Miten varastoida lämpöä ja kylmää akvifereihin?
Ilmastonmuutoksen torjumiseksi tarvitaan keinoja vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä tarjoamalla ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja. Rakennusten lämmittäminen ja viilentäminen kuluttaa paljon energiaa, ja pelkästään rakennusten lämmittämiseen kuluu noin neljäsosa Suomessa käytetystä energiasta. Lämpöenergian varastoinnilla voidaan tasoittaa lämmön ja kylmän tuotannon sekä kysynnän eroa, mikä johtaa vähentyneisiin päästöihin. Opinnäytetyö ”ATES – Pohjavesivarantojen hyödyntäminen lämmön ja kylmän varastoinnissa” tutkii, miten lämpöä ja kylmää voisi varastoida akvifereihin eli pohjavesivarantoihin käyttämällä ATES-järjestelmää.
ATES tulee sanoista Aquifer Thermal Energy Storage. Tämä on matalaa geotermistä energiaa hyödyntävä maanalainen lämpöenergian varastointijärjestelmä, jossa kylmää ja lämmintä vettä varastoidaan akvifereihin myöhemmin käytettäväksi. Yleensä tätä järjestelmää käytetään rakennusten lämmittämiseen ja viilennykseen. Järjestelmän toimintaprosessi toimii näin: kesällä luonnollista lämpöä sidotaan veteen, joka varastoidaan kaivoa pitkin akviferiin. Tämä lämmin vesi pumpataan kaivosta talvella, ja sen energia hyödynnetään lämmitykseen. Talvella prosessi on vastakkainen, luonnollista kylmää sidotaan veteen ja varastoidaan akviferiin. Kesällä kylmä vesi pumpataan ja käytetään viilennykseen.
ATES-järjestelmän laatiminen vaatii etukäteen tehtyä huolellista suunnittelua. Järjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon seuraavat seikat:
- Järjestelmän vaikutukset pohjaveden laatuun
- Akviferin laatu
- Pohjaveden virtaus
- Lämpö- ja kylmäkaivojen sijainnit toisiinsa nähden, jotta vältetään vesien sekoittuminen keskenään
- Paljonko lämmintä ja kylmää vettä varastoidaan ja käytetään, jotta akviferin lämpö pysyy tasapainossa
- Lämpöpumpun, jota käytetään avustamaan lämmitystä ja viilennystä, tehokkuuden mitoittaminen.
Mikä on akviferi?
Akviferi eli pohjavesivaranto on maaperässä oleva vesimuodostuma. Näitä muodostumia löytyy Suomesta reilusti, ja Suomessa muodostuvasta pohjavedestä hyödynnetään vain noin kymmenesosa. Yleensä ihmisasutus on keskittynyt pohjavesialueille vedensaannin varmistamiseksi, mikä on lyhyiden välimatkojen vuoksi hyödyksi siirtäessä energiaa akvifereistä rakennuksiin.
Mitkä ovat ATES-järjestelmän potentiaalit ja hyödyt?
Maailmalla ATES-järjestelmiä on käytössä tuhansia, joten sen toiminta tunnetaan varsin hyvin. Naapurimaassa Ruotsissa näitä on yli kaksisataa. Suomessa ATES-järjestelmiä on toistaiseksi vain yksi, vaikka jaamme Ruotsin kanssa samankaltaiset ilmasto- sekä pohjavesiolosuhteet taloudellisesti järkevän järjestelmän pystyttämiseksi. Järjestelmä on lämpöpumpun käyttämää sähköä lukuun ottamatta päästötön ja sen tuottaman lämmön ja kylmän avulla on mahdollista tehdä merkittäviä säästöjä rakennuksen lämmitys- ja viilennyskuluissa. Järjestelmän takaisinmaksuaika vaihtelee yleensä 0-10 vuoden välillä.
Lähteet
Hiironen, O. 2023. ATES : pohjavesivarantojen hyödyntäminen lämmön ja kylmän varastoinnissa – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.
Ilmasto-opas n.d. Rakennusten lämmitys kuluttaa runsaasti energiaa. Viitattu 19.5.2023. https://www.ilmasto-opas.fi/artikkelit/rakennusten-lammitys-kuluttaa-runsaasti-energiaa
Ympäristöhallinto n.d. Pohjavesien tila on Suomessa yleisesti hyvä. Viitattu 19.5.2023. https://www.ymparisto.fi/fi/ympariston-tila/vesi/pohjavesien-tila
Fleuchaus, P.; Godschalk, B.; Stober, I. & Blum, P. 2018. Worldwide application of aquifer thermal energy storage – A review. Viitattu 21.5.2023. Saatavissa: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032118304933