Geoenergian hyötykäyttö suurkohteissa ja ...

20.8.2009 1Jarmo Kallio

Geoenergian hyötykäyttö suurkohteissa ja yhdyskuntasuunnittelussa


Hyvää tietää taustaksi

• Uusiutuvan energian osuus nostettava Suomessa 38 % vuoteen 2020 mennessä (nyt 28%)

• CO2 – päästöjä vähennettävä 16 % päästökaupan ulkopuolisilla aloilla kuten liikenne, rakennusten lämmitys, maatalous

• Uusien rakennusten energiatehokkuutta parannettava jopa 40 %, vuonna 2010 ? + 20 % vuonna 2012 (valmisteilla)


Ja vielä EU:n energiankulutus

• Liikenne 26 %

• Teollisuus 33 %

• Rakennukset 41 % (Suomessa 40 %)


0

2

4

6

8

10

12

14

16

-1 1 3 5 7 9 11

Lämpötila (oC)

Syvy

ys (m

)s = 1*10-6 m2s-1

Tammi

Maalis

ToukoHeinä

Syys

Marras

• Maan pinnan lämpötila vaihtelee ilman lämpötilan mukaisesti (vuodenaikojen mukaan)

• Noin 15 metrin syvyydeltälähtien lämpötila on vuodenajasta riippumaton

• Paikkakunnan vuosittainen ilman keskilämpötila määräämaankamaran lämpötilan: T(maa) ≈ 0,71 * T(ilma(a)) + 2,93

• Kallioperän lämpötila Etelä-Suomessa 100 m:n syvyydessäon noin 7 – 8 °C.

– Pyhäsalmen kaivoksessa lämpötila on 1450 m:n syvyydessä noin 22 °C

– Outokummussa 2500 m:n syvyydessä 40 °C

Mikä on maa- ja kallioperän lämpötila Suomessa?

Lähde: Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät, 2008. Nina Leppäharju


(Leppäharju, Nina, GTK)

Annual average temperature

of ground surface


Maa- ja kalliolämpöä voidaan hyödyntää eri lähteistä

• Maaperästä (irtaimet maalajit), jolloin energia on pääosin peräisin auringosta (tyypillisesti pienkohteita)

• Kallioperästä (kiteinen kallioperä), matalista porakaivoista 50 –200 m, energia myös pääosin auringosta + pieni lisä myös geotermisestä lämmöstä (suurten energiatarpeiden ratkaisu)

• Syvistä kalliorei’istä (ns. geotermisistä rei’istä korkean lämpötilagradientin kallioperäalueilla, ei Suomessa).

• Olemassa olevista tunneleista tai suljetuista kaivoksista.• Vesimassoista ja järvi- sekä merisedimenteistä.


Maaperään asennettava lämmönkeruuputkisto.

(Sulpu Ry.)


Kallioperään asennettava lämmönkeruuputkisto.

(Sulpu Ry.)


Vesistön pohjalle asennettava lämmönkeruuputkisto.

(Sulpu Ry.)


• Ruotsissa on asennettu yli 300 000 ja Suomessa noin 46 000 kallio- tai maalämpöjärjestelmää. Vuotuiset asennusmäärät ovat Ruotsissa 10-kertaiset Suomeen verrattuina.

• Ruotsissa jo 12 % pientaloista käytti kalliolämpöä vuonna 2005, ja kasvupotentiaali on edelleen suuri.

• Ruotsin edistyneisyys perustuu siihen, ettäRuotsin valtio panosti voimakkaasti uusiutuviin energiamuotoihin 1980- ja 1990-luvuilla.

• Maalämpöpumppujen myynti kasvoi 42 % vuonna 2008, myytiin 7500 kpl (Sulpu ry).

• Kevyen polttoöljyn osuus Suomessa rakennusten lämmitykseen käytetystäenergiasta on noin 17 %. Sitä käytetään vuosittain 1,1 milj. tonnia, arvoltaan vajaat 500 milj. € (Suomen Virallinen Tilasto 2005).

Kalliolämpö Suomessa ja Ruotsissa

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

35 000

40 000

45 000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

kpl

Suomi Kallio tai maalämpöpumppu Ruotsi Kallio tai maalämpöpumppu

Lähde: Suomen Lämpöpumppuyhdistys (Sulpu) ja SverigesVärmepumpförening (SVEP) tilastoja.

Vuotuiset asennusmäärät


0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

35 000

40 000

45 000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

kpl

Suomi Ruotsi

Lähde: Suomen Lämpöpumppuyhdistys (SULPU) ja SverigesVärmepumpförening (SVEP) tilastoja.

Maalämpöpumppujen vuotuiset asennusmäärät


Kalliolämpöratkaisujen näköalat

• Suomen ja Ruotsin kallioperä on samanlaista, joten geologiset edellytykset kalliolämmön hyödyntämiseen ovat samat.

• Ruotsissa toteutettu yli tuhat suurkohdetta (kymmeniä jopa satoja energiakaivoja per tuotantokenttä) ja Norjassakin 300

• Euroopan suurin (maailman ?) kohde Oslossa (Åhus hospital), jossa kokonaisenergiankulutus (lämmitys + viilennys) on 34 GWh, kentän teho 15 – 17 MW

• Myös saneerauskohteissa kalliolämpö soveltuu korvaavaksi lämmitysvaihtoehdoksi erityisesti kohteissa, joissa jo on vesikiertoinen lämmitysjärjestelmä. Suomessa noin 30 % pientaloista on tällaisia (energianlähteenä yleensä öljy tai sähkö). Vuosittain uusitaan 70 000 – 80 000 öljylämmitysjärjestelmää (kaikkiaan vielä 250 000 öljylämmitteistä taloa)

• Paras tulos kuitenkin saavutetaan uudiskohteissa, joissa lämmitys voidaan toteuttaa lattia-/seinä-/kattolämmityksenä alhaisella 25 – 35 asteisella kiertovedellä. Ja vielä yhdistämällä viilennys hyötysuhde paranee merkittävästi.


Akershus hospital – Technical solutionHeat- and cooling central:

Heat pumps and oil/electrical boilers

Energy storage:

400 drilled holes in the ground (rock), 150 m deep

Winter mode.

Heat pump taking heat from storage, cooling it down

Summer mode:

Heat pump utilising the cold storage for cooling, warming up the storage with the hot side of the heat pump

Kuva: Bærum fjernvarme AS


Energy concept• The municipality demands were that at least 40% of the energy

should come from renewable energy sources• Energywells - using the rock as energy storage • The annual energy demand of the hospital will be covered by:

– 85% by the heat pumps– 15% by oil or electricity

• The heat pump plant includes– Energywells including season storage– Cold water circuit (surplus heat from cooling production)– Rest heat recovery from ventilation after ordinary heat exchangers

• Alternatively the hospital would use oli/electricity for heating, compressor chillers for cooling and low energy recovery possibilities

• Budget for thermal supply 10 milj.€, energy consumtion 34 GWh


Ostoskeskus, 2006Vällingby, Tukholma•143 energiakaivoa, yht. 28 600 m


Liikerakennus, Tukholman keskusta

I1

Dia 19

I1 IT-PALVELUT; 1.10.2008


Tutkimus- ja kehityshaasteet

• Tutkimuksen ja soveltamisen haasteet Suomessa liittyvät suurten energiajärjestelmien suunnitteluun ja mitoitukseen; tarvitaan tietoa mm. kallio- ja maaperän koostumuksesta, rakenteesta ja pohjavesiolosuhteista, jotta esim. energiakaivojen syvyydet ja keskinäiset etäisyydet, sijoittelu, kentän tuotto jne. voidaan optimoida. Voidaan hyödyntää jo olemassa olevaa laajaa geodataa mutta myös spesifistä, soveltavaa osaamista pitäärakentaa

• Kalliolämmön hyödyntämisen yhdistäminen esim. maa- tai sedimenttilämpöön tai jätelämmön ja muun hukkalämmön hyödyntämiseen esim. viemärivedestä liitettynävarastointiin voi tarjota mielenkiintoisia optimaalisia hybridiratkaisuja taajama-alueilla

• Kannattaa selvittää hybridejä geo-/solar-/bio/wind – erityisesti geo/bio ja geo/solar• Energiapaalut?• Kustannustehokkuuden kannalta keskeistä on maa- ja kallioenergian hyödyntäminen

myös tilojen viilentämiseen (lämmön palauttaminen lähteeseen yhdistettynävarastointiratkaisuihin)

• Isojen kohteiden energiajärjestelmien konseptikehitys- ja vertailu • Geoenergiapotentiaalisten alueiden / - muodostumien osoittaminen kartalla (eri

parametrejä) huomioitavaksi yhdyskuntasuunnittelussa ja kaavoituksessa


• Vaasan asuntomessualueen sedimenttilämpötutkimus ja - hyödyntäminen (sedimentit, seuranta)

• Tehty Nupurinkartanon pientaloalueen (YIT, Uponor Oyj ja Fortum Oyj) geoenergiaselvitys. Energiakentän laskenta/mallinnus/suunnittelu.

• Valmistelussa useita alueellisia hankkeita

• Tutkittu, laskettu ja mallinnettu 4 megaluokan geoenergian tuotantokenttääsuurkohteille Suomessa, lisäksi useita valmistelussa/neuvottelujen kohteena

• GEOENER – Maa- ja kallioenergia yhdyskunnan energiahuollossa (Tekes), geoenergiaosio+projektinjohto/koordinointi

GTK useissa hankkeissa mukana


Espoon Nupurinkartano(250 pientaloa)


Pelastusopisto/Palotalo

Kallioperä geologisen kivilajikartoituksen perusteella (Pohjoinen oikealle)

•Kaivo 1 Graniittijuoninen kiillegneissi

•Kaivo 2 Ehjä keskirakeinen graniitti

•Kaivo 3 Kiilleliuskeen ja graniitin kontakti

Poraukset 2. – 4.3 .-09•Saadaan tarkempi kivilajiselvitys•Soijanäytteet n. 40 m:n välein


Optinen kuitu, pituus 220 m. Pisteanturi 100 m syvyydelle.


DTS-mittaus käynnissä kaivolla 2 (kuvassa kalibrointilaatikko).


TRT- ja DTS-mittaukset käynnissä kaivolla 2.


Lämpötila 150 metriä syvän lämpökaivon ympärillästationääritilanteessa, kun lämmönoton keskiteho on 10 W/m, lämmönjohtavuus 3,24 W/(mK) ja ympäristön lämpötila 5°C.

T [°C]

T [°C]

Lämpötila 150 metriä syvän lämpökaivon ympärillästationääritilanteessa, kun lämmönoton keskiteho on 15 W/m, lämmönjohtavuus 3,24 W/(mK) ja ympäristön lämpötila 5°C.

Lähde: Leppäharju, N., 2008. Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät. Pro gradu työ. Oulun yliopisto.

Lämpötilan lasku energiakaivon ympäristössä: tehon vaikutus


Geologian tutkimuskeskuksen tarjoamat asiantuntijapalvelut geoenergiahankkeissa• Potentiaalisten alueiden tunnistaminen/valinta kohdetutkimuksiin (aluesuunnittelu)• Kohteellinen geologinen ja geofysikaalinen kenttätutkimus: kivi- ja maalajit, koostumus,

rajapinnat, rakoilut, ruhjeet …Pohjavesitutkimukset tarvittavassa laajuudessaAnalysointi ja jatkon arviointi

Jatketaan:• Porataan 2 – 5 testi e-kaivoa, TRT (Thermal Response Test) –mittaus, geofysikaaliset

reikämittaukset ja luotaukset, reikien videokuvaus ja tulkinta• Energialähteen ja – kentän mallinnus: tuoton optimointi, energiakaivojen sijainti, etäisyydet,

syvyydet, suunnat (geometria)• Energiakentän tai yksittäisen kaivon pitkäaikaisseuranta • Asiantuntijakonsultointi erityiskysymyksissä• Projektinjohto-palvelut

Toimeksianto suunnitellaan aina tapauskohtaisesti yhdessä asiakkaan kanssa ja se koostuu kaikista em. osioista tai vain joistakin, tarpeen mukaan. Lasketaan budjetti ja tarjotaan asiakkaalle.


Keitä GTK palvelee geoenergia-asioissa?• Julkisia tahoja kuten ministeriöt, lainsäätäjät, energiapolitiikan linjaajat,

aluekehittäjät, kaavoittajat, kunnat• Kaupallisia toimijoita energia- ja rakennusalalla kuten uudisrakentajia,

rakennuttajia, kiinteistösijoittajia, korjausrakentajia, lämmitys- ja viilennysjärjestelmien toimittajia, energianmyyjiä/-tuottajia ja suunnittelutoimistoja

• T&K-projekteja valmistelevia yrityksiä projektien valmistelussa, suunnittelussa ja toteutusvaiheessa alihankkijan/konsultin/tutkijan roolissa

GTK toimii maksullisen konsultin periaatteilla ( joissakin tutkimuspainotteisissa yhteisprojekteissa se voi ottaa osan kustannuksista kantaakseen)Yhteydenotot: Jarmo Kallio FL, johtava tutkijaGeologian tutkimuskeskus GTK/Energia [email protected], p.050-349 3242


Geoenergiajärjestelmän mallinnus ja mitoitus• GTK on ainoa taho Suomessa, joka suunnittelee geoenergiajärjestelmiä

yksityiskohtaisten geologisten ja geofysikaalisten tutkimusten perusteella.• Erityisesti suuret kohteet, mm. asuinalueet ja teollisuusrakennukset (tällä hetkellä 8

projektin valmistelussa/asiantuntijana)• Mallinnuksessa käytetään TRT-mittauksesta ratkaistuja energiakaivon

ominaisuuksia. • Mitoitus → Järjestelmän luotettavuus, tehokkuus ja pitkäikäisyys.• DTS-laitteen mahdollisia uusia käyttökohteita esim. routa- ja virtaamatutkimukset

sekä käytetyn ydinpolttoaineen sijoitukseen liittyvät kallioperätutkimukset.

Sipoo, syystalvi 2008. Valokuvat: Ilkka Martinkauppi, GTK


TRT-laite (Thermal Response Test)• Syötetään vakioteholla lämpöenergiaa

koereikään ja mitataan menevän ja tulevan liuoksen lämpötila.

• Mittausta voidaan tarkkailla ja ohjata etänä modeemin kautta.

• Suomen ainoa TRT-laite.

Käyttö geoenergiatutkimuksissa• Mittaustuloksista tulkitaan energiakaivon

termiset ominaisuudet • Tulosten tulkinta ja kentän mallinnus

edellyttää laajaa ja monipuolista geologis- geofysikaalisen tiedon hallintaa, yhdistämistä ja kokeellista taustaa

Nupurinkartano, Espoo, kesä 2008. Valokuva: Ilkka Martinkauppi, GTK


DTS-laite (Distributed Temperature System)• Lämpötilan mittaus optisella kuidulla.• Perustuu lasersäteen takaisinsironnan

lämpötilariippuvuuteen.• GTK:ssa kaksi DTS-laitetta, hankittu

2008. • Geoenergiatutkimukset ainutlaatuinen

DTS:n sovelluskohde Suomessa.

Käyttö geoenergiatutkimuksissa• Energiakaivokentän toiminnan

pitkäaikaisseuranta.• Voidaan käyttää yhtä aikaa TRT-

mittauksen kanssa pohjaveden virtauksen paikantamiseen energiakaivossa.Suvilahti, Vaasa, syksy 2008.

Valokuva: Nina Leppäharju, GTK


Temperature measurements


Miksi siis geoenergiaa ?• Se on kestävän kehityksen mukaista, uusiutuvaa, käytännössä

loputon energian lähde

• Se tuottaa energiaa 24 tuntia /vrk, kautta vuoden, käytännössäkaikkialla asutuilla alueilla

• Se on ympäristöystävällistä ja auttaa vähentämään CO2 – päästöjä

• Keskimäärin 2/3 käytetystä energiasta on ilmaista


GEOENER- Geoenergy in community energysupply 2008 - 2010• New concepts for energy supply, hybrid renewable energy solutions and business

models• For large targets/buildings• Close-to-market consortium: GTK (lead), VTT ja TuKKK + Finnish companies like

Are Oy, Bergans Kiinteistöt Oy, ERAT Arkkitehdit Oy, Fortum Power and Heat Oy, Rakennusosakeyhtiö Hartela, Kalliokaivo Oy/Poratek, Projectus Team Oy, Senaatti kiinteistöt, Suomen Lämpöpumpputekniikka Oy/Lämpöässät, Uponor Oyj, St 1 Oy

• Realization through real pilots proposed by companies• Goals :

– Models for delivery of geoenergy for designers, builders, financiers– Development of integration and engineering skills for hybrids(Geo-/solar-/bio-

/wind) – Development of testing and modelling of geoenergy production fields– New technological solutions for geoenergy-wells– New concepts for energy systems– Business possibilities in geoenergy– Assesment of Finnish geoenergy potential

Geoenergian hyötykäyttö suurkohteissa ja ...

Documents

Transcript of Geoenergian hyötykäyttö suurkohteissa ja ...