Kymijärven hiekkalämpövarasto

Abstract

Uusiutuvan tuuli- ja aurinkovoiman yleistyminen lisää energiajärjestelmän epävakautta ja hintojen vaihtelua. Tähän voidaan vastata muun muassa monipuolisella energian varastoinnilla ja kysyntäjouston lisäämisellä. Diplomityössä keskitytään hiekkalämpövaraston tekniseen ja taloudelliseen potentiaaliin osana kaukolämpöverkkoa.

Vanhan hiilivoimalan tulipesän muuntaminen lämpövarastoksi osoittautui käytännössä mahdottomaksi kattilan kannatinpalkkien ja seinien kestävyyden, sekä lämmönsiirtopinnan riittämättömyyden vuoksi. Kokonaan uuden lämpövaraston rakennuttaminen vaikuttaa kuitenkin potentiaaliselta investoinnilta lähitulevaisuuden energiamarkkinoilla. Teknologia perustuisi Polar Night Energyn patentoimaan hiekka-akkuun, jossa stationäärisen hiekkamassan läpi puhalletaan putkissa virtaavaa ja sähkövastuksilla kuumennettavaa ilmaa. Purkuvaiheessa ilma ohjataan kaukolämmönvaihtimeen, joka siirtää varastoidun lämmön veteen.

Hiekkalämpövaraston energiakapasiteetin kasvattaminen on purkutehon lisäämistä edullisempaa. Tämän vuoksi hiekka-akku kannattaa mitoittaa tuulivoimatuotannon kannalta optimaaliselle noin kahden viikon varastointiajalle. Lämpövarasto korvaisi osan polttamalla tuotetusta kaukolämmöstä nykyisillä energianhinnoilla ja maksaisi itsensä takaisin muutamassa vuodessa. Teknologia kilpailee suuressa kokoluokassa vesilämpövarastoja sekä kaukolämpöverkon hännissä lämpöpumppuja ja sähkökattiloita vastaan. Kaikilla mainituilla teknologioilla on omat vahvuutensa. Hiekkalämpövaraston etuja ovat yli 90 % hyötysuhde, korkea tehotiheys ja yksinkertaisuus, jotka tekevät siitä kilpailukykyisen vaihtoehdon.

The spread of renewable wind and solar power increases instability of the energy system and its price fluctuations. This can be countered, among other things, with a versatile use of energy storage technologies and increasing demand flexibility. This thesis focuses on the technical and economic potential of a sand battery as part of district heating network.

Converting a furnace of an old coal-fired power plant into a heat storage proved to be practically impossible due to the lack of durability of boiler's support beams and walls, as well as the insufficiency of the heat transfer surface. However, construction of a new heat storage seems like a potential investment in the energy markets of the near future. The technology would be based on Polar Night Energy's patented sand battery, where air flowing in pipes and heated by electric resistors is blown through a stationary mass of sand. In the discharge phase, the air is directed to a district heat exchanger, which transfers stored heat to water.

Increasing the energy capacity of a sand battery is more affordable than increasing its unloading power. For this reason, the battery should be sized for the optimal storage period of about two weeks to benefit from varying wind power production. Thermal storage would replace part of the combustion-based district heat with current energy prices and pay for itself in a few years. The technology competes with water heat storage in the large size class and heat pumps & electric boilers at tail ends of district heating networks. All the mentioned technologies have their strengths. The advantages of sand thermal storage are above 90% efficiency, high power density and simplicity, which make it a competitive alternative.