lausuntoversio - rakennustieto · 2019. 11. 25. · 4.3 ates - aquifer thermal energy storage...

LAUS

UNTO

VERS

IO

RTS 19:38 OHJE-EHDOTUS 12.11.2019 1 (23)

JK/MP/1/kuukausi vvvv/Rakennustieto Oy © Rakennustietosäätiö RTS sr 2019

LÄMPÖENERGIAN KAUSIVARASTOINTI Tässä ohjeessa esitetään hukkalämpökuormien hyödyntämisen sekä lämpöenergian kausivarastoinnin suunnittelun ja toteutuksen periaatteet. Ohje on suunnattu rakennushankkeeseen ryhtyville ja hanke- tai esisuunnitteluvaiheesta vastaaville tahoille.

SISÄLLYSLUETTELO

1 JOHDANTO 2 LAINSÄÄDÄNTÖ JA LUVITUS 3 PROSESSI

3.1 Prosessikaavio 3.2 Lähtötiedot

4 KAUSIVARASTOINTIJÄRJESTELMÄT 4.1 Perinteinen energiakaivo, regenerointi/varastointi 4.2 Maaperävarastot koon mukaan 4.3 ATES - Aquifer Thermal Energy Storage 4.4 BTES - Borehole Thermal Energy Storage 4.5 CTES - Rock Cavern Thermal Energy Storage 4.6 DTES - Duct Thermal Energy Storage 4.7 PIT ES - Pit Energy Storage 4.8 PCMES - Phase Changing Material Energy Storage

5 LÄMMÖNLÄHTEET JA -KERÄIMET 5.1 Väliaineet 5.2 Aurinkokeräin 5.3 Asfalttienergia 5.4 Rakennukset lämmönkeräiminä 5.5 Teollisuuden prosessit 5.6 Vesistöenergia ja lämpövarasto sedimentissä

6 VARASTOINNIN KUSTANNUKSET 6.1 Energiapaalujärjestelmät 6.2 Lyhyet porakaivot

7 KIRJALLISUUTTA Liite 1 Esimerkkejä lämmön varastoinnin kustannuksista

1 JOHDANTO Rakennusten lämmitys vie noin neljäsosan kaikesta Suomessa käytetystä energiasta. Yksi keino vähentää energian tuotantoa on hyödyntää ylijäämäenergioita tai jätelämpöä tehokkaammin. Ylijäämä- ja jätelämmöt kannattaa hyödyntää kuten muukin jäte tai prosessien sivuvirtoina syntyvä uusiokäytettävä raaka-aine. Erilaiset varastointiteknologiat, joissa maankamaraa hyödynnetään, ovat tuoneet uusia mahdollisuuksia lämpöenergian varastointiin. Maankamaraa voidaan hyödyntää lämmityksen ohella myös tilojen jäähdyttämiseen.

Lämpöenergian kausivarastointi tukee monella tapaa kiertotalousajattelua. Varastointi tehostaa jo syntyneen tai tuotetun lämpöenergian hyödyntämistä, ja se lisää uusiutuvan energian osuutta energiatarpeen kattamisessa. Kausivarastoinnista voidaan hyötyä myös energian hinnan

LAUS

UNTO

VERS

IO

RTS 19:38 Lämpöenergian kausivarastointi OHJE-EHDOTUS - 2

© Rakennustietosäätiö RTS sr 2019

vaihdellessa: Energian markkinahinnan ollessa alhainen, energiakaivoihin kannattaa ladata lämpöä. Markkinahinnan noustessa voidaan lämpöä purkaa kaivoista vähentäen ostoenergian tarvetta.

Lämpöenergian varastoinnin kannalta kasvavina kehityssuuntina voidaan nähdä älykkäiden ratkaisujen tarjoamat mahdollisuudet, kiinnostus ylijäämälämpöjen hyödyntämiseen ja varastoinnin skaalautuvuus niin matalan lämpötilan pien- tai kerrostalokohteisiin kuin megaluokan korkean lämpötilan teollisuuskohteisiin. Tulevaisuudessa älykkäät ja avoimet energiajärjestelmät - niin sanotut 5. sukupolven kaukolämpö- ja kylmäverkot - voivat sisältää varastointiratkaisuja, joilla tasapainotetaan tuotantoa ja mahdollistetaan kysyntäjoustoa.

Kiinteistökohtaisten varastointijärjestelmien ohella voidaan rakentaa kortteli- ja aluekohtaisia varastoja esimerkiksi kaukolämpöverkkojen yhteyteen. Suuret aluevarastot voivat mahdollistaa suuruuden ekonomian tuomat hyödyt, kun varaston volyymi kasvaa suhteessa sen ulkovaipan alaan. Näin varastosta karkaa suhteessa vähemmän lämpöä hukkaan ympäröivään maankamaraan. Uudenlaisten energiaratkaisujen yleistymistä voidaan tukea lainsäädännön päivityksillä, kestävällä kaavoituksella ja maankäytön suunnittelulla.

Uusiutuvan energian tarjonta ja tarve eivät useinkaan kohtaa. Tämä yhteensopimattomuus on mahdollista ratkaista energian varastoinnilla. Kesäajan ylijäämä-, hukka- ja ilmaislämpö voidaan laittaa varastoon kesäkauden yli (kausivarastointi) ja ottaa uusiokäyttöön, kun lämmöntarvetta syntyy (kuva 1). Lyhyt- tai pitkäaikaiseen varastointiin on olemassa monia tapoja ja tekniikoita. Tässä RT-ohjekortissa käsitellään pitkäaikaista lämmön varastointia maankamaraan eli lämpöenergian kausivarastointia.

Kuva 1. Uusiutuvan energian tarjonta ja tarve eivät useinkaan kohtaa, vaan niiden välillä on aikaeroa.

2 LAINSÄÄDÄNTÖ JA LUVITUS Lämpöenergian varastointia koskee pitkälti sama lainsäädäntö ja määräykset kuin energiakaivojen rakentamista, josta löytyy kattavaa tietoa Ympäristöministeriön Energiakaivo-oppaasta (2013, s.13-21). https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf.

Lämmön kausivarastointia suunniteltaessa on otettava huomioon seuraavat lait ja määräykset:

https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf

LAUS

UNTO

VERS

IO



• Maankäyttö- ja rakennuslaki (132/1999) • Vesilaki (587/2011) • Ympäristönsuojelulaki (86/2000) • Kiinteistönmuodostamislaki (554/1995) • Kemikaalilaki (744/1989) • Terveydensuojelulaki (763/1994) • Ympäristöministeriön asetus uuden rakennuksen

energiatehokkuudesta (1010/2017) • Ympäristöministeriön asetus rakennusten vesi- ja viemärilaitteistosta

(1047/2017) • kunkin kunnan ympäristönsuojelumääräykset.

Porausluvituksessa on kuntakohtaisia eroja, jotka tulee selvittää ennen töiden aloitusta.

3 PROSESSI Ylijäämälämpöjen hyödyntämistä ja lämpöenergian kausivarastointia suunnittelevan on huomioitava hanke- ja esisuunnitteluvaiheessa varastointiin liittyviä reunaehtoja ja käydä läpi prosessin eri vaiheita.

Jo kaavoitusvaiheessa tehdyt ratkaisut vaikuttavat kiinteistöjen energiaratkaisujen toteutusmahdollisuuksiin. Hankesuunnitelmaa tehdessä olisi tiedettävä ainakin perustasolla erilaiset mahdollisuudet hyödyntää rakennuksen omia tai lähialueen lämpökuormia suoraan tai varastoimalla.

3.1 Prosessikaavio Prosessikaavioissa (kuva 2) on esitetty lämpöenergian kausivarastoinnin kannalta oleellisia vaiheita, jotka on otettava huomioon hankkeen suunnitteluvaiheessa.

LAUS

UNTO

VERS

IO



Kuva 2. Prosessikaavio lämpöenergian kausivarastoinnin vaiheista.

LAUS

UNTO

VERS

IO



3.2 Lähtötiedot Lämpöenergian varastoinnin ketju voidaan jaotella neljään osaan lähtötietoja selvitettäessä: lämmön synty-, varastointi- ja hyödyntämispaikat sekä siirto eri osien välillä. Alustavaa suunnittelua varten jokaisesta ketjun osasta tulee tietää perus- ja lähtötietoja, jotta kokonaisuus saadaan sovitettua yhteen ja jokainen osa on sopiva suhteessa toisiinsa. Syntypaikasta tarvitaan muun muassa tieto lämpötehoista ja tehon esiintymisajoista. Varastointipaikasta tarvitaan maankamaraan tai varastointimateriaaliin liittyviä lähtötietoja ja hyödyntämiskohteesta tietoa esimerkiksi lämmöntarpeista, tarpeen ajoittumisista ja hyötysuhteista. Putkiston suunnittelussa pitää huomioida esimerkiksi maan käyttöön liittyvät asiat, putkien ominaisuudet, sekä tarvittava virtausmäärä ja lämpötila lämmönsiirtonesteelle.

Maankamara

Maankamara koostuu maaperästä ja kallioperästä. Kun lämpöenergiaa varastoidaan maakamaraan, tulee tietää maankamaran ominaisuudet, jotka voivat vaihdella merkittävästi pienenkin alueen sisällä. Perusasioita voidaan saada selville jo pohjatutkimusten ja maaperäkarttojen avulla, mutta yleensä isommissa – ja korkean lämpötilan - kohteissa tarvitaan tarkempia tutkimuksia muun muassa pohjaveden liikkeiden ja maaperän tehollisen lämmönjohtavuuden selvittämiseksi. Tarkat lähtötiedot luovat pohjan tarkoille investointi- ja elinkaarilaskelmille. Isoissa teollisuuskohteissa maaperätutkimuksiin kannattaa varata useampia kymmeniä tuhansia euroja tarkkojen lähtöarvojen selvittämiseen. Pientalokohteissa savimaahan tai kallioperään varastoitaessa ei yleensä erillisiä selvityksiä toteuteta.

TRT – Terminen vastetesti

Terminen vastetesti eli TRT on yksi mittausmenetelmä, jolla voidaan arvioida maalämpökentän kannalta oleelliset kallion termiset ominaisuudet eli kallion lämmönjohtavuus sekä porakaivon vastus. Testin tuloksia käytetään hyväksi maalämpökentän mitoituksessa.

Termisellä vastetestillä tutkitaan kallioperän ja energiakaivon termisiä ominaisuuksia. Mittauksessa energiakaivon lämmönkeruunestettä lämmitetään TRT-laitteessa ja kierrätetään kaivossa laitteen pumpun avulla. Lämmityksen jälkeen nesteen kierrätystä jatketaan ja mitataan lämmönsiirtonesteen jäähtymistä. Tulkinnan tuloksina saadaan kallioperän tehollinen lämmönjohtavuus ja tutkimuskaivon lämpövastus, joita käytetään energiakaivokentän mallinnuksessa. Ennen TRT-mittauksen tekemistä on mitattava kallioperän häiriintymätön lämpötila syvyyden funktiona.

4 KAUSIVARASTOINTIJÄRJESTELMÄT Yleisnimi kaikille maanpinnan alapuolisille lämpöenergian kausivarastoille on Underground Thermal Energy Storage (UTES) ja lämpöenergian kausivarastoinnista käytetään yleisesti nimeä Seasonal Thermal Energy Storage (STES). UTES järjestelmien niin kutsuttuja alalajeja ovat A-, B-, C- ja DTES järjestelmät

• ATES Aquifer Thermal Energy Storage (pohjavesilämpövarasto)

”Maankamara” -karttapalvelu

”Maankamara” on Geologian tutkimuskeskuksen ylläpitämä karttapalvelu, josta löytyy suunnittelun tueksi tietoja Suomen maa- ja kallioperästä.

Palvelussa yhdistyvät mm. maa- ja kallioperäkartat, tarkka korkeusmalliaineisto sekä ilmakuvat. Nähtävissä on mm. hallinnolliset rajat, suojelualueet, kiinteistöt ja valuma-alueet, geologiset luontokohteet, kiviainesvarannot, geoenergiapotentiaali, Suomen ympäristökeskuksen aineistoja mm. pohjavesialueista ja luonnonsuojelukohteista sekä Maanmittauslaitoksen pohjakartat.

https://gtkdata.gtk.fi/Maankamara/index.html

https://gtkdata.gtk.fi/Maankamara/index.htmlhttps://gtkdata.gtk.fi/Maankamara/index.html

LAUS

UNTO

VERS

IO



• BTES Borehole Thermal Energy Storage (porareikälämpövarasto ml. paalujen kautta tapahtuva lataus/purku)

• CTES Cavern Thermal Energy Storage (luolalämpövarasto)

• DTES Duct Thermal Energy Storage (putkitettu maalämpövarasto)

Näiden lisäksi kausivarastointia voidaan tehdä maanpäällisiin varastoihin, jotka voivat olla suuria vesialtaita tai säiliöitä. Allasvarastoista käytetään nimitystä PIT Energy Storage. Mikäli varastointiaineena käytetään faasimuunnosmateriaalia, järjestelmän nimi on Phase Changing Material Energy Storage PCMES. Jäljempänä on tarkemmin kuvattu kaikki tyypillisimmät kausivarastointijärjestelmät.

Kausivarastoinnissa energiavarastoa käytetään joko energian varastoimiseen tai sen purkamiseen varastosta. Usein kauden pituus on vuosi, mutta muitakin aikajänteitä voidaan käyttää.

4.1 Perinteinen energiakaivo, regenerointi/varastointi Perinteiset energiakaivot toimivat vain lämpöenergian keruupisteinä. Niihin ei ladata lämpöä. Perinteiset energiakaivokentät, joissa kaivot sijaitsevat yli 15 metrin etäisyydellä toisistaan, eivät synnytä synergiavaikutusta, jolloin kaivot eivät tue toinen toisiaan. Tämä on ollut tarkoituksellista, kun kaivosta on haluttu vain ottaa riittävä energiamäärä lämmityskaudella eikä yhdestä kaivosta kerätty energia saa heikentää toisen kaivon saantia. Perinteisiä kaivoja tai kaivokenttiä ei regeneroida eikä niissä hyödynnetä varastointia. Tämä johtaa kaivojen ja niitä ympäröivän maan jäähtymiseen.

Energiakaivojen regenerointi ja varastointi eroavat toisistaan kentän rakenteen osalta. Energiakaivojen regeneroinnista puhutaan, kun energiakaivoihin ladataan tai palautetaan lämpöä tiettyinä aikoina, mutta energiakaivoja on niin vähän (alle 10 kpl) tai ne sijaitsevat niin etäällä toisistaan (yli 10 metriä), että kaivot eivät muodosta yhtenäistä kokonaisuutta, jossa kaivoilla on selvää keskinäisvaikutusta ja synergiaa. Regenerointi kuitenkin parantaa energiakaivon tai -kentän ja maaperän lämpötasapainoa ja siksi usein lämmitysjärjestelmän hyötysuhdetta. Regenerointi tapahtuu esimerkiksi kesäaikana tiloja viilentämällä. Näin regeneroinnilla on sekä taloudellinen että tilojen viihtyvyyttä lisäävä vaikutus.

Lämpöenergiaa voidaan varastoida maaperään ja palauttaa hyvällä hyötysuhteella, kun varastointi- tai latauspisteitä (ts. porareikiä tai energiapaaluja) on tarpeeksi paljon ja tarpeeksi tiiviisti niin, että latauspisteistö toimii toisiaan tukien. Yleensä varastointikäytössä oleva energiakenttä käsittää yli 10 latauspistettä, joiden keskinäinen etäisyys toisistaan on 3-5 metriä. Tällöin voidaan puhua lämpöenergian varastoinnista. Käyttämällä energiakentän hallintaan älyohjausta saadaan eri tasoiset lämmöt ohjattua latauskentässä optimaaliseen kohtaan – Kuumimmat lämmöt kentän keskialueelle ja haaleammat lämmöt reuna-alueelle puskurilämmöksi.

Energiakenttä voidaan myös eristää maan pinnalta. Mikäli kenttä on rakennuksen alla, rakennuksen alapohja toimii eristeenä tai ylöspäin karkaavaa lämpöä voidaan hyödyntää alimpien kerrosten lämmittämiseen tai lämpöhukan vähentämiseen. Kentän ollessa taivasalla voidaan päälle laittaa kerros eristävää materiaalia. Eristäminen on perusteltua, mikäli

LAUS

UNTO

VERS

IO



kenttä on pinnan alaltaan suuri suhteessa muuhun vaipan alaan, ja halutaan minimoida yläpinnan lämpöhukkaa. Eristeenä voidaan käyttää monenlaisia kierrätys- tai uusiokäyttömateriaaleja perinteisten eristeiden ohella. Esimerkiksi Tanskassa Braedstrupissa pellolle rakennettu 19 000 m3 lämpövarasto on eristetty reilulla puolen metrin kerroksella simpukan kuoria.

4.2 Maaperävarastot koon mukaan Eri tyyppiset maaperävarastot voidaan jaotella kolmeen kategoriaan sen mukaan, minkä kokoisesta varastosta on kyse ja mihin varastoista hyödynnettävä lämpöenergia siirretään. Koon ja hyödyntämiskohteen perusteella saadaan näin ollen jaottelu alue-, kortteli- ja kiinteistökohtaisiin varastoihin. Alle on kuvattu periaatetasolla eri kategorioiden ratkaisut lämmön keräämisestä, varastoinnista ja hyödyntämisestä.

Kuvassa 3 on aluelämpövarasto. Teollisista prosesseista ylijäämälämpö voidaan koota yhteiseen aluelämpövarastoon ja siirtää sieltä lämmityskaudella esimerkiksi kaukolämpöverkon kautta asuinrakennusten lämmitykseen. Kaukolämpöverkon ollessa niin sanottu matalalämpöinen tai ultramatalalämpöinen kaukolämpöverkko, useampien toimijoiden on teknisesti mahdollista itsekin tuottaa verkkoon lämpöä. Tällöin puhutaan 2-suuntaisesta kaukolämmöstä. Aluelämpövarasto voi olla esimerkiksi pohjavesivarasto (ATES), monireikäinen porareikäkalliovarasto (BTES) tai allaslämpövarasto (PIT ES).

Kuva 3. Periaatekuva aluekohtaisesta lämpövarastosta.

Kuvassa 4 on korttelikohtainen lämpövarasto. Kesäaikana lämpöä voidaan kerätä aurinkokeräimillä, rakennusten pinnoista tai rakennusten sisäilmasta. Myös asfaltti tai kiveykset voidaan rakentaa keräimiksi asentamalla pintojen alle keruuputkisto, joka siirtää lämmön yhteiseen varastoon. Varastosta lämpöä puretaan lämmityskaudella sisäilman lämmitykseen, käyttöveden esilämmitykseen tai piha-alueiden sulanapitoon.

LAUS

UNTO

VERS

IO



Kuva 4. Periaatekuva korttelikohtaisesta varastosta.

Kuvassa 5 on kiinteistökohtainen varasto. Varasto voi sijaita rakennuksen vieressä tai sen alla. Maaperää voidaan hyödyntää sekä lämmitykseen että viilennykseen riippuen varaston lämpötilatasoista ja käyttäjien tarpeista.

Kuva 5. Periaatekuva kiinteistökohtaisesta varastosta.

4.3 ATES - Aquifer Thermal Energy Storage Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) on järjestelmä, jossa pohjaveteen varastoidaan ylijäämälämpöä ja -kylmää. Yksi tai useampi kaivo porataan pohjavesikerrokseen lämmön latausta ja purkua varten. Pohjavesi toimii lämmön varaajana ja kuljettajana. (Kuvat 6 ja 7). Yksinkertaisimmassa ATES systeemissä talviaikana pumpataan ”lämpimän pohjaveden” kaivosta pohjavettä lämmitystarkoitukseen. Rakennuksen lämmityksessä pohjavedestä otetaan energiaa, jolloin pohjaveden lämpötila laskee. Viilennyt pohjavesi palautetaan toiseen, ”kylmän pohjaveden” kaivoon. Kesällä kierto vaihdetaan toisinpäin, eli ”kylmän pohjaveden” kaivosta pumpataan vettä viilennystarkoitukseen. Viilennyksessä pohjaveden lämpötila nousee ja se palautetaan lämmitettynä ”lämpimän pohjaveden” kaivoon. ATES järjestelmiä hyödynnetään lyhyt- ja pitkäaikaisessa varastoinnissa ja se sopii moniin sovelluksiin.

Ruotsissa ATES järjestelmiä oli vuoden 2019 loppuun mennessä rakennettuna lähes 200 kappaletta ja Hollannissa noin 3000. Suomessa pohjaveden sisältämää lämpöenergiaa hyödynnetään jonkin verran, mutta

LAUS

UNTO

VERS

IO



ATES järjestelmät ovat ainakin tähän asti olleet harvinaisia. Lahdessa Askon alueella on vuonna 2018 käyttöön otettu toimiva ATES.

Pohjavettä energiantuotannossa hyödyntävissä järjestelmissä on kaksi perusperiaatetta, joista ensin mainittu hyödyntää varastointia:

• Vaihtuva virtaus varaston lataamiseksi ja purkamiseksi. Järjestelmään kuuluu lämpimien kaivojen kenttä ja kylmien kaivojen kenttä.

• Yhdensuuntainen jatkuva virtaus, jossa vaihtuva lämpötila syöttökentässä ja tasainen lämpötila tuottokentässä. Tätä käytetään kaukokylmässä.

ATES-järjestelmiä rakennettaessa täytyy huomioida erityisesti pohjaveden käyttö juomavetenä tietyillä alueilla sekä vesikemia ja alueen luonnonsuojelulliset arvot.

ATES-järjestelmien ja geologisten tekijöiden vaikutusta sekä käyttäytymistä voidaan mallintaa simuloinneilla ja mallinnuksilla.

Kuva 6. Pohjavesi lämpövarastona (ATES). Kesätilanne.

LAUS

UNTO

VERS

IO



Kuva 7. Pohjavesi lämpövarastona (ATES). Talvitilanne.

4.4 BTES - Borehole Thermal Energy Storage Borehole Thermal Energy Storage (BTES) on järjestelmä, jossa maankamaraan, useimmissa kohteissa kallioperään, varastoidaan ylijäämälämpöä ja -kylmää. BTES on yleisimmin käytetty maanalaisen varastoinnin tyyppiratkaisu. Useita satoja tuhansia BTES-järjestelmiä on rakennettu ympäri maailman.

Suurin osa BTES järjestelmistä maailmalla on yhden tai muutaman porareiän järjestelmiä, jotka voitaisiin tyypitellä varastoinnin sijaan regeneroitaviksi energiakaivoiksi tai energiakentiksi. Regeneroinnilla eli lämmön latauksella/palauttamisella kaivoon parannetaan kaivosta saatavan energian määrää suhteessa perinteiseen energiakaivoon, vaikkakin vähäinen reikämäärä johtaa varastoidun lämmön suhteellisen suureen hukkaamiseen. Suurempia 10-20 porareiän järjestelmiä eli lämpövarastoja rakennetaan jatkuvasti enemmän. Samoin syvien (ja samalla regeneroitavien) energiakaivojen osuus on kasvusuunnassa.

Lämmön varastointi kallioon tehdään porakaivokenttinä. Kallioon poraamalla rakennettava energiavarasto koostuu isosta määrästä tietyn mittaisia porakaivoja, jotka ovat tavallisiin energiakaivoihin verrattuna paljon lähempänä toisiaan. Porakaivojen syvyys sekä kaivojen keskinäiset etäisyydet määritetään simuloimalla sekä lämmönlähde että rakennus/rakennukset, jota järjestelmä palvelee.

Termistö ja jaottelu energiakaivojen syvyyden perusteella ei ole vielä vakiintunut. Matalilla energiakaivoilla tarkoitetaan yleensä noin 30-50 metriä syviä porareikiä, perinteisillä energiakaivoilla 150-300 metriä syviä porareikiä, keskisyvillä energiakaivoilla 500 – 2000 metriä syviä porareikiä ja syvillä energiakaivoilla yli 2000 metriä syviä porareikiä. Syvyydet ovat suuntaa-antavia.

Energiakaivot hyödyntävät syvältä maan ytimestä tulevaa lämpöenergiaa ja radioaktiivisesta hajoamisesta vapautuvaa lämpöä. Merkittävin ero perinteisen maalämmön ja syväenergian välillä on, että keskisyvää ja

LAUS

UNTO

VERS

IO



syvää geotermistä lämpöä saadaan noin 0,5 - 8 kilometrin syvyydestä, jossa lämpötilat ovat luontaisesti korkeampia kuin matalammissa rei’issä.

Maankamaran peruslämpötila noin 15 metrin syvyydessä, jossa auringon vaikutus ei näy enää lämpötilavaihteluna, on noin 6 °C Etelä-Suomessa, 300 metrin syvyydessä noin 10 °C ja 6-8 km syvyydessä noin 100 °C (kuva 8). Lämpötilat vaihtelevat maantieteellisen sijainnin mukaan ja myös paikallisesti.

Hukkalämpöjen hyödyntäminen varastoimalla energiakaivoihin (myös energiakaivon tai -kentän regenerointi) nostaa maankamaran peruslämpötilaa, jolloin voidaan saavuttaa lämpötilan suhteen samoja etuja matalissa energiakaivoissa tai -kentissä kuin mitä syvillä kaivoilla tavoitellaan. Mikäli tontilla on tilaa niukasti, syväkaivot saattavat olla sopivampi vaihtoehto kuin energiakenttä: useiden porareikien sijaan riittää yksi tai muutama reikä.

Kuva 8. Havainnekuva lämpöenergiapotentiaalista eri tyyppisillä energiakaivoilla ja lämpöenergian kausivarastointiin suunnitellulla energiakentällä.

Syväkaivoissa putkitus ja lämmönsiirtoneste eroavat usein perinteisestä maalämpötekniikasta. U-putken sijaan voidaan käyttää erityisesti syviä energiakaivoja varten kehiteltyä koaksiaaliputkea. Glykolin tai etanolin sijaan koaksiaaliputkessa virtaa tavallisesti vesi. Syvissä kaivoissa ei aina

LAUS

UNTO

VERS

IO



ole välttämättä lämmönsiirtoputkitusta vaan kallioperän veden tai liuoksen kierto tapahtuu yhdestä reiästä alas ja toisesta ylös.

Syväkaivoja tarvitaan vähemmän kuin perinteisiä energiakaivoja, joten ne soveltuvat esimerkiksi suurien kiinteistömassojen energiantuotantoon tiiviillä kaupunkialueilla. Syväkaivojen välinen etäisyys toisistaan ratkaistaan tapauskohtaisesti simuloimalla.

Syväkaivot voivat hyödyntää maaperässämme olevan uusiutuvan energian tehokkaasti, koska lämpötila kasvaa syvemmälle mentäessä. Syväkaivoillakin voidaan tuottaa lämmityksen lisäksi jäähdytysenergiaa.

Paalujen kautta lämpöenergiaa voidaan varastoida savikerrokseen. Paalujen käyttö lämmön varastointiin on usein taloudellisesti kannattavaa rakennuksissa, jotka joudutaan joka tapauksessa paaluttamaan. Maaperät, jotka vaativat paalutuksen, ovat usein samoja, joissa lämmön varastointi onnistuu parhaiten, kuten savimaat. Teräspaaluissa käyttö energian keräykseen ei vaikuta paalutyyppiin tai kokoon. Sen sijaan teräsbetonipaaluissa energiakäyttö täytyy huomioida jo paalutusta tilatessa, sillä paalun tyyppi ja koko määrittävät kollektoriputken, jota käytetään energian keräykseen. Energian varastointiin käytettyjen paalujen määrä sekä keskinäinen etäisyys simuloidaan rakennuksen energiavirtojen funktiona. Esimerkki paaluilla toteutetusta lämpöenergian kausivarastosta on 2019 perustusvaiheessa ollut Turun Toriparkki (kuva 9).

Kuva 9. Havainnekuva Turun Toriparkista. Paalujen kautta siirretään kesällä lämpöä saveen ja talvella savesta parkkihallin lämmittämiseen ja torialueen sulanapitoon (BTES-järjestelmä).

LAUS

UNTO

VERS

IO



Energiapaaluista suunnitteluvaiheessa tehtävällä simuloinnilla varmistetaan, ettei energiapaaluja ympäröivä savi jäädy tai sen lämpötila nouse liian korkeaksi. Jäätyessään saven rakenne muuttuu ja sen kantavuus heikkenee. Myös lämpötilan noustessa liian korkeaksi seuraukset ovat hyvin samankaltaiset.

Varastointi tapahtuu porareikään tai paaluun asennettujen lämmönsiirtimien avulla. Lämmönsiirtiminä käytetään yleisimmin muoviputkistoa, jonka sisällä kiertää lämmönsiirtoneste. Lämmönsiirtonesteen kautta maankamaraan joko varastoidaan tai sieltä hyödynnetään energiaa sen käyttötarpeiden mukaisesti.

BTES järjestelmillä on monia sovellusmahdollisuuksia. Ne soveltuvat niin pieni- kuin suurimittakaavaisiin järjestelmiin, lämpöpumpun kanssa tai ilman ja sekä lämmitykseen että jäähdytykseen.

Eräs mielenkiintoinen sovellusehdotus on kaukolämmityksessä hyödynnetyn teollisuuden hukkalämmön varmuusvarastointi. Varastosta saadaan lämpöä esimerkiksi teollisuuden huoltokatkojen ajalle. Lämpövarastoa voitaisiin pitää ladattuna siihen asti, kunnes lämmölle tulee tarvetta. Lämpövaraston kapasiteetti pitää mitoittaa odotettavissa olevien huoltokatkojen mukaan.

4.5 CTES - Rock Cavern Thermal Energy Storage Rock Cavern Thermal Energy Storage (CTES) järjestelmässä eli luolalämpövarastossa hyödynnetään kallioperään louhittuja tiloja energianvarastointiin. Esimerkkeinä CTES ratkaisuista ovat entiset kaivos- tai muut louhitut tilat, jotka otetaan hyötykäyttöön niiden varsinaisesti suunnitellun käytön loputtua. Kalliotilaan lasketaan yleensä vettä useita tuhansia kuutioita – ellei se ole jo täyttynyt itsestään. Tämän kategorian alle luetaan myös Mine Thermal Energy Storage (MTES) järjestelmät.

Tällaisessa suuren vesimäärän sisältävässä järjestelmässä on tärkeää säilyttää lämpökerrostuma luolan muodostamassa säiliössä. Kuuma vesi tuodaan säiliön yläosaan ja kylmempää vettä otetaan alaosasta. Luolalämpövarastoilla on käyttöä ajatellen yksi selkeä etu: sekä energian lataaminen että purkaminen voi tapahtua suurella tehotasolla, joten se soveltuu kohteisiin, joissa tarvitaan suuria lämpötehoja. Luolalämpövarastoa voidaan käyttää myös jään/lumen varastointijärjestelmän osana, katso PCMES eli faasimuunnosmateriaalienergiavarastot.

4.6 DTES - Duct Thermal Energy Storage Duct Thermal Energy Storage (DTES) eli putkitettu maalämpövarasto on vanhentunut termi, jota käytettiin ennen BTES termin yleistymistä kuvaamaan energiavarastoja kalliossa tai maaperässä erotettuna ATES-varastoista. Termiä käytetään nykyisin muutamissa julkaisuissa kuvaamaan maaperään ilman porausta asennettuja lämmönvaihtoputkistoja. Suomessa kutsutaan noin metrin syvyyteen saveen asennettuja vaakaputkituksia myös maapiiriksi.

Useita tällaisia laitoksia on toteutettu Euroopassa – joko maahan vaaka- tai pystysuuntaan asennetuilla putkistoilla. Jotkut niistä toimivat korkeilla lämpötiloilla, mutta suurin osa on kytketty lämpöpumppuun. Ne toimivat lähellä maaperän luonnollista lämpötilaa ja lämpöpumpulla nostetaan lämpö käyttötarpeeseen sopivaksi.

LAUS

UNTO

VERS

IO



4.7 PIT ES - Pit Energy Storage Pit tarkoittaa allasta tai kaivantoa. Pit Energy Storage soveltuu maastoihin, joissa pintamaa on hiekkamaista ja maa-alue tasaista. Allaslämpövarastoja onkin useita Tanskassa. Tyypillisesti altaisiin varastoidaan satoja tuhansia kuutioita vettä, jota aurinko lämmittää sekä suoraan että keräinten avulla. Kuvassa 10 on Tanskassa Vojensiin vuonna 2015 rakenteilla ollut 200 000 m3 allaslämpövarasto.

Kuva 10. Kuva Vojensin PITES-järjestelmästä rakennusvaiheessa 2015.

4.8 PCMES - Phase Changing Material Energy Storage Phase Changing Material Energy Storage perustuu faasimuunnosmateriaalien käyttöön. Näissä materiaaleissa faasin muuttumisesta vapautuva tai sitoutuva lämpömäärä on moninkertainen verrattuna tavanomaiseen lämpöenergian varastointiin tai purkuun. Tavanomaisimpia lämpöenergian varastointiin käytettyjä faasimuunnosmateriaaleja on vesi (jää), erilaiset parafiinit ja suolat.

Faasimuunnosmateriaali (PCM) sitoo sulaessaan energiaa latenttilämpönsä mukaisesti. Lämpötilan laskiessa ja PCM materiaalin muuttuessa kiinteäksi lämpöenergiaa vapautuu. Ilmiötä voi myös hyödyntää toisinpäin jäähdytykseen. PCM varastointijärjestelmillä saavutetaan hyvä kapasiteetti suhteessa tilavuuteen. Muita PCM energiavarastointijärjestelmien ominaisuuksia on, ettei varastointiin käytetty materiaali aiheuta lämpöhukkaa sekä latenttilämpö saadaan purettua vakiolämmössä eli käytetyn faasimuunnosmateriaalin sulamispisteessä.

5 LÄMMÖNLÄHTEET JA -KERÄIMET Maalajeista savikko ja kallio ovat parhaita lämpövarastoja, hiekka ja moreeni eivät sovellu yhtä hyvin varastointiin. Pohjavesiolosuhteet ja maassa ennestään oleva infrastruktuuri vaikuttavat varaston toteutusmahdollisuuksiin. Karkeasti noin puolet maahan upotetusta lämmöstä saadaan takaisin. Maahan ladatun ja sieltä palautettavan lämmön suhdetta ei pysty arvioimaan, sillä muuttujia on useita. Tarkastelu on aina tehtävä tapauskohtaisesti simulaatioiden avulla.

5.1 Väliaineet Yleisimpiä väliaineita lämmön keräämisessä ovat vesi, veden ja alkoholin seokset ja ilma. Väliaineen lämpötila sekä massavirta määrittävät tarjolla olevan energian määrän. Varastoitavan lämmön lataustehoa simuloitaessa täytyy huomioida muun muassa väliaineena olevan aineen

LAUS

UNTO

VERS

IO



ominaisuudet, lämmönvaihtimien aiheuttamat häviöt sekä lämpövaraston lämpenemisen vaikutus lataustehoon.

Nestekiertoiset järjestelmät ovat yleisimpiä lämmön keräämisessä. Jos lämmönlähteessä ja lämpövarastossa on sama neste, ei tarvita erillisiä lämmönvaihtimia. Tämä pienentää rakennuskustannuksia ja parantaa hyötysuhdetta. Järjestelmissä, joissa nesteen lämpötila saattaa laskea lähelle 0 °C, käytetään aina jäätymisen estäviä kemikaaleja, kohteesta riippuen yleisimmin joko etanolia, propyleeniglykolia tai etanolin ja veden seosta. Jäätymisen estävät aineet huonontavat järjestelmän hyötysuhdetta, kasvattavat rakennuskustannuksia sekä ovat esimerkiksi pohjavesialueilla luvanvaraisia.

5.2 Aurinkokeräin Aurinkokeräimillä tuotettu lämpö varastoidaan tavallisesti käyttövesivaraajaan, mutta lämpöä voidaan varastoida lisäksi esimerkiksi energiakaivoihin, rakennuksen alle maaperään tai käyttää kaukolämmön tuotannossa. Keräimiltä saatu lämpö ohjataan maaperään heti, kun vesivaraaja on lämmennyt. Markkinoilla on useita aurinkolämpöjärjestelmiä, jotka ovat pääosin tasokeräimiä tai tyhjiöputkikeräimiä. Hybridikeräimillä voidaan ottaa varastoon sekä lämpöä että sähköä.

Tasokeräimessä keruuputkistona toimii vaakatasoon asennettu kupariputki, kun taas tyhjiöputkikeräimessä putkisto on sijoitettu eristeenä toimivan tyhjiöksi imetyn lasiputkilon sisälle. Aurinkokeräimistä löytyy tietoa ohjekortista RT 103077 Aurinkolämpöjärjestelmät.

Markkinoilta löytyy myös tuotteita, jotka toimivat sekä vesikatteena että aurinkokeräimenä. Järjestelmän maaperävarasto muodostaa älykentän, joka toimii kuten BTES ja järjestelmän ohjaimella voidaan optimoida katon ja älykentän toimintaa.

Esimerkiksi Finn Springin tehtailla Toholammilla oleva BTES koostuu 61 kappaleesta 45 metriä syviä porareikiä, joiden halkaisija on 115 mm. Porareiät ovat 2,7 metrin etäisyydellä toisistaan ja ne muodostavat halkaisijaltaan noin 21 metrin kokoisen BTES-järjestelmän, jonka tilavuus on noin 16 000 m3.

Kaivoihin varastoidaan tehtaan kompressorien hukkalämpöä sekä aurinkokeräimillä saatavaa energiaa. Talvella talteen saadulla energialla voidaan lämmittää toimistotiloja ja uimahallia (kuva 11).

LAUS

UNTO

VERS

IO



Kuva 11. Havainnekuva virvoitusjuomatehtaan BTES-järjestelmästä.

5.3 Asfalttienergia Kesällä asfaltti on lämpimämpi kuin ilma tai asfaltoimaton maa. Tämän voi helposti havaita asfalttialueilla aurinkoisina päivinä.

Lämpöä voidaan kerätä asfalttikerroksen alta, noin puolen metrin syvyydestä, asentamalla tähän kerrokseen keruu- ja kierrätysputkia. Myös itse asfalttiin upotettavia putkia on käytetty. Tässä tapauksessa putken täytyy kestää asfaltointi, kovempi tärinä ja suuremmat lämpötilanmuutokset. Lisäksi putkien vaihtaminen on hankalampaa.

Keruu- ja kierrätysputkista lämpöenergia voidaan viedä syvemmälle maankamaraan varastoon porareikien tai paalujen kautta. Lisäksi kesän aikana lämpövarastoon voidaan tuoda energiaa esimerkiksi lähellä sijaitsevien rakennusten viilennyksestä.

Maankamaraan varastoitua lämpöenergiaa voidaan käyttää talvella asfalttikentän sulanapitoon tai lähistön rakennusten lämmitykseen. Asfalttienergiajärjestelmän toimintaa on havainnollistettu kuvassa 12.

Kuva 12. Asfalttienergiajärjestelmän toimintaperiaate.

LAUS

UNTO

VERS

IO



5.4 Rakennukset lämmönkeräiminä Kaikki rakennukset keräävät lämpöä auringosta ulkopintojensa sekä etenkin ikkunoiden kautta. Energiatehokas rakentaminen, jossa minimoidaan ulospäin suuntautuvat lämpövirrat, voimistaa sisälle kertyvän auringon lämmön vaikutusta. Rakennusten kuten muunkin maan päällisen infrastruktuurin pintoja voidaan hyödyntää auringon lämmön keräämiseen. Tästä esimerkkinä on muun muassa tuotteistettu aurinkokeräinkatto, jossa katepelti toimii sekä vesikatteena että aurinkokeräimenä.

Monenlaisissa lämmitetyissä, eri käyttötarkoitukseen suunnitelluissa rakennuksissa on ylijäämälämpöjä tarjolla. Muun muassa rakennusten sisäilmasta kuten asuin-, toimisto- ja serveritiloista on mahdollista ottaa talteen merkittäviä määriä lämpöenergiaa kesällä, jolloin rakennukset tarvitsevat jäähdytystä. Lämpöenergia, jota saadaan talteen, on lämpötilaltaan matalalämpöistä, eikä se ole suoraan hyödynnettävissä muissa kuin nollaenergia-lämmönjakojärjestelmissä. Useimmiten tämän tyyppinen järjestelmä on toimisto- tai liikerakennuksen energiapaalujärjestelmä, jota käytetään kesällä rakennuksen jäähdyttämiseen, ja vastaavasti talvella maalämpöpumpun lämmönlähteenä.

Eräs ratkaisu hyödyntää rakennusta lämmönkeräimenä on VTT:n kehittämä SunZEB-konsepti. Ensimmäiset tällä periaatteella toteutetut rakennukset valmistuivat Helsingin Kalasatamaan vuonna 2019.

Rakennukseen kohdistuvia ja sen sisäisiä lämpökuormia voidaan hyödyntää energiaresursseina, jolloin rakennus itsessään toimii lämmönkeräimenä ja lämpövoimalana.

Jotta rakennus saadaan osaksi älykästä uusiutuvan energian tuotantoa, tarvitaan taitavaa suunnittelua hyvien sisäilmaolosuhteiden varmistamiseksi, tarvitaan tekninen ratkaisu, jolla energia saadaan kerättyä talteen ja lisäksi tarvitaan energiavarasto tai lämmönsiirtoverkko (käytännössä kaukolämpö ja -jäähdytysverkko), jonne energia voidaan siirtää niinä aikoina, kun rakennus on lämpöenergian nettotuottaja. Kesällä auringon energia ja muut hukkaenergiat kerätään talteen ja ylilämpö hyödynnetään kaukojäähdytysjärjestelmän avulla kaukolämpöverkossa (kuva 13).

Kuva 13. SunZEB-rakennuksen toimintaperiaate. Auringon lämpövirta (1) kulkeutuu rakennukseen etenkin optimoitujen ikkunapintojen läpi. Rakennuksessa (2) sen jäähdytysjärjestelmä kerää lämpöenergian talteen samalla kun se ylläpitää miellyttäviä sisäolosuhteita. Kerätty lämpöenergia siirretään kaukojäähdytysverkon (3) kautta energiayhtiön lämpöpumppulaitokselle (4), josta lämpö saadaan hyötykäyttöön, tässä tapauksessa kaukolämpöverkkoon.

SunZEB-rakennuksessa auringonsäteilyn hyödyntäminen perustuu neljään suunnitteluperiaatteeseen:

LAUS

UNTO

VERS

IO



• Rakennukseen suunnitellaan riittävän laaja ikkunapinta-ala viihtyisien ja valoisien sisäolosuhteiden luomiseksi. Ikkunoissa käytetään ikkunatyyppiä, jossa lasiosan U-arvo on erittäin matala ja samalla lasin g-arvo (auringonsäteilyn kokonaisläpäisykerroin) on verrattain korkea.

• Auringon lämpökuormahuiput leikataan oikein mitoitetuilla julkisivurakenteilla. Varjostus perustuu ensisijaisesti kiinteisiin julkisivurakenteisiin. Säädettäviä tai ohjattavia julkisivurakenteita käytettäessä on varmistettava järjestelmän toimivuus kaikissa olosuhteissa.

• Ylilämpeneminen estetään kaukojäähdytykseen perustuvalla jäähdytysjärjestelmällä, jonka avulla auringon lämpöenergia käytetään hyödyksi kaukojäähdytysasemalla sijaitsevalla suurlämpöpumpulla.

• Sisätiloissa häikäisyltä ja ylilämpenemiseltä suojaudutaan lisäksi käyttäjäkohtaisesti säädettävillä varusteilla, kuten kaihtimilla tai verhoilla.

5.5 Teollisuuden prosessit Teollisuuden prosesseista syntyvästä lämmöstä (mm. koneet ja laitteet, jäte- ja jäähdytysvedet sekä jätteenpoltto) yli puolet syntyy aikaan, jolloin lämpöä ei pystytä hyödyntämään. Teollisuuslaitoksissa syntyvää ylijäämälämpöä voidaan varastoida maaperään. Maankamara, joka laitoksen alla sijaitsee, ei välttämättä ole lämmön varastoinnin kannalta optimaalinen tai varaston sijainti laitoksen alla aiheuttaa muita haasteita. Ylijäämälämpöjä saattaa olla myös niin paljon, että varasto olisi kooltaan paljon isompi kuin rakennuksen pohja-ala. Tyypillisesti varasto sijaitsee näiden rakennusten/laitosten vieressä tai perustellusta syystä etäämmälläkin, usein kuitenkin lämmön keruupaikan ja hyödyntämispaikan välillä. Lämpöä voi syntyä tietyissä laitoksissa niin paljon, että vaikka vain osa lämmöstä olisi hyödynnettävissä, se riittäisi kattamaan lämmitystarpeen.

Jätteenpolttoprosessissa syntyy paljon lämpöä ja ylijäämälämpöä tasaisesti ympäri vuoden. Ylijäämälämpöjä voidaan varastoida kesäaikana ja hyödyntää talvella esimerkiksi kaukolämpöverkossa huippukulutusten aikana suoraan tai lämpöpumpun tulistamana. Ylijäämälämpöjen varastointia on suunniteltu kuvassa 14 havainnollistettuun Salon Korvenmäkeen rakennettavaan jätteenpolttolaitokseen, jonka rakennustyöt käynnistyivät vuonna 2019.

Kuva 14. Havainnekuva Salon Korvenmäkeen rakennettavasta jätteenpolttolaitoksesta.

LAUS

UNTO

VERS

IO



5.6 Vesistöenergia ja lämpövarasto sedimentissä Luonnollisia lämpövarastoja ovat vesistöt ja veden alla oleva pohjasedimentti. Molemmat soveltuvat myös viilennykseen. Näiden lämpövarastojen käyttöönotto vaatii hyväksytyn luvan viranomaisilta.

Vesistölämpöä voidaan ottaa esimerkiksi joista, järvistä ja merestä. Lämpöä kerätään veteen upotetulla keruujärjestelmällä, jossa kierrätetään lämmönsiirtonestettä pumpun avulla. Vesistölämpö on saatavilla myös talvella paikoista, joissa vesi ei jäädy esimerkiksi virtauksen tai jääpeitteen ansiosta. Lämmönkeruujärjestelmä on tällöin mitoitettava niin, ettei maksimilämmönotto aiheuta veden jäätymistä pohjaan saakka.

Sedimenttilämpö perustuu veden pohjan alla olevaan sedimenttikerrokseen, jonka lämpöenergia uusiutuu vuosittain kesällä. Sedimenttilämpöjärjestelmä on ollut käytössä Vaasassa, Suvilahdessa sijaitsevalla asuntomessualueella vuodesta 2008. Tämä järjestelmä on matalalämpöverkko, johon on kytkeytynyt 48 taloa maalämpöpumpun avulla. Lämpö kerätään meren pohjasta käyttäen pohjan sedimenttikerrokseen, 3-4 m syvyyteen, työnnettyjä 300 metrisiä putkia. Putkia on yhteensä 26 kpl ja ne ovat jaettu 12 ja 14 putken ryhmiin. Kumpikin ryhmistä on yhdistetty vastaavaan lämmönkeruukaivoon, joka taas on yhteydessä matalalämpöverkkoon. Matalalämpöverkossa on 12 kpl jakokaivoja, joista lämmin neste siirretään kotitalouskäyttöön. Lämmönkeräysnesteenä on vesi-etanoliseos, jonka jäätymiskestävyys on -15 oC. Tällöin edes sedimentin mahdollinen jäätyminen ei estä käyttöä (kuvat 15 ja 16).

Kuva 15. Havainnekuva keruuputkiston asettamisesta sedimenttiin.

Kuva 16. Havainnekuva sedimenttienergian keruujärjestelmästä Vaasan Suvilahdessa.

3-4 m

Heat collection well

Heat collection pipe

LAUS

UNTO

VERS

IO



6 VARASTOINNIN KUSTANNUKSET Lämpövarastojen taloudellinen merkitys tavallisiin yksisuuntaisiin maalämpöjärjestelmiin verrattuna on se, että lämpövaraston vuosittainen potentiaalilämpöenergia kasvaa kesän latauksen ansiosta. Kesällä maahan ladattava lämpöenergia ei kuitenkaan täysimääräisesti pienennä järjestelmän kokoa energiamääräänsä vastaavalla määrällä.

6.1 Energiapaalujärjestelmät Energiapaaluilla voidaan korvata maalämpöjärjestelmään verrattuna se osa lämpövaraston hinnasta, joka olisi koitunut energiakaivojen poraamisesta. Eri järjestelmien hintoja vertailtaessa täytyy kuitenkin muistaa, että energiapaaluissa asennustyön osuus on isompi, koska paalut lähes aina ovat lyhempiä kuin porakaivot. Energiapaalujärjestelmissä myös paalutyypillä on iso merkitys siihen, kuinka paljon edullisemmaksi energiapaalut tulevat tavalliseen energiakaivon poraukseen verrattuna.

6.2 Lyhyet porakaivot Lämpöenergian varastointiin suunniteltavien energiakaivojen tai energiakenttien syvyys voi olla matalampi kuin perinteisten, useitakin porareikiä käsittävien energiakaivojärjestelmien. Perinteisesti syvempi kaivo auttaa saavuttamaan maankamaran korkeampia lämpötiloja. Poraamalla 100 metriä lisää syvyyttä nousee lämpötila maankamarassa noin yhden asteen Suomen olosuhteissa. Lämpöenergian lataaminen maankamaraan nostaa kuitenkin peruslämpötilaa useilla asteilla, jolloin energiakaivojen syvyyttä ei välttämättä tarvitse korkeamman lämpötilan vuoksi tavoitella.

Porakaivokenttinä (BTES) toteutettavien energiavarastojen syvyys voi olla esimerkiksi noin 30-40 metriä, jolloin käytettävissä on muitakin poraustekniikoita kuin tavallinen energiakaivon poraus. Näissä tekniikoissa poraamisen metrihinta on edullisempi ja porakaivojen toimivuus parempi kuin perinteisessä energiakaivoporauksessa.

7 KIRJALLISUUTTA Lait ja asetukset

Maankäyttö- ja rakennuslaki (132/1999)

Vesilaki (587/2011)

Ympäristönsuojelulaki (86/2000)

Kiinteistönmuodostamislaki (554/1995)

Kemikaalilaki (744/1989)

Terveydensuojelulaki (763/1994)

kunkin kunnan ympäristönsuojelumääräykset

Suomen rakentamismääräyskokoelma.

RT-ohjeet

RT 103077 Aurinkolämpöjärjestelmät

Muu kirjallisuus

LAUS

UNTO

VERS

IO



Ari Laitala ja Jukka Korri. (2018). Ylijäämälämpö yhdyskuntien vähähiilisyysratkaisuna. Maankäyttö-lehti 3/2018. http://www.maankaytto.fi/arkisto/mk318/mk318_2071_laitala_korri.pdf

David Banks. (2012). An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling, 2nd Edition.

Dirk Mangold, Thomas Schmidt, Antonia Dohna & Daniel Späh (2016). Guideline for seasonal thermal energy storage systems in the built environment. Solites. Steinbeis research institute for solar and sustainable thermal energy systems. Stuttgart. http://www.ectp.org/fileadmin/user_upload/documents/E2B/EINSTEIN/einstein-guidelines_stes-tanks-del-38.pdf

Michel Haller ja Florian Ruesch. 2019. Saisonale Wärmespeicher – Stand der Technik und Ausblick. Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik HSR. https://speicher.aeesuisse.ch/de/fokusstudien

Henrik Lund, Neven Duic, Poul Alberg Østergaard, ja Brian Vad Mathiesen. 2018. Future district heating systems and technologies: On the role of smart energy systems and 4th generation district heating. Energy, Volume 165, Part A, 15 December 2018, Pages 614-619

Raili Alanen, Tiina Koljonen, Sirpa Hukari ja Pekka Saari (2003). Energian varastoinnin nykytila. VTT tiedotteita 2199. Espoo. https://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2003/T2199.pdf

Janne Juvonen ja Toivo Lapinlampi (2013). Energiakaivo – Maalämmön hyödyntäminen pientaloissa. Ympäristöopas 2013. Ympäristöministeriö. Helsinki. https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf?sequence=4&isAllowed=y

Juha Esterinen, Mikko Ojala ja Marko Lehmikangas. (2014). Aurinkolämmön hyödyntäminen Östersundomissa. Pöyry Finland Oy. 2014.

Jari Shemeikka, Kimmo Lylykangas, Jaakko Ketomäki, Ismo Heimonen, Sakari Pulakka, Petri Pylsy (2015): SunZEB – Plusenergiaa kaupungissa. VTT Technology 219, Espoo.

Simone Buffa, Marco Cozzini, Matteo D’Antoni, Marco Baratieri ja Roberto Fedrizzi. 2019. 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 104, April 2019, Pages 504-522.

Anne Mäkiranta ja Erkki Hiltunen. 2019. Utilizing Asphalt Heat Energy in Finnish Climate Conditions. Energies 2019 12, no. 11: 2101.

Eero Siitonen. 2010. Teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntäminen kaukolämmityksessä. YIT Teollisuus- ja verkkopalvelut Oy, projekti numero 860308. https://docplayer.fi/2968184-Tyo-ja-elinkeinoministerio.html

Bo Nordell. 2000. Large-scale Thermal Energy Storage. WinterCities’2000, Energy and Environment. Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.

Suomen geoenergiapotentiaalikartta http://gtkdata.gtk.fi/maankamara/.

Per Alex Sørensen ja Thomas Schmidt. 2018. Design and Construction of Large Scale Heat Storages for District Heating in Denmark. EnerStock2018. 14th International Conference on Energy Storage. Adana, Turkey. http://planenergi.dk/wp-content/uploads/2018/05/Soerensen-and-Schmidt_Design-and-Construction-of-Large-Scale-Heat-Storages-12.03.2018-004.pdf

Signhild Gehlin ja Olof Andersson. 2016. Geothermal Energy Use, Country Update for Sweden. European Geothermal Congress, Strasbourg, France.

Signhild Gehlin, Olof Andersson, J Chiung Ningwei ja V Martin. 2019. Sweden Country Update on Energy Storage. EnerStock2018. 14th International Conference on Energy Storage. Adana, Turkey.

Chuanshan Dai, Yu Shi, Long Zeng, Jiashu Li ja Haiyan Lei. 2018. Heat Extraction Performance of a Deep Downhole Heat Exchanger. 10th International Conf. on Applied Energy, Hong Kong, China.

Kallesøe, A.J. & Vangkilde-Pedersen, T. (eds). 2019: Underground Thermal. Energy Storage (UTES) – state-of-the-art, example cases and lessons learned. HEATSTORE project report, GEOTHERMICA – ERA NET Cofund Geothermal. 130 pp + appendices.

Internet-tietolähteitä

https://stateofgreen.com/en/partners/ramboll/solutions/world-largest-thermal-pit-storage-in-vojens/

https://polarnightenergy.fi/

Kuvat

Kuva 1. Uusiutuvan energian tarjonta ja tarve eivät useinkaan kohtaa, vaan niiden välillä on aikaeroa. Kuva Turun ammattikorkeakoulu.

Kuva 2. Prosessikaavio lämpöenergian kausivarastoinnin vaiheista. Kuva Turun ammattikorkeakoulu.

http://www.maankaytto.fi/arkisto/mk318/mk318_2071_laitala_korri.pdfhttp://www.maankaytto.fi/arkisto/mk318/mk318_2071_laitala_korri.pdfhttp://www.ectp.org/fileadmin/user_upload/documents/E2B/EINSTEIN/einstein-guidelines_stes-tanks-del-38.pdfhttps://speicher.aeesuisse.ch/de/fokusstudienhttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544218318796#!https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544218318796#!https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544218318796#!https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544218318796#!https://www.sciencedirect.com/science/journal/03605442https://www.sciencedirect.com/science/journal/03605442/165/part/PAhttps://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2003/T2199.pdfhttps://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf?sequence=4&isAllowed=yhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032118308608#!https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032118308608#!https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032118308608#!https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032118308608#!https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032118308608#!https://www.sciencedirect.com/science/journal/13640321https://www.sciencedirect.com/science/journal/13640321/104/supp/Chttps://docplayer.fi/2968184-Tyo-ja-elinkeinoministerio.htmlhttp://gtkdata.gtk.fi/maankamara/http://planenergi.dk/wp-content/uploads/2018/05/Soerensen-and-Schmidt_Design-and-Construction-of-Large-Scale-Heat-Storages-12.03.2018-004.pdfhttp://planenergi.dk/wp-content/uploads/2018/05/Soerensen-and-Schmidt_Design-and-Construction-of-Large-Scale-Heat-Storages-12.03.2018-004.pdfhttp://planenergi.dk/wp-content/uploads/2018/05/Soerensen-and-Schmidt_Design-and-Construction-of-Large-Scale-Heat-Storages-12.03.2018-004.pdfhttps://stateofgreen.com/en/partners/ramboll/solutions/world-largest-thermal-pit-storage-in-vojens/https://stateofgreen.com/en/partners/ramboll/solutions/world-largest-thermal-pit-storage-in-vojens/https://polarnightenergy.fi/

LAUS

UNTO

VERS

IO



Kuva 3. Periaatekuva aluekohtaisesta varastosta. Kuva Turun ammattikorkeakoulu.

Kuva 4. Periaatekuva korttelikohtaisesta varastosta. Kuva Turun ammattikorkeakoulu.

Kuva 5. Periaatekuva kiinteistökohtaisesta varastosta. Kuva Turun ammattikorkeakoulu.

Kuva 6. Pohjavesi lämpövarastona (ATES). Kesätilanne. Kuva Geologian tutkimuskeskus.

Kuva 7. Pohjavesi lämpövarastona (ATES). Talvitilanne. Kuva Geologian tutkimuskeskus.

Kuva 8. Havainnekuva lämpöenergiapotentiaalista eri tyyppisillä energiakaivoilla ja lämpöenergian kausivarastointiin suunnitellulla energiakentällä. Kuva Turun ammattikorkeakoulu.

Kuva 9. Havainnekuva Turun Toriparkista (BTES). Kuva Nolla€.

Kuva 10. Kuva Vojensin PITES-järjestelmästä rakennusvaiheessa 2015. Kuva https://stateofgreen.com/en/partners/ramboll/solutions/world-largest-thermal-pit-storage-in-vojens/

Kuva 11. Havainnekuva virvoitusjuomatehtaan BTES-järjestelmästä. Kuva Finn Spring Oy.

Kuva 12. Asfalttienergiajärjestelmän toimintaperiaate. Kuva Turun ammattikorkeakoulu. Kuva 13. SunZEB-rakennuksen toimintaperiaate. Kuva VTT.

Kuva 14. Havainnekuva Salon Korvenmäkeen rakennettavasta jätteenpolttolaitoksesta. Kuva Lounavoima Oy.

Kuva 15. Havainnekuva keruuputkiston asettamisesta sedimenttiin. Kuva Vaasan yliopisto.

Kuva 16. Havainnekuva sedimenttienergian keruujärjestelmästä Vaasan Suvilahdessa. Kuva Vaasan yliopisto.

Tämän ohjekortin on laatinut Rakennustietosäätiö RTS sr:n toimikunta TK393 Energian kausivarastointi. Rauli Lautkankare, Turun ammattikorkeakoulu, toimikunnan puheenjohtaja Juha Kääriä, Turun ammattikorkeakoulu Birgitta Martinkauppi, Vaasan yliopisto Nikolas Salomaa, nollaE Oy Timo Sivula, Heliostorage Teppo Arola, Geologian tutkimuskeskus Pekka Tuominen, Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Ilkka Toijala, Fortum Power and Heat Oy Jussi Klemola, Rakennustieto Oy, sihteeri 31.7.2019 asti Marko Pulliainen, Rakennustieto Oy, sihteeri 1.8.2019 lähtien

https://stateofgreen.com/en/partners/ramboll/solutions/world-largest-thermal-pit-storage-in-vojens/https://stateofgreen.com/en/partners/ramboll/solutions/world-largest-thermal-pit-storage-in-vojens/

LAUS

UNTO

VERS

IO



Liite 1 Esimerkkejä lämmön varastoinnin kustannuksista

Alla olevat esimerkit ja kustannukset edustavat tietyissä kohteissa päästyihin lukuihin. Päältä päin samanlaisetkin kohteet ovat energiankulutukseltaan erilaisia, ja lisäksi jokaiseen kohteeseen tehty tarjous energiakorjaustoimenpiteistä on tapauskohtainen. Jokainen kohde tulee tarkastella, simuloida ja optimoida erikseen.

Lämpöenergiavarasto olemassa olevaan rakennukseen Kerrostalo, 60-luvulla rakennettu

Kerrostalon maalämpöjärjestelmän kokonaishinta oli 493.000 euroa, josta porakaivojen osuus olisi ollut 157.500 euroa. Rakennuksen energiavirtausten simulointien jälkeen optimoidun maalämpöjärjestelmän hinta lämpövarastolla oli kokonaisuudessaan 220.000 euroa.

Liike- ja toimistorakennus, 1970-luvulla rakennettu

Ison Suomalaisen kaupungin keskustassa sijaitsevan liike- ja toimistotalon maalämpöjärjestelmän kokonaishinta olisi ollut 1.1 miljoonaa euroa, josta porakaivojen osuus 620.000 euroa. Rakennuksen energiavirtausten simulointien jälkeen optimoidun maalämpöjärjestelmän hinta lämpövarastolla oli kokonaisuudessaan 296.000 euroa.

Uudisrakennuksia lämpöenergian varastolla Urheiluhalli, uudisrakennus 2018

Urheiluhallin maalämpöjärjestelmän hinta ilman lämpövarastoa olisi ollut 222.000 euroa, josta porakaivojen osuus olisi ollut 123.000 euroa. Rakennuksen energiavirtausten simulointien jälkeen optimoidun maalämpöjärjestelmän hinta lämpövarastolla oli kokonaisuudessaan 100.000 euroa.

Kerrostalo, uudisrakennus 2019

Kerrostalon maalämpöjärjestelmän hinta ilman lämpövarastoa olisi ollut 350.000 euroa, josta porakaivojen osuus olisi ollut 145.000 euroa. Rakennuksen energiavirtausten simulointien jälkeen optimoidun maalämpöjärjestelmän hinta lämpövarastolla oli kokonaisuudessaan 170.000 euroa.

Yrityksen pääkonttori, uudisrakennus 2019

Ison yrityksen pääkonttorirakennuksen (9280 ke-m2) maalämpöjärjestelmän investointikustannus 396.500 euroa. Rakennuksen energiavirtausten simulointien jälkeen optimoidun maalämpöjärjestelmän hinta lämpövarastolla oli kokonaisuudessaan 196.500 euroa.

Maanalainen nollaenergia-parkkihalli, uudisrakennus 2019

Turun kauppatorin alle rakennetun, maailman isoimman, 11,2 GWh lämpövaraston rakennuskustannus on 900.000 euroa. Vastaava lämmitysteho (6.6 MW) porakaivoina ilman lämpövarastoa toteutettuna olisi maksanut 4,3 miljoonaa euroa.

1 JOhdanto2 Lainsäädäntö JA LUVITUS3 PROSESSI3.1 Prosessikaavio3.2 LähtötiedotTRT – Terminen vastetesti

4 KAUSIVarastointijärjestelmät4.1 Perinteinen energiakaivo, regenerointi/varastointi4.2 Maaperävarastot koon mukaan4.3 ATES - Aquifer Thermal Energy Storage4.4 BTES - Borehole Thermal Energy Storage4.5 CTES - Rock Cavern Thermal Energy Storage4.6 DTES - Duct Thermal Energy Storage4.7 PIT ES - Pit Energy Storage4.8 PCMES - Phase Changing Material Energy Storage

5 Lämmönlähteet ja -keräimet5.1 Väliaineet5.2 Aurinkokeräin5.3 Asfalttienergia5.4 Rakennukset lämmönkeräiminä5.5 Teollisuuden prosessit5.6 Vesistöenergia ja lämpövarasto sedimentissä

6 Varastoinnin kustannukset6.1 Energiapaalujärjestelmät6.2 Lyhyet porakaivot

7 KIRJALLISUUTTALiite 1 Esimerkkejä lämmön varastoinnin kustannuksistaLämpöenergiavarasto olemassa olevaan rakennukseenKerrostalo, 60-luvulla rakennettuLiike- ja toimistorakennus, 1970-luvulla rakennettu

Uudisrakennuksia lämpöenergian varastollaUrheiluhalli, uudisrakennus 2018Kerrostalo, uudisrakennus 2019Yrityksen pääkonttori, uudisrakennus 2019Maanalainen nollaenergia-parkkihalli, uudisrakennus 2019

lausuntoversio - rakennustieto · 2019. 11. 25. · 4.3 ates - aquifer thermal energy storage...

Documents