Lämpövarastot uusiutuvan energian varastoijana

Abstract

Uusiutuvien energianlähteiden tuotanto on epätasaista, jolloin tasaisemman tuotannon saavuttamiseksi energiaa tulee varastoida. Yksi tapa varastoida energiaa ovat erilaiset lämpövarastot. Lämpövarastoja on monenlaisia, ja niitä voidaan jaotella monin tavoin materiaalinsa mukaan. Lämpövarastojen etuna muihin energiavarastoihin verrattuna on se, että energiaa voidaan käyttää suoraan varastoidussa muodossa, jolloin energian muuntamisesta aiheutuvat häviöt pienenevät. Varastoitua lämpöenergiaa voidaan käyttää suoraan esimerkiksi kaukolämpönä, kun taas esimerkiksi litiumioniakuissa energia tulee muuttaa varastoinnin jälkeen kemiallisesta energiasta sähköenergiaksi.

Työn tavoitteena oli selvittää, millaisia erilaisia lämpövarastoja on olemassa, ja miten uusiutuvien energialähteiden varastointi lämpövarastoihin onnistuu. Selvityksen kohteena oli myös Suomen nykytilanne ja tulevaisuus lämpövarastojen suhteen. Selvitys aloitettiin tutkimalla erilaisia lämpövarastoja. Lämpövarastoja jaoteltiin työssä kolmella eri tavalla materiaalinsa mukaan, ja työssä perehdyttiin kuuteen erilaiseen lämpövarastomateriaaliin: veteen, öljyyn, hiekkaan, kiveen, kalsiumhydroksidiin sekä sulasuolaan. Tämän jälkeen tarkasteltiin kolmea eri varastoitavan uusiutuvan energian muotoa, tuuli- ja aurinkovoimaa sekä hukkalämpöä. Tuulivoimalle tutkittiin kolmea erilaista yhdistelmämahdollisuutta lämpövarastojen kanssa. Aurinkovoiman kohdalla tutkittiin lähinnä keskitettyä aurinkovoimaa eli CSP-voimaloita. Hukkalämpö ei suoranaisesti ole energianlähde, mutta sitä pystytään hyödyntämään lämmöntuotannossa. Hukkalämpöä voidaan ottaa talteen, mutta kaikkea talteen otettua energiaa ei pystytä heti hyödyntämään, jolloin hukkalämpöä kannattaa varastoida lämpövarastoihin. Suomessa todettiin olevan muutamia lämpövarastoja, joista suurin osa on rakennettu kaukolämpöverkon yhteyteen kausivarastoiksi. Myös tulevia varastointihankkeita löydettiin.

Lämpövarastoista vesikausivarastojen todettiin olevan sopivia Suomeen, sillä Suomessa kausivarastot auttavat kylmän talven yli selviämisessä, ja niihin on helppo varastoida hukkalämpöä. Maailmanlaajuisesti käytetyimmäksi lämpövarastoksi todettiin sulasuola-akut, sillä ne soveltuvat hyvin esimerkiksi CSP-voimaloiden kanssa. Hiekka-akut todettiin mielenkiintoisiksi materiaalin ympäristöystävällisyyden sekä ensimmäisen kaupallisen hiekka-akun suomalaisen sijainnin takia. Kalsiumhydroksidi todettiin edulliseksi termokemiallisen akun materiaaliksi. Öljy ja kiviaines todettiin hyviksi materiaaleiksi kiintokerrosakkuihin. Tuulivoiman varastointi onnistuu joko vaihtamalla nasellin sähkögeneraattorin tilalle lämpögeneraattori tai muuttamalla tuotettu sähkö lämmöksi maan pinnalla, jonka jälkeen tuotettu lämpöenergia johdetaan maan pinnalla sijaitsevaan lämpövarastoon. CSP-voimaloiden ja lämpövarastojen yhdistelmä todettiin toimivaksi, sillä voimalat keräävät Auringon energiaa jo valmiiksi lämpönä, jolloin lämpövaraston yhdistäminen niihin on varsin luontevaa. Usein nämä varastot olivat sulasuola-akkuja. Hukkalämpöä voitaisiin ottaa talteen esimerkiksi lämpöpumppujen avulla, ja sitä voidaan varastoida esimerkiksi vesivarastoihin. Suomi pyrkii hiilineutraaliuuteen vuoteen 2035 mennessä, ja Suomen kaukolämmöstä 31 % tuotettiin fossiilisilla polttoaineilla vuonna 2023. Hukkalämmön talteenotto ja lisääntyvän tuulivoimakapasiteetin valjastaminen kaukolämmön tuotantoon lämpövarastojen avulla ajaisi Suomea kohti hiilineutraaliustavoitteitaan. Suomessa on siis suotavaa lisätä investointeja lämpövarastoihin.