The melting of snow with the return water of district cooling and district heating in Helsinki

Abstract

Snow deposit sites in Helsinki have been at their limits during winters of heavy snowfall. The winter maintenance of streets faces an even greater challenge due to the possibly forthcoming ban on dumping snow into the sea in Hernesaari. In this master's thesis an alternative solution, where snow is melted in an underground facility with the heat from the return line of district cooling, as well as district heating, is proposed. The objective was to study the feasibility of melting snow with these energy sources from both technical and economical viewpoints.

To achieve a sufficient melting capability, it was assumed that in the future both the structure and the power of the district cooling network would have developed further. The availability of the heat in the district cooling network was found to depend on the demand of the Katri Vala heat pump plant, because it competes for the use of this energy source in its district heating production. The cost of snow melting was calculated at 67 &#128 per truck-load of snow, assuming 45 000 yearly truck-loads and that 40 % of the melting energy consists of district cooling return heat. The alternative cost, associated with depositing snow to a land dump 25 km away, was calculated at 77 &#128 per load, mostly consisting of transport costs. Compared to its alternatives, melting was found to be a cost-effective method of snow removal, but due to the high investment cost (estimated 8,5 M&#128) it presumes high snow volumes. As proposed, its evident cost-effectiveness also depends on the availability of district cooling return water.

The possibility of utilizing seasonal snow storage in Helsinki was also studied. Ploughed snow from the streets would be collected and stored in a rock cavern and used to produce district cooling in the summer. Due to the occasional warm winters with little snowfall, during which the storage couldn't be filled, the snow storage was found to be not directly comparable to competing methods of cooling production. The high mining cost was considered another major challenge. The cost of cooling produced from snow was calculated at 252 &#128/MWh, more than tenfold compared to the current selling price of district cooling.

Helsingin lumenvastaanottopaikkojen kapasiteetti on ollut runsaslumisina talvina riittämätön. Katujen talvikunnossapito vaikeutuu entisestään Hernesaaren merivastaanottopaikan aiotun lakkauttamisen myötä. Tämä diplomityö käsittelee yhtä lumiongelman mahdollista ratkaisua, jossa lunta sulatetaan Helsingin kantakaupungissa sijaitsevassa maanalaisessa vastaanottoterminaalissa hyödyntäen kaukojäähdytyksen ja kaukolämmön paluuvesien lämpöenergiaa. Työn tavoitteena on selvittää, onko lumen sulattaminen näillä energianlähteillä mahdollista ja teknistaloudellisesti perusteltua.

Kaukojäähdytyksen paluulämmön saatavuuden todettiin riippuvan kaukojäähdytysverkon rakenteen ja talvitehon tulevasta kehityksestä sekä Katri Valan lämpöpumppulaitoksen tarpeista, sillä se pystyy siirtämään kaukojäähdytyksen paluuveden lämpöä kaukolämpöverkkoon. Sulatuksen kustannuksia selvitettäessä kaukojäähdytyksen paluulämmön osuudeksi sulatusenergiasta arvioitiin 40 %. 45 000 vuosittaisella lumikuormalla ja arvioidulla 8,5 M&#128:n alkuinvestoinnilla lumikuormakohtaiseksi lumenhävityksen hinnaksi saatiin 67 &#128. Kilpailevan lumenhävitystavan, 25 km:n etäisyydellä sijaitsevalle maalajitäyspaikalle kuljetuksen, lumikuormakohtaiseksi kustannukseksi laskettiin 77 &#128, joka koostui lähes kokonaan kuljetuskustannuksista. Maavastaanottopaikalle kuljettamiseen verrattuna sulatus todettiin kannattavaksi lumenhävitystavaksi erityisesti, jos sulatuksessa voidaan käyttää kaukojäähdytyksen paluulämpöä.

Työssä tarkasteltiin myös mahdollisuutta lumen kausivarastointiin: hävittämisen asemesta lumi kerättäisiin varastoon ja siitä tuotettaisiin kesäaikaan jäähdytystä, josta saataisiin myyntituloa. Helsingin olosuhteissa merkittävimmät haasteet ovat tilanpuutteesta johtuva tarve louhia suuri kalliovarasto ja satunnaiset lämpimät ja vähälumiset talvet, joina lumivarastoa ei saataisi täytettyä. Siten lumivarasto ei leikkaa jäähdytyksen huipputuotantokapasiteettia. Lumen varastointiin perustuvan kausijäähdytyksen tuotantokustannukseksi laskettiin 252 &#128/MWh, joka on kaukojäähdytyksen nykyhintaan nähden yli kymmenkertainen.