotaan käyttää tulevaisuudessa käytöstä poistettuja öljyluolia veteen sidotun lämpöenergian varastointiin (Helen, 2017). Suunniteltu tilavuus on 240 000 m³, ja lämpövarausteho 120 MW riittää Helenin mukaan neljäksi vuorokaudeksi.

Lämpöenergian pitempiaikaisempaa varastointia on pilotoitu muutamilla pilottiprojekteilla ympäri maailmaa, ja ne ovat osoittautuneet lupaaviksi tulevaisuuden lämpöenergian varastointia ja jakelua ajatellen (Sibbitt et al., 2012; Guo et al., 2017;

Paiho, Hoang and Hukkalainen, 2017). Kehitettyä tekniikka kutsutaan kausittaiseksi lämmönvarastoinniksi ja siinä varastointi perustuu lähinnä maaperään sijoitettujen tuntuvaa lämpöenergiaa sitovien materiaalien lämpötilaeroihin.

2.1.1

Lämpöenergiaa voidaan myös varastoida kaksoistankkijärjestelmällä (Kuva 1.), jossa käytetään esimerkiksi sulasuolaa tai erilaisia öljyjä kiertoaineina (Li et al., 2017).

Lämpöenergia siirretään käyttökohteeseen lämmönvaihtimen avulla.

Kaksoistankkijärjestelmiä käytetään erityisesti aurinkoenergiasta saadun lämpöenergian talteenotossa ja varastoinnissa. Varastointi perustuu kahteen eri lämpötilassa olevaan säiliöön/tankkiin, joiden välillä varastoitava materiaali kiertää. Kaksoistankkijärjestelmä on kuitenkin suhteellisen kallis, riippuen kytkentätyypistä 40-80 €/kWht (EPRI, 2010).

Kustannukset johtuvat varastossa käytettävän materiaalin kustannuksista sekä kahden tankin ylläpitämisen kustannuksista. Kustannustehokkuuden parantamiseksi on vain vähän keinoja, sillä tankeissa joudutaan käyttämään korkealaatuista kiertomateriaalia ja molempien tankkien lämpöhäviöitä on vaikea pienentää kustannustehokkaasti. (Ju et al., 2016)

Vaihtoehtoinen järjestelmä on kuvassa 2 esiintyvä termokliiniin perustuva yhden tankin järjestelmä. Järjestelmä perustuu materiaalin kerrostumiseen eri lämpötila-asteissa.

Termokliininen lämpövarasto on 20-37% kustannuksiltaan alhaisempi kaksoistankkijärjestelmään verrattuna (Chang et al., 2015) ja mahdollistaa useampia teknisiä ratkaisuja (Van Lew et al., 2011).

Kuuma säiliö

Kylmä säiliö

Energianlähde Lämpöenergiaa

Vastaanottosäiliö

Lämmönvaihdin

Kuva 1. Kaavakuva kaksoistankkijärjestelmästä (Pelay et al., 2017)

2.1.2

Maanalaisilla lämpövarastoilla tarkoitetaan pääsääntöisesti kausittaisessa lämpöenergian varastoinnissa käytettyjä lämpövarastoratkaisuja. Maanalaisissa lämpövarastoissa hyödynnetään maaperän alla olevia vesivarastoja, kuten pohjavettä ja luolastoissa sijaitsevia vesivarantoja. Lisäksi voidaan rakentaa keinotekoisia vesivarastoja maan alle kuten porakaivoja, vesitankkeja ja vesikaivantoja. (Novo et al., 2010)

Maanalaisissa lämpövarastojärjestelmissä eniten kustannuksia aiheuttaa maan muokkaaminen ja useasti sopivia luonnollisia vesivarantoja ei ole tarpeeksi lähellä käyttökohdetta. Lisäksi pohjaveteen varastoitaessa lämpöenergiaa on otettava erityisesti huomioon myös ekologiset vaikutukset. Porakaivoissa voidaan hyödyntää lämpöpumpuissakin käytettävää tekniikkaa, mutta erona perinteiseen lämpökaivoon, lämpöenergia varastoidaan porakaivoon esimerkiksi aurinkoenergian avulla. Varsinkin rakennetuissa maanalaisissa lämpövarastoissa, lähinnä vesitankkien ja -kaivantojen osalta suurimmat kustannukset syntyvät kaivamisesta ja maan muokkaamisesta. Novo et al. (2010) esittävät, että korkeiden kustannusten välttämiseksi on tehokkainta käyttää sora-vesilämpövarastoa, koska tarvetta kehysrakenteille ei ole. Tosin alhaisempi lämpökapasiteetti kasvattaa varaston kokoa n. 1,3-2 kaksinkertaiseksi verrattuna vesilämpövarastoon verrattuna. (Novo et al., 2010)

Energianlähde Lämpöenergiaa

Vastaanottosäiliö

Lämmönvaihdin

Kuuma

Kylmä Termokliini

Kuva 2. Kaavakuva termokliinisestä lämpövarastojärjestelmästä (Van Lew et al., 2011)

3 LÄMPÖVARASTOMATERIAALIEN OMINAISUUDET

Lämpöenergian varastointi voidaan toteuttaa useiden materiaalien avulla. Tässä luvussa käsitellään yleisimpien lämpöenergian varastoinnissa käytettyjen materiaalien ominaisuuksia ja soveltuvuutta lämpöenergian varastointiin.

Lämpöenergian varastointi toteutetaan siirtämällä lämpöenergiaa johonkin aineeseen, jolla on ominaisesti suuri lämmönjohtavuus ja energiatiheys. Erilaisia aineita käytetään kuitenkin käyttötekniikoiden perusteella: tuntuvan, latentin ja termokemiallisen lämpöenergian varastoinnissa käytetään erilaisia aineita. Jotkin aineista voivat sopia ominaisuuksiensa puolesta useampaankin kategoriaan, mutta aine ei välttämättä sovellu parhaiten tiettyyn sovellustarkoitukseen kaikissa kategorioissa.

Lämpövarastojen suunnittelukriteereihin kuuluu kolme tekijää: tekniset ominaisuudet, kustannustehokkuus ja ympäristövaikutukset. Teknisistä ominaisuuksista varastointimateriaalilla on suuri merkitys, ja muihin tekijöihin liittyvät kriteerit riippuvat paljolti materiaalivalinnasta. Kustannustehokkuuteen ja ympäristövaikutuksiin vaikuttaa myös lämpövaraston sijainti ja rakennelman koko. (Tian ja Zhao, 2013)

3.1 Tuntuvan lämpöenergian varastointi

Tuntuvan lämpöenergian varastoinnissa materiaaleille ominaista on niiden olomuodon pysyvyys varastoinnin aikana. Olomuodon pysyvyys on tärkeää, sillä varastojen rakenteet ovat pysyviä, jolloin neste-kaasufaasimuutos aiheuttaa kustannuksia paineenhallintajärjestelmien kautta. Tuntuvan lämpöenergian varastoinnissa aineet jaotellaan nesteisiin ja kiinteisiin aineisiin. Tyypillisiä lämpövarastoissa käytettäviä aineita ovat mm. vesi, suolaliuokset ja erilaiset kivimateriaalit. Li (2016) esittää tutkimuksessaan muutamia vaatimuksia tuntuvan lämpöenergian varastoinnille:

• korkea energiatiheys (korkea tiheys ja lämpökapasiteetti)

• hyvä lämmönjohtokyky (korkeampi kuin 0,3 W/mK)

• hyvä terminen diffusiviteetti

• helppo valmistettavuus/saatavuus ja alhainen hinta

• vakaat kemialliset aineominaisuudet, alhainen korroosio ja pienet ympäristövaikutukset

Taulukkoon 1 on koottu tyypillisille lämpövarastomateriaaleille varastointilämpötila- alueita, tiheydet ja ominaislämpökapasiteetit. Taulukosta voidaan havaita, että kiinteille aineille ominaista on korkea lämpötila-alue, mutta kohtalaisen matala ominaislämpökapasiteetti. Nestemäisistä aineista vesi erottautuu korkean ominaislämpökapasiteetin suhteen. Taulukkoon on lisätty myös öljypohjainen aine Therminol. jota käytetään myös yleisesti lämmönvarastoinnissa ja -siirrossa (Therminol 66). Betonin ja Therminolin laatuluokkien vuoksi materiaaleilla on vaihteleva tiheys, eri laatuluokat johtuvat erilaisista käytettävistä seososuuksista materiaaleissa. Therminolilla on lisäksi vaihteleva ominaislämpökapasiteetti johtuen seosvaihtelusta. Taulukossa 1 näkyy myös Therminolin muutamien seoksien vaihtelevat ominaisuudet.

Taulukko 1. Kiinteiden ja nesteiden aineominaisuuksia tuntuvalle lämpöenergian varastolle (muk. Sharma et al., 2009)

Aine Nesteen tyyppi Lämpötila-alue [°C]

Tiheys ρ [kg/m³]

Ominaislämpö kapasiteetti cp

[J/kgK]

Kallio - 20-1000 2560 879

Tiili - 20 1600 840

Betoni - 20 1900-2300 880

Rauta - 120-1400 7850 460

Vesi Neste 0-100 1000 4190

Caloria HT 43 Öljy 12-260 867 2200

Therminol Öljy -3-345 1000-770 1495-2700

Etanoli Orgaaninen neste <78 790 2400

Propanoli Orgaaninen neste <97 800 2500

Isopentanoli Orgaaninen neste <148 831 2200

3.1.1

Vesi on sekä tuntuvan että latentin lämpöenergian varastointisovelluksissa yleisesti käytetty sen monipuolisten ominaisuuksien vuoksi. Tosin veden käyttö höyrystymispistettä (100 °C) korkeammissa lämpötiloissa vaatii systeemiin paineenhallintajärjestelmiä, jotka voivat sovelluskohtaisesti olla kalliita. (Mawire et al., 2009)

Taulukosta 1 voidaan havaita, että vedellä on suuri ominaislämpökapasiteetti verrattuna muihin aineisiin. Veteen on helppo siirtää lämpöenergiaa erilaisten tekniikoiden avulla aina höyryvoimaprosessista aurinkokeräimiin. Vettä on useimmiten helposti saatavilla ja sen käyttäminen lämmönvarastoinnissa on kustannustehokasta.

Veden etuihin kuuluu myös sen helppo siirrettävyys, eli esimerkiksi kaukolämmössä siirretään vettä kuluttajille, jolloin lämpövarastolla voidaan muodostaa kaukolämmön tarpeisiin sopiva puskuri kaukolämpöverkon kokoon nähden. Vettä voidaan käyttää laajalla lämpötila-alueella aina 25 °C: sta lähelle veden kiehumispistettä. Kyseinen lämpötila-alue vastaa hyvin yhteiskuntateknisiä tarpeita, kuten kuuman veden käyttöä kotitalouksissa. Näin käyttöveteen tai tilanlämmitykseen tarkoitettu vesi saadaan joko esilämmitettynä tai suoraan käyttöön lämmönvaihtimien kautta kotitalouksille. (Hasnain S.M., 1998)

Veden ominaisuuksiin kuuluu myös suhteellisen matala sulamispiste, jolloin maantieteellisestä sijainnista riippuen veden käyttäminen lämpövarastona voi olla vaikeaa ja kustannustehotonta johtuen ympäristöön siirtyvistä lämpöhäviöistä. Veden muita haasteita ovat myös sen alhainen lämmönjohtavuus (0,6 W/mK) ja höyryn aiheuttama korroosio. Pääsääntöisesti sovelluskäytössä oleva vesi on puhdistettua mutta esimerkiksi maanalaisissa varastoissa vesi voi olla sekoittunut esimerkiksi soran tai hiekan kanssa, jolloin tarvitaan lisäksi lämmönsiirtomateriaali ja lämmönvaihdin lämmön saamiseksi sovelluskäytössä sopivaksi. (Hasnain S.M., 1998; Tiskatine et al., 2017)

3.1.2

Tuntuvan lämpöenergian varastointiin on lukuisia vaihtoehtoja. Sovelluksissa käytetyimpinä aineina ovat mm. suolavesi ja öljypohjaiset nesteet. Suolavesilähteisiin voidaan varastoida esimerkiksi aurinkoenergialla tuotettua lämpöenergiaa suhteellisen matalissa lämpötiloissa (50-95 °C). Yleisimmin käytetyt suolaliuokset ovat natriumkloridi (NaCl) ja magnesiumkloridi (MgCl2). Suolaveden käyttö lämpövarastona perustuu auringon lämpöenergian talteenottoon suolaveden avulla, ja sen avulla tuotettua lämpöenergiaa voidaan käyttää pienessä mittakaavassa (20-5000 kW), esimerkiksi maatalouden ja öljy- ja kaasutuottajien lämpöenergian tarpeisiin. Yhdysvalloissa aurinkoenergian avulla lampiin varastoitua energiaa voidaan käyttää esimerkiksi

maatalouden tarpeissa, sillä moniin sovelluksiin riittää alle sadan asteen lämpötila.

Esimerkiksi juuston ja maidon pastörointi toteutetaan 77 asteen lämpötilassa, jolloin myös pientuottajat voivat hyödyntää lämpövarastoja omassa tuotannossaan. (Lodhi, 1996)

Öljy- ja alkoholipohjaisia nesteitä voidaan käyttää niiden korkeamman kiehumispisteen ansiosta mutta kuten taulukosta 1 havaitaan, niillä on vettä huomattavasti alhaisempi ominaislämpökapasiteetti ja niiden tiheys on veden tiheyttä pienempi, jolloin lämpövaraston tilavuus on suurempi kuin vastaavan lämpöenergian sisältävä vesivarasto.

(Hasnain S.M., 1998; Sharma et al., 2009)

3.1.3

Kiinteät aineet kuten kiviaines, betoni, hiekka, metallit ja tiilet toimivat lämpövarastoina sekä matalissa että korkeissa lämpötiloissa, sillä niiden olomuoto muutu laajallakaan lämpötila-alueella. Mikäli käytettävässä sovelluksessa ei ole mahdollista käyttää nestemäisiä aineita esimerkiksi veden höyrynpaineen tai muiden nesteiden rajoittaessa lämpövaraston teknistä toteutusta, lämpöenergia voidaan varastoida kiinteisiin aineisiin.

(Tiskatine et al., 2017)

Lämmönvarastointi kiviainekseen ei ole yhtä yksinkertaista kuin nesteisiin, sillä nesteillä lämpöenergian varastointi saavutetaan nesteen sekoittuvuuden ansiosta. Kiviaineksesta koostuvassa lämpövarastossa onkin tyypillistä, että lämpöenergia siirretään varastoon jonkin lämmönsiirtoon soveltuvan nesteen tai kaasun avulla. Kuuma ilma on yksi potentiaalisimmista kiertoaineista, sillä se saadaan kiertämään kivimurskeen seassa helposti ja se ei reagoi varastoaineen kanssa lainkaan. Kiviaineksen haittapuoliin kuuluu kuitenkin sen alhainen lämmönjohtavuus, joka on n. 0,48 W/mK. (Tiskatine et al., 2017) Kiviainesta tarvitsee kuitenkin varsin merkittävän määrän esimerkiksi tilalämmityksessä:

nyrkkisääntönä lämmitettävää neliötä kohti voidaan Hasnainin (1998) mukaan pitää n.

300-500 kg: a kiviainesta. Tutkimuksesta ei kuitenkaan selviä minkä kokoisesta tilavuudesta on kyse, suurilla lämmitettävillä tilavuuksilla vaadittava kiviaineksen määrä voi olla huomattavasti korkeampi

Vertailtaessa veden ja kiviaineksen lämmönvarastointikapasiteettia taulukon 1 avulla, lämpötilaa kasvattaessa 50 °C olettaen ominaislämpökapasiteetin vakioksi, veteen voi varastoida lämpöenergiaa 210 kJ/kg, kun taas kiviainekseen saa sidottua lämpöenergiaa samalla lämpötilan kasvulla vain 44 kJ/kg. (Hasnain S.M., 1998)

Metallien käyttö tuntuvan lämpöenergian varastointimateriaalina on harvinaista mutta mahdollista. Varastointimateriaaleina metallit ovat kalliita mutta niiden korkean lämmönjohtavuuden ansiosta metalleihin voi varastoida lämpöenergiaa huomattavasti lyhyemmässä ajassa kuin esimerkiksi veteen. Metallit pysyvät kiinteinä erittäin korkeissa lämpötiloissa, jolloin niihin varastoitavan lämpöenergian suuruus massaa kohti on merkittävästi suurempi kuin vedellä.

Lämmönvarastoinnissa varaston koko aiheuttaa kustannuksia, jolloin varastointimateriaalien maksimienergiatiheys on syytä tietää ennen investointia.

Taulukossa 2 vertaillaan eri tuntuvan lämpöenergian varastointimateriaalien maksimienergiatiheyksiä ja niiden kustannuksia. Hiiliteräksen hinta-arviona taulukossa on käytetty halvimman levyteräksen hintaa, minkä avulla varasto voitaisiin valmistaa.

Veden hinta-arviona on raakaveden hinta Suomessa, varsinaisesti lämmönvarastoinnissa vesi vastannee teollisuuden vettä, jolloin hinta voi vaihdella kyseisestä arvosta.

Energiatiheydet on laskettu taulukon 1 maksimilämpötilojen, tiheyksien ja ominaislämpökapasiteetin avulla yhtälöllä 3

𝐸 = 𝜌𝑐_𝑝𝑇_max (3)

missä E on energiatiheys, 𝜌 on aineen tiheys, 𝑇_max on aineen maksimivarastointi- lämpötila

Taulukko 2. Lämpövarastomateriaalien energiatiheyksiä ja kustannusarvioita tilavuus- ja energiayksikköä kohti

Energiatiheys [MWh/m³]

Kustannus [€/m³]

Kustannus [€/MWh]

Lähde

Kallio 0,63 55 88 Geissbühler et al., 2016

Hiiliteräs 1,40 67405 48000 Gil et al., 2009

Vesi 0,12 n. 2 17 Motiva

Calorica HT 43 0,14 2050 14881 Mobiltherm 43

Propanoli 0,05 700 12990 ICIS

Taulukosta havaitaan, että hiiliteräksestä koostuvassa lämpövarastossa on suuri energiatiheys mutta sen käyttäminen varastomateriaalina on todella kallista suhteessa muihin materiaaleihin. Taulukon 2 mukaan veden tai kallion käyttö lämpövarastomateriaalina täyttää tuntuvan lämpöenergian varastoinnin vaatimukset ainakin kustannuksien ja energiatiheyden osalta (Li, 2016).

3.2 Latentin lämpöenergian varastointi

Latentin lämpöenergian varastointi perustuu varastointiaineiden faasimuutoksessa sitoutuvaan tai varastoituvaan lämpöenergiaan lähes vakiolämpötilassa. Latentin lämpöenergian varastoinnissa hyödynnetään pääsääntöisesti vain kiinteä-neste- faasimuutosta. Neste-kaasu- faasimuutos taas vaatii paljon energiaa ja kaasufaasin hallinnassa on otettava huomioon kaasun vaatima tila ja sen paine. Tällöin tekniset ratkaisut monimutkaistuvat ja vaativat suuria tilavuuksia ja paineenhallintajärjestelmiä.

(Mishra et al., 2015)

Latentin lämpöenergian varastoilla on 2-8 kertaa suurempi energiatiheys kuin tuntuvan lämpöenergian varastoilla (Sharma S.D ja Sagara K, 2005; Aydin, Casey ja Riffat, 2015), jolloin niiden käyttö voi olla perusteltua erilaisissa teknisissä ratkaisuissa. Latentin ja tuntuvan lämpöenergian varastointia voidaan käyttää myös samoissa järjestelmissä, ja niiden yhteiskäytöllä voidaan saavuttaa parempi exergiahyötysuhde ja alemmat materiaalikustannukset kuin pelkällä tuntuvan lämpöenergian varastolla (Geissbühler et al., 2016).

Latentin lämpöenergian varastointimateriaaleja kutsutaan faasimuutosmateriaaleiksi ja ne jaetaan kolmeen alakategoriaan: orgaanisiin, epäorgaanisiin ja eutektisiin materiaaleihin. Materiaalivalintaa ohjaa yleensä materiaalin kustannustehokkuus verrattuna muihin lämpövarastoratkaisuihin, mutta muita huomioitavia tekijöitä ovat

• korkea tiheys ja latentti sulamislämpö

• korkea ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus

• ei alijäähtymistä ja korkea kristallisoitumisaste

• kemiallisesti vakaa

• matala korroosioaste ja myrkyllisyys

• pitkä käyttöikä

(Reddy, Mudgal and Mallick, 2018)

3.2.1

Orgaaniset materiaalit jaetaan edelleen parafiinisiin ja ei-parafiinisiin komponentteihin.

Ominaista orgaanisien materiaalien käyttäytymisessä faasimuutostilanteessa on se, että ne sulavat ja kiinteytyvät ilman latentin sulamislämmön heikkenemistä.

Faasimuutostilanne orgaanisilla materiaaleilla on vastaava kuin homogeenisillä molekyyliseoksilla, kuten vedellä tai teräksellä. Faasimuutoksessa ei siis tapahdu orgaanisilla aineilla molekyylisidosten katkeamista, jolloin uusia yhdisteitä syntyisi, mikä vaikuttaa ominaislämmön arvoon. Lisäksi orgaanisten aineiden nukleaatiossa eli aineen olomuodon muutoksen ensimmäisessä vaiheessa (Sear, 2007) tapahtuu vain vähän tai ei ollenkaan alijäähtymistä, jolloin ne sopivat tältä osin hyvin käytettäväksi latentin lämpövaraston materiaalina. Lisäksi orgaanisilla materiaaleilla on matala korroosioaste.

(Sharma et al., 2009)

Taulukossa 3 esitellään parafiinien käytön suotuisia ja rajoittavia tekijöitä latenteissa lämpövarastoissa

Taulukko 3. Parafiinien käyttöä lämpövarastossa ohjaavia tekijöitä (Sharma et al., 2009) Suotuisat tekijät Rajoittavat tekijät

Turvallinen Alhainen lämmönjohtavuuskerroin Ennustettava Ei sovi muovisiin säiliöihin

Matala korroosio Melko helposti syttyvä Kemiallisesti inertti Kallis

ja vakaa (<500 °C)

Toisin kuin parafiiniset materiaalit, ei-parafiinisilla materiaaleilla on vaihteleva määrä erilaisia käyttöön vaikuttavia ominaisuuksia. Ei- parafiiniset materiaalit edustavat suurinta joukkoa faasimuutosmateriaaleissa ja niihin sisältyy mm. estereitä, rasvahappoja, alkoholeja ja glykoleja. Sharman et al. (2009) mukaan näillä materiaaleilla on kuitenkin seuraavia yhteisiä ominaispiirteitä: korkea sulamislämpö, syttyvyys, alhainen lämmönjohtavuus, alhainen syttymispiste, vaihteleva myrkkypitoisuus ja

epästabiilius korkeissa lämpötiloissa. Tyypillisiä sulamislämmön arvoja potentiaalisille orgaanisille faasimuutosmateriaaleille on 180-220 kJ/kg.

3.2.2

Epäorgaanisiin materiaaleihin luokitellaan kuuluvaksi suolot, suolahydraatit, hydroksidit ja metalliseokset. Suolahydraatit koostuvat epäorgaanisista suoloista, joihin on kiteytynyt vettä. Kiinteä- neste- faasimuutos perustuu fysikaalisesti suolahydraatin vesikiteiden kuivumiseen ja kiteytymiseen. Suolahydraatit voidaan jakaa kolmeen ryhmään yhdisteiden faasimuutoksen yhtenevyyden perusteella sulamisen aikana: yhteneväisen sulamisen aikana jolloin suola liukenee täysin; epäyhteneväinen sulaminen, jolloin suola liukenee osittain liuokseen ja osittain yhteneväinen sulaminen, jolloin suoloista poistuu vaihteleva määrä vettä, joka ei tiivisty enää suoloihin takaisin. (Sharma et al., 2009) Sharman et al. (2009) mukaan suolahydraatit muodostavat faasimuutosmateriaaleista tärkeimmän ryhmän, sillä niillä on useita latentin lämpöenergian varastointiin sopivia ominaisuuksia, kuten korkean ominaissulamislämpö, suhteellisen korkea lämmönjohtavuus (lähes kaksi kertaa suurempi kuin parafiineilla) ja vähäinen tilavuuden muutos sulamisessa. Tosin suolahydraatit tuottavat haasteita Pielichowskan ja Pielichowskin (2014) ja Donkers et al. (2017) mukaan mm. epäorgaanisten korkean korroosioasteen ja joidenkin yhdisteiden kalliin hinnan vuoksi. Lisäksi Pielichowskan ja Pielichowskin (2014) mukaan haasteita tuottaa myös suolahydraattien sulaminen epätasaisesti ja yhdisteiden alijäähtyminen faasimuutostilanteessa. Yleinen haaste faasimuutosmateriaalien käytössä lämpöenergian varastoinnissa on alhainen lämmönjohtavuus, joka aiheuttaa rajoitteita lämpövaraston lataamisen ja purkamisen nopeudessa. (Pandey ja Chaurasiya, 2017). Potentiaalisia epäorgaanisia suoloja on taulukoitu taulukkoon 4.

Taulukko 4. Potentiaalisia epäorgaanisia yhdisteitä faasimuutosmateriaaleiksi (muk. Pielichowska ja Pielichowski, 2014)

Yhdiste Sulamislämpötila [°C] Sulamislämpö [J/g]

LiNO3 250 370

NaNO3 307 172

KClO4 527 1253

LiH 699 2678

MgCl2 714 452

NaCl 800 492

K2CO3 897 235

MgF2 1271 936

Donkers et al. (2017) mukaan kaliumkarbonaattihydraatti edustaa käyttökelpoisinta materiaalia latentissa lämpövarastossa. Toinen vaihtoehtoinen materiaali on magnesiumkloridihydraatti, mikäli reaktiossa syntyvän suolahapon (HCl) vaikutus vahvasti hapettavana yhdisteenä saadaan ratkaistua.

Epäorgaanisiin materiaaleihin kuuluvat myös erilaiset metalliseokset, mutta niiden sovelluskäyttö on vähäistä metallin painon aiheuttamien teknisten haasteiden johdosta.

Metalliseoksilla on tosin muihin faasimuutosmateriaaleihin verrattuna erittäin korkea lämmönjohtavuus, mutta niiden korkea sulamispiste aiheuttaa haasteita faasimuutoksen toteuttamisessa. (Sharma et al., 2009)

3.2.3

Eutektiset materiaalit ovat yhdistelmiä kahdesta tai useammasta yhdisteestä, joilla on mahdollisimman alhainen sulamispiste. Tällöin jokainen niistä sulaa ja jäätyy yhtenevästi muodostaen sekoituksen kiteytyneitä komponentteja. (Sharma et al., 2009) Eutektisien materiaalien käyttäytymistä on tutkittu viime aikoina paljon mutta tutkimusalan julkaisut ovat perustutkimusta ja sovelluskäyttö eutektisilla materiaaleilla on vielä vähäistä.

Sopivia yhdisteitä lämpövarastoissa käytettäviksi on löydetty muutamia ja niitä tutkimalla voidaan löytää kustannustehokkaampi faasimuutosmateriaali, sillä toinen yhdiste on yleensä vesi, jonka kustannukset ovat alhaiset. (Kant, Shukla ja Sharma, 2017)

3.3 Termokemiallisen lämpöenergian varastointi

Termokemiallisen lämpöenergian varastointi perustuu palautuviin kemiallisiin reaktioihin, joissa molekyylisidoksiin sitoutuu lämpöä sidosten muodostuessa tai sidoksista vapautuu lämpöä sidosten katketessa. Termokemiallisilla lämpövarastomateriaaleilla on mahdollista saavuttaa 8-10 kertaa suurempi energiatiheys kuin tuntuvan lämpöenergian varastointimateriaaleilla ja latentin lämpöenergian varastointimateriaaleihin verrattuna voidaan saavuttaa kaksinkertainen energiatiheys.

(Aydin, Casey ja Riffat, 2015)

Termokemiallisille varastointimateriaaleille pätee samankaltaisia vaatimuksia kuin tuntuvan ja lämpöenergian varastointimateriaaleille, kuten esimerkiksi korkea energiatiheys ja alhaiset kustannukset, mutta erojakin löytyy:

• ainekohtaisesti sopiva reaktioaste ja -lämpötila

• soveltuvuus todelliseen sovelluskäyttöön

Termokemiallisten materiaalien ja reaktioiden kehitys sovelluskäytössä on vielä alkuvaiheessa (Yan et al., 2015), jolloin on tärkeää tunnistaa aineiden massan- ja lämmönsiirtoon vaikuttavia tekijöitä (Abedin ja Rosen, 2011; Aydin, Casey ja Riffat, 2015). Termokemiallisilla materiaaleilla on kuitenkin merkittäviä etuja verrattuna muihin lämmönvarastointitekniikoihin verrattuna, kuten pitkäkestoinen varastointiaika, kompakti kokoluokka ja vähäiset lämpöhäviöt ympäristöön, sillä materiaalit varastoidaan ympäristön lämpötilassa (Abedin ja Rosen, 2011).

3.4 Lämpövarastojen eristys

Lämpöenergian määrä varastossa pienenee ajan funktiona kohti ympäristön lämpötilaa.

Lämpövarastojen eristämisellä voidaan saavuttaa erityisesti tuntuvan lämpöenergian varastoinnissa pidempi lämpöenergian varastointiaika. Eristeratkaisuja on olemassa lukuisia ja tässä työssä käsitellään vain yleisimmät perusratkaisut.

Eristämisellä vähennetään lämpövaraston lämpövuon suuruutta, ja siten lämpövaraston ulkopinnoilta tapahtuvaa säteily- ja konvektiivista lämmönsiirron suuruutta.

Lämpövaraston lämpövuo ympäristön kanssa saadaan Fourierin lain avulla yhtälöstä 4.

𝑞 = 𝜆^{𝑇𝑣𝑎𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜−𝑇𝑦𝑚𝑝ä𝑟𝑖𝑠𝑡ö}

𝑑 (4)

missä

𝑞 on lämpövuo, 𝜆 on eristeen lämmönjohtavuus, T on vallitseva lämpötila ja d on eristeen paksuus

Koska lämpövuo q riippuu vahvasti lämpötehosta W (J/s), niin lämpövarastosta siirtyvän lämpöenergian määrä riippuu olennaisesti ajasta. Eristämisellä pyritään siis pidentämään sitä aikaa, jolloin lämpövarastossa oleva lämpöenergia on vielä käyttäjän tarpeisiin

sopivan suuruista ja käytettävissä tarkoituksenmukaiseen sovellukseen. Yhtälöstä 4 voidaan havaita, että eristeen paksuuden kasvattaminen pienentää lämpövuon arvoa.

Toisaalta eristäminen aiheuttaa kustannuksia, jolloin eristeiden lämmönjohtavuudella, lämmönläpäisykertoimella ja saatavuudella on suuri merkitys lämpövarastojen toiminnan kannalta. Sovelluksista riippuen lämpövarastoissa halutaan ylläpitää tietty lämpöenergian määrä tietyn ajan, jolloin eristämisellä saavutettujen hyötyjen olisi suotavaa olla suurempia kuin eristämiseen käytetyt kustannukset. Taulukossa 5 olevien eristeiden ominaisuudet vaihtelevat ja sovelluskohtainen käyttö määrittelee sopivan eristeen valinnan lämpövaraston eristämiseksi.

Taulukosta 5 on jätetty kivimateriaalien ja kevytbetonin sekä teräksen hinta-arviot pois, sillä käytetään lähinnä lämpövarastojen rakennusmateriaaleina, jolloin ne eivät ole varsinaisia lisäeristeitä. Kivimateriaali toimiessaan varastointimateriaalina ei ole eriste.

Taulukossa 5 laskettu eristeen paksuus on saatu yhtälöstä 5 𝑑 = ^𝜆

𝑈 (5)

missä

d on eristeen paksuus, 𝜆 on lämmönjohtavuus ja U on lämmönläpäisyluku

Taulukkoon on valittu vakio U-arvo eli lämmönläpäisyluku, jolloin saadaan selville paljonko eristettä pitäisi olla tietyllä eristeellä. Lähinnä kiven ja kevytbetonin kohdalla voidaan rakennusvaiheessa arvioida paljonko kyseistä materiaalia pitää lisätä varaston ympärille. Yleisesti voidaan kuitenkin, olettaa että rakennusainetta käytetään saavuttamaan varaston lujuustekniset ominaisuudet ja esimerkiksi uretaani- tai mineraalivillalla saavutetaan lämpötekniset vaatimukset varastolle. Mikäli eristäminen esimerkiksi maan sisällä ei ole mahdollista voidaan arvioida kuitenkin kivimateriaalin eristävyyttä ja lämpöhäviöitä ympäristöön. Kivimateriaalilla varaston koko vaatii käytännössä maan sisälle kaivettavaa varastoratkaisua, mutta silloin kivimateriaali voi itsessään toimia varastointimateriaalina.

Taulukko 5. Eristeiden lämmönjohtavuuksia, hinta-arvioita ja eristeen paksuus tietyllä U- arvolla

Lämmönjohtavuus λ Hinta Eristeen paksuus [m] Lähde (EN ISO 10456, 2007) [€/m²] U-arvolla 0,25 W/m²K

Mineraalivilla 0,03-0,05 5-20 0,12-0,2 Paroc

Polyuretaani 0,025 15-50 0,1 Stark

EPS (styrox) 0,03-0,05 2-10 0,12-0,2 Stark

Kivimateriaalit 1,1-3,8 - 4,4-15,2

Kevytbetoni 0,1-0,4 - 0,4-1,6

Teräs 50 - 200

4 LÄMPÖVARASTON ROOLI ENERGIANTUOTANNOSSA

Tässä luvussa käsitellään erilaisia toteutettuja lämmön varastointiratkaisuja ympäri maailmaa. Lämpövarastot ovat sidottuja aina johonkin energiantuotantomuotoon, ja kasvavan primäärienergian tarve lisää lämpövarastojen tarvetta sekä innovatiivisia lämpöenergian tuotantoratkaisuja. Uusiutuvilla energiantuotantomuodoilla kuten aurinko- ja tuulivoimalla voidaan tuottaa lämpöenergiaa erilaisilla tekniikoilla ja varastoida sitä erilaisiin varastoihin. Uusiutuviin energianlähteisiin kuuluu myös biomassa, mutta sen muuntaminen lämpöenergiaksi tapahtuu polttamalla vastaavilla tekniikoilla kuin kiinteillä fossiilisilla polttoaineilla, kuten esimerkiksi hiilellä tai turpeella. Lämpövoimalaitoksien tuottaman lämpöenergian varastointi ja käyttö on sidottu Suomessa kaukolämpöjärjestelmään (Energiateollisuus, 2015). Tulevaisuudessa uusiutuvien energiantuotantomuotojen osuus kasvanee, sillä kiristyvät päästövaatimukset ja -politiikka aiheuttavat fossiilisten polttoaineiden käytön kustannusten kasvua, jolloin oletettavasti energiantuotanto siirtynee uusiutuvien energiantuotantomuotojen suuntaan.

4.1 Lämpövarasto osana fossiilista energiantuotannossa

Fossiilisessa energiantuotannossa energiaa tuotetaan käyttämällä fossiilisia polttoaineita, esimerkiksi hiiltä, öljyä tai kaasua. Fossiilisilla polttoaineilla tuotetaan energiaa suurissa kattilalaitoksissa esimerkiksi pölypoltolla. Tuotettu lämpöenergia on tuntuvaa lämpöenergiaa, jolloin sopivimpia lämpövarastoja ovat yleensä veteen varastoivan lämpöenergian sovellukset (Fortum 2015; Helen 2017). Laitokset jaotellaan lämpövoimalaitoksiin, sähkön tuotantolaitoksiin ja CHP-laitoksiin eli lämmön ja sähkön yhteistuotantoon. CHP- ja lämpövoimalaitoksissa voidaan varastoida lämpöä.

Koska fossiilisilla tuotetaan edelleen suurin osa maailman primäärienergiasta, lämpövarastojen käytöllä voidaan vähentää käyttöä huipunkäyttöaikana, ja vähentää näin ollen fossiilisten polttoaineiden palamisessa aiheutuvia päästöjä. Lämpövarastoon voidaan varastoida lämpöenergiaa vähäpäästöisemmillä energianlähteillä ja käyttää fossiilisia polttoaineita vain huipputuotannon aikaan.

4.2 Lämpövarasto osana uusiutuvaa energiantuotantoa

Uusiutuvassa energiantuotannossa on useita erilaisia tekniikoita aina biomassakattiloista aurinko- ja tuulivoimaloihin. Uusiutuvalla energialla on suuri rooli tulevaisuuden energiantuotantoratkaisuissa, sillä ilmastonmuutoksen hidastamiseksi fossiilisten energianlähteiden käyttöä on pyritty rajoittamaan kansainvälisillä sopimuksilla (UNFCCC. Conference of the Parties (COP), 2015). Uusiutuville energianlähteille on kehitetty paljon sovelluksia sähköntuotannossa, mutta lämmöntuotannossa kehitystyö on vielä alkuvaiheessa. Erityisesti aurinko- ja tuulivoiman ominaispiirteisiin kuuluu tuotannon laajat vaihtelut, jolloin niiden liittäminen aiheuttaa sähköverkkojen tehotasapainon säädössä ongelmia. Vastaavasti lämmönjakeluverkostossa hetkellisellä lämpöenergian määrällä ei ole niin suurta merkitystä ja lämpöenergiaa voidaan varastoida pitkiksikin ajoiksi, jolloin voidaan myös tasoittaa kulutus- ja hintapiikkejä. Aurinko- ja tuulivoiman tuotannossa ei ole luonnollisesti polttoainekustannuksia, jolloin tekniikan kehittyessä ja komponenttien parantuessa ne muodostavat kilpailukykyisen vaihtoehdon lämpöenergian tuotantoon.

4.2.1

Tuulivoimalla tuotetaan sähköä, jolloin lämmönvarastointi tuulivoimalla on lähinnä sähköenergian avulla varastoitua lämpöenergiaa. Tuulivoimalla tuotetun sähköenergian muuttamista esimerkiksi lämpöpumppujen avulla varastoitavaan lämpöenergiaan on tutkittu mutta sovelluskohtainen käyttö ei ole vielä yleistä (Hedegaard et al., 2012).

Tuulivoiman haittapuoliin kuuluva sähköntuotannon epätasaisuus aiheuttaa haasteita sähköverkon toimintaan, mutta esimerkiksi kaukolämpöverkossa tasapainoilu lämpötilojen kanssa ei ole yhtä kriittistä. Toistaiseksi tuulivoiman käytöstä lämmöntuotantoon ei ole tehty pilottiprojekteja mutta tuulivoiman potentiaalia on tutkittu lämmöntuotannossa muutamia vuosia (Waite ja Modi, 2014; Okazaki, Shirai ja Nakamura, 2015).

Esimerkkinä voidaan laskea kuvitteellinen vertailu, jossa 3 MW tuulivoimala tuottaa sähköä tai lämpöä kuluttajalle, joka voi käyttää kaiken voimalasta saatavan sähkön tai lämmön. Vertailukohtana on yhteiskunnan tarjoamasta verkosta ostettu sähkö tai kaukolämpö.

Tuulivoiman tuottama sähköenergia muunnetaan lämpöenergiaksi, jota voidaan varastoida lämpövarastoon. Tarkoituksena esimerkissä on selvittää, paljonko ideaalitilanteessa lämpöpumpuilla voisi saada aikaan kustannussäästöä, mikäli lämpö voidaan hyödyntää itse. Sähkön hinta vaihtelee tunneittain sähköpörssissä muodostuvan hinnan mukaisesti ja mm. sähkön siirrosta aiheutuvat maksut sekä erilaiset verot, jolloin esimerkissä säästö lasketaan sähkön kokonaishinnan mukaisesti. Sähkön kokonaishinta vaihtelee kokonaiskulutuksesta riippuen 120-160 €/MWh välillä sisältäen verot ja siirtomaksut (Sähkön hintatilastot,2018). Kaukolämmön hinta vaihtelee kuukausitasolla 80-100 €/MWh (Kaukolämmön hintatilastot, 2018) välillä riippuen asuinkiinteistön kokonaiskulutuksesta.

Sähköä voidaan myös varastoida mutta tuulivoimalan tuottamaa energiaa ei kyetä taloudellisesti kannattavasti varastoimaan. Chen et al. (2009) mukaan nikkelikadmiumakut maksavat n. 900 €/kWh, joten esimerkin tilanteessa sähköä ei voida vastaavassa mittakaavassa varastoida kuten lämpöä. Taulukosta 2 saadaan suuntaa lämpövaraston materiaalikustannuksiin, jolloin lämpöenergiaa voidaan kustannustehokkaasti varastoida suhteessa sähköenergiaan.

Laskennassa oletetaan, että lämpöpumpun tehokerroin (COP) on esimerkissä 3, jolloin lämpöpumppu tuottaa lämpöenergiaa 3 kWh jokaista kuluttamaansa 1 kWh sähkötehoa kohti. Esimerkkinä käytetään 3 MW tuulivoimalaa, joka voisi tuottaa sähköenergiaa kuluttajan sähköntarpeeseen tai lämpöpumppujen tehontarpeeseen kuluttajan lämmöntarpeen mukaisesti. Tällöin tuotettu lämpöteho on 9 MW ja huipunkäyttöajaksi oletetaan 2000 h/a, jolloin vuodessa tuotettu lämpöenergia on 18 000 MWh ja sähköteho 6000 MWh. Tällöin syntyvä säästö sähkön osalta vaihtelee 720 000-960 000 € välillä ja vastaavasti lämmön osalta 1,44-1,8 miljoonan euron välillä.

Esimerkistä on havaittavissa, että lämmöntuotanto lämpöpumppujen avulla suoraan käyttäjien käyttöön voisi olla kannattavaa ja suotavaa verrattuna sähkön tuotannosta saatavaan kustannussäästöön. Lämmöntuotanto voisi tapahtua joko keskitetysti suurilla lämpöpumpuilla tai suoraan pienkuluttajalla. Keskitetyssä tuotannossa voidaan käyttää hyväksi lämpövarastoja huipputuotannon tasaamiseksi. Esimerkin kaltaisten yksiköiden liittäminen kaukolämpöverkkoon pienentäisi lämpöenergian hintaa, sillä polttoainekustannuksia ei ole. Vaihtoehtona on myydä sähköä sähköverkkoon, kun

sähkön hinta on korkeampi kuin lämmön myynnistä saatavat tulot. Tosin esimerkin kaltaisen tilanteen luominen vaatisi lämpöenergian tuotannon osalta investointeja lämpöpumppujen ja -varaston osalta. Kokonaisuudessaan esimerkki ei näin ollen vastaa todellista tilannetta mutta tekniikan ja tuulivoiman tuotannon tukijärjestelmien muuttuessa kyseessä voi olla varteenotettava vaihtoehto tuulivoiman hyödyntämisessä.

Aihetta ei ole tutkittu tai pilotoitu vielä juurikaan, joten se muodostaa mahdollisuuden lisätutkimuksille tulevaisuudessa.

4.2.2

Aurinkolämpöenergiaa voi varastoida tuntuvana tai latenttina lämpöenergiana tai näiden yhdistelmänä. Yleisesti aurinkovoimaa on käytetty tuntuvan lämpöenergian varastointisovelluksissa mutta myös latentit lämpövarastoratkaisut ovat yleistyneet (Farid et al., 2004). Kuitenkin aurinkovoimalla tuotetussa lämpöenergiassa on haasteita mm.

materiaalin käyttöajan ja kustannusten kanssa, jolloin materiaalien tutkiminen on erityisen tärkeää lämpövarastojen tekniikan kehittymisen kannalta. (Öztürk and Başçetinçelik, 2003)

Aurinkovoiman avulla tuotetun lämpöenergian varastointia on tutkittu paljon ja luonnolliset maanalaiset lämpövarastot ovat toimineet useissa pilottihankkeissa (Xu, Wang ja Li, 2014). Kaukolämpöverkkoon liitettyjä lämpökaivoprojekteja on toteutettu suuressa mittakaavassa Euroopassa ja Kanadassa, ja niissä aurinkoenergian osuus kokonaislämpöenergiasta on vaihdellut 50 % :sta jopa 97 %:iin (Gao, Zhao ja Tang, 2015).

Aurinkoenergian varastoinnissa on useita kriteerejä, joista tärkeimpinä Tian ja Zhao, (2013) pitävät korkeaa lämpöenergiakapasiteettia, lämpövaraston materiaalikustannuksia ja käyttöstrategiaa. Aurinkoenergialla voidaan tuottaa lämpöenergiaa useiden erilaisten sovellusten avulla, joista käytetyimpiä ovat tällä hetkellä tasokeräimet, tyhjiöputkikeräimet ja keskittävät keräimet (Kalogirou, 2004). Taso- ja tyhjiöputkikeräimillä lämpöenergian talteenotto perustuu kiertoaineen lämpenemiseen ja siirtoon joko käyttöön tai varastoon. Keskittävät keräimet kohdistavat auringon säteilyenergian yhteen pisteeseen, joka lämpenee. Keskittävien keräimien avulla voidaan

tuottaa erittäin korkeita lämpötiloja, ja lämpöä käytetään yleensä sähkön tuotantoon (SolarReserve, 2018).

Keskittävissä keräimissä lämpöenergia varastoidaan yleensä kuvien 1 ja 2 mukaisella järjestelmällä. Kyseisiin järjestelmiin voidaan lisätä lämmönvaihtimia saavuttaen sovelluskohtaisia hyötyjä, kuten esimerkiksi erilaisten lämpövarastomateriaalien hyödyntäminen prosessin eri vaiheissa. Tällöin voidaan optimoida paras materiaali aurinkoenergian sitomisessa ja varastoissa erikseen, jolloin kompromissien määrä vähenee materiaalivalinnan suhteen. Lämmönvaihtimia käytettäessä on syytä huomioitava niiden aiheuttamat huoltokustannukset. (Liu et al., 2016)

4.3 Tulevaisuuden näkymät lämpövarastojen kehittämisessä

Lämpövarastoista tehtyjen tutkimusten määrä on ollut kasvussa kuvan 3 mukaisesti vuosituhannen alusta ja varsinkin varastointimateriaalien lämpöteknisiä ominaisuuksia on pystytty selvittämään entistä tarkemmin. Lämpövarastoista tehtyjen tutkimusten avulla on voitu kehittää olemassa olevia tekniikoita ja soveltamaan niitä käytäntöön.

Kuvan tulkinnassa on huomioitava, että siinä on huomioitu vain tietyllä hakusanalla haetut tutkimukset ja kuva 3 osoittaakin lähinnä lämpövarastojen tutkimiseen liittyvän trendin.

Kuva 3. Lämpövarastoihin liittyvät tieteelliset artikkelit vuosilta 2000-2017 (ScienceDirect:

”thermal energy storage”)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Julkaisujen määrä [kpl]

Julkaisuvuosi

Tuntuvan lämpöenergian varastoinnin materiaalien ja sovelluskohtaisten ratkaisujen tutkiminen ja käyttö on pitkälle kehittynyttä, ja pääpaino tuntuvan lämpöenergian varastoinnissa onkin monipuolisten innovaatioiden kehittäminen lämpövaraston käytön ympärille. Tuntuvan lämpöenergian varastoinnissa tulevaisuuden kehittämiskohteita ovat erityisesti uusiutuvien energianlähteiden avulla saatavan lämpöenergian liittäminen esimerkiksi kaukolämpöverkkoon tai suoraan kuluttajalle. Tuntuvan ja latentin lämpöenergian yhteiskäytössä on useita hyötyjä ja niiden yhdistelmistä voisi löytyä potentiaalisesti kustannustehokkaita ratkaisuja (Geissbühler et al., 2016).

Latenttia lämpöenergian varastoinnissa on useita sovelluskelpoisia ominaisuuksia, kuten esimerkiksi korkea energiatiheys. Latentin lämpövarastojen faasimuutosmateriaalien ominaisuuksissa ja sovelluskohtaisissa lämmönvaihtimissa on edelleen kehitettävää.

Alhaisten lämpötilojen lämpövarastoissa monilla faasimuutosmateriaaleilla on paljon potentiaalia aktiiviseen sovelluskäyttöön. Zalban (2003) kirjallisuuslähteistä kokoaman taulukon mukaan faasimuutosmateriaaleihin perustuvilla lämpövarastoilla on lukuisia potentiaalisia sovelluksia aina lämpövarastoista, moottorien jäähdytysjärjestelmistä erilaisiin lääketieteellisiin sovelluksiin. Laaja ja helposti kaupallistettava sovelluskäyttö mahdollistaa faasimuutosmateriaalien tutkimisen myös tulevaisuudessa. Toisaalta Hasnainin (1998) mukaan kirjallisuudesta puuttuu paljon erilaisten faasimuutosmateriaalien termofysikaalisia ominaisuuksia tai niiden esittämistavasta löytyy paljon epäjohdonmukaisuuksia, ja tämä pitää osittain nykyäänkin paikkaansa (Cascone ja Perino, 2015). Toisaalta nykyiset laskentaohjelmat mahdollistavat mm.

lämmönvaihtimissa tapahtuvan lämmönsiirron mallinnuksen, jolloin kehitystyö nopeutuu huomattavasti.

Termokemiallisten materiaalien käyttöä lämpövarastojen materiaaleina on tutkittu vain vähän aikaa, mutta muihin lämpövarastomateriaaleihin verrattuna termokemiallisilla materiaaleilla on korkea energiatiheys, siitä johtuen ne muodostavat tulevaisuuden tutkimuskohteen lämpövarastojen käytön monipuolistuessa. Haasteita termokemiallisen lämpöenergian varastoinnissa on korkeat kustannukset ja teknisesti vaikeat rakenteet.

(Abedin ja Rosen, 2011)

Lämpövarastojen eristäminen on tärkeä osa lämpövarastojen toimintakapasiteetin pidentämisessä. Eristämisessä on useita vaihtoehtoja, joiden kehittämisellä voidaan

saavuttaa pitempiä varastointiaikoja. Eristeiden tutkiminen on kuitenkin laajemman sovelluskäytön tutkimuskohde, ja eristeille ominaista on niiden soveltuvuus useaan sovellukseen.

Lämpövarastojen liittäminen osaksi lämpöverkkoa on sinällään yksinkertaista lämmönvaihtimien avulla, mutta haasteita löytyy niiden mitoittamisessa ja sopivan lämpövarastomateriaalin valinnasta. Uusiutuvan energianlähteisiin liitettävien lämpövarastojen koko aiheuttaa haasteita kustannusten hallinnan suhteen ja esimerkiksi Kanadassa suoritettu aikaisemmin mainittu pilottiprojekti on onnistunut hyvin lämpövarastojen koon mitoituksessa. Usein kuitenkin tarvitaan jokin lisäenergiantuotantojärjestelmä, sillä huipunkäyttöaikoina lämpövarastot eivät välttämättä kykene tarjoamaan vaadittua energiaa. Tällöin voidaan käyttää esimerkiksi kaasupolttimella toimivaa järjestelmää. Lisäksi aiemmin mainitun tuulivoimalla tuotetun sähköenergian käyttäminen lämmöntuotantoon voisi olla varteenotettava tutkimuskohde lähitulevaisuudessa. Tuulivoiman haasteita tuotannon epätasaisuudesta voitaisiin näin hajauttaa ainakin osin lämmöntuotannon puolelle ja näissä järjestelmissä lämpövarastoilla on iso merkitys tuotannon tasapainottamisessa.

5 YHTEENVETO

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää erilaisten lämpövarastoissa käytettyjen materiaalien ominaisuuksia sekä lämpövarastojen liitettävyyttä erityisesti uusiutuvien energialähteiden kanssa. Kirjallisuustyössä selvitettiin erilaisten artikkeleiden avulla materiaalien ominaisuuksia ja soveltuvuutta lämpöenergian varastointiin erilaisiin kemiallisiin tai fysikaalisiin ilmiöihin perustuen. Tutkimuksissa voitiin havaita, että materiaalien ominaisuudet eri ilmiöihin perustuvissa lämpöenergian varastoinnissa vaihtelevat ja parempia materiaaleja löydetään jatkuvasti.

Lämpöenergian varastointi perustuu kolmeen eri ilmiöön: tuntuvan, latentin tai termokemiallisen lämpöenergian varastointiin. Tuntuvan lämpöenergian varastoinnissa varastointi perustuu lämpötilaeroihin, latentin lämpöenergian tapauksessa faasimuutoksessa sitoutuvaan/purkautuvaan lämpöenergiaan. Termokemiallinen lämpöenergian varastointi perustuu aineiden tai yhdisteiden sitomaan lämpöenergiaan.

Lämpöenergian varastoinnissa voidaan käyttää täten edellä mainittujen ilmiöiden perusteella erilaisia materiaaleja, joista vesi edustaa tutkituinta materiaalia. Tuntuvan lämpöenergian materiaalien ominaisuuksien tutkiminen on pitkälle kehittynyt ja tutkimuksen painopiste on siirtynyt faasimuutomateriaalien ja termokemiallisten materiaalien tutkimiseen, niiden korkeamman energiatiheyden vuoksi. Useita potentiaalisia faasimuutosmateriaaleja on löydetty, mutta haasteita niissä aiheuttaa mm.

niiden suuret kustannukset sovelluskäytössä.

Lämpövarastoihin sidottava lämpö on tuotettava jollain tapaa, jolloin erilaisten tuotantomuotojen liitettävyyden tutkiminen on ollut kasvussa. Erityisesti aurinkoenergian mahdollisuuksia mainittuihin ilmiöihin pohjautuvissa sovelluksissa on tutkittu paljon, ja siihen on kehitetty jopa laajan mittakaavan sovelluksia. Yleisesti lämpövarastosovellukset ovat vielä pilottiasteella ja varsinaisesti kehitystyö yhteiskuntien laajamittaiseen käyttöön on tulevaisuuden trendejä.

LÄHDELUETTELO

Abedin, A. and Rosen, M. (2011) ‘A Critical Review of Thermochemical Energy Storage Systems.’, Open Renewable Energy Journal, 4, pp. 42–46. doi:

10.2174/1876387101004010042.

Aydin, D., Casey, S. P. and Riffat, S. (2015) ‘The latest advancements on thermochemical heat storage systems’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41, pp. 356–367. doi:

10.1016/j.rser.2014.08.054.

Cascone, Y. and Perino, M. (2015) ‘Estimation of the thermal properties of PCMs through inverse modelling’, in Energy Procedia, pp. 1714–1719. doi:

10.1016/j.egypro.2015.11.275.

Chang, Z. S. et al. (2015) ‘The Design and Numerical Study of a 2MWh Molten Salt Thermocline Tank’, in Energy Procedia, pp. 779–789. doi:

10.1016/j.egypro.2015.03.094.

EN ISO 10456 (2007) ‘Building materials and products - Hygrothermal properties - Tabulated design values and procedures for determining declared and design thermal values’, CEN. doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.

Farid, M. M. et al. (2004) ‘A review on phase change energy storage: Materials and applications’, Energy Conversion and Management, pp. 1597–1615. doi:

10.1016/j.enconman.2003.09.015.

Gao, L., Zhao, J. and Tang, Z. (2015) ‘A Review on Borehole Seasonal Solar Thermal Energy Storage’, in Energy Procedia, pp. 209–218. doi: 10.1016/j.egypro.2015.02.117.

Geissbühler, L. et al. (2016) ‘Analysis of industrial-scale high-temperature combined sensible/latent thermal energy storage’, Applied Thermal Engineering, 101, pp. 657–668.

doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.12.031.

Gil, A. et al. (2009) ‘State of the art on high temperature thermal energy storage for power

generation. Part 1--Concepts, materials and modellization’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 31–55. doi: 10.1016/j.rser.2009.07.035.

Guo, F. et al. (2017) ‘A central solar-industrial waste heat heating system with large scale borehole thermal storage’, in Procedia Engineering, pp. 1584–1591. doi:

10.1016/j.proeng.2017.10.274.

Hasnain S.M. (1998) ‘Review on sustainable thermal energy storage technologies, Part I:

heat storage materials and techniques’, Energy Conversion and Management, 39(11), pp.

1127–1138. doi: 10.1016/S0196-8904(98)00025-9.

Hedegaard, K. et al. (2012) ‘Wind power integration using individual heat pumps - Analysis of different heat storage options’, Energy, 47(1), pp. 284–293. doi:

10.1016/j.energy.2012.09.030.

Ju, X. et al. (2016) ‘A novel hybrid storage system integrating a packed-bed thermocline tank and a two-tank storage system for concentrating solar power (CSP) plants’, Applied Thermal Engineering, 92, pp. 24–31. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.09.083.

Kalogirou, S. A. (2004) ‘Solar thermal collectors and applications’, Progress in Energy and Combustion Science, pp. 231–295. doi: 10.1016/j.pecs.2004.02.001.

Kant, K., Shukla, A. and Sharma, A. (2017) ‘Advancement in phase change materials for thermal energy storage applications’, Solar Energy Materials and Solar Cells, 172, pp.

82–92. doi: 10.1016/j.solmat.2017.07.023.

Kaukolämmön hintatilastot. 14.3.2018[Energiateollisuuden hintatilasto] [viitattu 14.3.2018]Saatavilla:

https://energia.fi/ajankohtaista_ja_materiaalipankki/materiaalipankki/kaukolammon_hin tatilasto.html#material-view

Van Lew, J. T. et al. (2011) ‘Analysis of Heat Storage and Delivery of a Thermocline Tank Having Solid Filler Material’, Journal of Solar Energy Engineering, 133(2), p.

21003. doi: 10.1115/1.4003685.

Li, G. (2016) ‘Sensible heat thermal storage energy and exergy performance evaluations’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, pp. 897–923. doi:

10.1016/j.rser.2015.09.006.

Li, X. et al. (2017) ‘Dynamic simulation of two-tank indirect thermal energy storage system with molten salt’, Renewable Energy, 113, pp. 1311–1319. doi:

10.1016/j.renene.2017.06.024.

Liu, M. et al. (2016) ‘Review on concentrating solar power plants and new developments in high temperature thermal energy storage technologies’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 1411–1432. doi: 10.1016/j.rser.2015.09.026.

Lodhi, M. A. K. (1996) ‘Solar ponds in alkaline lake and oil well regions’, Energy Conversion and Management, 37(12), pp. 1677–1694. doi: 10.1016/0196- 8904(95)00360-6.

Mawire, A. et al. (2009) ‘Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems’, Applied Energy, 86(7–8), pp. 1246–1252. doi:

10.1016/j.apenergy.2008.09.009.

Novo, A. V. et al. (2010) ‘Review of seasonal heat storage in large basins: Water tanks and gravel-water pits’, Applied Energy, 87(2), pp. 390–397. doi:

10.1016/j.apenergy.2009.06.033.

Okazaki, T., Shirai, Y. and Nakamura, T. (2015) ‘Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage’, Renewable Energy, 83, pp.

332–338. doi: 10.1016/j.renene.2015.04.027.

Paiho, S., Hoang, H. and Hukkalainen, M. (2017) ‘Energy and emission analyses of solar assisted local energy solutions with seasonal heat storage in a Finnish case district’, Renewable Energy, 107, pp. 147–155. doi: 10.1016/j.renene.2017.02.003.

Pandey, K. M. and Chaurasiya, R. (2017) ‘A review on analysis and development of solar flat plate collector’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 641–650. doi:

10.1016/j.rser.2016.09.078.

Pielichowska, K. and Pielichowski, K. (2014) ‘Phase change materials for thermal energy storage’, Progress in Materials Science, 65, pp. 67–123. doi:

10.1016/j.pmatsci.2014.03.005.

Reddy, K. S., Mudgal, V. and Mallick, T. K. (2018) ‘Review of latent heat thermal energy storage for improved material stability and effective load management’, Journal of Energy Storage, pp. 205–227. doi: 10.1016/j.est.2017.11.005.

Sear, R. P. (2007) ‘Nucleation: Theory and applications to protein solutions and colloidal suspensions’, Journal of Physics Condensed Matter. doi: 10.1088/0953- 8984/19/3/033101.

Sharma, A. et al. (2009) ‘Review on thermal energy storage with phase change materials and applications’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 318–345. doi:

10.1016/j.rser.2007.10.005.

Sharma S.D and Sagara K (2005) ‘Latent heat storage materials and systems: A review’, International Journal of Green Energy, 2(August 2015), pp. 1–56. doi: 10.1081/ge- 200051299.

Sibbitt, B. et al. (2012) ‘The performance of a high solar fraction seasonal storage district heating system - Five years of operation’, in Energy Procedia, pp. 856–865. doi:

10.1016/j.egypro.2012.11.097.

Sähkön hintatilastot. 12.3.2018[Energiaviraston hintatilasto] [viitattu 12.3.2018]

Saatavilla: http://www.sahkonhinta.fi/summariesandgraphsinstruction

Tian, Y. and Zhao, C. Y. (2013) ‘A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications’, Applied Energy, 104, pp. 538–553. doi:

10.1016/j.apenergy.2012.11.051.

Tiskatine, R. et al. (2017) ‘Suitability and characteristics of rocks for sensible heat storage in CSP plants’, Solar Energy Materials and Solar Cells, 169, pp. 245–257. doi:

10.1016/j.solmat.2017.05.033.

UNFCCC. Conference of the Parties (COP) (2015) Paris Climate Change Conference- November 2015, COP 21, Adoption of the Paris Agreement. Proposal by the President.

doi: FCCC/CP/2015/L.9/Rev.1.

Waite, M. and Modi, V. (2014) ‘Potential for increased wind-generated electricity utilization using heat pumps in urban areas’, Applied Energy, 135, pp. 634–642. doi:

10.1016/j.apenergy.2014.04.059.

Xu, J., Wang, R. Z. and Li, Y. (2014) ‘A review of available technologies for seasonal thermal energy storage’, Solar Energy, 103, pp. 610–638. doi:

10.1016/j.solener.2013.06.006.

Yan, T. et al. (2015) ‘A review of promising candidate reactions for chemical heat storage’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp. 13–31. doi:

10.1016/j.rser.2014.11.015.

Zalba, B. (2003) ‘Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications’, Applied Thermal Engineering, 23(3), pp. 251–283.

doi: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8.

Zhang, H. et al. (2016) ‘Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects’, Progress in Energy and Combustion Science, pp. 1–40. doi:

10.1016/j.pecs.2015.10.003.

Öztürk, H. H. and Başçetinçelik, A. (2003) ‘Energy and Exergy Efficiency of a Packed- bed Heat Storage Unit for Greenhouse Heating’, Biosystems Engineering, 86(2), pp. 231–

245. doi: 10.1016/S1537-5110(03)00134-X.