Lämpöenergian varastointi hiekkaan

Abstract

Yhteiskuntamme yksi suurimmista haasteista on nykyään energian tyydyttävä tarjonta, toimitettavuus ja hallinta. Pyrkimys kohti vähähiilistä ja tehokasta energiasektoria on johtanut uusiutuvan aurinkosähkön ja tuulivoimalla tuotetun sähkön käytön kasvuun ympäri maailmaa. Vankkoja energian varastointiratkaisuja tarvitaan verkon joustavuuden lisäämiseksi. Näistä varastointiteknologioista hiekka-akkujen hyödyntäminen lämpöenergian varastoinnissa kehittyy kovasti. Työn tavoitteena on tutkia hiekan termofysikaalisia, kemiallisia ja mekaanisia ominaisuuksia lämpöenergian absorboijana. Lisäksi perehdytään eri hiekkalaatujen alkuperän ja alkukoostumuksen vaikutukseen lämmönvarastoinnissa.

Työssä käydään läpi hiekan alkuainekoostumuksen selvittämiseksi hyödynnettyjä menetelmiä ja hiekka-akkujen mahdollisia sovelluskohteita. Työn tarkoituksena on myös tehdä vertailua hiekan ja vaihtoehtoisten materiaalien välillä. Hiekan ominaisuuksista uudelleenkäytettävyys, helppo saatavuus, suuri massatiheys ja alhaiset taloudelliset valmistuskustannukset tekevät hiekasta ihanteelliseen alueilla, joilla on runsaasti aurinkoenergiaa. Hiekka materiaalina voi lisätä aurinkoylijäämän varastoinnin ja muuntamisen tehokkuutta.

Lämpöenergian tehokas varastointi hiekkaan edellyttää riittäviä termofysikaalisia, kemiallisia ja mekaanisia ominaisuuksia. Termofysikaalisia ominaisuuksia ovat korkea energiatiheys, lämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja pitkän aikavälin lämmönkierron vakaus. Kemiallisista ominaisuuksista tärkeimpiä ovat kemiallinen stabiilius, myrkyttömyys, räjähtämättömyys, vähäinen reaktiivisuus välittäjäaineen ja säiliömateriaalien kanssa. Mekaanisista ominaisuuksista alhainen lämpölaajenemiskerroin, korkea puristuslujuus ja korkea rakenteellinen jäykkyys ovat keskeisimpiä.

Työssä esitellään hiekka-akkujen sovelluskohteista passiivinen kiintokerrossysteemi, termokliininen lämpövarasto ja leijupetisysteemi. Passiivinen kiintokerrossysteemi perustuu hiekan ja lämmönsiirtonesteen suoraan pintakosketuksella tapahtuvaan lämmönsiirtoon. Termokliinisessä systeemissä hiekka on täyteaineena petirakenteen sisällä, jossa lämpö-öljy toimii lämmönsiirtonesteenä. Leijupetisysteemissä hiekkapartikkelit on seostettu nesteeseen, mikä mahdollistaa lämmönsiirtonopeuden tehostamisen.

Työssä on myös käsitelty hiekka-akkujen ympäristönäkökulmia ja tulevaisuuden kehityspotentiaaleja. Ympäristönäkökohdista hiekan alhainen valmistusenergian tarve ja pieni hiilidioksidijalanjälki tukevat kestävää kehitystä. Tulevaisuudessa seuraavan sukupolven teknologioille korkeammat käyttölämpötilatasot 800–1000 °C:seen, suuremmat varastointikapasiteetit, kehittynyt kemiallinen ja mekaaninen vakaus, optimoitu ympäristöjalanjälki ja alhaiset kustannukset ovat pakollisia. Tärkeimpiä parannuksia ovat laajempi käyttölämpötila-alue, varastointikapasiteetti ja kokonaisvarastointikustannukset. Näiden ominaisuuksien kokonaisvaltainen parantaminen voisi johtaa aurinkolämpösähkön tuotannon kilpailukyvyn kasvuun.