Tuomas Alatarvas, Pekka Tanskanen: Lämpöakku - Teollisuuden sivuvirrat sähkön lämpövarastointimateriaaleina

Sähköenergian varastointi on osoittautumassa yhdeksi keskeisimmistä ja vaikeimmin ratkaistavista kysymyksistä vihreässä siirtymässä. Voimakas kasvu tuuli- ja aurinkosähkötuotannossa ja näihin olennaisesti liittyvän jaksottaisen tuotantovaihtelun tasapainottaminen edellyttävät merkittävää sähköenergian varastointikapasiteetin rakentamista.

Siksi on tarvetta kehittää kestäviä, skaalautuvia ja edullisia energian varastointiratkaisuja. Lisäksi metalli- ja kaivosteollisuuden sivuvirroille tarvitaan uusia käyttökohteita kaatopaikkaläjittämisen välttämiseksi. Lämpöakku-hankkeessa edistetään energiateollisuuden ja kiertotalouden välistä integraatiota kehittämällä teollisten epäorgaanisten sivuvirtojen hyödyntämistä lämpöakkujen materiaaleina.

Lämpöakku-hankkeen tavoitteena on kehittää kestävän sähköenergian varastointiin hyvällä hyötysuhteella toimivaa, kustannustehokasta, helposti monistettavaa ja skaalattavaa varastointitekniikkaa, jossa sähkö varastoidaan korkean lämpötilan (yli 500 °C) lämpöenergiana kiertotalousmateriaaleihin [1]. Lämpöakku mahdollistaa polttoprosesseihin perustuvan CO2-päästöjä tuottavan lämmöntuotannon korvaamisen tuuli- ja aurinkosähköllä tuotetulla lämmöllä useissa eri mittakaavan sovelluksissa, kuten teollisuuden höyryn tuotannossa, kasvihuoneiden lämmityksessä tai asuinalueiden kaukolämpönä.

Hanke on Euroopan unionin osarahoittama (Oikeudenmukaisen siirtymän rahasto, JTF), ja sitä toteuttavat Oulun yliopiston prosessimetallurgian sekä vesi-, energia- ja ympäristötekniikan tutkimusyksiköt sekä Oulun ammattikorkeakoulu. Tutkittavia materiaaleja ovat mm. metalliteollisuuden kuonat sekä kaivosten sivukivet.

Prosessimetallurgian tutkimusyksikön tutkimus jakautuu kahteen työpakettiin. Ensimmäisessä työpaketissa selvitetään kiertotalousmateriaalien materiaali- ja lämpöteknisiä ominaisuuksia. Prosessimetallurgian tutkimusyksikön tutkimusinfrastruktuuri korkealämpötilauuneineen mahdollistaa materiaalien sykliset lämpökäsittelyt. Siten materiaalien ominaisuuksia, kuten niiden mekaanista kestävyyttä, voidaan tutkia sekä lähtötilassa että useiden korkealämpötilasyklien jälkeen.

Elektronimikroskooppikuvat ilmajäähdytetystä ferrokromikuonasta ja Keliberin sivukivestä (ylhäällä ja alhaalla) ennen ja jälkeen (vasemmalla ja oikealla) lämpökäsittelyjen. [2]

Kokeiden aikaisia faasimuutoksia ja korkealämpötilakäyttäytymistä tutkitaan DSC:llä. Lisäksi määritetään partikkelien kokojakaumat ja huokoisuudet. Hankkeessa hyödynnetään myös Oulun yliopiston Materiaalianalyysikeskuksen elektronimikroskooppeja sekä XRD- ja XRF-analysaattoreita kemiallisen koostumuksen ja mineralogian määrittämiseksi. Tulosten avulla arvioidaan materiaalien soveltuvuutta toimimiseen lämpöakun lämmönvarastointimateriaaleina ja maksimilämpötilaa lämpöakkusovelluskohteessa.

Yhteistyöyritysten toimittamia materiaaleja, kuten Outokummun ferrokromikuonaa, Keliberin litiumkaivoshankkeen sivukiviä ja Bolidenin nikkelikuonaa on vertailtu ja määritetty niiden korkealämpötilakäyttäytymistä keskittyen lämpökäsittelyjen jälkeisiin muutoksiin rakenteessa, ominaisuuksissa ja mineralogiassa [2].

Toisessa työpaketissa mallinnetaan erilaisilla materiaaleilla ja rakenteilla toteutettujen lämpövarastojen toimintaa. Tavoitteena on mallintaa pakattuun kiertotalousmateriaalipartikkelipetiin perustuvan, modulaarisesti laajennettavan ja samanaikaisesti ladattavan ja purettavan lämpöakun sisäistä toimintaa. Hankkeessa on kehitetty ilmiöpohjainen, dynaaminen malli, jonka materiaali- ja operointiparametreja voidaan muuttaa. Siten akun kapasiteettia ja suorituskykyä voidaan simuloida ja arvioida. Mallissa voidaan ottaa huomioon muutettavina parametreina mm. lämpöakun koko ja täytemateriaali. [3]

Kolmatta ja neljättä työpakettia, joissa tehdään systeemi- ja kohdetason tarkasteluja, toteuttavat Oulun yliopiston vesi- energia- ja ympäristötekniikan tutkimusyksikkö sekä Oulun ammattikorkeakoulu. Systeemitason tarkasteluissa tutkitaan mallinnuksen avulla lämpöakun tehokkuutta, taloudellista kannattavuutta, kestävyyttä ja optimaalista mitoitusta asuinalueelle, jossa on jo olemassa oleva kaukolämpöjärjestelmä. Mallinnuksessa voidaan myös arvioida hiilidioksidipäästöjen vähenemistä lämpöakkua hyödynnettäessä.

Kohdetason tarkasteluissa puolestaan keskitytään mallintamaan lämpövaraston käyttäytymistä pienemmissä yksiköissä kuten kerros- tai omakotitaloissa tai kasvihuoneissa. Yhdessä neljä työpakettia luovat kokonaisuuden, jonka avulla voidaan tarkastella tietyllä kiertotalousmateriaalilla täytetyn lämpöakun toimintaa sekä yksikkönä että osana systeemiä.

TEKSTI: TUOMAS ALATARVAS, PEKKA TANSKANEN

Lisätietoa: [1] https://www.oulu.fi/fi/projektit/lampoakku-teollisuuden-sivuvirrat-sahkon-lampovarastointimateriaalina [2] Ollila, T. (2025) Teollisuuden sivuvirrat lämmönvarastointimateriaaleina. Diplomityö, Oulun yliopisto. [3] Pennanen, J.-M. (2024) Lämpöakun termisen tilan mallinnus. Diplomityö, Oulun yliopisto