Jään sulattaminen vesistön pintavedellä ilman ulkoista lämmönlähdettä: Faasimuutoslämpöä hyödyntävän lämpöpumppulaitoksen tuottaman jään sulattamisen suunnittelu

Abstract

Suomen kaukolämmöntuotannossa on muutospaineita siirtyä fossiilisten polttoaineiden ja turpeen hyödyntämisestä hiilineutraalimpaan ja vihreämpään lämmöntuotantoon ilmastonmuutoksen ja geopoliittisten haasteiden vuoksi. Lämpöpumppuja on pidetty yhtenä lupaavimmista ratkaisuista vastamaan kaukolämmöntuotannon muutospaineisiin. Vesistöjen hyödyntäminen lämpöpumppujen lämmönlähteenä on Suomessa haastavaa, koska vesistöjen pintaveden lämpötila laskee alle 1 °C talviaikaan. Yhtenä vaihtoehtona on hyödyntää pintaveden jäädyttämistä lämmönlähteenä hyödyntäen vapautuva faasimuutoslämpö. Kuitenkin pintaveden jäädyttämisestä johtuen jäätä syntyy 5–7 t/h jo 1 MW:n kokoisella lämpöpumppulaitoksella, mikä aiheuttaa ongelmia jään varastoinnille laitosalueella. Tässä tutkimuksessa tutkittiin, miten syntyvä jää voitaisiin sulattaa vesistön pintavedellä ilman ulkoista energianlähdettä.

Tämän tutkimuksen toteutus koostui kirjallisuuskatsauksen ja kokeellisen osuuden toteuttamisesta. Kirjallisuuskatsauksen avulla tutkittiin faasimuutoslämpöä lämmönlähteenä hyödyntävien lämpöpumppujen sovelluskohteita, jään ja lumen hävittämistapoja sekä jään sulamisnopeuteen vaikuttavia tekijöitä ja sulamisajan laskennallista määrittämistä. Tämän pohjalta päädyttiin tarkastelemaan jään sulattamista paikallaan olevassa vedessä ja vesivirtauksessa. Molemmille tapauksille luotiin kirjallisuuskatsausta hyödyntäen numeeriseen laskentaan perustuva jään sulamismalli, joka pohjautui lämmönsiirron, konversion ja ajan mallintamiseen. Lisäksi tutkimuksessa tehtiin jään sulattamiskokeita, joiden avulla pyrittiin varmistumaan numeerisen mallin tuloksien luotettavuudesta. Jään sulamisajan tuloksia hyödynnettiin määritettäessä konfiguraatio paikallaan olevan veden tapaukselle ja sulatusjärjestelmän dimensiointi vesivirtauksen tapaukselle. Lisäksi molemmille tapauksille määritettiin sovelluskohteita numeeristen mallien, laitoksen ominaisuuksien, vesistön ominaisuuksien, sähköenergian kulutuksen ja sulamisajan perusteella.

Tutkimuksen tuloksissa havaittiin kirjallisuuskatsaukseen perustuvan numeerisen mallin vertautuvan kohtuullisen hyvin käytännön jään sulatuskokeisiin. Veden lämpötila, jääkappaleen koko ja lämmönsiirtopinta-ala, konversio sekä veden virtausnopeus havaittiin merkittävimmiksi sulamisaikaan vaikuttaviksi tekijöiksi. Laitoksen konfiguraatiota määritettäessä havaittiin, ettei alle 12 °C paikallaan oleva vesi ehdi sulattamaan 1 MW:n lämpöpumppulaitoksen tuottamaa jäämäärää, ellei jäätä pilkota mekaanisesti. Siten veden lämpötilan ollessa alle 12 °C jäätä kertyy vesistöön. Laitoksen dimensioinnin yhteydessä havaittiin, että tuotettu jäämäärä saadaan sulatettua, mikäli jään lämmönsiirtopinta-alaa kasvatetaan. Lisäksi havaittiin, että sulatusalueen pinta-alan ja pumpun koon tarve vaihtelevat vesistön lämpötilan funktiona ja säilyvät realistisen suuruisina tarkastelulla lämpötilavälillä 0,5–12 °C. Muutos pinta-alan tarpeeseen tarkastelulla lämpötilavälillä on vähäinen, mutta massavirran ja pumpun tehon tarve kasvavat voimakkaasti alhaisilla veden lämpötiloilla, jolloin sulattaminen vesivirtauksella voi muodostua kannattamattomaksi.

Paikallaan olevan veden käytölle havaittiin soveltuvimmiksi kohteet, jotka sijaitsevat suurien vesistöjen äärellä, ja joissa ei ole tilaa lämpöpumppulaitoksen yhteydessä varastoida jäätä. Lisäksi soveltuvat sellaiset kohteet, joissa vesistön lämpötila ei ole pitkään alhainen, jäätä saa purkaa ja kertyä vesistöön sekä kohteet, joissa sähköenergian kulutusta ja rakentamisen tarvetta halutaan minimoida. Vesivirtauksessa sulattamisella havaittiin soveltuvimmiksi kohteet, joissa vesistön lämpötila on alhainen, vesistö on pieni tai etäisyys vesistöön on pitkä. Lisäksi soveltuvat sellaiset kohteet, joissa vesistöön ei ole soveltuvaa purkupaikkaa, vesistöön ei saa kertyä ylimääräistä jäätä tai muutoin vesistöön jään purkamista ei sallita. Tutkimuksessa havaittiin potentiaalisia jatkotutkimuskohteita liittyen veden jäähtymiseen ja virtausnopeuden käyttäytymiseen jään pinnalla sekä määrittämiseen, millaisia mahdollisuuksia on jään uudelleen- ja hyötykäytölle.