Lämpöenergian kausivarastointi ja BTES-järjestelmät
Suomi on asettanut itselleen ilmasto- ja energiastrategiassaan hiilineutraalius-tavoitteen toteutumisen vuoteen 2035 mennessä. Tämän lisäksi uusiutuvan energian RED II-direktiivissä Euroopan Union on asettanut yleistavoitteessaan, että uusiutuvien energialähteiden osuus tulee olla vähintään 32 % vuonna 2030. Suomi on ilmoittanut tavoitteekseen tässä 51 %. (Työ- ja elinkeinoministeriö 2022.) Rakennusten lämmitykseen kuluu Suomessa noin 25 % käytetystä energiasta. (Ilmasto-opas 2022).
Maamme pohjoiset olosuhteet huomioiden lämmityksestä johtuvat energiankulutuksemme ovat korkeammat kuin esimerkiksi Etelä-Euroopassa. Erot eivät kohdistu vain rakennusten lämmittämisen tarpeeseen tai auringosta saatavaan lämpöenergian määrään vaan myös maasta saatavaan geotermiseen energiaan samoilla syvyysmetreillä.
Geotermisen energian hyödyntämismahdollisuuksissa Geologian tutkimuskeskuksen maaperän tutkimustyöt ovatkin ensiarvoisen tärkeitä, myös ympäristön näkökannalta.
Geotermisen energian etuihin kuuluu vakaan energialähteen saatavuus esimerkiksi aurinko- ja tuulienergian ollessa säätilasta riippuvaisia. Se vähentää riippuvuutta uusiutumattomiin energialähteisiin sekä vähentää poliittisista tilanteista johtuvia toimitushäiriöitä parantamalla maan energian saannin omavaraisuutta.
Geotermisen energian hyödyntämisen ja lämpövarastoinnin mahdollisuudet ovat moninaiset ja järjestelmät kehittyvät ja ovat kehittyneet useamman vuoden aikana. Lämmön kausivarastoinnilla tarkoitetaan järjestelmää, jossa lämpöä varastoidaan käytettäväksi silloin, kun lämpöä esimerkiksi asuinrakennusten lämmittämiseen tarvitaan enemmän. Tämä edesauttaa energian säästämisessä ja mahdollistaa energian kysynnän tasapainottamisen niin lämmittämisessä kuin viilennyksessä. TES:n (TES, Thermal Energy Storage) etuina ratkaistaessa energiakysynnän piikkejä ja siirtymisessä energiaystävällisempään yhteiskuntaan, ovat varastointien suomat mahdollisuudet tasapainottaa energian kysyntää ja tarjontaa päivittäin, viikoittain tai pelkästään kausiluonteisesti. TES-sovelluksissa perusperiaate on syöttää energiaa sen myöhempää käyttöä varten. Muuttuvia elementtejä ovat varastoinnin laajuus sekä käytettävä varastointimenetelmä. Lämpöenergian varastointiprosessia kuvaa kolmen sykli, joiden vaiheet ovat lämmön lataus, varastointi ja purkaus.
Lämpöenergian varastointi on hyödynnettävissä usean eri järjestelmän yhteydessä. Järjestelmiä ovat muun muassa aurinkolämpö, lämpövarastointi rakennusten rakenteisiin, hukkalämmön hyödyntäminen, kaukolämpöjärjestelmien yhdistäminen sekä lämpöpumput. Aurinkolämpöjärjestelmät ovat olleet yksi yleisimmistä. Lämpövarastot rakennetaan useimmiten maan alle. Tähän on syynä mm. maan kyky lisätä eristystä ja luovuttaa maalämpöä, maanpaineen vaikutus kompensoimalla vedenpainetta varaston sisällä, jolloin varaston seinämien ei tarvitse olla niin tukevarakenteisia kuin maanpinnalle rakennettaessa. Suuret varastot ovat myös usein integroitu suoraan tietylle asuinalueelle.
Maanalaista varastointia (UTES, Underground Thermal Energy Storage) suunniteltaessa on aina tehtävä hydrologinen tutkimus. Olennaisia ovat mm. kivien ikä ja näiden kerrostumissuhteet, sijainti, pohjavesivirtaukset suuntineen ja virtausnopeuksineen. Lupakäsittelyt on aloitettava aikaisessa vaiheessa.
Lämpöenergian varastointi ei yksinään riitä turvaamaan energian saantia. Varastointijärjestelmissä oleellista onkin sen optimaalinen integrointi muuhun järjestelmään. Käyttöolosuhteet ovat yksilöllisiä jokaiselle järjestelmälle kuten varastoinnin koko, käyttölämpötilat ja lämmitysverkon paluulämpötilat, jotka vaikuttavat lämpöhäviöihin. Lämpövarastoinnin lataus ja purkausajankohdat suunnitellaan ja ne voivat tapahtua joko suoraan vesivirtauksen kautta tai epäsuoraan lämmönvaihtimesta.
Yksi Suomessakin yleisimmistä lämmönvarastointi ja geotermisen energian hyödyntämisjärjestelmistä ovat BTES-järjestelmät (Borehole Thermal Energy Storage). BTES-järjestelmät ovat kehittyneet laajuudessaan vuosien varrella ja tekniikka kehittyy edelleen. Näihin lukeutuvat muun muassa muutaman metrin syvyyksissä olevat vaakaputkistot ja porareikäkaivot, joista syvemmät ulottuvat jopa kilometrien syvyyteen. Myös energiapaalut, jotka toimivat myös rakennusten kantavana osana, edustavat BTES-järjestelmää. Yhteistä näillä kaikilla on putkistossa kulkeva lämmönsiirtoneste, joilla hyödynnetään maaperän geoenergiaa ja lämmönkeruunesteen avulla lämpöä siirretään rakennuksiin. Näistä osa mahdollistaa myös rakennusten viilentämisen lämpiminä ajanjaksoina. BTES-järjestelmät kausivarastointina kuvaavat maanalaista lämmönvarastointia, joissa maaperä toimii lämpöä varastoivana elementtinä.
Keskisyvät ja syvät termiset porareiät eivät vielä ole yleisiä, mutta näitä on tutkittu ja pilotointikohteita löytyy jo Suomestakin. Nämä vaativat vähemmän tilaa, joten niiden hyödynnettävyys tiheämmin rakennetussa ympäristössä on mahdollista. BTES-järjestelmät auttavat mahdollistamaan rakennusten energiatehokkuusvaatimusten saavuttamisen myös monipuolisten järjestelmäintegraatioiden osalta.
Esimerkkejä järjestelmien kehitystyöstä antavat muun muassa Muovitech Oy:n kehitystyöt kollektoreiden suhteen. Kehitystyöllä pyritään tehokkuuden lisäämisen lisäksi parantamaan entisestään ympäristöystävällisyyttä. Myös energiapaalut ovat saavuttaneet suosiota ja niiden kehitystyö ja tutkimus ovat antaneet tärkeää tietoa muun muassa maaperän reagoimisesta lämpövarastointiin. Energiapaalut toimivat rakennusten kantavana osana, mutta myös lämmön talteenotossa, lämmön varastoinnissa maaperään sekä rakennusten lämmön että viilennyksen lähteenä.
Sopivaa BTES-järjestelmää valittaessa tulee huomioida geologiset olosuhteet hyvin tarkasti. Näitä ovat muun muassa pohjaveden virtaus, maaperän lämpöominaisuudet ja maakerrostumat. Paikallisesti on myös säädöksiä, jotka estävät geoenergian käytön pohjavesialueilla, joten lupa-asioista tulee olla perillä. Lupa-asioihin onkin syytä varata aikaa. Koeporaus tulee tehdä aina isommissa kohteissa, jotta saadaan halutut mitoitusolosuhteet. Se myös antaa arvion porauksien kustannuksesta.
Porausreikien lukumäärä ja syvyys ovat tärkeitä tekijöitä. Porausreikien sijoittelulla ja välimatkoilla vaikutetaan varastointitilan optimoimiseen, mutta myös maaperän asettamat ns. turvavälit huomioidaan. Turvavälit vaaditaan, jotta porausreiät eivät tuhoudu toista porattaessa.
Muita kausilämpövarastointijärjestelmiä ovat muun muassa:
- ATES-järjestelmä (Aquifer Thermal Energy Storage)
- CTES-järjestelmä (Rock Cavern Thermal Energy Storage)
- PCMES-järjestelmä (Phase Change Materials Energy Storage)
- PTES-järjestelmä (Pit Thermal Energy Storage)
- SSTES-järjestelmä (Solid State Thermal Energy Storage) sekä
- TTES-järjestelmä (Tank Thermal Energy Storage).
Uusiutuvien energialähteiden käytön lisääntyminen ja samalla fossiilisista luopuminen aiheuttaa kuormituksen epätasapainoa tarjonnan ja kysynnän välillä. Tämä lisää entisestään energianvarastointijärjestelmien tutkimuksen ja kehityksen merkitystä. Opinnäytetyössä Lämpöenergian kausivarastointi ja BTES-järjestelmät esitellään edellä mainittuja kausivarastointi-järjestelmiä painottuen BTES-järjestelmiin sekä useita pilotointikohteita. Osa näistä on ollut toiminnassa useampia vuosia, toiset rakenteilla. Pilotointikohteet eivät aina toimi odotetulla tehokkuudella, mutta saattavat myös toimia yli odotusten. Pilotointikohteet auttavat kehittämään järjestelmiä entisestään antaen laajaa informaatioita niin maaperän käyttäytymisestä kuin itse energiajärjestelmän tehokkuudesta. Nämä tiedot itsessään eivät ole rahalla mitattavissa ja edustavat mukana olevilta yrityksiltä, yhteisöiltä ja kaupungeilta/kunnilta oppilaitoksia unohtamatta, kykyä ja halua toimia edelläkävijöinä. Pilotointikohteet takaavat tiedon lisääntymisen ja kehityksessä mukana pysymisen.
Jatkossa seurattavia kohteita on opinnäytetyössä useita. BTES-järjestelmistä lisää tietoa saadaan lähivuosien aikana niin energiapaalujen kuin keskisyvien porareikäkenttien tehokkuuden ja järjestelmien toimivuuden osalta.
Lähteet
Hiltunen, P. 2023. Lämpöenergian kausivarastointi ja BTES-järjestelmät – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.