Lämpöenergian kausivarastointi maaperään: Seasonal thermal energy storages in soil

Abstract

Meneillään oleva energiamurros kohti päästötöntä energiajärjestelmää vaatii uusiutuvien energialähteiden kausiluonteisuuden vuoksi tehokkaita, kohteeseen soveltuvia ja haittavaikutuksiltaan vähäisiä energiavarastoja. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on selvittää minkälaisia hyötyjä lämpöenergian kausivarastoinnilla maaperään keskipitkillä ja pitkillä ajanjaksoilla saavutetaan. Keskipitkillä ja pitkillä aikaväleillä tarkoitetaan tässä yhteydessä ajanjaksoja kuukaudesta useisiin kuukausiin. Lämpöenergian kausivarastointia kallioperään tutkielmassa ei käsitellä laajemmin. Lämpöenergian varastointi perustuu tutkielmassa pääosin tuntuvan lämmön varastointiin, mutta myös faasimuutokseen perustuvaa lämmön varastointia sivutaan.

Opinnäytetyö on toteutettu kirjallisuustutkimuksena perustuen aineistoihin, joissa käsitellään energian kausivarastointia, maaperän termisiä ominaisuuksia sekä lämpöenergian kausivarastoinnin vaikutuksia maaperään. Työssä esitellään myös kohteita, joissa maaperää on hyödynnetty osana lämpöenergian kausivarastointia.

Lämpöenergian kausivarastointia keskipitkillä ja pitkillä aikaväleillä hyödynnetään yleisesti melko vähän, mutta esimerkiksi Ruotsissa ja Tanskassa käytössä on jo monia eri periaattein toimivia järjestelmiä. Suomessa lämpöenergian kausivarastointia hyödyntäviä järjestelmiä pilotoidaan ja toteutetaan enenevissä määrin, ja niillä nähdään olevan merkittävä rooli muun muassa rakennusten lämmityksessä talvikuukausina. Maaperään sijoitettavat kausivarastot ovat usein kustannustehokkaita ja niillä voidaan saavuttaa erilaisia synergioita. Esimerkkinä mahdollisesta synergiasta mainittakoon energiapaaluilla rakennuksen perustaminen, jolloin rakennuksen perustamiseen käytettäviä paaluja hyödynnetään kausivarastointiin. Tällöin erillistä maalämpöjärjestelmää ei tarvitse asennuttaa kohteeseen ja rakennus toimii lisäksi eristeenä varaston yläpinnan lämpöhäviöille.

Termisistä ominaisuuksista lämmön kausivarastoinnin kannalta merkittävimmät ovat ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus. Näistä ominaislämpökapasiteetillä on merkittävämpi rooli lämpöenergian varastoinnin kokonaishyötysuhteen kannalta. Lämmönjohtavuuden arvolla nähdään olevan vain sekundäärinen rooli varastoinnin kokonaishyötysuhteeseen. Maalajien termisiin ominaisuuksiin vaikuttaa merkittävästi vesipitoisuus sekä maalajin rakeisuus. Hienorakeiset, korkean vesipitoisuuden omaavat maalajit soveltuvat termisiltä ominaisuuksiltaan lämmön kausivarastointiin maalajeista parhaiten. Hienorakeisissa maalajeissa veden liikkeet ovat myös usein vähäisiä, jolloin veden virtauksen aiheuttamilta lämpöhäviöiltä voidaan usein välttyä ilman erillisiä toimenpiteitä. Näin ollen hienorakeisten, korkean vesipitoisuuden omaavien maakerrostumien nähdään soveltuvan lämmön kausivarastointikäyttöön parhaiten.

Erilaisista maaperää lämmön kausivarastointiin hyödyntävistä järjestelmistä pohjaveden akviferia ja maaperään ulotettuja porareikiä tai energiapaaluja hyödyntävät varastointijärjestelmät voidaan nähdä potentiaalisimpina järjestelminä laajemman käytön yleistymisen kannalta. Kyseisten järjestelmien ominaisuuksina voidaan nähdä niiden hyvä skaalautuvuus, suhteellisen keveä toteutus ja kustannustehokkuus. Kyseisiä järjestelmiä on myös toteutettu suhteellisen paljon, joten niistä on tarjolla tutkimusdataa sekä kokemusperäistä tietoa. Pohjavettä hyödyntävät järjestelmät eivät kuitenkaan Suomessa tule todennäköisesti yleistymään tiukan pohjavesien käyttöä sääntelevän lainsäädännön takia.

Maaperään sijoitettavien keskipitkiä ja pitkiä varastointiaikoja hyödyntävien lämpöenergian kausivarastojen hyötyinä nähdään kustannustehokkuus, skaalautuvuus sekä suhteellisen hyvä energiatehokkuus. Erinomaisena maaperää kausivarastona hyödyntävänä kohteena voidaan tutkielman perusteella nähdä pehmeikölle energiapaaluilla perustettava keskisuuri tai suuri rakennus.