Maailmassa eletään energia-alan murroksessa ja Suomessa pystytään tällä hetkellä tuottamaan valtaosa sähköntuotannosta fossiilittomana. Hiilen käytöstä suomessa luovutaan vuoteen 2030 mennessä ja samalla tuetaan ilmastotavoitteita kohti hiilineutraalisuutta. Vastaavasti lämmityssektorilla hukkalämpöjen hyödyntäminen ja varastointi nousee erittäin merkittävään rooliin ja kulutushuippuja voidaan tasapainottaa tarpeen vaatiessa. Lämpöenergian varastointi termiseen massaan, kuten esimerkiksi hiekkaan on keskeinen menetelmä hiilineutraaliin siirtymään, sillä se mahdollistaa uusiutuvan energian paremman hyödyntämisen, hukkalämmön talteenoton ja energiapulan tasaamisen. Samalla teknologia vähentää tarvetta fossiilisille polttoaineille lämmöntuotannossa, joka on Suomessa edelleen merkittävä päästölähde.

LENVA-hankkeessa, Lämpöenergia varastoon, tutkitaan ja pilotoidaan eri tapoja varastoida lämpöenergiaa silloin kun siitä on ylituotantoa sekä tapoja ottaa sitä käyttöön, kun lämmöntarve lisääntyy. Lämpöenergianvarastointimenetelmät ovat tärkeää tutkia tässä energiamurroksessa, jotta koko lämmönvarastoinninpotentiaali pystytään tulevaisuudessa hyödyntämään. Kun lämpöenergianvarastointi hallitaan, uusiutuvien energialähteiden käyttöä voidaan lisätä ja samalla hiilidioksidipäästöt vähenevät niin teollisuudessa kuin energiasektorillakin.

Lämpöenergian varastointi tuo järjestelmään joustavuutta

Lämpöenergian varastointimenetelmät ovat avainasemassa energianmurroksessa, sillä ne lisäävät järjestelmän joustavuutta, tasaavat uusiutuvan energian tuotannon vaihteluita ja vähentävät hiilidioksidipäästöjä. Varastoimalla ylijäämäenergiaa lämmöksi massaan voidaan kalliin huipputuotannon tarvetta vähentää ja parantaa energiatehokkuutta teollisuudessa ja rakennuksissa. Lämpöenergian varastointi termiseen massaan perustuu materiaalin kykyyn sitoa, varastoida ja vapauttaa lämpöä. Tätä voidaan tulevaisuudessa hyödyntää sekä rakennusten lämmityksessä ja jäähdytyksessä että suurimittaisessa varastoinnissa, kuten hiekka akuissa.

Lämpöenergiaa varastoidaan jo erilaisiin energiavarastoihin. Suomalainen Polar Night energy Oy on kehittänyt teollisen mittakaavan hiekka-akun teolliseen käyttöön. Hiekka-akku on teollisen mittakaavan korkean lämpötilan lämpöenergiavarasto, joka käyttää hiekkaa tai vastaavaa materiaalia energian varastointiin. Polarin kehittämät hiekka-akut soveltuvat eri kokoluokan teollisille järjestelmille aina 2 MW ylöspäin edulliseen ja puhtaaseen lämmön tuotantoon.

Kaukolämpöyhtiöillä on lämpöakkuja, joissa lämpöenergiaa on varastoitu maaperään ja maanalaisiin vesisäiliöihin. Vantaan energia rakentaa energiavarastoja, jotka ovat valmistuessaan kooltaan ja kapasiteetiltaan maailman suurimpia lämmön kausivarastoja. Varastot rakennetaan peruskallion sisälle ja lämpöenergia varastoidaan veteen. Syvimmillään peräti 140 metriä maanpinnan alapuolelle louhittava maanalainen lämpövarasto varastoi peräti 90 GWh lämpöenergiaa. Varanto on tarkoitus ottaa käyttöön vuonna 2030.

Eri materiaaleja on paljon tarjolla lämpöenergian massaan varastoimiseksi, mutta niillä tulee kuitenkin olla korkea ominaislämpökapasiteetti (esim. vesi) ja hyvä energian varastointikyky (esim. hiekka). Toisaalta energia voidaan varastoida myös kemiallisina reaktioina, joissa on teoriassa kyseessä lähes häviötön varastointi (esim. kalkin reformointi). Vesi on hyvä materiaali energian varastoinnin aineena, mutta sen huonoja puolia ovat olomuotomuutokset, jotka asettavat käyttöön rajoituksia. Vettä käytetäänkin energiavarastona eniten kaukolämmön tuotannossa ja lämminvesivaraajissa suomalaisissa kodeissa. Hiekka on hyvä materiaali energiavarastossa suurissa tilavuuksissa ja sitä voidaan lämmittää aina 500 ⁰C lämpötilaan saakka. Lisäksi hiekka on edullista ja sitä on helposti saatavilla. Vuolukivi on poikkeuksellinen materiaali lämpöenergian varastointiin sen suuren tiheyden, erinomaisen lämmönjohtavuuden ja korkean ominaislämpökapasiteetin ansiosta. Vuolukivi pystyy siis varastoimaan suuria määriä lämpöä ja luovuttamaan sitä tasaisesti. Seuraavassa taulukossa on esitetty vertailua veden, hiekan ja vuolukiven ominaisuuksien väliltä, josta huomataan vuolukiven huonona puolena sen arvokas hankintahinta ja raskas paino. Hyötysuhde lämpöenergian varastona on hiekalla ja vuolukivellä on hyvin samaa luokkaa.

Lämpöenergian varastoinnin modulaarinen ratkaisu

LENVA-hankkeessa selvitetään ja valmistetaan modulaarinen konttiratkaisu lämpöenergian massaan varastointiin, johon voidaan materiaali vaihtaa. Vastaavaa ratkaisua ei markkinoilta löytynyt, joten laitteiston suhteen suunnittelutyö tehtiin itse hankkeen budjetin sallimissa rajoissa. Tutkimuksien mukaan modulaarinen lämpöenergian varastointiyksikkö voi parhaimmillaan tarjota massavarastointiin uutta liiketoimintapotentiaalia. Hyviä käyttökohteita olisivat esimerkiksi teollisuus (hukkalämmön talteenotto ja uudelleen käyttö), kaukolämpöyhtiöt (kausivarastoinnit ja huipputehon tasaus) ja syrjäseudut (uusiutuvan energian varastointiin ja käyttöön). Kehityshankkeen toimien myötä voidaan osoittaa varastoinnin kannattavuutta ja koeyksikkö on helposti monistettavissa varastointitarpeen mukaisesti. Konttiin sijoitettavalla materiaalin valinnalla on paljon vaikutusta energian varastoitumiseen, hyviä materiaaleja ovat esimerkiksi hiekka tai vuolukivi.

Tarkasteltaessa modulaarisen kontin taloudellisia näkymiä, havaitaan sen alhaiset käyttökustannukset ja pitkä käyttöikä. Lisäksi se tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää halpa sähköä lämmöntuotantoon ja investointi jakaantuu pitkälle aikavälille. Modulaarisuus tukee myös vihreää siirtymää fossiilivapaaseen sähköntuotantoon ja mahdollistaa uusiutuvan energian tehokkaamman hyödyntämisen vähentäen samalla CO2-päästöjä ja parantaen energiatehokkuutta.

LENVA-hankkeessa on kilpailutettu modulaariseen konttipohjaiseen ratkaisuun soveltuva eristetty kontti, joka on saapunut kampukselle. Kontti koostuu erillisestä teknisestä ja operatiivisesta tilasta. Operatiiviseen tilaan materiaali saadaan vaihdettua erillisen luukun kautta ja tila käsittää myös sähkövastukset sekä lämpötila-anturit. Teknisestä tilasta löytyy vastaavasti tarvittava ohjauskeskus oheistarvikkeineen. Kontin varustelua tehdään parhaillaan ja ensimmäistä koeajo päästään toteuttamaan petihiekalla tulevan kevään aikana.

Laboratoriokokeilla lämpöenergian varastoinnin määrityksiä

Lämpöenergian massaan varastointia arvioitaessa siihen vaikuttaa käytettävän massan määrä, materiaalin ominaislämpökapasiteetti sekä lämpötilan muutos. Tyypillisillä materiaaleilla, kuten hiekka tai vesi, löytyy kirjallisuuden referenssiarvo ominaislämpökapasiteetille. Kiertotalous tarjoaa kuitenkin merkittäviä mahdollisuuksia eri materiaalien hyödyntämiselle energian varastointina, joten energiatekniikan laboratorioon validoitiin erillinen menetelmä seosnäytteiden ominaislämpökapasiteetin määrittämiselle. Kappaleen kykyä sitoa ja luovuttaa lämpöä kutsutaan ominaislämpökapasiteetiksi ja se on kullekin materiaalille ominainen suure. Seosnäytteiden ominaislämpökapasiteetti ei juurikaan riipu paineesta, mutta hieman lämpötilasta. Kappaleen luovuttama tai vastaanottama lämpömäärä saadaan laskettua seuraavalla kaavalla:

Q = cp * m * ΔT

Laboratorion kalorimetri koostuu metallisesta ympyrälieriöstä ja, sitä ympyröivästä eristematosta (kuva 1). Kalorimetrin kansi on tehty eristävästä finfoamista kattaen koko kalorimetrin halkaisijan. Ympyrälieriö on kahdenlitran vetoinen tilavuudeltaan. Materiaalin määritysastia on 500 ml vetoinen laboratorion Duranpullo kierrekorkilla, johon on tehty läpivienti lämpötila-anturille. Määritettävän aine punnitaan pulloon ja kappaletta kuumennetaan liedellä erillisessä kattilassa foliolla peitettynä ja veteen upotettuna. Näin materiaali lämpenee tasaisesti koko materiaalin osalta. Kun kuumennettu materiaali upotetaan tunnettuun määrään huoneenlämpöistä vettä, luovuttaa se lämpöenergian, jonka kalorimetri ja vesi vastaanottavat. Tarkempien mittaustulosten saavuttamiseksi myös kalorimetrin itsensä sitoma lämpöenergia on määritetty ja otetaan huomioon tulosten laskennassa. Seosmenetelmässä on hyvin tärkeää eristää järjestelmä, jotta lämpöhäviöt ympäristöön jäävät mahdollisimman pieniksi.

Kun eri materiaalien ominaislämpökapasiteetti voidaan määrittää, seuraavaksi edetään lämpöenergian määrittämiseen ja materiaalin kykyyn varastoida lämpöenergiaa. Lämpöenergian varastoinnin testauksia varten laboratorioon kehitettiin oma testilaitteisto. Laitteisto koostuu (kuva 2) suorakulmaisesta särmiöstä, joka on valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja särmiön ulkokuori on tulimassasta. Laitteistoon mahtuu yhteensä 2 litraa materiaalia kerrallaan testaukseen. Materiaali voidaan vaihtaa ja mitata lämpöenergian varastointikykyä lämpötilan ja ajan funktiona.

Ensimmäiset lämmön varastointikokeet tehtiin hiekalle ja vuolukivelle, joissa tavoite lämpötilaksi asetettiin 240 astetta. Kokeet tehtiin tulimassa astiassa ja materiaalia punnittiin suorakulmainen astia täyteen. Taulukossa kaksi on esitettyinä hiekan osalta kahdelle määritykselle ja vuolukiven osalta yhdelle kokeissa varastoituneen lämpöenergian määrä. Ominaislämpökapasiteetit määritettiin kolmena rinnakkaisena määrityksenä, joista on käytetty tulosten laskennassa keskiarvotulosta. Suluissa on lisäksi esitetty kirjallisuuden referenssiarvot. Vuolukiven määrä testiastiassa on painona paljon suurempi, johtuen korkeammasta tiheydestä. Samalla varastotilavuudella ja varastointilämpötilalla vuolukivi osoittaa korkeampaa varastointikapasiteettia suuremman ominaislämpökapasiteetin ja tiheyden ansiosta.

Seuraavassa kaaviossa on esitetty kokeiden jäähtymiskäyrät hiekalle, vuolukivelle ja tulimassa-astialle. Kokeet on tehty sijoittamalla tulimassa-astia lämpökaappiin, joka oli säädetty 240 asteen lämpötilaan. Lämpötila-anturi on tallentanut dataa tutkittavasta materiaalista, ja materiaalin on annettu stabiloitua tavoitelämpötilassa pidemmän aikaa. Myös tulimassa-astialle tyhjänä on tehty vastaava määritys. Astian jäähtyminen on tehty siten, että astian on annettu jäähtyä lämpökaapissa ja lämpötilan mittaaminen on tehty samalla tavalla materiaalista. Käyristä voidaan nähdä tulimassa-astian ja ympäristön välisen lämpötilaeron pieneneminen eksponentiaalisesti ajan funktiona.

Hiekkavarasto pystyy varastoimaan lämpöenergiaa kirjallisuuden mukaan noin 0,20–0,25 MWh/ t hiekkaa kohden 100 asteen lämpötilanmuutoksella eli hiekan potentiaali on hyvin korkea. LENVA-hankkeen modulaarisella kontilla tehdään ensimmäiset kokeet petihiekalla tulevan kevään ja kesän aikana, ja kapasiteettia laitteessa on hiekkaa laittaa noin 11 m3, joka vastaa painona noin 17 tonnia. Tulimassa-astia on hyvä määritysmenetelmä silloin, kun halutaan kartoittaa tuntemattomalle näytteelle lämpöenergian varastoinnin potentiaalia. Varkauden energiatekniikan tutkimuskeskus pyrkii keskittymään muutamaan päämateriaaliin lämpöenergian massaan varastoinnin määrittämiseksi ja siitä liiketoiminta potentiaalin kartoittamiseksi kohti uudenlaisia lämpöenergian varastointi muotoja.

LENVA-hanke on EU:n osarahoittama hanke, jota on rahoitettu Oikeudenmukaisen siirtymän rahastosta (JTF) ja rahoittavana viranomaisena toimii Pohjois-Savon liitto ja hankkeen toteutusaika on 1.3.2025-28.8.2027.

---

Kirjoittajat

TKI-asiantuntija / projektipäällikkö Maarit Janhunen

Tutkimusinsinööri Tuomas Siikanen

Tutkimusinsinööri Raquel Mier Gonzàlez

Kaikki kirjoittajat edustavat Savonia-ammattikorkeakoulua

---

Lähteet

Polar Night Energy Oy, Sand Battery, noudettu osoitteesta: https://polarnightenergy.com/fi/

Vantaan energia Oy, Maailman suurin lämmön kausivarasto, noudettu osoitteesta: Maailman suurimman lämmön kausivarasto Varannon louhintatyöt käynnistyvät Vantaalla – Vantaan Energia

Hepolampi, N., Kymijärven hiekkalämpövarasto, energiatekniikan diplomityö, noudettu osoitteesta: https://lutpub.lut.fi/bitstream/handle/10024/165744/Diplomity%C3%B6%20Niko%20Hepolampi.pdf?sequence=1

Suvanto, K. ja Laajalehto, K., Tekniikan fysiikka, 2024.

---