Aurinkolämmön varastointi Östersundomissa - selvitystyön alustavia tuloksia

Transkriptio

1 Aurinkolämmön varastointi Östersundomissa - selvitystyön alustavia tuloksia AurinkoATLAS.seminaari Juha Esterinen, Mikko Ojala Aurinkolämmön varastointi Östersundomissa selvitystyö toteutetaan Innovatiivisuutta Julkisiin Investointeihin hankkeessa jota toteuttaa Lahden Seudun Kehitys LADEC OY ja rahoittaa Euroopan aluekehitysrahasto, Helsingin kaupunki, Helsingin Energia, Granlund Oy, SATO-Rakennuttajat Oy, Tengbom Eriksson Arkkitehdit Oy, Termo Panels Oy, UTU Oy.

2 Taustaa, kohteen sijainti Helsingin Energia ja Helsingin kaupunkisuunnitteluvirasto selvittävät aurinkolämmön varastointimahdollisuutta Östersundomin kaavassa rakennettavaksi merkityillä alueilla, jotka paksun savipatjan takia vaativat joko maa-aineksen stabilointia tai paalutusta/paalulaatan käyttöä. Tarkastelun kohteena on 23,7 ha kokoinen kostea savikko, jossa savipatjan paksuus on yli 20 metriä. AurinkoATLAS

3 1. Aiemmat tutkimusaihetta sivuavat tutkimukset ja hankkeet: Laboratorio- ja demonstraatiotutkimukset savimaan käytöstä lämpövarastona Thermal Energy Storage in Soils at Temperatures Reaching 90 C Gabrielsson, U. Bergdahl and L. Moritz ,Swedish Geotechnical Institute SE Linko ping, Sweden A. Journal of Solar Energy Engineering Volume 122 Issue 1 TECHNICAL PAPERS ) 8 Seasonal storage of thermal energy in the ground with vertical ducts in the temperature range between 40 and 80 C Seiwald, H, Berberich, H, Kybler, R, Hahne, 1995 Swedish Geotechnical Institute SE Linko ping, Kanadassa on toteutettu Drake Landing:in koe-rakentamiskohde. Aihetta sivuavia menetelmiä: Pohjasedimentteihin varastoituneen lämmön hyödyntäminen - Mateve Oy, Vaasan asuntomessualue - Fortum, Nokia Pitkäniemen alue - Uponor TIL-GHEX ( 100 W/m ) (Multi-source Energy Storage System Integrated in Buildings) Ruukin Energiapaalu, Technopolis Jyväskylä, Innova II (10 W/m ) Näihin tutkimuksiin perustuen on lähdetty selvittämään mahdollisuutta laajamittaisesti varastoida vähintään 70 C lämpötilaista aurinkokaukolämpöä savimaaperään. AurinkoATLAS

4 Lyötävät RR-paalut ja porattavat RD-paalut lämpöpaaluvarustuksella (maalämpö /jäähdytys) Lyötyihin tai porattuihin teräsputkipaaluihin asennetaan lämmönsiirtoputkisto (PE-Xa 25x2,3) U-putkena kuten porattuun lämpökaivoon, minkä jälkeen välitila täytetään betonilla Suositeltava energiapaalujen pituus on yli 15m Suositeltava asennusväli maalämpölämpöpumppukohteissa on yli 5m Korkealämpötilaisissa sovelluksissa U-putken lämpövuoto on haitallisen suuri Esim 170/10 paalulla ja PE-Xa 25x2,3 keräinputkella sijoitettuna betonitäytettyyn teräspaaluun saavutetaan n. 10W/m, kun lämpötilaero maahan nähden on 4C, Ruukki AurinkoATLAS

5 Energiapaalujen rakenne ja mitat: aurinkolämmön varastointi (latauslämpötila 95 C) Taulukko 1 - Mallien parametrit Putken halkaisija [mm] Tilavuusvirtaus [m³/h] Virtausnopeus [m/s] U-putki U-putki, 1,5*q U-putki, 0,5*q U-putki 40 mm W-putki W-putki, 0,5xq Crosswise ,324 0,486 0,162 0, ,324 0,162 0,324 0, , , , , , , U-putki, paalussa 1 tai 2 u-putkea, W-putki: putki kiertää paalussa 2 kertaa edestakaisin AurinkoATLAS

6 Lämpötila [ C] Inlet- ja outlet-putken lämpötilat 4 lataus- ja purkaus-syklin aikana Aika [d] U-putki, 0,342 m³/h U-putki, 1,5*0,342 m³/h U-putki, 0,5*0,342 m³/h W-putki, 0,342 m³/h W-putki, 0,5x0,342 m³/h Inlet U-putki 40 mm, 0,8294 m³/h Kuva 3 - Inlet- ja outletputken lämpötila neljän syklin aikana eri malleille Crosswise AurinkoATLAS

7 Tehokkuuden tarkastelu paalun täytemateriaalin ja saven lämmönjohtavuuden (vesipitoisuuden) ym. ominaisuuksien muuttuessa Savipatjan lämmönjohtavuudella on suuri merkitys lämmönvarastoinnin tehokkuudelle ja edelleen taloudellisuudelle. Luonnonsavikon lämmönjohtavuutta tulisi parantaa maaaineksen stabiloinnin yhteydessä käyttämällä stabilointi- (kalkin) lisäksi lämmönjohtavuutta parantavia materiaaleja Taulukko 1 - Saven ja täytemateriaalin parametrit Saven lämmönjohtavuus [W/mK] Normaali tilanne Parempi betoni Parempi savi Parempi savi ja betoni 1,1 1,1 2,5 2,5 Saven tiheys [kg/m³] 1,8 1,8 2 2 Saven lämpökapasiteetti [J/kgK] Täytemateriaalin lämmönjohtavuus [W/mK] Täytemateriaalin tiheys [kg/m³] Täytemateriaalin lämpökapasiteetti [J/kgK] 1,8 4,5 1,8 4, AurinkoATLAS

8 Lämpötila [ C] 100 Latauksen ja purkauksen lämpötilat neljän vuoden simulointijaksolla Normaalitilanne Inlet Parempi betoni Parempi savi Parempi savi ja betoni Aika [d] Kuva 4 - Saven ja täytemateriaalin ominaisuuksien vaikutus poiston lämpötilaan neljän vuoden aikana AurinkoATLAS

9 Energiapaalun lataus- ja purkukapasiteetti MWh Lämpömäärä [J] Lämpömäärä [MWh] Sykli 10-5,72946 E+10-15,915 Lataus -1,06105E+11-29,473 Purku 4,88109E+10 13,559 Tehokkuus [%] 46,0 46,0 Teho [W] 3104,1 Teho/paalumetri [W/m] 132,7 Lämmönsiirto savessa on suhteellisen heikkoa ja lämmönsiirtoteho /paalumetri on alhainen alue/kaukolämpökäyttöä ajatellen Yksittäisen energiapaalun lämpöhäviö on suuri, mutta maaperän lämpöolosuhteiden tasaantuminen usean vuoden lämpövarastokäytössä alentaa häviötä. Selvitystyötä tulisi jatkaa suuremmalla simulointimallilla, jotta laajamittaisemman varastoinnin lämpöhäviöt voidaan mallintaa - AurinkoATLAS

10 Energiapaaluvaraston vaikutukset maan pinnalla Muutokset maan pintalämpötilassa on vähäisiä Lämpövaraston reunan tulisi sijaita vähintään 50 m päässä kohteista, jossa muutokset maaperän ominaisuuksissa voivat aiheuttaa ongelmia. Maan painuma lämpövaraston alueella on 0,7 m, tasaantuen n. 50m matkalla Lämpövaraston reuna-alueen tulisi sijaita kohdissa, joissa korkoaseman muutokset on edullisinta hallita. AurinkoATLAS

11 Aurinkokeräinten ja kaukolämpöjärjestelmän lämpöakkukytkennät AURINKOKERÄIMET TIC TIC 83 C 80 C TIC 55 C FIQ TI PDC f1 f2 M M 58 C LÄMPÖ- KESKUS / CHP M KL- VERKKO M M KL- AKKU (teräs) TIC TIC TIC TIC 80 C M KL- AKKU (maaperä) ENERGIAPAALUT Maalämpövaraston liittäminen sekä aurinkolämmön keruupiiriin, että kaukolämpöverkkoon tulee toteuttaa lämmönsiirtimen välityksellä, jotta maapiirissä voidaan käyttää pelkkää vettä ja vältetään mahdollisten maapiirin vuotojen ympäristöhaitat kaukolämpöpiirin happidiffuusiohaitat liittyvän lämpövaraston AurinkoATLAS

12 Teräspaalutuksen energiavarustelun kustannukset Teräsputkipaalu RR 170/10 on maahan lyötynä n. 2 kertaa kalliimpi kuin teräsbetonipaalu TB300b. Paalumetrille kustannuseroa tulee n. 50 /m eli em. 20m paalupituudella energiapaalun hintalisä on 1000 /paalu. Energiapaalun kustannus vastaa perinteisen teräspaalutuksen kustannusta lisättynä paaluhatun muutoskustannuksella (~10 /kpl ) ja lämpöputkituksella (20m paalu: 80m Pe-Xa 25x2,3 putkea ~ 200 ). -> 20m paalupituudella hintalisä on 210 / paalu Jakokaivo (1 kaivo, a paalulle) + liitosputkitus ->n / paalu Muut kustannukset: - (lataus/purkutehoa optimoitaessa mahdollinen teräspaalun erikoislaadun täytebetoni nostaa kustannusta) - Epäsuora kaukolämpö- ja aurinkopiirien kytkentä lämmönsiirtimien kautta (max lataus/purkutehosta riippuva) AurinkoATLAS

13 Energiapaalutuksen toteutus ENERGIAPAALU CALPEX DUO C 2500 JAKOKAIVO CALPEX DUO KL- AKKU (maaperä) LÄMMÖNSIIRRINASEMA ENERGIAPAALUT AurinkoATLAS

14 Energiapaalutus < > teräsrakenteinen lämpöakku Alustavissa simuloinneissa saatua 6 MWh lämmönluovutusta kohti laskettu lisäinvestointi on MWh energiapaaluvarastolle ( paalua) n / MWh Teräsrakenteisien kaukolämpövesiakkujen (95/55 C) investointi on /MWh Energiapaalutuksella saatava lataus/purkusyklien tiheys on heikommasta lämmönsiirtotehosta (~1%) johtuen huomattavasti alempi kuin teräsakuilla. Teräsakuilla voidaan ajaa tarvittaessa useita edestakaisia syklejä vuorokaudessa, kun energiapaaluvaraston käyttökelpoinen lataus/ purkusykli on useita vuorokausia. -> Enegiapaaluvarasto soveltunee parhaiten pitkäaikaisvarastointiin (pääosa kapasiteetista) AurinkoATLAS

15 YHTEYSTIEDOT: Juha Esterinen Projektipäällikkö Kaukolämpö ja kaukokylmä Pöyry Finland Oy, Energia AurinkoATLAS

16 Vastuuvapauslauseke / Disclaimer Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Finland Oy:n antamaa kirjallista lupaa. Pöyry Finland Oy pidättää kaikki oikeudet tähän raporttiin. Tämä raportti on laadittu yksinomaan Oulun kaupungin ja Oulun Energian käyttöön. Raportti on laadittu noudattaen Pöyry Finland Oy:n ja Oulun Energian välisen sopimuksen ehtoja. Pöyry Finland Oy:n tähän raporttiin liittyvä tai siihen perustuva vastuu määräytyy yksinomaan kyseisten sopimusehtojen mukaisesti. Raportin sisältämät tulkinnat ja johtopäätökset perustuvat osittain Pöyry Finland Oy:n kolmansilta osapuolilta tai ulkopuolisista lähteistä saamiin tietoihin. Pöyry Finland Oy ei ole tarkistanut minkään kolmansilta osapuolilta tai ulkopuolisista lähteistä saadun ja raportin laatimiseen käytetyn tiedon oikeellisuutta tai täydellisyyttä, koska se ei ole kuulunut Pöyry Finland Oy:n toimeksiannon laajuuteen. Raportin mahdollisesti sisältämiä neuvoja, mielipiteitä, olettamuksia, ennusteita tai suosituksia ei voida pitää tulevaisuuden tapahtumiin tai olosuhteisiin liittyvinä sitoumuksina. Pöyry Finland Oy ei vastaa kolmannelle osapuolelle tämän raportin käyttämisen tai siihen luottamisen perusteella aiheutuneesta haitasta taikka kolmannelle osapuolelle raportin käyttämisen tai siihen luottamisen johdosta aiheutuneesta välittömästä tai välillisestä vahingosta. AurinkoATLAS