Aurinkolämmön maaperävarastointi MIKKO OJALA

Transkriptio

1 Aurinkolämmön maaperävarastointi MIKKO OJALA

2 Sisältö 1. Lämmönvarastointi 2. Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusmenetelmät 3. Mallinnustulokset 4. Varastoinnin ympäristövaikutukset 5. Johtopäätökset ja suositukset

3 1. Lämmönvarastointi Lämmönvarastoinnissa tuotettua lämpöenergiaa varastoidaan lämpövarastossa, josta se puretaan tarvittaessa. Lämmönvarastointi erityisen tärkeää aurinkolämpöä tuotettaessa Suomen leveysasteilla suurin osa aurinkoenergiasta saatavilla kesällä, kun taas energiantarve on suurinta talvella Lämpövarasto voi olla vapaan energian varasto, latenttilämpövarasto tai kemiallinen lämpövarasto. Vapaata lämpöä säilötään veteen, kivikerroksiin sekä maa- ja kallioperään. Varastotyyppejä ovat mm. energiapaalut, energiakaivot, akviferivarastot ja terässäiliöt.

4 2. Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusmenetelmät Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia korkealämpöisen (70 C) kausivarastoinnin mahdollisuuksia Östersundomissa sekä selvittää varastoinnin vaikutukset ympäristöön, biodiversiteettiin ja rakennettavuuteen. Tutkimuksessa keskityttiin energiapaaluvarastoon savimaassa. Energiapaaluvaraston rakentaminen ei aiheuta ylimääräisiä porauskustannuksia maassa, joka vaatii muutenkin paalutuksen. Tutkimus suoritettiin mallintamalla energiapaaluvarasto Östersundomin olosuhteissa. Mallinnuksessa käytettiin COMSOL Multiphysics ohjelmaa, jolla luotiin useita 3D malleja energiapaaluista Östersundomin savialueella.

5 Mallinnuksella pyrittiin selvittämään seuraavat energiapaaluvarastointia koskevat asiat: Energiapaalun ideaalinen konfiguraatio Ympäröivän saven ja paalun täytemateriaalin vaikutus Energiapaalun toiminta 10 vuoden jälkeen Energiapaalun toiminta kaukolämpöverkossa Useiden paalujen yhteisvaikutus ja paaluvälin vaikutus varastointiin Lämpövaraston ympäristövaikutukset

6 3. Mallinnustulokset Mallinnuksen tuloksista voidaan päätellä seuraavaa: Tehokkain putkikonfiguraatio oli W-putki, jonka tilavuusvirtaus oli 0,342 m³/h. Energiapaaluvaraston toiminta paranee ensimmäisestä syklistä, vakiintunut toiminta saavutetaan noin 3 5 vuoden kuluessa. Energiapaaluvarastossa saven lämmönjohtavuudella on suuri merkitys; paalun täytemateriaalin lämmönjohtavuuden vaikutus on pienempi. Yksittäinen energiapaalu kaukolämpöverkossa (55/80 C) ei riittänyt nostamaan saven lämpötilaa riittävästi.

7 Teho [W] Yhdeksän paalun malleja ajettiin kaukolämpöverkon lämpötiloilla (80/55 C) kuuden vuoden ajan Mallien paaluvälit olivat 2,5 m ja 5 m. Keskimmäisen paalun lämpömäärä, tehokkuus ja teho: Paaluväli 5,0 m 2,5 m Lämpömäärä [MWh] 0,77 1,51 Tehokkuus [%] 9,79 33,40 Teho [W] 177,40 345,58 Teho/paalumetri [W/m] 7,58 14,77 Hehtaaria kohden varastoista saataisiin 310 ja 2415 MWh ,5 6 Aika [y]

8 Yhdeksän paalun mallinnusten tulosten pohjalta laadittiin alustava kustannusarvio energiapaaluvarastosta, jota vertailtiin terässäiliövaraston kustannuksiin. Energiapaalutuksen kustannuslisä verrattuna normaaliin alueen paalutukseen koostuu teräsputkipaalujen kustannuslisästä, lämpöputkituksen hinnasta, jakokaivoista ja kaukolämpö- ja aurinkopiirien kytkennästä. Yhteensä kustannuslisä on noin 2000 /paalu. Terässäiliövarastoon verrattuna energiapaaluvarastojen purkuteho on alhaista lämmönsiirron hitauden johdosta.

9 Lämpötila [ C] Mallinnuksissa 2,5 ja 5 m paaluvälien varastojen keskilämpötilat olivat noin 65 C kuudennen syklin aikana. 0,1 C lämpöhäiriö ulottui kymmenessä vuodessa noin 50 m päähän varaston reunasta. Varaston pinnalla saven lämpötila selvästi korkeampi vain paalujen välittömässä läheisyydessä ,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Etäisyys paalusta [m]

10 4. Varastoinnin ympäristövaikutukset Ruotsalaisen SGI:n tutkimuksissa korkealämpötilaisen varastoinnin merkittävin vaikutus oli saven painuminen. Saven painuminen johtuu huoksoylipaineen muodostumisesta ja purkautumisesta sekä virumisvaikutuksista. Varastoinnin vaikutukset saven leikkauslujuuteen ja vesipitoisuuteen olivat testeissä pieniä. ELY-keskuksen mukaan korkealämpöistä energiapaaluvarastoa koskevaa säännöstöä voidaan verrata energiakaivoon. Alueen pohjaveden käyttäytyminen ja haitta-aineiden esiintyminen tulee selvittää ennen varastoinnin aloittamista. Vaikutukset biodiversiteettiin ovat vaikeita ennustaa ja vaihtelevat lajikohtaisesti ja jopa lajin sisällä.

11 5. Johtopäätökset ja suositukset Energiapaaluvarastolla on mahdollista päästä toivottuun 70 C lämpötilaluokkaan, ja sen avulla saadaan lämpöä kaukolämpöverkkoon. Varasto on kannattavampi lyhyemmällä paaluvälillä. Varaston toiminta tulee varmentaa laajemmalla mallilla ja kenttäkokeilla. Varaston toiminnan kannalta suurempi lämpötilaero olisi kannattavaa. Varaston tulisi sijaita vähintään 50 m päässä alueen Natura 2000 kohteista. Päällerakennettavuuden osalta ei ole ilmeisiä ongelmia, painumista tulee hallita paalutetun alueen reunalla. Alueella tulee tehdä kattava geologinen tutkimus, jossa selvitetään maaperän ominaisuudet ja pohjaveden liike.

12 Kiitos mielenkiinnosta! Mikko Ojala Kiitokset Juha Esteriselle ja Marko Lehmikankaalle Pöyry Finland Oy:stä.