Siltuma uzglabāšana — efektivitātes un zemu cenu atslēga

Siltuma uzglabāšanas problēma Latvijā ir aktuāla jau kopš brīža, kad sabruka izšķērdīgā un subsidētā Padomju Savienības ekonomika un siltumapgādē sākās tirgus ekonomikas attiecības, kur resursi bija jāpērk par tirgus cenu. Ienākot siltumapgādē atjaunojamo resursu tehnoloģijām, problēma vēl vairāk saasinājusies. Kā to risina un kādas ir nākotnes perspektīvas?

Ar siltumenerģijas uzglabāšanas problēmu saskaras visi siltumapgādes uzņēmumi – galu galā vairums siltuma ražošanas uzņēmumu ir koģenerācijas termoelektrostacijas, kas, dedzinot gāzi, šķeldu vai citus resursus, ražo gan siltumu, gan elektroenerģiju. Elektroenerģijai noiets atrodas gandrīz vienmēr, savukārt siltums ir ļoti pieprasīts Latvijas klimata vēsajā pusgadā, bet siltajā pusgadā tā lielāko daļu vienkārši izlaiž gaisā. Taču, ienākot siltumapgādē arī atjaunojamo resursu tehnoloģijām, problēma saasinājusies vēl vairāk, jo nu bija jāizdomā, kā dienas saulainajās vai vējainajās stundās iegūto elektroenerģiju vai siltumenerģiju uzglabāt un pārvērst siltumā visas dienas vai vairāku dienu garumā.

"Salaspils siltums" – Latvijā līderos

Viens no uzņēmumiem, kas siltumenerģijas uzglabāšanas ziņā Latvijā ir līderos, ir "Salaspils siltums". Uzņēmumam ir gan tradicionālās termoelektrocentrāles, tautā sauktas arī par katlu mājām, kas izmanto gan šķeldu, gan dabasgāzi, gan arī saules kolektoru parks. Taču vēl šim uzņēmumam ir uzbūvēta arī pamatīga izmēra siltuma akumulācijas tvertne, kurā 8000 kubikmetros ūdenī tiek uzglabāts siltums no 1720 uzstādītajiem saules kolektoriem.

"Salaspils siltums" projektu vadītāja Renāte Bražinska: "Īstenojot saules kolektoru un siltuma akumulācijas tvertnes uzstādīšanu projektu 2019. gadā, "Salaspils siltums" spēja pārskatīt siltumenerģijas tarifus un tarifi tika samazināti par 13%."

Foto: Indulis Burka / Latvijas Mediji

"Salaspils siltuma" projektu vadītāja Renāte Bražinska stāsta, ka uzņēmums ar siltuma saglabāšanu nodarbojas jau vairākus gadus. "Šobrīd visefektīvākais mūsu rīcībā esošais risinājums ir saules kolektori apvienojumā ar akumulācijas tvertni. Tas ļauj dienas laikā iegūto saules siltumu novirzīt pilsētas siltumapgādes tīklā pēc vajadzības." Saules kolektori ir tāda veida saules paneļi, kas nevis ražo elektroenerģiju ar fotoelementu palīdzību, bet gan ar tajos esošo šķidrumu uztver tieši saules siltumu. Tālāk šis sasilušais šķidrums ar sūkņiem tiek nogādāts uz siltummaiņiem, kuros tas nodod siltumu ūdenim, kas tiek uzglabāts akumulācijas tvertnē, bet šo ūdeni tālāk iespējams novirzīt pilsētas centralizētās apkures sistēmā. 

"Īstenojot šo projektu 2019. gadā, "Salaspils siltums" spēja pārskatīt siltumenerģijas tarifus, un tarifi tika samazināti par 13%," 

stāsta R. Bražinska. Viņa skaidro, ka šī tehnoloģija noskatīta, pētot Dānijas pieredzi siltumapgādē, bet projektu īstenojot saņemts 40% līdzfinansējums no Eiropas Savienības struktūrfondu līdzekļiem. Ar pašreiz uzstādītajiem saules kolektoriem tiek saražoti gandrīz 20% no Salaspilij nepieciešamā siltumenerģijas apjoma gadā, 75% no pārējā siltuma tiek iegūti, dedzinot šķeldu, bet 5% – ar dabasgāzes palīdzību. Taču Bražinska skaidro, ka uzņēmuma centieni ekoloģiskāka siltuma ieguvē ar saules kolektoriem vien neapstājas. Jau tuvākajā laikā uzņēmums paredzējis arī vērienīgu elektrifikācijas programmu – proti, siltumsūkņu un elektrisko apkures katlu uzstādīšanu, projektēšanas darbu sākums paredzēts 2025. gadā.

"Rīgas siltums" pēta iespējas

Valsts lielākais siltumapgādes uzņēmums "Rīgas siltums" (RS) tik tālu praktiskos darbos vēl pavirzījies nav, taču tas nenozīmē, ka netiek pētītas dažādas siltuma uzglabāšanas un efektīvākas izmantošanas iespējas. "Mūsu uzņēmums virzās no tradicionālā siltumapgādes uzņēmuma uz enerģijas apmaiņas platformu. Praktiski tas nozīmē, ka 

vēlamies veidot siltumapgādes tīklu tā, lai jebkurš uzņēmums, kuram ir lieks siltums – maizes ceptuves, ķīmiskās tīrītavas, dažādas rūpnīcas u. c. uzņēmumi –, spētu nodot šo siltumu tīklā, bet mēs savukārt spētu to novirzīt patērētājiem," 

skaidro "Rīgas siltuma" valdes priekšsēdētājs Ilvars Pētersons. "Tādēļ mūsu prioritātes tuvāko desmit gadu laikā galvenokārt būs vērstas uz siltumapgādes tīkla attīstību. Pirmkārt, tas nozīmē centralizētās siltumapgādes attīstību – ja šobrīd 75% Rīgas patērētāju pieslēgti centralizētajai apgādei, tad mūsu mērķis ir sasniegt 90% patērētāju aptvērumu, tuvinoties Skandināvijas valstu rādītājiem šajā jomā. No klimata pārmaiņu un oglekļa izmešu ierobežošanas viedokļa centralizētā siltumapgāde ir visefektīvākais siltuma ražošanas un apgādes veids, turklāt, ja spēsim novirzīt siltumapgādes vajadzībām arī uzņēmumu lieko siltumu, tad šāda sistēma būs klimatam daudz draudzīgāka. Tā kā paļaušanās tikai uz fosilajiem resursiem siltuma apgādē kļūst arvien sarežģītāka, tad plānojam uzstādīt arī siltumsūkņus un elektriskos siltuma katlus. Turklāt 2024. gada vasara nodemonstrēja, cik lielu enerģijas daudzumu spēj piedāvāt Latvijā uzstādītie saules paneļi, un tā jāspēj izmantot. Patiesību sakot, pēdējā gada laikā notikušie incidenti ar it kā nejauši pārrautiem starpvalstu elektrokabeļiem vedina domāt, ka maksimāli jācenšas izmantot vietējos atjaunojamos energoresursus un vajadzības gadījumā pat jāspēj kādu laiku iztikt tikai ar tiem," saka Pētersons.

"Rīgas Siltums" valdes priekšsēdētājs Ilvars Pētersons: "Vēlamies veidot Rīgas siltumapgādes tīklu tā, lai jebkurš uzņēmums, kuram ir lieks siltums – maizes ceptuves, ķīmiskās tīrītavas, dažādas rūpnīcas, u. c. uzņēmumi - spētu nodot šo siltumu tīklā, bet mēs savukārt spētu to novirzīt patērētājiem. Tas savukārt prasa attīstīt siltuma uzglabāšanas iespējas."

Foto: Indulis Burka / Latvijas Mediji

Kur uzglabāt Rīgas siltumu?

Taču, uzsver I. Pētersons, šāda iecerētā attīstība pieprasa attīstīt arī siltuma uzglabāšanas iespējas. Šobrīd Latvijā esošā lielākā siltuma krātuve ir "Latvenergo" piederošā krātuve pie TEC-2. Tajā tiek uzkrāts siltums, kuru tobrīd nav iespējams nodot siltumapgādes tīklos. Krātuvē esošais ūdens apjoms pārsniedz 30 tūkstošus kubikmetru, taču Rīgas vajadzībām šīs krātuves jauda nav pietiekama. Tādēļ "Rīgas siltums" aktīvi interesējas par alternatīvām uzglabāšanas iespējām. 

Kā viena no šādām iespējām tiek minēta Somijas uzņēmuma "Polar Night Energy" izstrādātā smilšu bateriju tehnoloģija, kurā siltums tiek uzglabāts daļēji zemē iegremdētos smilšu torņos. 

I. Pētersons neslēpj, ka šobrīd RS ar Somijas uzņēmumu ir parakstījis līgumu par izpētes projekta veikšanu. Ja izpēte apliecinās šīs tehnoloģijas piemērotību "Rīgas siltuma" vajadzībām, tad pirmās smilšu baterijas Rīgā varētu tikt uzbūvētas 2026. gadā, prognozēja "Rīgas siltuma" valdes priekšsēdētājs. Tiesa, viņš uzsvēra, ka smilšu baterijas nav vienīgās siltuma uzglabāšanas un efektīvākas izmantošanas iespējas, tiekot pētītas arī citas. "Siltumenerģija no "Latvenergo" TEC-2 Aconē Rīgas pievārtē līdz Vecrīgai šobrīd ceļo pat līdz 12 stundām. Šajā laikā siltuma zudumi ir neizbēgami. Tādēļ vienlaikus ar smilšu bateriju izpēti tiek meklētas iespējas izveidot Rīgā, Krasta ielas rajonā, siltuma savienojumus, kas ļautu samazināt siltuma piegādes laiku līdz četrām stundām, šādi samazinot gan zudumus, gan arī ļaujot precīzāk reaģēt uz siltuma pieprasījuma izmaiņām. Tieši tāpat nākotnē plānots savienot abu Daugavas krastu siltumtīklus," saka Pētersons.

Vienkārša un ģeniāla ideja

Kas tad ir Somijas uzņēmums "Polar Night Energy", kuru šī raksta gatavošanas laikā autoram pieminēja vairāki uzņēmēji un par kuru neoficiāli ir zināms, ka Latvijā noslēgti smilšu bateriju tehnoloģiju izpētes līgumi vismaz divu uzņēmumu interesēs? "Polar Night Energy" (PNE) ir 2018. gadā trešajā lielākajā Somijas pilsētā Tamperē dibināts uzņēmums. To izveidoja divi inženierzinātņu studiju biedri – Tommi Eronens un Marku Ilonens. Tikko Tamperes Tehnoloģiju universitāti pabeigušie uzņēmuma dibinātāji saskatījuši, ka enerģijas tirgus kļūst arvien svārstīgāks par spīti tam, ka elektrības cenas Somijā krīt, un sapratuši, ka 

atjaunojamo resursu enerģētika pati par sevi bez augstas veiktspējas enerģijas uzglabāšanas risinājumiem nespēs panākt enerģētikas dekarbonizāciju. 

Šī doma pati par sevi nekāds jaunums nav, taču PNE izceļas ar to, ka spējis piedāvāt vienkāršu un relatīvi lētu šīs problēmas risinājumu – smilšu baterijas.

"Ideja par to, ka vajadzētu mēģināt uzglabāt kādas dzīvojamās ēkas siltumenerģiju, ienāca mums ar Marku prātā vēl studiju laikā," stāsta "Polar Night Energy" valdes priekšsēdētājs Tommi Eronens. "Ņemot vērā saules paneļu straujo attīstību, tas ļautu katrai atsevišķajai ēkai siltumapgādes ziņā kļūt pilnīgi neatkarīgai. Sākām rēķināt, kā to varētu izdarīt, un sākotnējās idejas bija saistītas ar lielu, siltumizolētu ūdens tvertni, tieši par to bija mans maģistra darbs. 

Taču tad mums ienāca prātā, ka smiltis varētu uzglabāt siltumu daudz efektīvāk." 

Pirmais eksperimentālais smilšu baterijas projekts tapa 2018.–2019. gadā Tamperē pilsētas pašvaldības piešķirtās telpās vairs nefunkcionējošā celulozes rūpnīcā – svarīgi bija tas, ka rūpnīca bija pievienota visiem nepieciešamajiem pilsētas infrastruktūras tīkliem. Tā izrādījās ļoti veiksmīga ideja, un kopš tā laika PNE ir strauji audzis.

Šobrīd PNE strādā 23 cilvēki un uzņēmums izveidojis jau vairākas funkcionējošas smilšu baterijas – pilotprojektu ar trīs MW siltuma uzglabāšanas jaudu Hiedrantas pilsētā, pirmo komerciāli izmantojamo bateriju ar astoņu MW jaudu Kankānpā un pirmo industriālās jaudas bateriju Dienvidsomijas pilsētā Pornainenā. Tostarp pēdējais uzņēmuma projekts Pornainenā ir visai iespaidīgs – kad tas drīzumā sāks darboties, tā būs pasaules lielākā smilšu baterija, kuras siltumenerģijas uzglabāšanas jauda būs 100 MW, kas ļaus pilnībā atteikties no fosilo resursu izmantošanas pilsētas siltumapgādē un samazināt oglekļa izmešus par gandrīz 70%. Paredzams arī, ka Pornainenas siltumapgādē nepieciešamais šķeldas apjoms samazināsies par 60%.

Smilšu baterija darbojas tā: kad ir lēta saules vai vēja elektroenerģija, ar būtībā parastu elektrisko spirāļu palīdzību tiek uzkarsēts gaiss caurulēs, kas caurvij smilšu masu. 

Savukārt gaiss, cirkulējot caur smilšu masu, sakarsē tās līdz pat 650 0C, un smiltis izrādījušās ļoti labs siltuma uzglabātājs – tās spēj šo siltumenerģiju glabāt stundām, nedēļām un pat mēnešiem ilgi, ja ir tāda vajadzība. Savukārt brīdī, kad rodas nepieciešamība, smiltīs uzkrāto siltumu var izmantot ēku apsildei, industriālā siltuma ražošanai, tvaika vai elektrības ieguvei. Lai smilšu baterijas spētu funkcionēt šādā veidā, smiltīm jābūt sabērtām apaļas formas tornī, kas daļēji atrodas zem zemes, bet daļēji virszemē, un šī konstrukcija ir izolēta ar siltumizolācijas kārtu. Tornim jābūt apaļam tāpēc, ka iepriekšējie eksperimenti parādījuši, ka lielākie siltuma zudumi vērojami konstrukcijas stūros. Paša torņa augstums virs zemes var sasniegt pat 20 metrus, bet līdz šim lielākā – Pornainenā uzstādītā – ir 13 metrus augsta un 15 metrus diametrā liela baterija. Ar vienu uzlādes ciklu tā spēs apsildīt 5000 iedzīvotāju lielo pilsētu mēnesi ilgi.

"Patiesību sakot, tehnoloģijā kā tādā nav nekā sarežģīta," stāsta T. Eronens un uzsver, ka sarežģītākā tehnoloģijas daļa meklējama datorā, kas spēj visu šo procesu efektīvi vadīt un monitorēt. 

"Mums jāspēj saprast, kā siltumenerģija pārvietojas baterijas iekšienē, cik daudz enerģijas ir mūsu rīcībā un cik ātri mēs varam bateriju uzpildīt vai izlādēt." 

Eronens ir ļoti piesardzīgs, vērtējot šādu bateriju izmaksas, jo lielākas baterijas esot energoefektīvākas par mazajām, tātad nosacīti arī lētākas ekspluatācijā. Kā orientējošas izmaksas viņš min 10 miljonus eiro viena megavata enerģijas uzkrāšanas jaudai, taču šajā aprēķinā ir daudz mainīgo lielumu katrā konkrētajā vietā – materiālu pieejamība, to transportēšanas attālums, celtniecības izmaksas un paša projekta apjoms.

Alternatīva litija akumulatoriem un ūdeņradim?

Pats labākais smilšu bateriju idejā ir to vienkāršība, saprotamība, relatīvais lētums un ekoloģiskais nekaitīgums. Litija visām atjaunojamās enerģētikas vajadzībām uz Zemes vienkārši nepietiks, turklāt tā ieguve ir vidi piesārņojoša. Ūdeņradis kā enerģijas uzglabāšanas līdzeklis sākotnēji tika uzņemts ar entuziasmu, Eiropas Savienība šo tehnoloģiju attīstībā ir ieguldījusi lielus līdzekļus. Taču pēdējos pāris gados ūdeņraža entuziasms Eiropā pamazām apsīkst, sākot apzināties milzīgās tehnoloģiskās grūtības ūdeņraža uzglabāšanā un praktiskajā izmantošanā. Savukārt smiltis ir pieejamas gandrīz visur, turklāt ar smiltīm nekas neapstājas – PNE eksperimentē arī ar citiem materiāliem. Piemēram, viens no perspektīvākajiem pētāmajiem materiāliem ir viens no dzelzs rūdas paveidiem – magnetīts, kurš spēj uzglabāt vairākas reizes lielāku siltuma apjomu nekā smiltis. Taču kopumā Eronens uzsver, ka uzņēmums ir ļoti orientēts uz vietējo resursu izmantošanu. Tādēļ 

uzņēmums pēta un eksperimentē ar būvgružu un citu atkritumu izmantošanu, starp citu, izmēģināti arī agrākā "Liepājas metalurga" izdedži, kas aizņem vairāku futbola laukumu lielu platību Liepājā, 

tie diemžēl izrādījušies nepiemēroti. Taču kopumā izpētes procesā ir vairāki desmiti dažādu materiālu, un viena no uzņēmuma jau uzbūvētajām baterijām izmanto nevis smiltis, bet drupinātu ziepjakmeni – materiālu, kas, pateicoties savām siltuma īpašībām, tiek plaši izmantots krāšņu un kamīnu būvē.

Viens no interesantākajiem smilšu bateriju izmantošanas aspektiem ir tas, ka uzkrāto siltumu var izmantot ne tikai siltuma ražošanai, bet arī iegūt no tā elektrību, novirzot sakarsēto gaisu uz parastām gāzes turbīnām, kādas izmanto visās termoelektrostacijās. "Polar Night Energy" jau eksperimentē arī šajā virzienā, un, ja viss izdosies, ņemot vērā milzīgo pierpasījumu pēc enerģijas uzkrāšanas, minētais uzņēmums var kļūt par otru Somijas "Nokia". Tommi Eronens min, ka pašreizējo eksperimentu laikā izdevies pārvērst atpakaļ elektroenerģijā 35% uzkrātā siltuma. Pirmajā brīdī šāds skaitlis var šķist relatīvi neliels, bet tikai tik ilgi, līdz atceries, ka automašīnās izmantotā iekšdedzes dzinēja lietderības koeficients ir 20%, bet atomelektrostaciju un termoelektrostaciju lietderības koeficients nepārsniedz 30% – proti, tikai līdz 30% dabasgāzes vai kodoldegvielas izdodas pārvērst elektroenerģijā. Tādēļ arī šajā jomā smilšu bateriju tehnoloģija izskatās ļoti interesanta atjaunojamo resursu enerģētikai.

Sava enerģija

Foto: Latvijas Mediji

Mediju atbalsta fonda ieguldījums no Latvijas valsts budžeta līdzekļiem. Par publikācijas saturu atbild "Latvijas Mediji".