Suomen energiajärjestelmä on siirtymässä aikaan, jossa sähkön kulutuksen ja tuotannon vaihtelu kasvaa nopeasti. Sähköistyminen, tuulivoiman lisääntyminen ja fossiilisista polttoaineista luopuminen ovat luoneet tilanteen, jossa kulutus ja tuotanto eivät aina ajoitu yhteen. Tämä on lisännyt tarvetta energian väliaikaisvarastoinnille erityisesti lämpömuodossa.
Yksi kustannustehokkaista ja teknisesti yksinkertaisista tavoista varastoida lämpöä ovat massavaraajat, joihin lämpöenergiaa varastoidaan ja joista sitä myöhemmin hallitusti luovutetaan. Suomessa massavaraajia hyödynnetään yhä enemmän energiayhtiöiden, teollisuuden ja tutkimusorganisaatioiden hankkeissa. Lämpövarastot tuovat vakautta järjestelmiin ilman monimutkaisia kemiallisia varastointiprosesseja ja ilman suuria turvallisuusriskejä. Ne perustuvat yksinkertaiseen fysiikkaan: suuri massa, korkea ominaislämpökapasiteetti ja kyky varastoida energiaa tuntien, päivien tai jopa viikkojen ajan.
Massavaraajan toimintaperiaate
Massavaraajien varastointimateriaalina on perinteisesti käytetty vettä (vesivaraajat). Uusi massavaraajien sukupolvi hyödyntää yleensä hiekkaa, kiveä, betonia tai muuta lämpöä hyvin vastaanottavaa ja varastoivaa ainesta. Materiaali kuumennetaan esimerkiksi sähköllä, prosessien hukkalämmöllä tai suoraan polttoon perustuvalla lämmityksellä. Lämpöpumpulla voidaan tarvittaessa nostaa hukkalämmönlähteestä saatavan energian lämpötilaa. Lämpö sitoutuu massaan ja voidaan johtaa ulos hallitusti silloin, kun lämpöä tarvitaan. Varaston suunnittelussa olennaista on korkea lämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja kyky kestää lämpösyklejä.
Massavaraajat ovat käytännöllisiä, koska ne voivat hyödyntää halvan sähkön tunteja. Kun sähkö on edullista ja tarjolla runsaasti, varastoa ladataan. Kun sähkö on kallista tai tuotanto vähäistä, lämpö voidaan luovuttaa esimerkiksi kiinteistöjen lämmitykseen tai teollisuusprosesseihin.
Käytännön toteutuksia Suomessa
Suomalaiset energiayhtiöt ovat jo useissa hankkeissa hyödyntäneet kivimassoihin perustuvaa lämpövarastointia. Varastot toimivat tyypillisesti 400–800 °C lämpötiloissa ja latautuvat sähkövastuksilla, kun sähkömarkkina tarjoaa halpoja tunteja. Purku tapahtuu lämmönvaihtimen kautta kaukolämpöverkkoon. Tämä ratkaisu tukee energiajärjestelmän joustavuutta, koska lämmön tuotantoa voidaan siirtää ajallisesti ilman, että lämpö katkeaa asiakkaalta.
Teollisuusprosesseissa, kuten metallien käsittelyssä, rakennusmateriaalien tuotannossa ja muoviteollisuudessa syntyy runsaasti hukkalämpöä. Massavaraajat tarjoavat keinon ottaa talteen myös irrallisia ja epäsäännöllisiä lämpövirtoja. Hukkalämmön kausittaisuus ei ole ongelma, sillä massavarasto voi odottaa seuraavaa syöttöjaksoa ilman merkittävää energiahävikkiä.
Suomessa teollisen mittakaavan massavaraajia on toteutettu ja suunnitteilla useisiin kaukolämpökohteisiin. Tunnetuin käytössä oleva ratkaisu sijaitsee Pornaisissa, missä Polar Night Energy toteutti Loviisan Lämmölle suuren hiekka-akun kesällä 2025. Järjestelmän lämmitysteho on 1 MW ja varastointikapasiteetti 100 MWh, ja sen varastomateriaalina käytetään noin 2 000 tonnia vuolukivimursketta, joka on Tulikivi Oy:n tuotannon sivuvirtaa. Hiekka-akku toimii kesäaikaan Pornaisten kaukolämpöverkon päätuotantolaitoksena ja on vähentänyt lämmöntuotannon hiilidioksidipäästöjä noin 70 prosenttia. Loviisan Lämpö hyödyntää lämpöakkua myös sähkön reservimarkkinoilla, jossa yhteistyökumppanina on Elisa.
Toinen merkittävä hanke on Vääksyyn rakennettava Polar Night Energy:n hiekka-akku, joka toteutetaan Lahti Energian kaukolämpöverkkoon. Rakenteilla olevan järjestelmän lämmitysteho on 2 MW ja varastointikapasiteetti 250 MWh, ja varastomateriaalina käytetään noin 2 400 tonnia luonnonhiekkaa. Kohteen on tarkoitus valmistua arviolta vuonna 2027. Vääksyn hiekka-akku on mitoitettu paitsi lämmöntuotantoon myös osallistumaan FinGridin reservimarkkinoille, mikä lisää koko energiajärjestelmän joustavuutta. Hankkeen myötä maakaasun käyttö kaukolämmössä vähenee arviolta noin 80 prosenttia ja fossiilipohjaiset päästöt noin 60 prosenttia.
Materiaali ja lämmitystekniikka
Yleisimmät massavaraajissa käytetyt materiaalit Suomessa ovat luonnonkivet, kuten vuolukivi ja hiekka, jotka tunnetaan kestävyydestään ja hyvästä lämmönjohtavuudestaan. Lisäksi Suomessa on toteutuksia lämmönvarastoinnista kallioperään tehtyihin porakaivoihin ja kallioluoliin. Materiaalivalinnassa tasapainoillaan lämmönkeston, kustannusten ja lämmönjohtavuuden välillä. Vuolukivi on erityisen kiinnostava varastointimateriaali Suomessa sen saatavuuden, korkean tiheyden ja hyvän lämmönvarauskykynsä vuoksi.
Suomen suurin lämpövarasto (PTES – Pit Thermal Energy Storage) on rakentumassa Hyvinkäälle (Hyvinkään Lämpövoima Oy), jossa vanha sorakuoppa muutetaan suureksi lämpövarastoksi. Lämpöä johdetaan veteen kesällä ja alkusyksystä ja keskitalvella lämpöä johdetaan kaukolämpöverkkoon korvaamaan fossiilisia polttoaineita. Lämpövaraston suunniteltu tilavuus on 380 000 m3 ja lämpöteho 60 MW.
Yleisimmät lämmitystavat Suomessa massavaraajaratkaisuissa kattavat sekä sähkö- että lämpöenergian eri lähteet. Sähkövastukset ovat suosituin tapa, sillä niiden avulla voidaan hyödyntää edullisen sähkön tunteja tehokkaasti lämpöenergian tuottamiseen. Sähkövastusten käyttö mahdollistaa joustavan lämmityksen erityisesti silloin, kun sähkö on markkinoilla halpaa tai saatavilla uusiutuvista lähteistä. Sähkövastukset mahdollistavat myös sähkön reservimarkkinoilla toimimisen.
Hukkalämpöä hyödynnetään massavaraajissa joko sellaisenaan ilman lisäenergiaa tai nostetaan lämpöpumpuilla käyttökohteen vaatimuksia vastaavaksi. Esimerkiksi teollisuuden prosesseissa syntyvä ylimääräinen lämpö voidaan usein ohjata suoraan varaajaan.
Savukaasulämmitys on puolestaan yleinen ratkaisu pienissä polttolaitoksissa. Tällöin polttoprosessin yhteydessä syntyvät kuumat savukaasut johdetaan varaajaan ja niiden lämpö hyödynnetään energian varastointiin.
Kuuma ilmavirta on käytännöllinen erityisesti pienemmissä ja kokeellisissa järjestelmissä. Sen avulla lämpö voidaan siirtää suoraan varastomateriaalin läpi, mikä soveltuu hyvin pilotti- ja demonstraatiokohteisiin, joissa halutaan tutkia erilaisten materiaalien käyttäytymistä ja järjestelmän toimintaa.
Hankkeen massavaraajademo
EVITA-hankkeessa rakennettiin prototyyppi vuolukivimassavaraajasta, jonka varastointimateriaalina käytettiin Tulikiven sivukiveä ja verrokkina natriumkloridia (kaupallinen sulatussuola). Demossa käytettiin vuolukiveä kahdessa eri raekoossa, jauhemaisena ja murskeena. Tämä mahdollisti vertailevan tutkimuksen siitä, miten raekoko vaikuttaa lämmön varastointiin, johtumiseen ja purkamiseen.
Massavaraajaan kytkeytyy kahden Karelia-ammattikorkeakoulun energia- ja ympäristötekniikan opiskelijan opinnäytetyö, joka keskittyy demoajoista saatavan datan keräämiseen ja analysointiin, sivukiven soveltuvuuteen massavaraajissa sekä kehitysehdotusten tekemiseen.
Ratkaisun rakenne
Massavaraaja on rakennettu niin, että lämmön talteenotto ja vapauttaminen tapahtuvat hallitusti. Järjestelmässä on eristetty putkisto (kuva 1), jossa ilma kiertää ja eristeen tehtävänä on ehkäistä lämmön karkaamista ympäristöön. Ilmavirran ylläpidosta vastaa puhallin, joka varmistaa ilman tasaisen virtauksen koko järjestelmän läpi. Ilma lämmitetään sähkövastuksilla. Lopuksi kuuma ilma johdetaan vuolukivimassan läpi. Vuolukivi toimii lämpöä varastoivana materiaalina, johon lämpö varastoituu ja josta se voidaan myöhemmin vapauttaa tarpeen mukaan. Jäähdytyksen hoitaa vesikiertoinen lämmönvaihdin.
Prosessi on erittäin yksinkertainen. Puhallin kierrättää ilmaa vastusten läpi, jolloin se kuumenee ja siirtyy putkistoa pitkin vuolukivimassaan. Vuolukivi varastoi lämmön ja luovuttaa sen, kun lämmitys lopetetaan ja purku aloitetaan.
Tutkimuksellinen arvo
Demon avulla voidaan tutkia keskeisiä ilmiöitä, jotka liittyvät massavaraajan toimintaan ja lämmön varastointiin. Yksi tutkittava asia on lämpötilakerrostumien syntyminen ja kehittyminen vuolukivimassassa kuuman ilman virratessa sen läpi. Tämä tarjoaa arvokasta tietoa lämmön jakautumisesta ja varastoitumisesta eri osiin massaa. Demossa analysoidaan myös raekoon vaikutusta lämmön siirtymiseen. Jauhemaiset ja suuremmat rakeet käyttäytyvät eri tavoin, ja vertaileva tutkimus auttaa ymmärtämään, miten raekoko vaikuttaa lämpövaraston tehokkuuteen.
Lisäksi voidaan tarkastella lämmityksen ja jäähdytyksen aikadynamiikkaa, eli sitä kuinka nopeasti massavaraaja lataa ja purkaa lämpöä ja millaisia viiveitä prosessiin sisältyy. Näiden havaintojen avulla voidaan kehittää tehokkaampia ja joustavampia lämpövarastoratkaisuja, jotka palvelevat sekä teollisuuden että kaukolämmön tarpeita.
Kaikki tämä tieto on hyödyllistä, kun etsitään kustannustehokkaita ja skaalautuvia ratkaisuja esimerkiksi teollisuuden lämpövarastoihin tai kaukolämmön tukijärjestelmiin.
Massavaraajat ovat nousemassa tärkeäksi osaksi Suomen energiajärjestelmän joustoa. Ne hyödyntävät yksinkertaista fysiikkaa, edullisia materiaaleja ja olemassa olevia lämmönlähteitä. Suomessa on hyvät edellytykset kehittää ja hyödyntää massavaraajia laajasti, koska meillä on sopivia kivimateriaaleja, vahva energia-alan osaaminen ja kasvava tarve joustaville lämpövarastoille.
Kirjoittajat:
Anssi Kokkonen, projektiasiantuntija, Karelia-ammattikorkeakoulu
Joni Miettinen, projektityöntekijä, Karelia-ammattikorkeakoulu
Copilot 365 tekoälyä käytetty artikkelin rakenteen ja jäsentelyn suunnittelussa sekä kriittisen palautteen antoon artikkelin sisällöstä, jäsentelystä ja oikeinkirjoituksesta.
EVITA – energiavirrat talteen ja kiertoon -hankkeessa tarkastellaan hukkalämmön hyödyntämisen mahdollisuutta neljän eri tapaustutkimuksen kautta. Hanke on Euroopan Unionin osarahoittama.
