Canemure Best Practices: Lämpövarastojen avulla uusiutuva energia ja ylijäämälämpö hyötykäyttöön

CANEMURE BEST PRACTICES ▼ 9.6.2022

Lämmön varastointi lisää energiajärjestelmän joustavuutta, vähentää huipputeholaitosten tarvetta ja parantaa ylijäämä- ja ympäristölämmön hyödyntämisen mahdollisuuksia.

Lämpövarastojen avulla uusiutuva energia ja ylijäämälämpö hyötykäyttöön ▼▼

Lämmön varastoinnilla voidaan hyödyntää ylijäämä- ja ympäristölämpöä, mikä vähentää polttamisesta aiheutuvia päästöjä.

▼▼

Kaukolämpöverkkoon kytkettynä lämpövarastot edistävät hiilineutraalin energiajärjestelmän toteutumista.

▼▼

Moninaisia lämmön varastointiteknologioita voidaan käyttää useisiin eri tarkoituksiin ja sovelluksiin.

hiilineutraalisuomi.fi

@hiilineutraali

resurssiviisaus

Kohti hiilineutraaleja kuntia ja maakuntia

CANEMURE BEST PRACTICES ▼ 9.6.2022

Lämmön varastointi edesauttaa lämmityksen sähköistämistä ja päästöjen vähentämistä Lämmön varastointi lisää energiajärjestelmän joustavuutta, vähentää huipputuotannon tarvetta, sekä parantaa ylijäämä- ja ympäristölämmön hyödyntämisen Kausikustannustehokkuutta. Lämmityksessä polttamista ja päästöjä voidaan vähentää erityisesti lämpöpumpuilla, joilla kerätään lämpöä maaperästä, ilmasta, vesisvarastojen töistä sekä teollisuusprosessien, rakennusten, konesalien ja jätevesilaitosten kuten suurten ylijäämälämmöistä. Lämpöpumput kuluttavat sähköä, joka voidaan tuottaa vesivarastojen puhtaasti tuuli-, aurinko-, vesi- ja ydinvoimalla. Lisääntyvän tuuli- ja auja keskisyvien rinkovoiman vaihtelevuutta voidaan edullisesti hallita lämpöpumppujen lämpökaivojen avulla ja lämpövarastojen avulla (Rinne & et al., 2019). Lämpövarastoja on voidaan varastoida kesällä myös edullisempaa rakentaa kuin sähkövarastoja.

tuotettua lämpöä syksyn ja Lämpövarastojen varastointisyklin pituus ja käyttötarkoitukset talven lämmitystarpeisiin. vaihtelevat. Niillä voidaan esimerkiksi tasata lyhytaikaisesti päivittäisiä piikkitehoja tai varastoida lämpöä useita kuukausia.

Kausivarastojen kuten suurten vesivarastojen ja keskisyvien lämpökaivojen avulla voidaan varastoida kesällä tuotettua lämpöä syksyn ja talven lämmitystarpeisiin.

Rakennusten jäähdytyksen ylijäämälämpöä ja aurinkoenergiaa on saatavilla eniten kesäaikaan, jolloin lämmityksen tarve on pienintä.

Sähkövastuksia hyödyntävillä lämpövarastoilla voidaan osallistua sähköverkon taajuussäätöön ja kysyntäjoustoon, mikä parantaa varaston kustannustehokkuutta. Lämmityksen sähköistyessä lämmitys- ja sähkömarkkinat integroituvat toisiinsa enemmän. Uusiutuvan energian lisääminen sähköntuotannossa lisää kulutusjouston ja muiden sähkönsäätöpalveluiden kysyntää.

Lämmön varastoinnilla voidaan vähentää huipputuotantolaitosten ja fossiilisten polttoaineiden käyttöä sekä lisätä joustavuutta energiajärjestelmään. Se myös tekee uusiutuvien energialähteiden ja hukkalämmön hyödyntämisestä helpompaa, kun tarjonnan ollessa suurta, voidaan ylituotantoa siirtää suuren kysynnän tunneille.

Lämpövarastotyyppejä ja -esimerkkejä Vesivarastot Vedessä voidaan varastoida lämpöä matalasta lämpötilasta hyvin korkeaan, jopa yli sataan asteeseen esimerkiksi paineistamalla varastointisäiliö luonnollisesti kalliossa pohjaveden paineen avulla tai pumppuja käyttämällä. Vesi kerrostuu lämpötilan mukaan, jolloin lämpövarastosäiliössä voi olla erilämpöisiä osioita.

Vesi varastoi hyvin lämpöä ja sillä on suhteellisen korkea ominaislämpökapasiteetti. Vesi on edullista, sitä on helppo pumpata ja se toimii hyvin lämmönvaihtimien kanssa. Näistä syistä vettä voidaan käyttää hyvin suurtenkin lämpömäärien varastoimiseen, jos vain varastointitilaa on paljon.

Vaasassa Vaskiluodossa on Suomen ensimmäinen entisiä maanalaisia öljyvarastoja hyödyntävä lämpöenergiavarasto. Sen lataus- ja purkuteho on 100 MW, varastointikapasiteetti 7–9 GWh, veden lämpötila 45–90°C ja tilavuus 210 000 m3. Varaston avulla pystytään vähentämään kivihiilen käyttöä kaukolämmöntuotannossa 30 %, koska sen avulla voidaan hyödyntää voimalaitosten tuotantoa tehokkaammin.

Lämpöenergiavarastoon voidaan säilöä lämpöä muistakin lähteistä, esimerkiksi tuuli- ja aurinkoenergiasta.

(Vaskiluodon Voima Oy, 2020) Vantaan Energia suunnittelee rakentavansa paineistetun maanalaisen kausilämpövaraston. Sen purkuteho on 200 MW, varastointikapasiteetti 90 GWh, veden lämpötila jopa 150°C ja tilavuus 1 000 000 m3.

Kapasiteetti vastaa noin 40 000 asukkaan vuotuista lämmöntarvetta. Varastossa säilötään uusiutuvaa ja ylijäämäenergiaa kesäkaudelta. Avainasemassa on kallioluolien mahdollistama korkeampi paine, jonka avulla vettä voidaan kuumentaa 150-asteiseksi niin, että vesi pysyy silti nestemäisenä. Tämä mahdollistaa suuremman lämpökapasiteetin. Vaikka lämpöä johtuu hukkaan kallioon, pitkällä aikavälillä lämpövaraston käytön kokonaisenergiatehokkuus on 85 %. (Vantaan Energia, 2021a) Valmistuessaan lämpövaraston oletetaan olevan maailman suurin lämmön kausivarasto. (Vantaan Energia, 2021b)

CANEMURE BEST PRACTICES ▼ 9.6.2022

Lämpövarastojen kytkeytyminen kaukolämpöverkkoon

Kaukolämpölaitos

Kylmä kaukolämmön paluu Kuuma kaukolämmön meno

5

4 8

Lämpöpumppu

7 1

3

Lämmönvaihdin

2

1. Kuuman veden luolavarasto, kausivarasto.

4. Pieni mineraalipohjainen lämpövarasto, lyhyen ajan varasto.

6. Keskisyvä porareikä ja lämpövarasto, kausivarasto.

2. Paineistettu kuuman veden luolavarasto, kausivarasto.

5. Keskisuuri mineraalipohjainen lämpö- ja sähkövarasto, lyhyen ja keskipitkän ajan varasto.

7. Matala porareikä, maalämpö.

3. Lämpimän meriveden varasto, kausivarasto.

8. Energiapaalut, maalämpö ja kausivarasto.

Kruunuvuorenrantaan suunnitellaan meriveden luontaista lämpöä hyödyntävä varasto. Sen toiminta vaatii lämpöpumppuja lämpöenergian hyödyntämiseksi, koska meriveden lämpötila on matalampi. Maanalaisista entisistä öljyluolista koostuva varasto täytetään lämpimällä merivedellä kesällä ja siitä tehdään kaukolämpöä lämpöpumpun avulla. Varaston purkuteho on 3 MW, vuosituotanto 6–7 GWh, lämpötila 2–24°C ja tilavuus 300 000 m3. (Helen Oy, 2018)

Mineraalipohjaiset lämpövarastot Hiekkaa ja muita mineraaleja lämmön varastointiin käyttävien teknologioiden etuna on se, että joitain mineraaleja voidaan kuumentaa sähkökiuasta vastaavin tavoin useisiin satoihin asteisiin niiden höyrystymättä. Tähän on myös mahdollista yhdistää sähkön varastointia, jolloin kuuman mineraalin höyrystämä vesi pyörittää turbiinia.

Polar Night Energy Oy on kehittänyt hiekkaan perustuvan lämpövaraston, johon varastoidaan sähköenergiaa lämpönä. Yhtiö rakentaa yhdessä Vatajankoski Oy:n kanssa lämpövaraston Kankaanpään kaukolämpöverkkoon liitettäväksi. Varaston purkuteho on 100 kW, varastointikapasiteetti 8 MWh ja lämpötila 500–600°C. Tarkoituksena on palvelimista talteen otetun 60-asteisen hukkalämmön nostaminen 75–100-asteiseksi ennen kaukolämpöverkkoon syöttämistä. Varastoa on koekäytetty vuonna 2021 ja sen on tarkoitus toimia täysimääräisesti vuoden 2022 aikana. (Vatajankoski Oy, 2021) Saksan Hampurissa on toiminnassa vulkaaniseen kiveen perustuva lämpö- ja sähkövarasto, johon varastoidaan sähköä lämpönä. Sähköllä kuumennettua ilmaa puhalletaan vulkaanisen kiven varastoon, jolloin se kuumenee. Verkon tarvitessa lisää sähköä, kuumennetun kiviaineksen avulla kiehutetaan vettä, jolla pyöritetään höyryturbiinia. Varaston kapasiteetti on 130 MWh, lämpötila 750°C ja massa 1 000 tonnia.

(Siemens Gamesa Renewable Energy, S.A., 2019) Vastaavanlainen lämpövarasto voisi toimia Suomessa sekä sähkö- että lämpövarastona, kun höyryturbiinin lauhdelämpö käytettäisiin hyödyksi lämmityksessä.

6

CANEMURE BEST PRACTICES ▼ 9.6.2022

Lappeenrannan energia Oy on ottanut käyttöön suolaan perustuvan lämpöakun. Akkua varataan sähköenergialla kuumentamalla suolaa, sillä sulaessaan suola sitoo faasimuunnokseen lisää energiaa. Päivittäisessä käytössä sen hyötysuhde on 95–97 %. Lämpöakku sopii kaukolämmön tuotantoon myös teollisuudelle, jossa vaaditaan korkeaa lämpötilaa ja höyryä. Lämpöakun purkuteho on 300 kW ja lämpötila 300°C. Akulla tuotettavan kaukolämmön vuotuinen kokonaismäärä riippuu siitä, kuinka useita edullisen sähköenergian tunteja vuoden aikana on. Lämpöakun tuottama kaukolämpö korvaa maakaasulla tuotettua kaukolämpöä.

(Lappeenrannan energia Oy, 2021) Akun käyttöönoton on tarkoitus tapahtua vuoden 2022 aikana.

Jo kaupunkisuunnittelussa tulee varata alueita hajautetun lämmöntuotannon infrastruktuurille.

Maaperän lämpövarastot Lämpökaivoja porataan maaperään yleisesti lämmöntuotantoa varten, mutta kallioperän ja mineraalimaiden lämpökapasiteettia käytetään hyväksi myös lämmön varastoinnissa. Kallioperän porareikiin voidaan johtaa lämpöä talteen, ja niistä voidaan ottaa lämpöä tarvittaessa. Lämpökaivoja voidaan porata eri syvyyksiin halutuista ominaisuuksista riippuen.

Vantaan Energia Oy rakennuttaa kumppaninsa QHeat:in kanssa keskisyvän lämpökaivon ja geolämpölaitoksen Vantaan Varistoon. Lämpökaivon syvyys on noin kaksi kilometriä. Lämmön saamiseksi kaivoon pumpataan kylmää vettä, jonka maankuori lämmittää 30-asteiseksi. Veden lämpötila korotetaan 80 asteeseen lämpöpumppujen avulla, jolloin vesi soveltuu kaukolämpöverkkoon. Lämpökaivo tuottaa geolämpöä, mutta se toimii myös lämpövarastona. Näin ollen kesäaikaan esimerkiksi jätevoimalasta tuotettua lämpöä on mahdollista varastoida lämpökaivoon ja kallioperään talven varalle. (Vantaan Energia Oy, 2020) Heliostorage Oy on kehittänyt tavan varastoida lämpöä kallioperään. Kallioon porataan useita 35–45 metriä syviä porareikiä, jotka muodostavat sisäkkäisiä kehiä ja lämmönvarastointipiirejä, joissa kiertää joko vesi tai glykoli. Näin alueen keskelle voidaan säilöä kaikista kuumin lämpö ja lämpövaraston reunaan päin mennessä varaston lämpötila laskee. Varaston lämmönlähteeksi yritys tarjoaa vaihtoehtona rakennuksen vesikattoon integroitua aurinkolämpökeräinjärjestelmää, jonka avulla varastoa voidaan ladata kesän aikana. Talvella lämpövarastosta saadaan 30–70 asteista lämpöä. (Heliostorage Oy, 2022) Savimaakerrokseen voi varastoida lämpöä esimerkiksi energiapaaluin. Tämä on usein taloudellisestikin kannattavaa, jos rakennus vaatii paalutuksen joka tapauksessa. Toimintaperiaate on samankaltainen kuin muissa matalan syvyyden kallio- ja maaperää hyödyntävissä ratkaisuissa. (Rakennustietosäätiö RTS, 2020) Kirjoittajat: Teemu Helonheimo, Karoliina Auvinen, Teemu Meriläinen Suomen ympäristökeskus SYKE Lähteet: Helen Oy. (31. 05 2018). Uutta voimaa -blogi, Jättimäisillä luolalämpövarastoilla joustavuutta ja lisää uusiutuvaa energiaa. Noudettu osoitteesta Helen Oy: https://www.helen.fi/helen-oy/vastuullisuus/ajankohtaista/blogi/2018/ j%C3%A4ttim%C3%A4isill%C3%A4-luolal%C3%A4mp%C3%B6varastoillajoustavuutta-ja-lis%C3%A4%C3%A4-uusiutuvaa-energiaa Helen Oy. (21. 12 2021). Helen lopettaa hiilen käytön yli viisi vuotta suunniteltua aiemmin. Noudettu osoitteesta Helen Oy – Ajankohtaista: https://www.helen.fi/uutiset/2021/helen-lopettaa-hiilen-kayton-yli-viisivuotta-suunniteltua-aiemmin Heliostorage Oy. (2022). Our products. Noudettu osoitteesta Heliostorage: https://heliostorage.com/our-products/ Lappeenrannan energia Oy. (23. 06 2021). Uusiutuvaa sähköä käyttävä lämpöakku vähentää CO2-päästöjä. Noudettu osoitteesta Lappeenrannan energia – Ajankohtaista: https://www.lappeenrannanenergia.fi/ajankohtaista/ uusiutuvaa-sahkoa-kayttava-lampoakku-vahentaa-co2-paastoja

Vantaan Energia Oy. (2020). Vantaalla hyödynnetään ilmastoystävällistä geolämpöä jo ensi vuonna. Noudettu osoitteesta Vantaan Energia: https://www.vantaanenergia.fi/lampo/nykylampo/vantaalla-hyodynnetaanilmastoystavallista-geolampoa-jo-ensi-vuonna/ Vaskiluodon Voima Oy. (29. 09 2020). Tulevaisuuden lämpövarasto otettiin käyttöön Vaasassa. Noudettu osoitteesta Vaskiluodon Voima Oy – Ajankohtaista: https://www.vv.fi/2020/09/29/tulevaisuudenlampoenergiavarasto-otettiin-kayttoon-vaasassa/ Vatajankoski Oy. (20. 05 2021). Iso askel kohti hiilineutraalia kaukolämpöä.

Noudettu osoitteesta Vatajankoski – Ajankohtaista: https://www.vatajankoski.fi/maailman-ensimmainen-kaupallinen-hiekkaanperustuva-lampovarasto-rakennetaan-suomeen/

Kannen kuva: Adobe Stock Layout: Satu Turtiainen, SYKE & Marja Vierimaa Helsinki 06/2022 ISBN 978-952-11-5490-4 (PDF) ISBN 978-952-11-5491-1 (print)

Rakennustietosäätiö RTS. (2020). RT 103137 Lämpöenergian kausivarastointi.

Rinne, S.;& et al. (2019). Clean district heating – how can it work? Aalto University publication series BUSINESS + ECONOMY, 3/2019. Noudettu osoitteesta https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/40756

Suomen ympäristökeskus | syke.fi |

Siemens Gamesa Renewable Energy, S.A. (12. 06 2019). World first: Siemens Gamesa begins operation of its innovative electrothermal energy storage system.

Noudettu osoitteesta Siemens Gamesa – Newsroom: https://www.siemensgamesa.com/en-int/newsroom/2019/06/190612siemens-gamesa-inauguration-energy-system-thermal Vantaan Energia. (2021a). Lämmön kausivarasto. Noudettu osoitteesta Vantaan Energia: https://www.vantaanenergia.fi/fossiiliton-2026/lammonkausivarasto/ Vantaan Energia. (2021b). Maailman suurin lämmön kausivarasto Vantaalle.

Noudettu osoitteesta Vantaan Energia: https://www.vantaanenergia.fi/ fossiiliton-2026/maailman-suurin-lammon-kausivarasto-vantaalle/

LIFE17 IPC/FI/000002 LIFE-IP CANEMURE-FINLAND Tämän best practices -julkaisun tuottamiseen on saatu rahoitusta Euroopan unionin LIFE-ohjelmasta. Tämän best practices -julkaisun sisältö edustaa ainoastaan CANEMURE -projektin näkemyksiä ja CINEA / Komissio ei ole vastuussa best practices -julkaisun sisältämän informaation mahdollisesta käytöstä.