Yliö: Ylijäämäenergian varastointi lämpönä suitsisi kasvihuoneiden lämmityskustannuksia

Kasvihuoneiden lämmittäminen on Suomessa välttämätöntä ympärivuotisen vihannestuotannon turvaamiseksi, koska talven lämpötilat laskevat usein reilusti nollan alapuolelle. Lämmitys vaatii suuria määriä energiaa, mikä johtaa korkeisiin käyttökustannuksiin.

Yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan on ylijäämäenergian, erityisesti tuulivoiman, varastointi lämpönä.

Vaasan Novian ammattikorkeakoulun opiskelijat ovat tutkineet niin sanottujen lämpöakkujen käyttömahdollisuuksia tähän tarkoitukseen. Tutkimusryhmä koostui Novian opiskelijoista, ja projektia rahoitti Svenska Kulturfonden Luonnonvarojen tulevaisuuden ratkaisut -hankkeen kautta.

Toisin kuin perinteiset, sähkökemiallisesti energiaa varastoivat akut, lämpöakut käyttävät materiaaleja, jotka pystyvät sitomaan ja varastoimaan lämpöä. Tätä lämpöä voidaan hyödyntää ilman tai veden lämmittämiseen, ja lämpö voidaan siirtää kasvihuoneisiin lämpötilan pitämiseksi vakaana kylminä aikoina.

Novian tutkimuksessa keskityttiin erityisesti kolmen tyyppisen lämpöä varastoivan materiaalin – veden, hiekan ja soran – tutkimiseen. Kolmesta akusta rakennettiin prototyypit, joissa käytettiin tavallisia 200-litraisia tynnyreitä täytettyinä kyseisillä materiaaleilla. Akut lämmitettiin sähköllä, ja niihin asennettiin antureita keräämään lämpötilatietoa eri osista akkuja useiden viikkojen ajan.

Mukana oli myös tuulettimia, joilla mitattiin, kuinka nopeasti lämpöä voitiin siirtää.

Vertailussa olleista materiaaleista vesi osoittautui tehokkaaksi nopeassa lämmityksessä. Kun vesi saavuttaa halutun, enintään 100 asteen lämpötilan, se pystyy pitämään lämpöä suhteellisen hyvin. Lämpö kuitenkin häviää nopeasti, kun sitä aletaan aktiivisesti poistaa vesilämpöakusta.

Tämä tarkoittaa, että vesi sopii hyvin välittömään lämmönsiirtoon, mutta ei välttämättä ole paras valinta pitkäaikaiseen lämmönvarastointiin.

Toisella vertailun materiaaleista, hiekalla, on hyvin alhainen lämmönsiirtokerroin mutta korkea enimmäislämpötilapotentiaali, reilusti yli 1 000 celsiusastetta. Se tarkoittaa, että hiekan lämmittäminen kestää kauemmin kuin veden, mutta kerran lämmitettynä se säilyttää lämpöä pidempään. Tämä tekee hiekasta kiinnostavan materiaalin pitkäaikaiseen lämmönvarastointiin, vaikka se vaatiikin enemmän energiaa ja aikaa lämmittämiseen.

Yksi hiekan haaste on lämmön epätasainen jakautuminen hiekka-akussa, jossa lämpötila oli paljon korkeampi lähellä lämmönlähdettä. Jos hiekan lämmittämiseen yritetään käyttää sähkövastuksia, ne tuhoutuvat nopeasti ylikuumenemisen takia.

Suomalainen startup-yritys Polar Night Energy kehittää hiekkalämpöakkuja, joissa kuuma ilma kiertää putkissa hiekan sisällä. Se on ainoa järkevä ratkaisu käytettäessä materiaalina hiekkaa.

Projektissa tehty havainto oli, että hiekan putkijärjestelmän tulee koostua monista ohuista putkista, jotta saavutettaisiin maksimaalinen lämmönvaihto – muuten ei ehditä lämmittää suurta määrää hiekkaa niissä muutamissa tunneissa, jotka aurinko paistaa tai tuuli puhaltaa.

Soralämpöakussa käytettävä sora osoitti kokeissa samankaltaisia ominaisuuksia kuin hiekka, mutta sillä on hieman parempi lämmönsiirto.

Soran suurempi karkeus mahdollistaa myös yksinkertaisemman tee se itse -ratkaisun: kuuma ilma voidaan puhaltaa suoraan soran läpi ilman lämmönsiirtoputkia. Soralla todettiin olevan tasainen ja vakaa lämmönsiirto.

Hankkeessa päädyttiin siihen, että lämpöakut voivat olla kustannustehokas ratkaisu kasvihuoneiden lämmittämiseen Suomessa.

Käytännössä aurinkopaneelit tuottavat talvella liian vähän energiaa kasvihuoneiden tai akkujen lämmittämiseen, joten tuulivoima on ainoa realistinen uusiutuvan energian lähde talvikaudella. Talvisin tuulee kunnolla keskimäärin kerran kahdessa viikossa.

Sora- ja hiekkalämpöakut pystyvät säilyttämään lämpöä näin pitkään, mutta jos niistä halutaan energiaa yhtä pitkän ajan kuluessa, niiden täytyy olla suuria ja niiden lämmittämiseen tarvittava sähkön määrä on myös huomattava.

Realistisesti ajatellen energia täytyy ostaa tuulipuistoista silloin, kun se on halpaa – tarvittavien määrien tuottaminen omavaraisesti edellyttäisi lähes oman tuulivoimapuiston rakentamista. Näin ollen hiekkalämpöakut voivat olla kustannuksia säästävä ratkaisu, mutta eivät valtakunnallisista verkoista irrottautumista mahdollistava ratkaisu.

Mikael Ehrs

tuotantotalouden lehtori

Novia-AMK