Lämmön kausivarastoinnin teknillistaloudellinen vertailu hiilestä luopumiseksi Espoossa 2025 mennessä

In this thesis, the market maturity of different thermal energy storage solutions (TESS) was analyzed. Currently, the most mature TESS is sensible heat storage (SHS). Both latent and thermochemical heat storages have a great potential to offer low-loss storage systems with a wide temperature range. However, they have still high investment costs and challenges related to reaction stability in large-scale systems. Nevertheless, SHS is a technically proven solution in many underground thermal energy storage (UTES) projects, and it can offer a levelized cost of heat (LCOH) that is on par with fossil fuel-based heat production. Although further cost reductions are still necessary for the UTES, the economic feasibility can be established with proper selection of the storage type in the predominant conditions. Therefore, a techno-economic assessment to evaluate technical and economic feasibility is necessary to verify the viability of the project in the chosen location. A case study was conducted to evaluate UTES solutions for the district heating (DH) network in a planned underground parking space. Cavern (CTES) and borehole thermal energy storage (BTES) solutions were chosen for the evaluation based on an in situ geological investigation and site restrictions. The storage geometry, capacity, thermal power, operation pattern, and LCOH were determined in the evaluation for one CTES system and two BTES systems with different diameter-to-length ratios. After the evaluation, the storage systems were analyzed in four different scenarios with different cost structures and the number of storage cycles per annum. The results of the case study indicate that the most feasible UTES is CTES in Finnish bedrock conditions. In the best scenario with six cycles per annum, the LCOH of CTES can be as low as 21 €/MWh. This can be explained by low heat losses in stable bedrock and the drilling costs being competitive. However, the main advantage of CTES over BTES systems is its high-temperature nature, i.e., heat doesn’t require priming before feeding into the DH network. Whereas in BTES systems an assisting heat pump adds up significant investment costs that contribute to the LCOH. Hence, BTES is more suitable for low-temperature heat applications. Overall, all results of UTES projects should be interpreted as a normative base while various parameters are highly location-dependent, and thus case-specific.Tässä työssä tarkasteltiin lämmön kausivarastointiratkaisujen markkinakypsyyttä. Tällä hetkellä kehittyneimmät ratkaisut ovat tuntuvan lämmön lämpövarastot (SHS). Sekä latenttilämpö- että termokemiavarastoilla on potentiaalia tarjota matalahäviöisiä varastoja laajalla käyttölämpötila-alueella. Siitä huolimatta molemmilla on toistaiseksi korkeat investointikustannukset ja haasteita reaktioiden stabiiliudessa suuremmissa varastoissa. SHS on todettu teknisesti toimivaksi monissa maanalaisia lämpövarastoprojekteissa (UTES), joiden elinkaaren tuotantokustannukset (LCOH) ovat kilpailukykyisiä fossiilisen lämmöntuotannon kanssa. Vaikka UTES projektien kustannusten alenemisen tulee edelleen jatkua, taloudellinen toteuttamiskelpoisuus voidaan saavuttaa oikealla varastovalinnalla vallitsevissa olosuhteissa. Täten, teknillistaloudellinen arviointi toteuttamiskelpoisuuden varmistamiseksi on välttämätöntä valitussa sijainnissa. Tämän työn tapaustutkimuksessa UTES ratkaisuja arvioitiin kaukolämpöverkossa osana suunniteltua maanalaista parkkihallia. Luola- (CTES) ja porareikälämpövarasto (BTES) valittiin arvioon perustuen maaperätutkimukseen sekä aluerajoituksiin. Varaston geometria, kapasiteetti, lämpöteho, käyttötapa ja LCOH arvioitiin yhdelle CTES ja kahdelle BTES eri halkaisijan ja pituuden suhteella. Arvioinnin jälkeen varastoja analysointiin neljässä eri skenaariossa, joissa oli erilaiset kustannusrakenteet sekä vuotuiset syklimäärät. Työn tulokset osoittavat, että toteuttamiskelpoisin UTES on CTES Suomen kallioperässä. Parhaassa skenaariossa, jossa CTES saavuttaa kuusi varastosykliä vuodessa, voidaan saavuttaa 21 €/MWh LCOH. Tätä voidaan selittää alhaisilla lämpöhäviöillä vakaassa peruskalliossa sekä matalilla porauskustannuksilla. Kuitenkin suurin CTES etu verrattuna BTES on korkealämpöisyys eli lämpöä ei tarvitse esilämmittää ennen kaukolämpöverkkoa. Sen sijaan BTES tarvitsee lämpöpumpun, joka on merkittävä LCOH vaikuttava investointikustannus. Täten BTES soveltuu paremmin matalalämpöisiin käyttökohteisiin. Kuitenkin jokaisen UTES projektin tuloksia tulee käsitellä suuntaa antavana perustana, sillä eri parametrit ovat erittäin sijaintiriippuvaisia ja tapauskohtaisia