Energiainfra ja uudet energiateknologiat
Energialähteet ja polttoaineet (Geoterminen energia)
Energiatehokkuus ja energiansäästö
Ympäristöteknologia
Uusiutuva geoenergia tuottaa pian kaukolämpöä
Geolämmön hyödyntämiseen tähtäävää teknologiaa kehitetään St1:n pilottihankkeessa Otaniemessä
Otaniemi. Kuva: Aalto Yliopisto / Mikko Raskinen
Uusiutuvan ja päästöttömän syvän geolämmön hyödyntämistä tutkitaan ja kehitetään tällä hetkellä eri puolilla maailmaa. Otaniemessä sijaitsevan maailman syvimmän geolämpölaitoksen tuotantovirtausta testataan tänä vuonna.
Geoterminen energia on täysin uusiutuvaa ja lähes päästöttömästi hyödynnettävissä olevaa maansisäistä lämpöä, joka syntyy maan ytimessä tapahtuvien radioaktiivisten hajoamisten seurauksena. Geoterminen energia saadaan käyttöön poraamalla kallioperään riittävän syvä kaivo, jonka kautta johdetaan vettä.
Lämmennyttä vettä voidaan käyttää esimerkiksi kaukolämmön tuottamisessa. Asuinrakennusten tarvitsema lämpöenergia olisi mahdollista tuottaa lähes täysin geo- ja maalämmöllä, joiden lisäksi kulutuspiikkejä tasattaisiin sähköllä.
Matalat geolämpökaivot ovat jo käytössä, ja syvän geolämmön hyödyntämiseen tähtääviä ratkaisuja kehitetään parhaillaan. Keskisyvät energiakaivot ulottuvat yhdestä kolmeen kilometrin syvyyteen, ja syvät kaivot puolestaan viidestä seitsemään kilometriin Suomen kallioperässä.
”Käyttötarve ja laitoksen sijainti ratkaisevat kuinka syvä kaivo tarvitaan. Yksittäisen kiinteistön tai taloyhtiön lämmitystarve voidaan ratkaista käytettävissä olevasta maapinta-alasta riippuen useilla matalilla tai parilla keskisyvällä kaivolla. Kaukolämmön tuottamiseen tarvitaan aina syvä lämpökaivo”, sanoo St1 Oy:n Maasta lämpöä -liiketoimintayksikön johtaja Matti Pentti.
St1 Oy:n Maasta lämpöä -liiketoimintayksikön johtaja Matti Pentti sanoo, että Suomen kallioperän etuna syvän geotermisen energian hyödyntämiseksi ovat vakaat kallioperän olosuhteet. Kuva: St1 Nordic Oy
EGS-pilottihankkeessa syvä geolämpö käyttöön
Uusista teknologioista EGS eli Enhanced Geothermal System perustuu kahteen kallioperään porattuun kaivoon eli syöttökaivoon ja tuotantokaivoon, joiden välille luodaan hydraulinen yhteys kallioperän sisällä.
EGS-teknologiaa kehitetään tällä hetkellä useissa hankkeissa maailmalla. Suurin osa kaivoista on sijoitettu lähelle maanpintaa tai Suomen kallioperää paremmin vettä läpäisevään kallioperään. St1 ja Fortum käynnistivät vuonna 2015 Suomen ensimmäisen EGS-pilottihankkeen Espoon Otaniemessä.
”Päästöttömän lämmöntuotannon kehittämiseksi aloimme tutkia, kuinka geotermistä energiaa voidaan hyödyntää kaukolämmön tuotannossa. Aluksi teimme kahden kilometrin syvyisen tutkimuskaivon, jolla varmistettiin, että alueen oletettu lämpötilagradientti pitää paikkaansa. Samalla saimme kallioperästä kairasydännäytteitä”, kertoo Pentti.
Fortumin kaukolämpöverkkoon liitettävän geolämpölaitoksen tarkempi tuotantokapasiteetti selviää, kun vuoden 2021 virtaustestin tulokset saadaan analysoitua. Tuotanto on tavoitteena saada käyntiin vuoden 2022 loppuun mennessä.
Vahvaa osaamista vientituotteeksi
Pilottihanke on monilta osin maailman ensimmäinen omaa tyyppiään edustava syvä EGS-laitos. Hankkeessa kehitetään ja testataan geotermisen energian hyödyntämiseen tähtäävää teknistä- ja liiketoimintakonseptia, jonka kaikkien työvaiheiden ratkaisut ovat taloudellisesti kannattavia sekä teknisesti toimivia.
”Olemme saaneet Otaniemien hankkeessa syvälämpökaivoista vahvaa osaamista, josta on maailmanluokan vientituotteeksi. Suomen kallioperän kovuuden ja paksuuden vuoksi kehittämämme menetelmät ovat sovellettavissa erilaisten kallioperien työstämiseen”, Pentti kertoo.
Sekä kotimaan lämmöntuotannon että vientituotteen kehittämisessä viranomaisten, tiedeyhteisön ja kaupallisten toimijoiden sujuva yhteistyö ja avoin viestintä ovat avainasemassa.
Kovat kivilajit vaativat poralta kestävyyttä
Tuotanto- ja syöttökaivon poraustyöt alkoivat vuonna 2016 ja saatiin päätökseen toukokuussa 2020. Syöttökaivon syvyys on 6,4 kilometriä ja tuotantokaivon 6,2 km, ja kaivot ovat maailman syvimmät lämpökaivot. Neljän kilometrin syvyydessä kaivot kääntyvät Otalahden alla sijaitsevan rakovyöhykkeen ylä- ja alapuolelle.
”Kuuden kilometrin syvyydessä kallion lämpötila on 120 oC, joten vesi lämpenee kaukolämpöverkkokelpoiseksi ilman lämpöpumppua. Analysoimme parhaillaan, kuinka syvän kaivon poraaminen on kannattavaa tulevissa hankkeissa”, Pentti sanoo.
Syvä EGS on investointi-intensiivinen mutta käyttökustannuksiltaan edullinen energiantuotantomuoto, jonka takaisinmaksu aika on kaivojen syvyydestä riippuen 10-20 vuotta. Tarkempi kallioperän ominaisuuksien tuntemus auttaa tuotantolaitoksen optimaalisessa sijoittamisessa ja sopivan syvyyden määrittelemisessä.
”Suomen kallioperä muodostuu kovista kivilajeista kuten graniitista ja gneissistä. Yrityksen ja oppimisen kautta selvitimme mahdollisimman tehokkaan poraustekniikan syvien kaivojen poraamiseen. Tehokkaimmaksi tavaksi osoittautui eri poraustekniikoiden käyttäminen eri syvyyksillä”, Pentti sanoo.
Ilmavasaraporaus toimii noin 3-4 kilometriin saakka, jonka jälkeen työtä jatkettiin rullaporauksella. Hanke toi tietoa sekä poranterään sopivista materiaaleista ja terän mallista, että optimaalisesta poran operoinnista.
Kuva: St1 Nordic Oy
Seismisyyttä valvotaan tarkasti
Muutoin umpinaiset kaivot ovat viimeisen kilometrin matkalta avointa rei’itettyä putkea. Kaivojen hydraulinen yhteys on todennettu stimuloimalla kallion rakovyöhykkeeseen vettä syöttökaivosta.
Hydraulisissa testeissä tavoitteena on saada täsmällistä tietoa veden liikkumisesta rakovyöhykkeessä. Otaniemen geolämpölaitoksen ympärille rakennettiin 12 geofoniasemaa, joiden avulla stimuloinnista aiheutuneiden äänien tarkka sijainti määriteltiin.
”Geofoneilla kuullaan äänet todella tarkasti. Stimulointi tehtiin pienissä osissa ja seismisiä tapahtumia monitoroitiin samalla jatkuvasti. Seismisten tapahtumien tihentyessä painetta pienennettiin siten, että pysyimme viranomaisten määrittelemissä magnitudirajoissa”, Pentti kertoo.
Stimulointivaiheessa luotiin kolmiulotteinen äänikartta veden liikkumisesta kalliossa. Seismistä aktiivisuutta kontrolloidaan ja valvotaan erittäin tarkasti, eikä testauksista tai tuotantolaitoksen käytöstä aiheudu vaaraa.
Tuotantovaiheen virtausta testataan tänä vuonna
Fortumin lämpökeskuksessa sijaitsevan maanpäällisen geolämpövoimalan rakennus- ja asennustyöt ovat noin 75-prosenttisesti valmiita. Putkikanaalit kaivoilta lämpökeskukseen ja liitäntä Espoon kaukolämpöverkkoon on rakennettu ja suurin osa sähköasennuksista sekä lämmönvaihtimien, pumppujen ja oheislaitteiden asennuksista on tehty.
Rakovyöhykkeeseen on luotu maanalainen vesiesiintymä, ja kesällä 2021 hankkeessa edetään virtaustesteihin.
”Tämän vuoden kesäkuusta lokakuuhun teemme virtaustestejä ensin ilman rakojen paineistamista. Seuraavassa vaiheessa selvitämme kuinka rakovyöhykettä voi paineistaa hallitusti siten, että veden virtaus on suurempi kuin luontainen läpimeno kalliossa. Suurempi virtaus parantaa laitoksen tehoa”, sanoo Pentti.
Lopullisen tuotantovaiheen virtauksen selvittämisen jälkeen voidaan määritellä maapäällä sijaitsevien laitteistojen tarkemmat parametrit sekä suunnitella ja rakentaa maanpäällisen lämpövoimalan laitteistot valmiiksi.
Tuotantokapasiteetti riippuu sijoituspaikasta
Geolämpökaivojen tuotantokapasiteetti riippuu kallioperän lämpötilasta ja vedenjohtavuudesta sekä lämpötilagradientista. Alueet, joilla on positiivinen geoterminen poikkeama ja hyvin vettä läpäisevä rakovyöhyke, ovat parhaita sijoituspaikkoja geolämmön tuotantoon.
”Suomen kallioperän etuna syvän geotermisen energian hyödyntämiseksi ovat vakaat kallioperän olosuhteet. Lisäksi kallioperässä on satunnaisilla alueilla noin yhdestä puoleentoista kilometrin syvyydellä vesisuonia, joiden hyödyntämistä puolisyvissä geolämpökaivoissa kannattaa tutkia tarkemmin”, sanoo Pentti.
Tällä hetkellä geolämmön täyden potentiaalin hyödyntämistä hidastaa geolämpökaivolle otollisen paikan tunnistaminen maan pinnalta tehtävillä tutkimuksilla. Optimaalisen paikan löytämiseksi tarvitaan vielä uutta tutkimustietoa kallioperän geologisista ja geofyysisistä ominaisuuksista.
Teksti: Merja Maukonen
