Geolämmössä paljon mahdollisuuksia

Helenin tavoitteena on hiilineutraalius 2035. Tänä vuonna on jo tehty investointipäätökset 300 miljoonan euron hiilineutraaliustoimenpiteistä, ja uusia lämmönlähteitä etsitään jatkuvasti. Geolämmön kehittymistä on Helenissä seurattu ja selvitetty jo pitkään, ja yhteistyötä tehdään muun muassa Geologian tutkimuskeskuksen GTK:n kanssa.

Mitä geolämpö on ja miten sitä voidaan hyödyntää kaukolämmössä?

Kallioperän sisältämä geoterminen lämpöenergia on peräisin maapallon ytimessä tapahtuvista radioaktiivisista hajoamisreaktioista. Lämpötilan on todettu kasvavan mentäessä maanpintaa syvemmälle, ja Suomessa lämpötila kasvaa syvemmälle mentäessä noin 18 celsiusastetta kilometriä kohden. Geotermisen energian maailmanlaajuinen potentiaali on erittäin suuri globaaliin energiankulutukseen nähden, ja Suomessa hyödynnetään vasta murto-osa käytettävissä olevasta geoenergiapotentiaalista.

Tuotetulla geoenergialla voidaan korvata fossiilisten polttoaineiden käyttöä energiantuotannossa. Perinteiseen maalämpöön verrattuna poraussyvyyden kasvattaminen avaa mahdollisuuden hyödyntää korkeampia lämpötiloja ja parempaa tehontuottoa energiantuotannossa. Tämä muuttaa geoenergian yksittäisten omakotien energiaratkaisusta suurten kiinteistömassojen ja alueellisten lämpöverkkojen energialähteeksi. Näin ollen geoenergian osuutta voidaan nostaa merkittävästi uusiutuvan energian lähteenä ja vähentää CO2-päästöjä.

Suomessa on tunnistettu keskisyvän geoenergian mahdollisuuksia ja tarpeita, joihin poraussyvyyden kasvattaminen vastaa. Hankkeiden kustannukset ja riskit ovat kuitenkin toistaiseksi liian korkeita kaupalliseen toimintaan ja ratkaisujen laajamittaiseen käyttöönottoon. Uutta tietoa ja uusia ratkaisuja tarvitaan kaikkiin keskisyvän geoenergiahankkeen vaiheisiin suunnittelusta, ympäristöriskeistä ja mitoituksesta poraukseen sekä lämpöpumppujärjestelmän teknisistä ratkaisuista käytönaikaiseen optimointiin ja säätöön.

Keskisyvä geoterminen lämpökaivo yltää 1-3 kilometriin

Keskisyvällä energiakaivolla tarkoitetaan 1-3 kilometrin syvyyteen ulottuvaa porakaivoa, joka on varustettu lämmönsiirtimenä toimivalla putkistolla. Erona tavalliseen 200-500 metriin ulottuvaan maalämpökaivoon on lämpötilataso ja saatu lämpöteho.

Keskisyvän energiakaivon poraus onnistuu kevyemmällä kalustolla edullisemmin kuin varsinaisen syvän geotermisen energiakaivon poraus ja on ympäristöriskeiltään rinnastettavissa tavanomaiseen maalämpöporaukseen. Kuitenkin 1-3 kilometrin syvyysalueella 100 % kaivon energiasta on jo peräisin syvältä maan kuoresta johtuvasta lämmöstä. Rakennetuilla alueilla tavanomaisen maalämpöporauksen haaste on käytettävissä olevan porausalueen koko. Yhdellä keskisyvällä kaivolla voidaankin korvata useampi matalampi maalämpökaivo tai jopa kokonainen maalämpökaivokenttä, joka olisi muuten mahdotonta saada sijoitettua suunnitellulle alueelle.

Keskisyvän lämpökaivon teknologia on nimeltään ”Deep Geothermal Single Well” (DGSW), eli syvälle porattu geoterminen lämpökaivo, jossa kaivoon asennettu koaksiaaliputkisto toimii ikään kuin kallioperään ulottuvana lämmönvaihtimena. Teknologiassa on olennaista, että kaivoon pumpattu vesi kiertää maanpinnan ja syvän kallioperän välillä vain yksittäisessä kaivossa tapahtuvan virtauksen avulla, eikä vettä siis kuljeteta erillisten kaivojen välillä kallioperän huokosia pitkin. Teknologia ei aseta kallioperälle merkittäviä rajoitteita, koska siltä vaaditaan pääsääntöisesti vain syvyyden mukana tullutta lämpötilaa. Myöskään kallioperän stimulointia ei suoriteta, jolloin poraamisen yhteydessä ei esiinny maanjäristysten riskiä.

Suomessa on tunnistettu keskisyvän geoenergian mahdollisuudet ja tarpeet, joihin poraussyvyyden kasvattaminen vastaa. Ensimmäiset keskisyvät energiakaivohankkeet Suomessa on käynnistetty ja kyseinen teknologia on demonstrointivaiheessa. Mänttä-Vilppulan Kolhoon on porattu noin 1,4 kilometrin syvyinen lämpökaivo ja Espoon Koskeloon noin 1,3 kilometrin syvyinen lämpökaivo, joiden matalalämpöä on tarkoitus hyödyntää lämpöpumpun lämmönlähteenä. Näistä laitoksista Espoo on jo tuotannossa, mutta pitkäaikaista tuotantodataa ei ole vielä saatavilla.

Alan kehittymisen kannalta kriittinen tekijä onkin tiedon puute, mikä näkyy muun muassa porausvaikeuksissa, epärealistisissa toimintalämpötilojen ja energiamäärien tavoitteissa sekä haasteissa energiakaivojen suunnittelussa.

Islannin maankamarassa esiintyy geotermisiä energiavarantoja matalalla syvyydellä.

Syvä geoterminen lämpökaivo yltää 5-7 kilometriin

Tällä hetkellä geotermistä energiaa hyödynnetään maailmalla lämmön ja sähkön tuotannossa lähinnä alueilla, joilla esiintyy geotermisiä energiavarantoja (kuumia lähteitä) riittävän matalla syvyydellä. Tällaisia kohteita on esimerkiksi Islannissa ja Ranskassa Pariisin läheisyydessä.

Porausteknologian kehittymisen myötä on päästy poraamaan syvemmälle ja on kehitetty uusia teknologiakonsepteja, joita on mahdollista toteuttaa myös alueille, jotka eivät sijaitse olemassa olevien geotermisten energiavarantojen yhteydessä - näin on esimerkiksi Suomessa.

Syvillä geotermisillä porauksilla tavoitellaan suoraan kaukolämpökäyttöön soveltuvia lämpötilatasoja, mikä Suomen kallioperän ominaisuuksilla tarkoittaisi 5-7 kilometrin syvyisiä lämpökaivoja.

Uusista teknologioista eräs on EGS = ”Enhanced Geothermal System”, joka perustuu kahteen porakaivoon, joiden välille on synnytetty kallioperän sisällä tapahtuva vesivirtaus. Kyseistä konseptia käytetään muun muassa Ranskassa Soultz-sous-Forêts:in laitoksella, jossa kolmea 5 kilometrin syvyistä porakaivoa hyödynnetään sähköntuotantoon matalalämpöturbiinilla. Kyseinen laitos oli teknologian ensimmäinen pilotointi vuonna 2010.

Myös St1:n Otaniemen hankkeessa on tarkoitus hyödyntää EGS-järjestelmää kaukolämmöntuotantoa varten. Koska EGS perustuu veden virtaamiseen suorassa kosketuksessa kallioon, joudutaan kallion sisältämiä rakovyöhykkeitä avaamaan paineistetun veden avulla, jotta virtaus kallioperässä olisi mahdollinen. Tätä menetelmää kutsutaan stimuloinniksit tai säröytykseksi, ja sillä on todettu olevan seismisiä vaikutuksia eli se synnyttää kallioperään jännitystiloja, joiden purkautuessa voi lähialueella esiintyä maanjäristyksiä. Suomessa maanjäristykset ovat olleet varsin pieniä.

EGS-järjestelmien lisäksi syvälämpökaivoja kehitetään myös Single well -totetustavalla aivan kuten keskisyviä lämpökaivoja on jo toteutettu. Kuitenkin verrattuna useiden kilometrien syvyiseen geotermiseen energiakaivoon, näemme keskisyvän kaivon olevan teknisesti helpommin ja nopeammin toteutettavissa oleva ratkaisu, jonka avulla saadaan tärkeää tutkimustietoa ja kokemusta syvempiä reikiä ajatellen.

Helen teki kallioperän geofysikaalista tutkimusta Keskuspuistossa - erikoisvalmisteisilla kuorma-autoilla tärisytettiin maanpintaa ja lähetettiin seismisiä aaltoja alas kallioperään.

Lämpöverkot erinomainen alusta uusille geolämpöratkaisuille

Helen teki seismisiä heijastusluotaustutkimuksia Keskuspuistossa viime vuoden lopussa yhdessä Geologian tutkimuskeskuksen GTK:n kanssa. Kyseessä oli Suomen ensimmäinen geotermistä energiaa kartoittava heijastusseisminen tutkimus ja myös ensimmäinen kaupunkialueella tehty syvä kallioperän kartoitus. Erikoisvalmisteisilla kuorma-autoilla tärisytettiin maanpintaa ja lähetettiin seismisiä aaltoja alas kallioperään.

Tutkimuksessa selvitettiin, onko Helsingin keskuspuiston alueella merkittäviä rakovyöhykkeitä tai litologisia kontakteja, joita voisi joko hyödyntää geotermisen energian tuotannossa tai välttää porausvaiheessa, jotta poraus olisi sujuvampaa. Kallioperän rakennetta tutkittiin 5-8 kilometrin syvyyteen saakka.

Hiilineutraali lämmitys rakentuu monista eri ratkaisuista. Geolämpö on potentiaalinen ratkaisu myös Helsingissä. Helen kartoittaa parhaillaan erilaisia teknologisia ratkaisuja aina maalämpöratkaisuista keskisyviin ja syviin geotermisiin kaivoihin. Selvityksessä on korttelikokoluokan geolämmön tuotanto sekä kaukolämpöverkossa että kiinteistökohtaisessa järjestelmässä. Helenin olemassa olevat kaukolämpö- ja jäähdytysverkot toimivat erinomaisena energia-alustana uusien ratkaisujen kehittämiselle: niihin voidaan yhdistää erilaisia tuotantoratkaisuja.

Keskuspuiston seismisessä heijastustutkimuksessa lähetettiin seismisiä aaltoja alas kallioperään. Maata tärisytettiin yli 250 tärytyspisteessä ja geofoneja, jotka ottavat vastaan seismisiä aaltoja, asennettiin yli 750 kpl.

Seismisten aaltojen heijastumista kallioperän rakenteista mitattiin maahan asennettavilla vastaanottimilla, geofoneilla.