Teollisuuden jätteistä lämpövarastoja

Hukkalämmön hyödyntäminen ja varastointi voi ratkaista monia energiankulutuksen kysyntä- ja ilmasto-ongelmia. Lisähyötyjä tulee jos lämpövarastoina voisi käyttää muutoin jätteeksi päätyviä teollisuuden sivuvirtoja ja maarakentamisen ylijäämiä. Turun AMK selvittää Green Net Finlandin ja Centria ammattikorkeakoulun kanssa jäteainesten käyttöä hukkalämmön varastoina.

Teksti: Martti Komulainen
Kuvat: Martti Komulainen, Green Net Finland

Teollisuuden prosessit, jätevedet, energiantuotanto ja -kulutus sekä datakeskukset vuotavat lämpöä harakoille. Jos edes osa tästä saataisiin napattua talteen puhutaan merkittävästä säästöstä sekä energiatehokkuudessa että ympäristöpäästöissä. Älykkäästi toteutettuna ”jätelämmön” varastointi tuo helpotusta energiankulutuksen kysyntäpiikkeihin ja myös energiantuotantoon.

Turun AMK:ssa on useissa hankkeissa selvitetty hukkalämmön talteenoton ja varastoinnin mahdollisuuksia ja liiketoimintapotentiaalia.

–Hankkeidemme tavoitteena on ollut lisätä ymmärrystä lämpövarastojen suunnittelusta ja toteuttamisesta. Olemmekin olleet mukana useissa seminaareissa tai kokouksissa kertomassa kokemuksistamme. Arvokkainta antia ovat olleet tapaamisissa syntyneet kontaktit ja hankittu tieto muiden osaamisesta, kuvailee lehtori, projektipäällikkö Rauli Lautkankare Turun AMK:n Uusi energia -tutkimusryhmästä.

Suomessa hukkalämpöjä hyödynnetään nykyisin jo merkittävästi, mutta hyödyntämismahdollisuuksia on edelleen runsaasti. Työ- ja elinkeinoministeriön (TEM) tietojen mukaan hukkalämpöjä syntyy Suomessa noin 130 terawattituntia vuodessa (TWh/a) ja niitä hyödynnetään kaukolämpönä noin 3 TWh/a. Esimerkiksi suuret energiayhtiöt hyödyntävät hukkalämpöjä jätevesistä (Helen, Turku Energia, Vaasan Sähkö) ja jätteenpoltosta (Vantaan Energia). Teollisuudessakin hukkalämpöjä hyödynnetään jonkin verran. Etenkin pienemmän mittakaavan tai lämpötilan lämmönlähteitä on vielä paljon hyödyntämättä. Näitä on muun muassa monissa kasvihuoneyrityksissä.

Hukkalämmöt talteen

–Hukkalämmön talteenoton keskeiset ongelmat ovat teknisiä ja taloudellisia. Suomessa hukkalämmön potentiaali on suuri, mutta sen realisoiminen edellyttää samanaikaisesti kaukolämpöverkkojen lämpötilojen laskua, lämpövarastojen lisäämistä ja sähkö–lämpö-sektorikytkennän optimointia. Myös markkina- ja sopimusmalleja tulee kehittää sellaiseen suuntaan, että ne palkitsevat materiaalien ja energian tuotannon sekä kulutuksen vähentämistä, Rauli Lautkankare toteaa.

– Hukkalämpöjen hyödyntämisessä lämmön lähde ja hukkalämmön käyttökohde tulee sijaita suhteellisen lähellä toisiaan, jotta lämmön siirtohäviöt eivät kasva liikaa. Hukkalämmön lähde ja käyttökohde voivat olla joko saman tahon tai myös eri tahojen hallinnoimia, toteaa Green Net Finlandin toiminnanjohtaja Ilkka Aaltio.

Hukkalämpöjä voidaan saada talteen lämmönvaihtimilla ja lämpöpumpuilla. Lämpöpumput yhdessä lämmön varastoinnin (Thermal Energy Storage, TES) kanssa ovat keskeisessä roolissa hukkalämmön hyödyntämisessä.

Lämpöä voidaan varastoida veteen sekä mineraali- ja maaperäpohjaisiin varastoihin (esimerkiksi energiakaivot). Varsinaisen hukkalämmön lisäksi lämpövarastoja voidaan käyttää myös ylijäämäsähkön varastointiin lämmittämällä sähkövastuksilla esimerkiksi hiekkaa tai muita mineraaliaineksia.

Hukkalämpöä voidaan käyttää suoraan tai varastoituna kaukolämmön tai -kylmän lähteenä sekä lämmitykseen tai kuivatustarkoituksiin lähellä lämmön syntypaikkaa.

Hukkalämpöä voidaan hyödyntää monin tavoin myös kaukolämmön ulkopuolella. Esimerkiksi teollisuudessa syntyvää lämpöä voidaan käyttää muiden prosessien esilämmitykseen, jolloin energiaa ei mene hukkaan vaan sama lämpö palvelee useampaa tarkoitusta.

Kaupunkiympäristössä hukkalämpöä voidaan hyödyntää muun muassa katujen sulanapitoon, mikä parantaa turvallisuutta talvella ja vähentää erillisen lämmitysenergian tarvetta. Lisäksi silloin, kun hukkalämpö on riittävän korkean lämpötilan tasolla, sitä voidaan muuntaa sähköksi. Näin hukkalämpö ei ole pelkästään sivutuote, vaan arvokas energialähde, jonka hyödyntäminen parantaa energiatehokkuutta ja vähentää kokonaisenergiankulutusta.

Teollisuuden sivuvirrat ja infrarakentamisen maamassat lämpövarastoina

RESINA-hankkeessa tutkitaan teollisuuden sivuvirtojen, erilaisten jätteeksi luokiteltavien ainesten sekä infrarakentamisen yllijäämämassojen (esimerkiksi savi) ja rakennusjätteiden hyödyntämistä lämpövarastoina. Jäteainesten käyttö lämpövarastona voisi edistää energiatehokkuuden lisäksi myös kiertotaloutta kun jätteelle löydettäisiin uusia käyttötarkoituksia.

RESINA-hankkeessa sekä myös aiemmassa ULLEVI-hankkeessa on ollut tai tulee olemaan testattavina lämpövarastojen materiaaleina jätteenpolton kuona, savi, valimohiekka, tuhka ja metalliteollisuuden kuonat. Testiympäristönä toimii Turun AMK:n TESLab (Thermal Energy Storage Lab) sekä tutkimuskontit eri kohteissa.

–Kokeet ovat vielä alkuvaiheessa. Tutkittavia materiaaleja ja selvitettäviä muuttujia on paljon – muun muassa materiaalin raekoko, kosteuspitoisuus, lämmönjohtavuus, materiaalin kestävyys lämpösykleissä ja eristävän kerroksen paksuus. Siksi työssä on käytetty myös matemaattista mallinnusta. Mallinnusten perusteella rakennetaan demolaitos, josta saadaan käytännön kokemusta, ja jolla matemaattisia malleja voidaan validoida.

–Hienoa tässä on se, kun pystymme tukemaan suomalaisia yrityksiä lämpövarastojen kehitystyössä siten, että erilaisia Suomessa kehitettyjä lämpövarastoratkaisuja tulee varmasti maailmallakin runsaasti käyttöön. Erityisesti mieleen tulevat jätepohjaisten materiaalien hyödyntäminen lämpövarastoissa, keskisyvä geoterminen energia ja energiapaalut, visioi Rauli Lautkankare.