Maan Lämpövarastointi Voi Ratkaista Uusiutuvan Energian Varastointiongelman

Suuren mittakaavan energian varastointi tarvitaan

Tarve suurten akkujärjestelmien, jotka voivat varastoida paljon energiaa useiden tuntien tai päivien ajan, kasvaa jatkuvasti. Tämä johtuu siitä, että aurinko- ja tuulivoima ovat epäsäännöllisiä, vaihdellen päivän aikana ja päivästä toiseen.

Kylmissä ilmastoissa tilanne pahenee, sillä juuri silloin kun lämpötilat ovat erityisen alhaiset, energiankulutus nousee lämmityksen vuoksi. Näin ollen pilvisenä päivänä tai kun aurinkopaneelit ovat lumen peitossa, energian kysyntä on suurimmillaan.

Litiumioniakkujen, kuten sähköautoissa käytettävien, käyttäminen ei todennäköisesti ole mittakaavassa toimiva ratkaisu. Ne ovat yksinkertaisesti liian kalliita, eivät kestä tarpeeksi pitkään ja kuluttavat liikaa raaka-aineita.

Tästä syystä erilaisia vaihtoehtoisia akkukemiaa on harkittu hyötykäyttöön tarkoitettuun energian varastointiin. Tarkastelemme suurinta osaa näistä vaihtoehdoista artikkelissamme “Energiavarastojen Tulevaisuus – Hyötykäyttöön Suunnatut Akun Teknologiat“, mukaan lukien litium-rauta-fosfaatti, natriumioni, redox-virtaus, rauta-ilma, sulatettu metalli, nikkeli-vety, natrium-sulfi ja niin edelleen.

Kaikki nämä akut varastoivat energiaa jollain tavalla sähkömuodossa, yleensä metallin hapettumisen ja pelkistymisen kautta.

Ongelma on, että jopa hyvin yleiset metallit, kuten rauta tai alumiini, vaatisivat silti paljon kaivostoimintaa. Entä jos varastoisimme energiaa toiseen muotoon?

Lämmön Varastointi

Yllätyksettään suuri määrä vaihtoehtoja energian varastointiin ilman sähkön käyttöä varastointimenetelmänä. Tarkastelimme niitä tarkemmin artikkelissa “Kemialliset Vaihtoehdot Akuille Energiasiirtymässä“. Näihin vaihtoehtoihin kuuluvat:

• Puristettu ilma.
• Gravitaatioakut (kivet, pumpattu vesi).
• Lämpöakut.
• Kiertojyrät.
• Lämpöenergia-aurinko.

Jokaisella näistä vaihtoehdoista, akku- ja ei-akkuvaihtoehdoilla, on etuja ja haittoja. Ihanteellinen energian varastointiratkaisu täyttäisi muutaman ominaisuuden:

• Ei tarvita metallia eikä harvinaisia materiaaleja.
• Pitkäkestoinen energian varastointi, mieluiten useiden viikkojen tai kuukausien aikavälillä.
• Alhainen kustannus.
• Helposti skaalattavissa ilman rajoituksia saatavilla olevista paikoista tai resursseista.
• Se voidaan muuntaa takaisin sähköksi minimaalisilla häviöillä.

Ensimmäisten 4/5 kriteerin osalta lämmön varastointi täyttäisi vaatimukset. Tutkimme joitakin mahdollisia “lämpöakku” -tekniikoita omassa artikkelissamme “Lämpöakut Kehittyvät Nopeasti Ilman Metallien Kaivamista”.

Kuitenkin jopa nämä ratkaisut vaativat jonkin verran varastokapasiteetin valmistusta, olipa kyseessä jättimäiset eristetyt hiekkasäiliöt tai puhtaan hiilen lohkot, jotka kuumennetaan 1500°C:seen.

Kaunasin teknillisen yliopiston (Liettua) tutkijat tutkivat nyt toista mahdollisuutta, energian varastointia suoraan rakennusten alla olevaan maaperään ilman ylimääräistä valmistusta.

He julkaisevat löydöksensä erityisnumerossa Sustainability-lehdessä¹ otsikolla “Rakennuksen Energiatehokkuuden Parantaminen Maaperän Käytöllä Termo-akkumulaatiota Varten”.

Maan Lämpökapasiteetti

Koska maaperä sisältää mineraalien ja veden seosta, sillä on suuri lämpökapasiteetti, eli määrä lämpöenergiaa, jonka se voi sisältää tietylle tilavuudelle tai massalle. Maaperän luonne, kuten sen fyysinen rakenne, orgaanisen aineksen määrä, koostumus ja mineraalikoostumus, määrittää sen lämpötilavaihtelut.

Tämän vuoksi maaperä pitää tasaisemman lämpötilan tietyn syvyyden alapuolella (yleensä 2–3 metriä / 6,5–10 jalkaa), mikä heijastaa kyseisen alueen vuotuista keskilämpötilaa.

Lähde: MDPI

Tätä periaatetta hyödynnetään maalämpöpumpuissa, jotka ottavat maaperän kesällä varastoiman lämmön lämmittääkseen koteja talvella sen sijaan, että yritettäisiin pumpata lämpöä paljon kylmemmästä ilmakehästä. Se voi myös toimia päinvastoin kuumissa ilmastoissa, joissa maa pysyy päivisin ja kesällä viileämpänä kuin pintailma. Samaa periaatetta hyödynnetään myös maanalaisissa kasvihuoneissa,

Lämpödiffuusion Mittaaminen

Kokeellinen Asetelma

Vähän testausta on tehty, jossa on analysoitu maaperän lämpödiffuusiota useissa kerroksissa ja mitattu sitä ympäri vuoden, mikä mahdollistaa maaperän potentiaalin ymmärtämisen käytännöllisenä lämpöakkuina.

Tutkimus loi kokeellisen asetelman, jossa tehtiin useita mittauksia eri syvyyksillä. He lisäsivät sähkövastuksen myöhemmin lämmön diffuusion mittaamiseksi. Kokeellinen tutkimus maaperän lämmön hajautumisesta alkoi joulukuussa ja päättyi heinäkuussa.

Lähde: MDPI

Kokeelliset mittaukset vertasivat digitaaliseen simulointiin maaperän lämmön diffuusiosta, ja molemmat antoivat samankaltaisia tuloksia, mikä vahvistaa simuloinnin paikkansapitävyyden.

Lähde: MDPI

“Vuoden mittaukset paljastivat luonnollisia kausiluonteisia malleja maaperän lämpötilassa ja antoivat mahdollisuuden tunnistaa useita trendejä. Huomasimme, että jopa passiivinen eristetyn maavolyymin käyttö rakennuksen alla voi vähentää lämmönhukkaa ja lisätä sen energiatehokkuutta.”

Prof. Ždankus – Professori Kaunasin Teknillisessä Yliopistossa

Veden Energian Varastointi

Tutkijat tiesivät jo, että maaperän vesipitoisuus sekä ilmakuplat vaikuttavat merkittävästi lämpödiffuusion nopeuteen maassa ja sen lämpökapasiteettiin. Syvyyden kasvaessa myös kertymisaika pitenee, jolloin maaperä voi varastoida lämpöä hitaammin ja pidempään.

Veden aktiivisuus havaittiin myös keskeiseksi tekijäksi lämmön diffuusiolle maaperässä, sillä vesi voi siirtää lämpöä maakerrosten välillä sekä sivusuunnassa.

Yhdessä testissä maaperä kuumennettiin pisteeseen, jossa kosteus alkoi haihtua – käynnistäen faasimuutoksen, jossa nestemäinen vesi muuttuu höyryksi. Tämä “faasimuutos” nestemäisestä vedestä höyryksi absorboi merkittävän määrän lämpöä, lisäten maaperän kokonaiskapasiteettia lämmön säilyttämiseen sekä muuttaen jakautumismallia.

“Faasimuutos voi olla tehokas tapa varastoida lämpöä. Merkittävästi suurempia energiamääriä voidaan varastoida maaperään.

Kun höyry kulkee maassa, se jakaa lämpöä laajemmalle alueelle. “Huomasimme jyrkän lämpötilan nousun missä tahansa, missä höyryvirtaus saavutti. Tämä tarkoittaa, että energia liikkuu ja sitä voidaan hallita.”

Prof. Ždankus – Professori Kaunasin Teknillisessä Yliopistossa

Käytännön Sovellukset

Jokaisen Tontin Muuntaminen Akuksi

Koska jokaisella rakennuksella on merkittävä jalanjälki, maaperän hyödyntäminen sekä rakenteellisena vakaana että lämmön varastointina ei vaadi ylimääräistä työtä, erityisesti uusissa rakennuksissa, kun lämmönvaihto asennetaan rakennuksen perustusten aikana.

Samaa voidaan sanoa suurille betonilla tai asfaltilla rakennetuille pinnoille.

“Tällainen järjestelmä voisi auttaa tasapainottamaan kaukolämpöverkkoja tai lievittämään kuormitusta sähköverkon ylikuormitustilanteissa. On myös mahdollista asentaa lämpöakut yksittäiseen käyttöön – asuinrakennusten, katujen tai parkkipaikkojen alle.”

Prof. Ždankus – Professori Kaunasin Teknillisessä Yliopistossa

Idea on käyttää ylimääräistä energiaa aurinkoisina tunteina ja päivinä tai tuulisina päivinä ja lämmittää maata kuin jättimäistä lämpöakkua. Alussa tarvittiin suurin energiamäärä ympäröivän maaperän lämmittämiseen.

Kokeellisessa asetelmassa kesti noin viikko jatkuvaa lämmönvirtausta, jotta saavutettiin vakaa tasapaino, jossa maahan ei enää voitu lisätä lämpöä ilman että se vuotaa pois.

Hajautetut Verkot & Lämpö

Tämän teknologian keskeinen etu olisi, että se voi helposti hyödyntää aurinkotuotannon hajautettua luonnetta sekä maaseudulla että kaupunkialueilla.

Se voi aiheuttaa ongelmia, sillä verkkoa ei ole suunniteltu kantamaan laajasti vaihtelevia kuormia päivän aikana, kun se oli aiemmin vain melko vakaa kulutuspiste. Tässä suhteessa akkuparkit eivät auta paljon, koska sähköverkko tarvitsee edelleen päivitystä akkujen syöttämiseksi.

Sen sijaan, että ylimääräinen aurinkotuotanto tietyssä rakennuksessa lähetettäisiin paikallisesti lämmönä maaperään ja hyödynnettäisiin myöhemmin yöllä tai muutaman päivän kuluttua lämmittämiseen. Näin paikallinen verkko ei ylikuormitu aurinkoisimpina tunteina.

Tämä voi myös toimia jossain määrin jäähdytykseen, sillä maaperä pystyy varastoimaan kylmää yhtä hyvin kuin lämpöä.

Lisätutkimus

Järjestelmän taloudellista arviointia on syvennettävä, sisällyttäen käytettyjen laitteiden hinnat ja rakennuskustannukset, säästöt verkon päivityksissä sekä sen, kuinka kauan maaperä voi taloudellisesti pitää lämmön.

Tähän mennessä vaikuttaa siltä, että tämä olisi parempi järjestelmä energian kysynnän tasapainottamiseen päivä-yö -syklissä tai muutaman päivän aikana kuin monikuukausinen ja kausittainen tasapainotus.

Toinen ennen teknologian käytännön käyttöönottoa tarvittava tutkimusalue on se, miten se voi hyödyntää valmiita, jo geotermisen teollisuuden käyttämissä ratkaisuissa.

“Välitavoitteemme on integroida olemassa olevat ratkaisut, kuten porausreikät, pilarit ja muut maanalaiset lämmönvaihtotekniikat, järjestelmään, joka hyödyttää sekä teollisuutta että asuinalueita.”

Prof. Ždankus – Professori Kaunasin Teknillisessä Yliopistossa

Sijoittaminen Maalämpöenergiaan

Tämä sektori on edelleen melko pieni verrattuna muihin uusiutuviin energialähteisiin ja kehittyy nopeasti teknologisesti. Keskustelimme siitä tarkemmin artikkelissa “Maalämpöenergia: Vihreä Energia, Joka On Kuuma”.

Tämä tarkoittaa, että monet alan edistyneimmistä startup-yrityksistä ovat edelleen yksityisiä. Esimerkiksi suljettu kiertojärjestelmä maanalaisessa energiassa Eavor, superkriittinen geotermia Quaise, tai vain akkreditoitujen sijoittajien saatavilla olevat rahastot kuten Baseload Capital.

Se myös tarkoittaa, että jotkut kehittyneet maanalaiset yritykset, kuten Iceland Drilling, saattavat olla vain pieni osa paljon suurempaa öljy- ja kaasuporausyritystä (Archer Wells – ARCH.OL tässä tapauksessa).

Silti jotkut yritykset ovat julkisesti listattuja ja saatavilla vähittäissijoittajille. Voit sijoittaa maanalaisiin yrityksiin useiden välittäjien kautta, ja löydät suosituksemme parhaista välittäjistä tällä sivustolla Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Iso-Britanniassa, ja monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä yrityksiä, voit myös tarkastella ETF:iä, kuten Shares Global Clean Energy ETF (ICLN), First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN), tai ALPS Clean Energy ETF (ACES), hyödyntääksesi maanalaisen energian sektorin kasvua.

Maalämpöyritykset

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat on maailman suurin maanalaisen energian omistaja ja toimija. Yrityksellä on omaisuuksia Yhdysvalloissa, Keniassa, Indonesiassa sekä Keski-Amerikassa ja Karibialla, kapasiteetilla 1,5 GW, eli 10 % maailmanlaajuisesta maanalaisen energian tuotantokapasiteetista, ja 253 MW lisättiin pelkästään vuonna 2024.

Lähde: Ormat

Yritys pyrkii vahvaan sähköntuotantokapasiteetin kasvuun, ja monia uusia tutkimushautoja porataan, erityisesti Nevadan, Utahin ja Kalifornian alueilla. Kokonaisuudessaan sen tulisi saavuttaa 2,6–2,8 GW sähköntuotantokapasiteettia vuoteen 2028 mennessä.

Lähde: Ormat

Ormat astuu myös energian varastointimarkkinoille, 290 MW on jo toiminnassa. 385 MW lisävarastokapasiteettia on kehitteillä, ja pitkällä aikavälillä potentiaali on 2,9 GW.

Lähde: Ormat

Se on myös maanalaisen teknologian toimittaja, tuoden asiantuntemuksensa 74 % binaarilaitoshankkeista, jotka siirtävät lämmön maasta toiseen nesteeseen; binaarilaitokset muodostavat 61 % maailmanlaajuisesta maanalaisen energian markkinasta, mikä tarkoittaa, että Ormat hallitsee 45 % globaalista markkinasta.

Lähde: Ormat

Maalämpöenergia on tällä hetkellä nopeasti kasvava sektori, mutta myös hyvin konservatiivinen, koska suurimmalla osalla hyödyistä ja teollisuusyrityksistä ei ole vielä tuttuutta teknologiaan.

Tässä mielessä Ormat on hyvin asemoitu hyödyntämään kasvavaa kysyntää, samalla kun se on yksi alan vakiintuneimmista toimijoista ja tarjoaa peruskuormituksen uusiutuvaa energiaa, mitä muut vihreät teknologiat yhä kamppailevat saavuttamaan.

Uusimmat Tiedot Ormat Technologiesista

Tutkimusviite:

^{1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). Tutkimus Rakennuksen Energiatehokkuuden Parantamisesta Maaperän Käytöllä Termo-akkumulaatiota Varten. Uusiutuvan Energian Integraatio ja Soveltaminen Rakennuksissa Hiilineutraaliuden Saavuttamiseksi, 2. Painos https://doi.org/10.3390/su17010262}