Mustolan lämpöakun käytön tarkastelu

Abstract

Tässä diplomityössä perehdytään Lappeenrannan Mustolan lämpökeskuksen yhteydessä olevan lämpöakun toimintaan. Faasinmuutostekniikkaan perustuva lämpöakku tulee korvaamaan maakaasulämpöä pienessä Mustolan kaukolämpöverkossa. Akku pienentää Mustolan lämmöntuotannon kasvihuonekaasupäästöjä, ja tukee konsernin siirtymää kohti hiilineutraaliutta. Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Mustolan lämpökeskuksen yhteydessä olevan lämpöakun ajotavan perusteet teknistaloudellisesta näkökulmasta. Tutkimusosiossa akun toimintaan perehdyttiin aluksi teoreettisella mallinnuksella. Mallinnuksessa tutkittiin akun mahdollista ajotapaa, mikäli akku olisi ollut toiminnassa jo muutaman vuoden ajan. Kun akun koeajoista saatiin tuloksia ja kokemuksia, pystyttiin akun ajoon liittyviä yksityiskohtia tutkimaan tarkemmin. Ajokokemukset toivat esille useita akkuun liittyviä teknisiä ja toiminnallisia haasteita. Saatujen kokemusten ja esille tulleiden haasteiden perusteella muodostettiin perusteet lämpöakun tuotannolliselle ajolle.

Tutkimuksissa havaittiin, että akun tuotannonsuunnittelu on tärkeää, jotta akkua voidaan hyödyntää mahdollisimman taloudellisesti. Akkulämmöntuotannon taloudellisen kannattavuuden perustana on sähkön hinta, josta spot-hinnan volatiliteetti aiheuttaa merkittävän haasteen akun operoinnille. Kesäisin pienen kulutuksen ja edullisen sähkön aikaan akun kapasiteetti ylittää monikerroin lämmöntarpeen. Vastaavasti talvella akun kapasiteetti ei yksin riitä tuotannossa. Talvella haasteena on lisäksi korkea sähkön hinta, jolloin akun käyttö saattaa olla taloudellisesti kannattamatonta. Akun tekniset rajoitteet liittyvät lämmönvarastointiin käytettävän suolan ominaisuuksiin. Operoinnin kannalta akun lämpötilatason ylläpito on oleellista halutun tuotantotason ylläpitämiseksi. Akun kapea lämpötilaikkuna ja korkeat lämpötilatasot merkitsevät suuria lämpöhäviöitä. Nämä seikat tulee ottaa huomioon tuotannonsuunnittelussa. Tulevaisuudessa akkutuotannon kannattavuus voi parantua, kun maakaasun hinta nousee, ja sähkön hinta laskee uusiutuvien tuotantomuotojen myötä. Lisäksi akkuun sovelletun sähköveroluokan huojennus lisäisi akun kannattavuutta merkittävästi.

The topic of this master’s thesis is about a thermal battery. It is located next to a heat-only boiler in Mustola, Lappeenranta. The battery is based on phase change technology, and it will replace natural gas-based heat in a small district heat network. The battery will decrease the greenhouse gas emissions and it will support the company’s objective towards carbon neutrality. The aim of this thesis is to find out the basics of utilization the thermal battery from a techno-economic point of view. At the beginning of the study, the utilization of the battery was familiarized with a theoretical modelling. The model was made to demonstrate the battery utilization as if it had been in operation for a couple of years. As more results and knowledge were gained about battery test runs, it was possible to study the details of the battery more in-depth. The test runs of the battery revealed multiple technical and operational challenges. The basics of utilization the battery were formed based on the knowledge gained and the challenges faced from the test runs.

It was found out in the study that it is important to plan the production process for the battery to use it as economically as possible. The base of feasible use of the battery is the price of electricity. The high volatility of spot price poses a significant challenge to the operation of the battery. In summer during low heat consumption and when the price of electricity is affordable, the capacity of the battery exceeds the heat demand greatly. Respectively, in winter, the battery capacity does not fulfil the heat demand. There is also a challenge of high electricity price which might make the battery usage unprofitable. The technical challenges of the battery are related to the properties of salt used as a heat storage material. It is essential to maintain the correct battery operating temperature to preserve certain power level. The narrow temperature range and high temperature level result to high heat losses. These facts must be considered in planning the battery heat generation. The economic feasibility of battery heat generation might increase in the future as the price of natural gas increases and the price of electricity decreases with renewable electricity generation. In addition, the relief of electricity tax applied to the battery would significantly increase the profitability.