1 16X170289 24.1.2014 Aurinkolämmön varastointi Östersundomissa
2 Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Finland Oy:n antamaa kirjallista lupaa.
Yhteystiedot: 1 Pöyry Finland Oy PL 4 (Jaakonkatu 3) 01321 Vantaa Kotipaikka Vantaa, Finland Y-tunnus 0625905-6 Tel. +358 10 3311 Fax +358 10 33 21818 www.poyry.com Pöyry Finland Oy Tekijät: Juha Esterinen Projektipäällikkö Pöyry Finland Oy, Energia PL 4 (Jaakonkatu 3) 01321 Vantaa, Finland Tel +358 10 33 11, +358 10 33 24414, Fax. +358 10 33 24981 juha.esterinen@poyry.com Mikko Ojala Projekti-insinööri, TkK Ympäristötekniikka pohjoinen Pöyry Finland Oy PL 20, Tutkijantie 2 A 90590 Oulu puh. +358 40 5746786 E-mail: mikko.ojala@student.oulu.fi Marko Lehmikangas Väylä- ja infrasuunnittelu Konsultti Ympäristötekniikka pohjoinen Pöyry Finland Oy PL 20, Tutkijantie 2 A 90590 Oulu puh. 010 33 28245 marko.lehmikangas@poyry.com
Sisältö 1 1 TAUSTA JA SELVITYKSEN TAVOITE... 3 2 LÄMPÖENERGIAN VARASTOINTI... 3 2.1 Yleistä... 3 2.2 Lämpöenergian varastointi maahan... 4 2.2.1 Porakaivovarasto... 4 2.2.2 Energiapaaluvarasto... 5 2.2.3 Lämmönvarastointi vaakaputkistoon... 6 2.3 Lämpöenergian varastoiminen veteen... 6 2.3.1 Terässäiliövarasto... 6 2.3.2 Louhittu kallioluola... 6 2.3.3 Akviferivarasto... 7 3 KOHDEALUE... 7 4 TUTKIMUSMENETELMÄT... 7 4.1 Lähtötiedot... 7 4.2 Mallinnusohjelma... 9 4.3 Mallinnuksen reunaehdot... 9 4.4 Mallinnusparametrit... 10 4.5 Mallinnustapaukset... 11 5 MALLINNUKSET... 11 5.1 Putkikonfiguraatiot... 11 5.2 Saven ja paalun täytemateriaalin ominaisuuksien vaikutus... 13 5.3 Teoreettisen maksimitilanteen kymmenen syklin mallinnus... 15 5.3.1 Saatava lämpömäärä... 15 5.3.2 Lämpötilajakauma savessa... 16 5.4 Energiapaaluvaraston mallintaminen osana kaukolämpöverkkoa... 17 5.4.1 Kytkentä kaukolämpöverkkoon... 17 5.4.2 Yksittäinen energiapaalu kaukolämpökytkennällä... 18 5.4.3 Yhdeksän energiapaalun yhteisvaikutus kaukolämpöverkkokytkennällä... 19 6 LÄMMÖN VARASTOINNIN VAIKUTUKSET... 27 6.1 Lämpötilan vaikutukset varastointiin ja maaperän ominaisuuksiin... 27 6.1.1 Kenttä- ja laboratoriokokeet 70 C lämpövarastosta pehmeässä savimaassa... 27 6.1.2 Saven ominaisuuksien muutos Östersundomin tapauksessa... 28 6.2 Varastoinnin vaikutus biodiversiteettiin ja maankäyttöön... 30 7 LÄMMÖN VARASTOINNIN INVESTOINTIKUSTANNUKSET... 32 7.1 Energiapaalutuksen kustannukset... 32 7.2 Terässäiliövaraston kustannukset... 33 7.3 Kustannusvertailu... 34 8 JOHTOPÄÄTÖKSET JA SUOSITUKSET... 37
Liitteet 2 Liite 1 Hanke-esittely ja ohjausryhmän kokoonpano
3 1 TAUSTA JA SELVITYKSEN TAVOITE Tämä hanke on osa Lahden Seudun Kehitys LADEC Oy:n koordinoimaa EU:n Clear17 hankketta (Cleantech ja ERA17 julkisissa innovatiivisissa hankinnoissa, Innovatiivisuutta julkisiin investointeihin, projektikoodi: A32168). Hankkeen ohjausryhmässä ovat vaikuttaneet: Jouni Kivirinne Helsingin Energiasta, Ari Karjalainen Helsingin kaupungilta sekä Pekka Leivo Helsingin kaupunkisuunnitteluvirastosta. Työn koordinaattorina on toiminut Mervi Suni Ladec Oy:stä ja työn pääasiallisina tekijöinä Mikko Ojala, Juha Esterinen ja Marko Lehmikangas Pöyry Finland Oy:stä. Työssä keskitytään aurinkolämmön varastoimismahdollisuuksien selvittämiseen Östersundomin alueella. Östersundomin alueelle tehtävässä yleiskaavassa ja kaavamääräyksissä on tarkoitus huomioida aurinkoenergian hyödyntäminen alueella. Ensisijaisesti työssä keskitytään lämmön kausivarastointiin savimaaperään. Tavoitteena on selvittää, onko aurinkoenergian varastointi savimaaperään ja lämmön hyödyntäminen kaukolämpöverkossa mahdollista sekä selvittää miten lämpötila vaikuttaa varastointiin ja maaperän ominaisuuksiin, biodiversiteettiin ja maankäyttöön. Lämmön varastointimahdollisuuksia on selvitetty mallintamalla lämpöpaalurakenteella. 2 LÄMPÖENERGIAN VARASTOINTI 2.1 Yleistä Lämpöenergian varastointi on tärkeää aurinkoenergiapotentiaalin kannattavan valjastamisen toteuttamiseksi Östersundomin oloissa, kun auringosta saadaan energiaa lähinnä kesäkuukausina ja lämmitystarve on suurin talvella. Maksimihyödyn saavuttamiseksi alueella tulee keskittyä löytämään sopivin lämmönvarastointitekniikka aurinkolämmölle vuodenaikojen välille. Erilaisia tekniikoita lämpöenergian varastoinnista on tutkittu paljon viime vuosikymmenien aikana. Eniten käyttökokemusta energian varastoinnista ja maalämmön hyödyntämisestä on porakaivoista kalliomaissa, joihin on varastoitu hukkalämpöä voimalaitoksista tai jäähdytyksessä syntyvää hukkalämpöä. Yleensä varastot ovat toimineet yhdessä lämpöpumppujen kanssa, jolloin varaston lämpötilaero varaston ja lämmitettävän tilan välillä ei tarvitse olla merkittävän iso. Östersundomin tapauksessa alueelle on kaavailtu aurinkoenergian säilömistä korkealämpötilaiseen varastoon, jonka lämpötila on 70 celsiusastetta. Tällöin energiavaraston hyödyntäminen ei tarvitse erillisiä lämpöpumppuja, vaan lämpöä voidaan käyttää suoraan tilalämmitykseen ja käyttövetenä. Korkealämpöisten varastojen rakentamisen esteenä ovat yleisesti olleet huolet maaperän muutoksista, mutta tutkimusten valossa lämmön varastointi maahan on kannattavaa korkeammissakin lämpötiloissa. (Gabrielsson, et al., 1997) Aurinkolämpövarastot voidaan jakaa kolmeen kategoriaan varastointimekanismin perusteella. Vapaan lämmön varastoissa aurinkoenergia muutetaan vapaaksi lämmöksi valittuun materiaaliin ja varastoitu lämpö otetaan varastosta silloin, kun sitä tarvitaan. Latenttilämpövarastoissa aurinkoenergia säilötään lähes isotermisesti faasimuutosmateriaaleihin. Latenttilämpövarastoissa saavutetaan korkeampi
energiatiheys kuin vapaan lämmön varastoissa. Kemiallisessa lämmön varastoinnissa lämpö siirretään varastoon kemiallisten reaktioiden ja sorption välityksellä. Latenttilämpövarastointi ja kemiallinen lämmön varastointi ovat suhteellisen uusia tutkimuskohteita, joten tässä selvityksessä keskitytään vapaan lämmön varastointiin. Vapaan lämmön varastot voidaan jakaa veteen perustuviin varastoihin, kivikerrosvarastoihin sekä kallio- ja maaperävarastoihin. (Xu, et al., 2013) Östersundomin tapauksessa potentiaalisin lämmönvarastointikohde on alueen paksut savikerrostumat. 4 2.2 Lämpöenergian varastointi maahan Varastoitaessa lämpöä maahan maa lämmitetään latausvaiheessa ja viilennetään purkuvaiheessa. Lämmön varastointi maahan tapahtuu yleensä porarei illä tai putkistoilla, jotka voidaan sijoittaa pystysuoraan, vaakasuoraan tai tiettyyn kulmaan. Yleisesti lämpöä varastoidaan joko peruskallioon tai maakerrokseen. (Nordell & Söderlund, 2000) Maan lämmönvastuksen johdosta maahan varastointi sopii lähinnä kausivarastointiin. Lyhytaikaisen varastoinnin toteuttamiseen tulee varastossa olla lisäksi esimerkiksi terässäiliö, joka toimii lisäksi puskurivarastona. Lisäksi lämpöenergian varastointi maahan vaatii suuren tilavuuden, sillä maan lämpökapasiteetti on huomattavasti pienempi kuin veden. Varastointimateriaalina maa on kuitenkin ilmaista ja sitä on paljon saatavilla, joka tekee maavarastoista houkuttelevan vaihtoehdon isoihin lämpövarastoihin. (Xu, et al., 2013) Maahan varastoinnilla on kuitenkin myös negatiivisia puolia. Lämmön varastoinnilla maahan on korkeat investointikustannukset. Vaikka maa on ilmaista, sen kaivaminen ja poraaminen on kallista. (Xu, et al., 2013) Esimerkkitapauksessa Neckarsulmissa lämmönvaihtimien materiaalit ja porakaivojen poraus yhdessä ylimääräisten maansiirtojen kanssa (kaivaminen ja täyttö) vastasivat 69 % koko varaston hintaarviosta. (Schmidt, et al., 2003) Lisäksi korkeiden lämpötilojen varastot maassa vaativat pitkän ajan päästäkseen tyypilliseen tehokkuuteen, jossa maa saavuttaa halutun varastointilämpötilan. Lämmönsiirto maassa on paljon hitaampaa kuin vedessä, joten tyypillisen tehokkuuden saavuttamiseen voi mennä 3 5 vuotta. (Lundh & Dalenbäck, 2008) Lisäksi maanalaisen veden ja vesihöyryn mekanismit ovat monimutkaisia. Lämmönvarastoinnissa maahan tuleekin ottaa huomioon pohjaveden liike ja lämmönsiirtymiseen liittyvät maan ominaisuudet. Lämmön varastointi maahan vaatiikin tarkat geotekniset tutkimukset, joissa selvitetään maan ominaisuudet sekä pohjaveden liike. Pohjaveden liike savessa on usein hyvin hidasta, joten se on usein sopiva varastointimateriaali. Karkeammassa materiaalissa, kuten hiekassa pohjavesivirtaus kiihtyy, joka voi viedä varastoitavan lämmön pois varastosta, jolloin tehokkuus laskee. Kalliossa veden virtausta on vaikea arvioida, koska vesi liikkuu pääasiassa kiven murtumissa ja aukoissa. Van Meursin (1986) laskujen mukaan lämpövarastoon tulee asentaa hydrauliset seinämät, jos pohjaveden nopeus ylittää 0,05 metriä vuorokaudessa. (van Meurs, 1986) 2.2.1 Porakaivovarasto Porakaivovarastoja (Borehole Thermal Energy Storage, BTES) käytetään lämmönvarastointiin yleisesti kalliomaalla sekä maakerroksissa. Porakaivojen syvyys peruskalliovarastoissa on yleensä noin 100 150 m. Maakerroksessa porakaivojen
syvyys riippuu pitkälti maakerroksen syvyydestä. Porakaivovarastot voivat olla suljettuja tai avoimia. Suljetuissa porakaivoissa lämmönsiirtoneste kiertää suljetussa piirissä (Ground Heat Exchanger - GHX), jossa lämpö siirtyy maahan putken seinämän kautta. Avoimissa porakaivovarastoissa kiertävä vesi on suorassa kosketuksessa porakaivon seinämiin. Avoimen porakaivovaraston lämmönsiirron tehokkuus on parempi kuin suljetun, mutta niissä voi syntyä kemiallisia ongelmia, kun veteen liukenee metalleja ja kiintoaineita maasta. (Nordell & Söderlund, 2000) Maakerroksessa käytetään lähes aina suljettua porakaivovarastoa. Porakaivovarasto saveen tehdään yleisesti painamalla. Maahan poraaminen on noin 5 10 kertaa kalliimpaa kuin kallioon poraaminen. Lisäksi porakaivojen etäisyys maakerroksessa tulee olla pienempi kuin kalliossa, koska maakerroksen lämmönjohtavuus on yleisesti pienempi kuin kalliolla. Kalliossa yleinen kaivoväli on noin 4 metriä, maakerroksessa noin 2 m. Toisaalta maaperän lämpökapasiteetti on korkeampi kuin kallion. Maakerroksen ominaisuudet riippuvat huomattavasti huokoisuudesta ja vesipitoisuudesta. (Nordell & Söderlund, 2000) 5 2.2.2 Energiapaaluvarasto Energiapaaluissa yhdistyy rakennuksen perustus ja maalämmön käyttö lämmityksessä. Energiapaaluja suunniteltaessa on otettava huomioon, että paalun kanto-ominaisuudet eivät saa huonontua energian talteenotosta. Energiapaalut soveltuvat sellaisiin kohteisiin, jotka vaatisivat muutenkin paalutusta, jolloin energiapaaluista saatava hyöty voidaan ottaa huomioon esirakentamisessa, vähentäen investointikustannuksia. Energiapaaluja voidaan käyttää kaikissa syvissä perustuksissa. Energiapaalujen päälle rakennettava infrastruktuuri määrää yleensä paalujen määrän ja paaluvälin; energian talteenoton kannalta mitoitettavat perustukset ovat yleensä kalliita. (Rautaruukki oyj, 2011) Energiapaalu koostuu kantavasta paalusta ja sen sisään rakennetusta lämmönvaihdinputkijärjestelmästä. Energiapaalut voidaan jakaa asennustyypin mukaan elementtipaaluihin ja kaivinpaaluihin. Elementtipaalut ovat valmiiksi rakennettuja paaluja, jotka asennetaan maahan sellaisinaan. Elementtipaaluja ovat esimerkiksi massiiviset betonipaalut sekä teräspaalut. Kaivinpaalut asennetaan paalutuspaikalla täyttämällä sylinterinmuotoinen aukko betonilla. Energiapaalut voidaan jakaa myös asentamistavan perusteella lyöntipaaluihin ja porapaaluihin. Lyöntipaalut asennetaan maahan lyömällä tai painamalla staattisen paineen avulla. Porapaalu asennetaan porattuun reikään. (Uponor, 2012) Energiapaalun sisälle tuleville lämmönvaihtimille on myös useita mahdollisia konfiguraatioita. Yksinkertaisimmillaan paalun sisälle sijoitetaan yksi U-putki, joka toimii lämmönvaihtimena. Isompiin paaluihin voidaan sijoittaa useampia putkia joko rinnakkain tai ristiin, kuten crosswise-konfiguraatiossa. W-putkea, jossa putki kiertää ylimääräisen lenkin paalun sisällä, on tutkimuksissa pidetty varteenotettavana vaihtoehtona energiapaaluun. (Gao, et al., 2008) Lämmönvaihdinputket ovat yleisesti HDPE-muovia. Isommissa lämpötilaluokissa liikuttaessa putkistojen tulee olla PE-Xmuovia, joka kestää korkeampia lämpötiloja paremmin. (Uponor, 2012) Energiapaaluja on käytetty kattamaan peruslämmitystä ja viilennystä lämpöpumppuun kytkettynä. Viilennysaikana syntynyt hukkalämpö johdetaan takaisin maahan, jotta maaperän lämpöprofiili ei muutu laskien lämmitystehoa. Lämmön varastointia lämpöpaaluilla on tutkittu vain vähän. Korkeammilla lämpötiloilla, kuten
Östersundomin tavoitellulla 70 C:n lämpötilatasolla, voi olla vaikutus paalujen kantaviin ominaisuuksiin, joka voisi johtaa ongelmiin perustuksen statiikassa. (Rautaruukki oyj, 2011) 6 2.2.3 Lämmönvarastointi vaakaputkistoon Vaakaputkivarastossa maahan asennetaan putkistosilmukoita maansuuntaisesti. Yleisesti putkistosilmukat sijoitetaan noin 0,5 0,8 metrin päähän toisistaan. Yleisesti käytetty putkikoko vaakaputkistoissa on 40 mm. Vaakaputkistot asennetaan noin 1,2 1,5 metrin syvyyteen, riippuen alueen sääolosuhteista ja maalajista; putkistot sijoitetaan routarajan alapuolelle. Vaakaputkistojen etuja ovat pienet investointikustannukset, helppo asennus ja matala asennussyvyys, jolloin vaikutus maan hydrologisiin ominaisuuksiin on pieni. Östersundomin tapauksessa vaakaputkistovaraston rakentaminen kuitenkin vaikeuttaisi päällerakennettavuutta huomattavasti, koska perustusten rakentaminen tiheän vaakaverkoston päälle olisi vaikeaa. Yksi vaihtoehto Östersundomiin on vaakaputkistojen lisääminen peruslaattaan, jolloin lämpövarasto ei vaikeuttaisi perustusten rakentamista. (Uponor, 2012) 2.3 Lämpöenergian varastoiminen veteen 2.3.1 Terässäiliövarasto Terässäiliövarastojen lataus- ja purkutehot ovat suuria ja ne soveltuvat hyvin lyhytkestoisien kulutus- ja tuotantohuippujen tasaamiseen. Terässäiliövarastot ovat paineellisina (<1 MPa) tyypillisimpiä pienikokoisina (0,1 10 m³) varaajina, joita käytetään kiinteistökohtaisina energia- ja lämpimän käyttöveden varaajina. Paineelliset varastot mahdollistavat korkeidenkin lämpötilojen käyttämisen, käyttövesivaraajat toimivat kuitenkin tyypillisimmin alle 95 C lämpötilassa. Matalapaineisia terässäiliövarastoja käytetään pieninä ja keskikokoisina (<2000m 3 ) kaukolämpövarastoina, ja niiden korkein käyttölämpötila on n. 110 C. Paineettomat (ilmanpaineiset) terässäiliövarastot ovat kooltaan 100 50 000 m 3. Säiliön vesipinnan päällä on höyrytyyny, jonka avulla säiliön paine pidetään n. 1 kpa tasolla ja korkein käyttölämpötila on alle 100 C. Paineeton terässäiliövarasto on todettu kaukolämpövarastona kustannustehokkaaksi ja toimivaksi ratkaisuksi kymmenien tuhansien kuutioiden kokoon asti (10000 m 3 ) ja siksi valittu tässä työssä vertailukohdaksi, johon savimaaperävarastointia verrataan. 2.3.2 Louhittu kallioluola Kallioluolavarastoa (Rock Cavern Storage CTES) käytetään suurimittaiseen (>100000m 3 ) lämmön varastointiin. Pääasiallinen lämpöä varastoiva massa on luolassa oleva vesi ympäröivä kallio toimii kausivarastoinnissa osana varastoivaa massaa. Vesi varastoaineena mahdollistaa tarvittaessa suuritehoisen latauksen ja purun. Kallioluolan vesipiiri tulee erottaa varsinaisesta lämmitysjärjestelmästä lämmönsiirtimin, mikä lisää kustannuksia rajoittaa lataus- ja purkutehoa sekä vähentää varaston käytettävää lämpötilaeroa (lämmönsiirtimen asteisuus, 2 5 C, hävitään sekä ladattaessa että
purettaessa). Lämmönsiirrin / pumppuasema tulee sijaita pohjaveden pinnan alapuolella, mikä nostaa rakentamiskustannuksia. Lämpövarastot ovat useimmiten käytöstä poistettuja kalliotiloja, jotka on otettu uusiokäyttöön asentamalla luolaan lataus- ja purkuputkistot tai poratut kanavat suutinputkia varten (Oxlösund, Oulu). Uuden kallioluolan rakentamiskustannus riippuu merkittävästi louheen alueellisesta hinnasta, mutta uusi kallioluola ei kuitenkaan korkeampien häviöiden takia ole ollut kilpailukykyinen terässäiliövarastoihin nähden. Kallioluolan lämpöhäviö riippuu merkittävästi siitä kuinka ehjään kallioon luola on louhittu. Rikkonaisessa kalliossa pohjaveden liike lisää häviöitä. Pohjaveden epäpuhtaudet ja mahdolliset aiemman käytönaikaiset jäämät voivat liata lämmönsiirtimiä. Kaukojäähdytyksen kylmävarastoissa kallioluolan ominaisuudet ovat parhaimmillaan kun kallioperän luonnollinen lämpötilataso on lähellä käyttölämpötilaa. 7 2.3.3 Akviferivarasto Akviferi-varastossa (Aquifer Thermal Energy Storage ATES) lämpöä varastoivana massana toimii huokoinen kallio- tai maaperä, jossa on paljon pohjavettä. Pohjaveden tulee olla lähes liikkumattomassa tilassa, jotta varastoinnin häviöt säilyvät kohtuullisina. Lämpöenergiaa ladataan ja puretaan kahden tai useamman pohjavesikerrokseen ulottuvan kaivon kautta. Pohjaveden käyttö lämmönsiirrossa parantaa akviferi-varaston lataus- ja purkutehoa suhteessa maaperävarastoihin, joissa maapiirin muodostaa suljettu muoviputkisto. Akviferi-varaston lataus- ja purkunopeus (teho) on kuitenkin alempi kuin vastaavan kapasiteetin kallioluolavarastoissa. Akviferi-lämpövarastointi rajoittaa alueen muuta pohjaveden käyttöä ja pohjaveden epäpuhtaudet likaavat lämmönsiirtimiä Akviferi-varaston vaatimukset maaperän ja pohjavesiolosuhteiden suhteen rajaavat sen käyttöä, niitä on kuitenkin rakennettu yli 1000, joista useimmat Alankomaihin ja Skandinaviaan. 3 KOHDEALUE Kohdealueena oleva Östersundom on Helsingin, Sipoon ja Vantaan kaupunkien yhteinen yleiskaava-alue, jota rakennetaan noin 70 000 asukkaan asuin- ja työpaikkaalueeksi. Alueen kehittämistyössä on yhtenä teemana aurinkoenergian hyödyntäminen energiahuollossa. 4 TUTKIMUSMENETELMÄT 4.1 Lähtötiedot Aurinkoenergian varastoinnin mallinnuksessa on keskitytty lämmön varastointiin savialueelle. Alueella on laajoja savialueita, jotka ovat potentiaalisia alueita lämmön varastoimiseen. Kuvassa 1 on esitetty kohteen rakennusgeologinen kartta, jossa savialueet ovat sinisellä. Kuvassa 2 on esitetty tyypillinen kohdealueen kairausdiagrammi, jonka mukaan saven vesipitoisuus noin seitsemän metrin syvyyteen saakka on 100 180 %. Tätä syvemmällä saven vesipitoisuus pienenee syvyyden
kasvaessa. Mallinnuksessa on käytetty kuvan 2 mukaista saviprofiilia. Savikerroksen paksuus kohdealueella on yleisesti yli 20 metriä. Mallinnuksessa käytettävät lähtötiedot materiaalien osalta on arvioitu lähdekirjallisuuden ja oheisten Geologian tutkimuskeskuksen tekemien selvitysten perusteella (kuvat 1 ja 2). 8 < 7 m < 5 m 7 15 m 5 10 m 7 15 m 20 30 m Kuva 1. Östersundomin alueen rakennusgeologinen kartta, jossa savikerroksen keskisyvyydet. (Lähde: Helsingin kaupunkisuunnitteluvirasto /Geologian tutkimuskeskus).
9 Kuva 2. Kairausdiagrammi kohdealueen savikerroksesta. (Lähde: Helsingin kaupunkisuunnitteluvirasto /Geologian tutkimuskeskus). 4.2 Mallinnusohjelma Lämmön varastoinnin mallinnuksessa käytettiin COMSOL Multiphysics mallinnusohjelmaa. Comsolin 3D-mallilla voidaan mallintaa elementtimenetelmällä fluidin virtausta ja lämmönsiirtoa ajan funktiona. Mallinnuksessa käytetyt fysiikkamodulit ovat vapaan- ja huokoisen materiaalin virtaus sekä lämmönsiirto huokoisessa materiaalissa. 4.3 Mallinnuksen reunaehdot Mallinnuksen elementtimalli on monimutkainen ja laskentajaksot pitkiä, mikä on edellyttänyt mallin yksinkertaistamista ja oletuksia reunaehtojen osalta. Mallissa on
oletettu, että lämpö siirtyy maassa vain konvektion kautta; vesihöyryn ja säteilyn vaikutusta ei ole otettu huomioon. Mallissa on oletettu, että materiaalien ominaisuudet eivät muutu lämpötilan vaikutuksesta. Lisäksi mallissa oletetaan, että yläpuolinen ilma pysyy vakiona vuodenajasta riippumatta. Mallissa keskilämpötilana on käytetty 7,5 celsiusastetta, mikä on 1,6 C korkeampi kuin Helsingin keskilämpötila vuosilta 1981 2010. Talviaikana lumikerros toimii eristeenä, minkä takia mallissa on käytetty hieman korkeampaa keskilämpötilaa. Mallissa oletettiin myös, että pohjaveden virtausnopeus varastossa on 0 m/s. Hienojakoisessa savessa pohjaveden virtaus on erittäin hidasta, joten olettamus ei huononna tulosten luotettavuutta. 10 4.4 Mallinnusparametrit Mallinnuksessa keskityttiin betonitäytteiseen teräspaaluun, joita esimerkiksi Ruukki valmistaa. Varastointimateriaalina on pehmeä savi, joka on tyypillistä Östersundomin alueelle. Savikerroksen paksuutena käytettiin 23,4 metriä. Kuvassa 3 on esitetty mallinnuksessa käytetyn paalun, jossa on W-putki, mitat. Myös muissa malleissa on samat parametrit: vain putken malli, veden virtaus ja materiaalien ominaisuudet muuttuvat. Kuva 3. Mallinnuksessa käytetyn energiapaalun mitat. Materiaali Mallinnuksessa käytettyjen materiaalien ominaisuudet on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Mallinnuksessa käytettyjen materiaalien ominaisuudet. Tilavuusvirt aus [m³/h] Virtausnope us [m/s] Tiheys [kg/m³] Lämmönjohtavuus [W/mK] Lämpökapasiteetti vakiopaineessa [J/kgK] Huokoisuus Vesi 0,324 0,18344 Betoni 2400 1,8 880 Savi 1812 1,1 1845 0,55 HDPE-Muovi 0,42
11 4.5 Mallinnustapaukset 5 MALLINNUKSET Mallinnuksella on vertailtu useita eri putkikonfiguraatioita, tilavuusvirtauksia (q) sekä putken halkaisijoita lämmönsiirron kannalta parhaan vaihtoehdon löytämiseksi. Lisäksi on mallintamalla arvioitu saven ja täytemateriaalien ominaisuuksien vaikutuksia lämmönvarastoimisominaisuuksiin. Tämän jälkeen on tehty mallinnukset, jotka kattavat kymmenen peräkkäistä lämmityssykliä. Mallinnus on tehty myös osana kaukolämpöverkkoa. 5.1 Putkikonfiguraatiot Mallinnusohjelmalla on vertailtu useita eri putkikonfiguraatioita, tilavuusvirtauksia (q) sekä putken halkaisijoita lämmönsiirron kannalta parhaan vaihtoehdon löytämiseksi. Latausajan sisääntuloveden lämpötilaksi valittiin 95 C ja purkuajalle 0 C suurimman lämpötilaeron saavuttamiseksi. Mallinnuksessa käytettyjen mallien parametrit ovat taulukossa 2. Saven, betonin, veden, teräksen ja muovin ominaisuudet ovat samat kaikissa malleissa. Mallinnuksissa käytetyt putkikonfiguraatiot on esitetty kuvassa 4. Taulukko 2. 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, 0,5*q Crosswise 25 25 25 40 25 25 25 0,324 0,486 0,162 0,82944 0,324 0,162 0,324 0,18344 0,27516 0,09172 0,18344 0,18344 0,09172 0,18344 Kuva 4. U-putki, Crosswise-kaksoisputki ja W-putki Taulukon 2 mukaisten laskentatapausten nesteen lämpötilat neljännen vuoden pituisen lataus/purku-syklin aikana on esitetty kuvassa 5.
12 100 90 80 70 Lämpötila [ C] 60 50 40 30 20 10 0 1095 1460 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 Crosswise Kuva 5. Inlet- ja outletputken lämpötila neljännen syklin aikana eri konfiguraatioille. Kuvan 5 perusteella eri putkikonfiguraatioiden sisään- ja ulosvirtauksen veden lämpötilat eroavat jonkin verran toisistaan. Puolitetun tilavuusvirtauksen malleilla lämpötilaero sisääntulon ja poistulon välillä oli suurin. Pienin lämpötilaero on U- putkella, jolla on puolitoistakertainen tilavuusvirtaus. Lämpötilaero on energiapaalun tehon kannalta oleellinen muuttuja. Jokaisesta mallista on lämpötilaeron perusteella laskettu neljän syklin teho ja lämpömäärä, jotka on esitetty taulukossa 3.
13 Sisäiset häviöt Taulukko 3. Eri mallien lämpömäärä neljän syklin aikana. U-putki U-putki, 1,5*q U-putki, 0,5*q U-putki 40 mm W-putki W-putki, 0,5*q Crosswise Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] -57,85-77,66-55,56-123,57-49,92-45,35-108,83 Lataus -83,85-104,48-71,21-184,77-76,71-67,21-141,51 Purku 26,00 26,83 15,65 61,20 26,79 21,85 32,67 Tehokkuus [%] 31,01 25,68 21,98 33,12 34,93 32,52 23,09 Taulukon 3 perusteella kaikkien putkikonfiguraatioiden tehokkuus on huono. Energiapaaluun syötetystä energiasta menee sisäisiin häviöihin 65,07 82,02 %. Tämä johtuu siitä, että eristyksen puuttuessa lämpöä siirtyy latauksen aikana sisääntulosta ulostulovirtaan pienentäen virtojen lämpötilaeroa. Tehokkuus kuitenkin paranee ensimmäisestä syklistä jokaisella konfiguraatiolla. Tehokkuuden paraneminen on ymmärrettävää, koska muilla korkealämpötilaisilla maavarastoilla normaalin toiminnan saavuttaminen on kestänyt 3 5 vuotta. Isoin saatu lämpömäärä konfiguraatioista on ylivoimaisesti U-putkella, jossa on 40 mm halkaisija. Isompi tilavuusvirtaus näyttäisi lisäävän saatua lämpömäärää, joskin myös sisäiset häviöt ovat reilusti suuremmat kuin muilla konfiguraatioilla. Pienin purettu lämpömäärä on U-putkella, jonka tilavuusvirtaus oli puolet normaalitilanteesta. Myös sen tehokkuus oli pieni, vain 21,98 %. W-putkella, jonka tilavuusvirtaus oli 0,324 m³/h, oli paras tehokkuus, 34,93 %. W-putkesta saatu purettu lämpömäärä oli myös hyvä, 26,79 MWh. 5.2 Saven ja paalun täytemateriaalin ominaisuuksien vaikutus Saven ja paalun täytemateriaalin ominaisuuksien vaikutus paalun lämmönvarastointiominaisuuksiin määritettiin käyttämällä W-putkea tilavuusvirtauksella 0,342 m³/h sen parhaan tehokkuuden ansiosta. Paalun parametrit ja virtausominaisuudet ovat samat kuin aikaisemmassa mallinnuksessa. Saven lämmönjohto-ominaisuudet vaihtelevat suuresti varsinkin kosteuden mukaan. Tällä mallinnuksella pyrittiin tuottamaan maksimitilanne lämmönsiirtymiselle saveen. Vertailukohtana on käytetty mallia, jossa saven ja täytemateriaalin lämmönjohtoominaisuudet ovat skaalan alapäässä. Lisäksi uusissa tutkimuksissa on havaittu, että grafiitin lisäys betonin joukkoon täytemateriaalissa lisää lämpöpaalujen tehokkuutta. Mallinnuksessa tutkittiin myös täytemateriaalin ominaisuuksien vaikutusta varastointiin. Mallinnuksessa käytetyt parametrit on esitetty taulukossa 4 ja mallinnusten sisään- ja ulosvirtauksen veden lämpötilat neljännen syklin aikana on esitetty kuvassa 6.
Taulukko 4 Saven ja täytemateriaalin parametrit Normaalitilanne Parempi betoni Parempi savi Parempi savi ja betoni Saven lämmönjohtavuus [W/mK] 1,1 1,1 2,5 2,5 Saven tiheys [kg/m³] 1,8 1,8 2 2 Saven lämpökapasiteetti [J/kgK] 880 880 880 880 Täytemateriaalin lämmönjohtavuus [W/mK] Täytemateriaalin [kg/m³] tiheys Täytemateriaalin lämpökapasiteetti [J/kgK] 1,8 4,5 1,8 4,5 2400 2400 2400 2400 880 880 880 880 14 100 90 80 70 Lämpötila [ C] 60 50 40 30 20 10 0 1095 1460 Aika [d] Normaalitilanne Inlet Parempi betoni Kuva 6. Saven ja täytemateriaalin ominaisuuksien vaikutus poiston lämpötilaan neljännen syklin aikana. Kuvan 6 perusteella saven lämmönjohtavuuden noustessa arvosta 1,1 W/mK arvoon 2,5 W/mK, saavutetaan huomattavasti korkeampi veden lämpötilaero sisään- ja ulosvirtaaman välille. Myös täytemateriaalin lämmönjohtavuuden nosto 1,8 4,5 W/mK nosti lämpötilaeroa, mutta sen vaikutus oli huomattavasti pienempi. Grafiitin
lisäys ei siis merkittävästi paranna paalun lämmönsiirtoa, joten sen lisääminen ei liene ekonomisesti kannattavaa. Saven ja paalun täyttömateriaalin lämmönjohto-ominaisuuksien vaikutuksen selvittämiseksi lämpötilaeroista laskettiin eri mallien lämpömäärät jokaiselle syklille. Lämpömäärät on esitetty taulukossa 5. 15 Taulukko 5. Lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan paremman betonin ja saven vaikutus energiapaalun lämpömäärään neljän syklin aikana. Normaalitilanne Parempi betoni Parempi savi Parempi savi ja betoni Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] Q [MWh] Sisäiset häviöt -49,724-51,673-78,643-82,995 Lämpömäärä sisään -76,517-79,549-120,918-128,121 Lämpömäärä ulos 26,793 27,876 42,274 45,125 Tehokkuus [%] 35,015 35,042 34,960 35,220 Taulukossa 5 esitettyjen tulosten perusteella energiapaalulla savessa, jonka lämmönjohtavuus on 2,5 W/mK, saadaan noin 80 % suurempi lämpömäärä ulos paalusta normaalitilanteeseen verrattuna, jolloin saven lämmönjohtavuus on 1,1 W/mK. Lisäksi parempi täyttömateriaali paalussa nosti lämpömäärää jonkin verran, ei kuitenkaan yhtä merkittävästi kuin muutos saven lämmönjohtavuudessa. Maksimitilanteessa, jossa saven ja täyttömateriaalin lämmönjohtavuus on teoreettisessa maksimissa, saatiin yhdestä energiapaalusta 45,13 MWh lämpöenergiaa. Paalun tehokkuuteen paremmalla täyttömateriaalilla ja savella ei kuitenkaan ollut suurta vaikutusta: kaikkien mallinnusten tehokkuus olin noin 35 %. 5.3 Teoreettisen maksimitilanteen kymmenen syklin mallinnus 5.3.1 Saatava lämpömäärä Paalusta saatu lämpömäärä kasvoi useamman lämmityssyklin vaikutuksesta, kuten taulukosta 5 voi nähdä. Tämä vuoksi suoritettiin energiapaalulle paremmalla savella ja paalun täytemateriaalilla myös kymmenen syklin (10 vuotta) mallinnus. Tällä mallilla yritettiin kartoittaa vakiintunutta tilannetta energiapaalulle. Kymmenennen syklin yhden energiapaalun lämpömäärä, tehokkuus, teho ja teho paalumetriä kohti on esitetty taulukossa 6. Taulukko 6. Energiapaalun 10. syklin lämpömäärä, tehokkuus, teho ja teho paalumetriä kohti. 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
16 Kuten taulukosta 6 voi nähdä, kymmenennen syklin tehokkuus on huomattavasti parempi kuin ensimmäisten syklien. Tehokkuus on parantunut ensimmäisen neljän syklin tehokkuudesta noin 11 %. Tämä johtunee saveen jääneestä varastoituneesta lämmöstä. Lisäksi myös saatu lämpömäärä on suurempi kuin ensimmäisellä neljällä syklillä. 10. syklin ulos saatu lämpömäärä on 13,55 MWh ja purkukauden keskimääräinen teho on noin 3,1 kw eli teho paalumetriä kohti on 132 W. Alhaiset teholukemat johtuvat siitä, että varastoitu lämpö puretaan nopeasti purkukauden alussa, jonka jälkeen energiapaalu toimii maalämmöllä. 5.3.2 Lämpötilajakauma savessa Jotta voitaisiin arvioida, kuinka tiheästi energiapaaluja tulee asentaa varastoon, on tärkeä tuntea lämpötilajakauma savessa. Kuvissa 7 ja 8 on esitetty saven lämpötila paalun ympärillä 10. syklin latausjakson viimeisenä päivänä. Kuva 7. Lämpötilajakauma energiapaalun ympärillä 10. syklin latausjakson viimeisenä päivänä
370 17 360 350 340 Lämpötila [K] 330 320 310 300 290 280-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 Etäisyys paalusta [m] 1 m 12,7 m 23 m Kuva 8. Saven lämpötila energiapaalun ympärillä 10. syklin latausjakson viimeisenä päivänä 1 m, 12,7 m ja 23 m syvyyksiltä. Kuvista 7 ja 8 voidaan havaita, että lämpö siirtyy kymmenennellä syklillä yli viiden metrin päähän energiapaalusta. Paalun lähellä lämpötila on lähellä syöttöveden lämpötilaa, noin 90 C. Haluttuun, 70 C lämpöluokkaan päästään puolen vuoden lämmityksellä yksittäisellä paalulla vain noin puolen metrin päässä paalusta. Viiden metrin päässä paalusta lämpötila on noin 37 C. Lähellä maanpintaa ja paalun alalaidassa lämpötilat ovat alhaisempia. Kuvissa ei ole huomioitu useampien paalujen yhteisvaikutuksia. 5.4 Energiapaaluvaraston mallintaminen osana kaukolämpöverkkoa 5.4.1 Kytkentä kaukolämpöverkkoon Energiapaalujen mallinnuksen tarkoituksena oli kartoittaa aurinkoenergian ja sen varastoinnin mahdollisuuksia osana uuden kaava-alueen energiaratkaisuja. Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää energiapaaluvaraston integroimista olemassa olevaan kaukolämpöverkkoon. Kaukolämpöverkon menoveden lämpötila on 80 C ja paluuveden 55 C. Aurinkokeräimien ja energiapaaluvaraston integroimiseksi kaukolämpöverkkoon tulee systeemissä olla puskuriakku (terässäiliövarasto), joka tasaa hetkellisiä auringon tehopiikkejä, joita maaperävaraston rajallinen latauskapasiteetti ei muutoin voisi hyödyntää. Puskuriakku mahdollistaa myös lyhytkestoisten kulutuspiikkien syöttämisen lämpöverkkoon. Aurinkokeräinten ja maaperäakun kytkentä kaukolämpöverkkoon on esitetty kuvassa 9.