Geoenergiapotentiaalin selvitys Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alueelta

Transkriptio

1 GNR Geoenergia Espoo GTK/456/03.02/2016 Geoenergiapotentiaalin selvitys Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alueelta Nina Leppäharju, Petri Hakala ja Asmo Huusko

2 Loppuraportti GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Tekijät Nina Leppäharju, Petri Hakala ja Asmo Huusko / GTK/456/03.02/2016 Raportin laji Tilaustutkimusraportti Toimeksiantaja Tampereen kaupunki, Kangasalan kunta ja Lempäälän kunta Raportin nimi Tiivistelmä Geologian tutkimuskeskus (GTK) teki Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän toimeksiannosta selvityksen paikkakuntien geoenergiapotentiaalista. Työn tuloksena tuotettiin kartta-aineistoa, joka kuvaa kvalitatiivisesti geoenergian hyödynnettävyyttä. Esimerkkilaskelmin tutkittiin geoenergiapotentiaalin merkitystä energiatarpeeltaan erilaisiin käyttökohteisiin. Selvitys antaa tietoa kivilajien lämmönjohtavuudesta sekä maapeitteen paksuuden vaihtelusta, sekä palvelemaan uusiutuvan geoenergian hyödyntämismahdollisuuksien arviointia ja käyttöä. Kartoitetun alueen geoenergiapotentiaali on pääosin hyvä ja paikoin jopa erinomainen. Keskinkertaisiksi luokitellut alueet ovat geoenergian hyödyntämisen kannalta myös suositeltavia. Potentiaaliltaan tyydyttäviin ja heikkoihin alueisiin kuuluu pääosin yksittäisiä alueita, mutta niillä energiakaivojen suunnitteluun tulee kiinnittää erityistä huomiota haluttujen energiamäärien saamisen varmistamiseksi. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Geoenergia, maalämpö, kalliolämpö, geoenergiapotentiaali Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Pirkanmaa, Tampere, Kangasala, Lempäälä Karttalehdet - Muut tiedot - Arkistosarjan nimi - Kokonaissivumäärä 18 s Yksikkö ja vastuualue GNR Geoenergia Allekirjoitus/nimen selvennys Kieli suomi Arkistotunnus - Hinta - Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Julkisuus Tilaustyö Asmo Huusko Nina Leppäharju

3 Loppuraportti Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 Johdanto 1 2 Mitä geoenergiapotentiaali tarkoittaa? 1 3 Maapeitepaksuus ja luokittelu 3 4 Kivilajit ja luokittelu 5 5 Geoenergiapotentiaaliluokittelu ja -kartta 9 6 Esimerkkilaskelmat ja energiakaivojen mitoitus 13 7 Yhteenveto 17 KIRJALLISUUSLÄHTEET 18

4 Loppuraportti 1 1 JOHDANTO Tampereen kaupunki sekä Kangasalan ja Lempäälän kunnat tilasivat osana uusiutuvan energian kuntakatselmustaan Geologian tutkimuskeskukselta (GTK) syksyllä 2015 alueidensa geoenergiapotentiaalin selvityksen. Työ toteutettiin talven aikana. Selvitys perustuu pääosin GTK:n olemassa olevaan geologiseen paikkatietoaineistoon ja tutkimusraportteihin. Näiden lisäksi alueen maapeitepaksuustiedon tarkentamiseen käytettiin tilaajien teknisen toimen kairaustietoja, tietoja poratuista energiakaivoista ja alueella toimivien energiakaivourakoitsijoiden rekistereitä toteutettujen energiakaivojen maaporausosuuksien paksuuksista myös ajalta ennen toimenpidelupamenettelyä. Työhön ei sisältynyt maastotutkimuksia. Asiantuntijoina ovat toimineet yksikön päällikkö Asmo Huusko (geoenergia, projektipäällikkö), geofyysikko Nina Leppäharju (geoenergia), tutkija Petri Hakala (geoenergia), geologi Marit Wennerström (kallioperä), geologi Henrik Wik (kallioperä) ja geologi Olli Sallasmaa (maapeite). Geoenergiapotentiaalikartan muotoilusta vastasivat geologit Satu Putkinen ja Olli Sallasmaa. Geoenergiapotentiaalikarttaa ja esimerkkilaskelmia ei voida sellaisenaan käyttää kiinteistöjen energiakaivojen tai -kaivokenttien mitoittamiseen, koska kartta on tarkkuudesta riippumatta aina yleistetty esitys. Kohdekohtaisesti geoenergiaa laajamittaisesti hyödynnettäessä on syytä suorittaa aina paikallisia geologisia tutkimuksia ja geofysikaalisia mittauksia oikean mitoituksen turvaamiseksi. Kartalla ei ole esitetty pohjavesialueita, vedenottamoita suoja-alueineen, luonnonsuojelualueita, maanalaisia rakenteita ja muita geoenergian käyttöä mahdollisesti rajoittavia aluevarauksia. Rajoituksista on varmistuttava ajoissa jo geoenergiajärjestelmän suunnitteluvaiheessa. Energiakaivon poraus edellyttää toimenpideluvan hakemista. Uudisrakentamisen yhteydessä lämmitysjärjestelmä hyväksytään rakennusluvassa. Pohjavesialueella ja vedenottamoiden läheisyyteen rakentamiselle voidaan asettaa rajoituksia (Ympäristönsuojelulaki 86, Vesilaki 264). Rakentamisen edellytyksiä, mahdollisia toteutukseen ja toimintaan liittyviä riskejä sekä lupaprosessia on käsitelty tarkemmin Suomen Ympäristökeskuksen Energiakaivooppaassa (2013), joka on saatavilla internetistä ( 2 MITÄ GEOENERGIAPOTENTIAALI TARKOITTAA? Geoenergia on termi, joka tarkoittaa maa- ja kallioperästä sekä vesistöstä tai vesistön pohjasedimentistä kerättävää ja lämpöpumpun avulla rakennuksessa hyödynnettävää lämmitys- ja viilennysenergiaa. Vastaavaa termiä käytetään myös ruotsinkielessä. Suomessa käytetään yleisterminä maalämpö-sanaa, joka on kuitenkin hieman suppea, sillä Suomessa hyödynnetään tosiasiassa pääosin kallioperästä lämpökaivon eli energiakaivon avulla kerättävää kalliolämpöä. Sekä maa- että kalliolämpöjärjestelmät hyödyntävät pääosin auringon säteilystä peräisin olevaa energiaa. Kallioperän lämpövuo eli maan sisältä tuleva lämpö määrittelee, miten kallion lämpötila kehittyy syvyyden mukaan. Suomessa tämä

5 Loppuraportti 2 lämpötilagradientti eli lämpötilan nousu vaihtelee tyypillisesti välillä 0,8 1,5 C/100 m. Kallioperän ominaisuudet vaikuttavat vaihteluväliin, sillä esimerkiksi kallioperän radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvä lämpö vaihtelee alueittain. Geoenergiaa voidaan hyödyntää joka puolella Suomessa. Geoenergian hyödyntämismuodoista kalliolämpö on yleisin ja erityisesti taajamissa usein jopa ainut vaihtoehto. Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän geoenergiapotentiaaliselvityksessä on keskitytty nimenomaan kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttaviin geologisiin piirteisiin alueella juuri tästä syystä. Lisäksi kalliolämmössä energiakaivon poraussyvyys muodostaa suuren osan kustannuksista, joten tarvittavan syvyyden määrittävät tekijät, kuten kallioperän lämpötila, lämmönjohtavuus ja maapeitteen paksuus, määräävät koko järjestelmän kustannustehokkuutta. Sen sijaan perinteisessä, vaakaputkistoa hyödyntävässä maalämmössä putkiston pituus ja asennuskulut eivät vaadi niin merkittäviä alkuinvestointeja. Maalaji (esim. savi, hiekka) vaikuttaa kustannuksiin jonkin verran, mutta ei merkittävästi. Maalämmön hyödyntämistä rajoittaa tässä tapauksessa pikemminkin tarvittava maa-ala, jota voidaan tutkia vain tapaus- tai tonttikohtaisesti eikä alueellisesti. Geoenergiapotentiaali ja siitä muodostettu karttaesitys kuvastavat geoenergian hyödynnettävyyttä laadullisesti. Potentiaaliin vaikuttaa kallioperässä esiintyvät kivilajit ja erityisesti niiden lämmönjohtavuus sekä maapeitteen paksuus, jotka voivat vaihdella alueellisesti energiakaivon mitoittamisen kannalta hyvinkin merkittävästi. Selvitys voidaan toteuttaa tonttikohtaisesti tai alueellisesti korttelimittakaavasta (1:10 000) aina maakuntamittakaavaan (esim. 1: ) saakka. GTK on julkaissut alkuvuodesta 2016 myös koko Suomen geoenergiapotentiaalikartan mittakaavassa 1: Tässä valtakunnallisessa selvityksessä huomioitiin edellä mainittujen geologisten tekijöiden lisäksi myös lämpötila maankamarassa, koska koko Suomen mittakaavassa lämpötilaerot esimerkiksi Pohjois-Suomen ja Etelä-Suomen välillä aiheuttavat merkittävät erot energiakaivon mitoitukseen. Geoenergiapotentiaalikartta voi mittakaavasta riippuen olla ohjaamassa tarkempien selvitysten tarvetta, aluesuunnittelua ja energiamuotojen valintaa uusille asuinalueille tai jopa (tarkemmassa mittakaavassa) antaa lähtötietoja rakennusprojektin alustavaan suunnitteluun. Pienen mittakaavan geoenergiapotentiaalikarttaa ei kuitenkaan pitäisi käyttää kohteelliseen tarkasteluun, koska se voi yleistettynä esityksenä antaa väärän kuvan paikallisesta geologiasta. Geoenergiapotentiaalikartta voi paljastaa aikaisemmin tuntemattomia energiakaivojen mitoitukseen vaikuttavia alueellisia ominaispiirteitä, ja tämä auttaa paikallisia maalämpöyrityksiä toimittamaan asiakkailleen paremmin toimivia kustannustehokkaampia järjestelmiä. Kunnan tai maakunnan tarjoama geoenergiapotentiaalikartta lisää kiinnostusta tätä uusiutuvaa energiamuotoa kohtaan ja voi laskea rakentajien kynnystä valita geoenergia lämmitysenergiamuodoksi jonkun perinteisemmän vaihtoehdon sijaan.

6 Loppuraportti 3 3 MAAPEITEPAKSUUS JA LUOKITTELU Maapeitteen paksuus vaikuttaa suoraan yksittäisen energiakaivon ja energiakaivokentän porauskustannuksiin. Vaikutus syntyy kahdesta syystä: Oikeaoppisesti tehtyyn energiakaivoon asennetaan yläosaan ns. maaperäosuudelle muovinen tai teräksinen suojaputki, jonka tehtävä on estää irtoaineksen pääsy energiakaivoon ja sitä kautta pohjaveteen. Tämän maaporauksen ja suojaputken kustannukset asiakkaalle voivat muodostua merkittäväksi, erityisesti jos maapeitepaksuus ylittää selvästi metriä. Maapeitteen kustannusvaikutus näkyy myös energiakaivon mitoituksen kautta maalajien heikon lämmönjohtavuuden takia. Karkeana ohjeena voidaan pitää, että maalajin lämmönjohtavuus on noin puolet heikompi kuin kallioperän lämmönjohtavuus, joten erityisesti, kun maapeitepaksuus on kymmeniä metrejä, energiakaivoa tulisi syventää tämän mukaisesti alkuperäiseen suunnitelmaan verrattuna tarvittaessa vielä porausvaiheessa. Ei voida kuitenkaan yksiselitteisesti määrittää maapeitepaksuudelle rajaa, jonka jälkeen energiakaivon poraaminen olisi kustannusten takia kannattamatonta. Maaporauksen hinta suojaputkineen vaihtelee jonkin verran urakoitsijoiden välillä, ja kannattavuutta täytyy arvioida projektikohtaisesti, esimerkiksi verrattaessa vaihtoehtoisten lämmitysmuotojen kustannuksiin tai ottaen huomioon myös muut kuin taloudelliset kriteerit (esim. vihreät arvot ja uusiutuvien energiamuotojen arvostus). Kannattavuutta ei myöskään kannattaisi arvioida pelkästään alkuinvestointien perusteella vaan elinkaaritarkastelun kautta, koska geoenergiajärjestelmän edut ilmenevät käyttövuosien aikana. Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän geoenergiapotentiaaliselvityksessä maapeitepaksuuksia on arvioitu GTK:n olemassa olevien aineistojen sekä alueella tehtyjen kairausten ja porausten tietojen perusteella. Geoenergiapotentiaalin laskemista varten maapeitepaksuus alueella jaettiin kolmeen luokkaan: 0 10 m, m ja yli 30 m. Kuvassa 1 on havainnollistettu maapeitteen paksuutta alueella. Ylivoimaisesti suurin osa pinta-alasta kuuluu luokkaan 0 10 m. Ensimmäisessä luokassa maapeitepaksuuden vaikutus energiakaivon porauskustannuksiin on olematon tai hyvin pieni. Toisessa luokassa maapeitepaksuus vaikuttaa kustannuksiin jonkin verran tai melko paljon, riippuen siitä onko todellinen maapeitepaksuus lähempänä luokan minimiä vai maksimia. Kolmannessa luokassa maapeitteen paksuus muodostaa merkittävän osan energiakaivon porauskustannuksista ja on tapauskohtaisesti harkittava onko järjestelmän toteuttaminen kannattavaa. Toisessa ja erityisesti kolmannessa luokassa maapeite vaikuttaa myös energiakaivon mitoitussyvyyteen (ja sitä kautta myös kustannuksiin), koska maalajien heikompi lämmönjohtavuus heikentää kaivon tehokkuutta.

7 Kuva 1. Maapeitteen paksuus Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän tutkimusalueella. Kartalla on esitetty myös kallioalueet, joilla maapeite on käytännössä olematon, 0 1 m. Lopullisessa geoenergiapotentiaalissa on huomioitu luokat 0 10 m, m ja yli 30 m.

8 Loppuraportti 5 4 KIVILAJIT JA LUOKITTELU Kivilajit ja erityisesti niiden lämmönjohtavuus vaikuttavat merkittävästi energiakaivon porauskustannuksiin mitoitussyvyyden kautta. Suomen tyypillisissä kivilajeissa lämmönjohtavuuden vaikutus yksittäisen kaivon tarvittavaan syvyyteen voi olla kymmeniä metrejä (Leppäharju, 2008). Jos kivilajia ei oteta huomioon energiakaivon mitoituksessa, vaikutus voi näkyä siten, että energiakaivosta lämpöpumpulle tulevan lämmönkeruunesteen lämpötila laskee poikkeuksellisen alas ja lämpöpumpun lämpökerroin (COP-arvon) heikkenee jo ensimmäisten käyttövuosien aikana. Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän kivilajeja luokiteltaessa hyödynnettiin GTK:n DigiKP kivilajikuvioita v. 2.0 mittakaavan ollessa 1: Tutkimusalueen kallioperäkartta on esitetty Kuvassa 2. Kivilajit jaettiin lämmönjohtavuutensa perusteella viiteen luokkaan Taulukon 1 mukaisesti. Ensimmäinen luokka on lämmönjohtavuudeltaan, ja geoenergiapotentiaaliltaan, paras luokka ja viides luokka on heikoin. Lämmönjohtavuuden (sekä lopullisen geoenergiapotentiaalin) luokkien nimityksessä (erinomainen, hyvä, ) huomioitiin tilaajan toiveet. Taulukko 1. Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän tutkimusalueen kivilajien luokittelu lämmönjohtavuuden perusteella viiteen luokkaan. Luokka Lämmönjohtavuus [W/(m*K)] 1, erinomainen > 3,5 Esimerkkikivilajeja tutkimusalueella Tasarakeinen graniitti, porfyyrinen graniitti, kvartsimaasälpäliuske, kvartsiitti 2, hyvä 3,15, < 3,5 Granodioriitti, peridotiitti 3, Emäksinen ja intermediäärinen tuffiitti, 2,8, < 3,15 keskinkertainen graniittipegmatiitti 4, tyydyttävä 2,5, < 2,8 Amfiboliitti, gabro 5, heikko < 2,5 Dioriitti Kivilajien lämmönjohtavuusluokittelu on esitetty karttamuotoisena Kuvassa 3. Pinta-alaltaan suurin osa Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alueesta kuuluu hyvään lämmönjohtavuusluokkaan 3,15 3,5 W/(m K). Kuvaan sisältyvät myös vesistöt. Pinta-alaltaan hyvään lämmönjohtavuusluokkaan kuuluvat kivilajit kattavat alueesta noin 1400 km 2. Toiseksi suurin on keskinkertainen luokka (noin 250 km 2 ) ja kolmantena erinomainen luokka (noin 160 km 2 ). Heikkoon luokkaan kuuluvat kivilajit kattavat alueesta vain 10 km 2. Taulukossa 1 esitetyt kivilajien lämmönjohtavuusarvot perustuvat GTK:n aineistoihin mitatuista kivilajien lämmönjohtavuuksista sekä GTK:n geoenergia- ja kallioperägeologian asiantuntijoiden arvioihin. Kivilajien ominaispiirteet tutkimusalueella huomioitiin mahdollisuuksien mukaan. Selvityksessä ei ollut käytettävissä paikallisista kivilajeista mitattuja todellisia lämmönjohtavuusarvoja. Lisäksi kivilajit pitävät aina sisällään paljon koostumus- ja rakenteellista vaihtelua, jopa kohteellisesti esimerkiksi saman tontin sisällä,

9 Loppuraportti 6 mikä vaikuttaa todelliseen lämmönjohtavuuteen. Taulukossa 1 esitetyt ja selvityksessä käytetyt lämmönjohtavuusarvot ovat siis suuntaa antavia ja keskiarvoistavia. Kohteellista energiakaivon tai -kaivokentän mitoitusta ei pitäisi koskaan tehdä tämän selvityksen lämmönjohtavuusarvojen perusteella, vaan todellisilla mitatuilla, kohdekohtaisilla arvoilla. Olemassa olevat kallioperäkartat pohjautuvat kallioperäpaljastumista tehtyihin pintakartoituksiin, mutta kohteellisessa tarkastelussa esimerkiksi kallioperäkairausten tai porattujen energiakaivojen seurauksena voi paljastua, että kivilaji vaihtuu syvemmällä kallioperässä, joskus useampaankin kertaan. Lämmönjohtavuuden mittaus voidaan tehdä joko TRT-mittauksella (l. termisellä vastetestillä) koekaivossa tai kivi-/kairansydännäytteen laboratoriomittauksella. TRT-mittaus on Euroopassa ja maailmalla yleisesti käytetty menetelmä kallioperän lämmönjohtavuuden määrittämiseksi keskisuurten ja suurten energiakaivokenttien mitoituksessa. Suomessa menetelmä on yleistynyt selvästi kymmenessä vuodessa erityisesti yli 10 energiakaivon kenttien suunnittelussa.

10 Kuva 2. Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän kallioperäkartta. Kallioperätiedot Geologian tutkimuskeskus, DigiKP kivilajikuviot v. 2.0.

11 Kuva 3. Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän kivilajien ja niiden lämmönjohtavuuden luokittelukartta. Suurin osa alueesta sisältyy hyvään lämmönjohtavuusluokkaan. Luokittelu: 1=erinomainen, 2=hyvä, 3=keskinkertainen, 4=tyydyttävä, 5=heikko.

12 Loppuraportti 9 5 GEOENERGIAPOTENTIAALILUOKITTELU JA -KARTTA Geoenergiapotentiaalikartan toteutus tehtiin yhdistämällä maapeitteen paksuutta ja kivilajien lämmönjohtavuutta kuvaavat luokitellut aineistot. Geoenergian hyödyntämiseen vaikuttavia muita tekijöitä lämmönjohtavuuden ja maapeitteen lisäksi ovat mm. maanpinnan keskimääräinen lämpötila, kallion geoterminen gradientti [ C/m], alueelliset pohjavesiolosuhteet ja energiakaivon halkaisija/käytetyt putkityypit. Näistä maanpinnan keskimääräinen lämpötila on alueellisesti lähes vakio eikä sitä siksi tarvinnut huomioida potentiaalia selvitettäessä. Pohjavesiolosuhteet voivat kaivokentän käyttötarkoituksen mukaan joko heikentää tai parantaa toimintaa. Lämmön kausivarastointi esimerkiksi on hankalaa tai kannattamatonta, jos pohjavesi siirtää lämpöä kalliossa tehokkaasti. Potentiaalikartoituksessa pohjavesialueet jätettiin tarkastelun ulkopuolelle samoin kuin energiakaivossa kiertävän lämmönkeruunesteen lämpötilaan vaikuttavat kaivon ominaisuudet kuten halkaisija, täytemateriaali (vesi tai esim. bentoniitti) ja putkityyppi. Tarkastelu keskittyy ainoastaan kallion ja maapeitteen lämmönsiirtoa kuvaaviin ominaisuuksiin ja niiden muodostaman laadullisen geoenergiapotentiaalin selvitykseen. Geofysikaalinen paikkatutkimus suositellaan tehtäväksi aina suunniteltaessa useista energiakaivoista koostuvia kenttiä. Termisellä lämpövastemittauksella (TRT) saadaan selville paikkakohtainen tarkka tehollinen lämmönjohtavuus, joka huomioi myös maapeitteen heikentävän ja pohjavesien lämmönsiirtoa tehostavan vaikutuksen. Mittauksella saadaan selvitettyä myös energiakaivon tehollinen lämpövastus. Tarkka kohdekohtaisen potentiaalin selvittäminen edellyttää aina TRT-mittauksen tekemistä. Edellä esitetyn mukaisesti Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alueella esiintyvät kivilajit luokiteltiin potentiaalin muodostusta varten viiteen hyvyysluokkaan 1-5 taulukon 1 mukaisesti luokan 1 edustaessa parasta lämmönjohtavuutta ja 5 heikointa. Maapeitteen paksuus luokiteltiin kolmeen luokkaan 10, 20 ja 30, joista luokka 10 kuvaa ohuinta maapeitettä ja 30 paksuinta. Aineistot yhdistettiin keskenään ESRI:n ArcGIS-ohjelmistolla. Maapeitteen paksuus ja kivilajin lämmönjohtavuus summattiin yhteen, jolloin tulokseksi saatiin kartta, jonka jokainen 50 m * 50 m ruutu kuvaa jotakin 15:sta lämmönsiirtoa kuvaavasta maapeitelämmönjohtavuus kombinaatiosta. Aineistot tavallaan asetettiin päällekkäin, jolloin jokaista kartalla olevaa ruutua kuvaa jokin taulukon 2 arvo. Taulukko 2. Maapeitteen paksuuden ja kivilajien lämmönjohtavuuden avulla muodostetut kombinaatiot. Kivilajeja kuvaavat hyvyysluokat 1 5 ja maapeitteen paksuutta luokat 10, 20 ja 30. Kivilajin lämmönjohtavuus (erinomainen) (hyvä) (keskinkertainen) (tyydyttävä) yli maapeitteen paksuus 5 (heikko)

13 Loppuraportti 10 Potentiaaliltaan paras on kombinaatio 11. Kartalla kyseisen arvon saanut piste edustaa erinomaista lämmönjohtavuutta ja ohutta (0 10 m) maapeitettä. Heikoin kombinaatio on puolestaan 35, koska lämmönjohtavuus on heikko ja maapeite paksu (yli 30 m). Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alueella esiintyy jokaista 15 lämmönsiirron hyvyyttä kuvaavaa kombinaatiota. Lopullista geoenergian potentiaalikarttaa varten ne niputettiin viiteen luokkaan siten, että potentiaaliltaan erinomaiseen luokkaan sisältyvät kombinaatiot 11 ja 21 ja hyvään luokkaan kombinaatiot 12 ja 22. Keskinkertaiseen luokkaan asetettiin kombinaatiot 13, 23 ja 31, tyydyttävään luokkaan 14, 24, 32 ja 33 sekä heikkoon luokkaan kombinaatiot 15, 25, 34 ja 35. Kombinaatioiden luokittelu viiteen luokkaan on kuvattu Taulukossa 3. Kombinaatiot asetettiin paremmuusjärjestykseen asiantuntijatyönä sekä tekemällä useita simulointeja perustuen lämmönsiirtymiseen kalliossa. Maapeitteen paksuus otettiin laskuissa huomioon tehollisen lämmönjohtavuuden avulla. Maapeitteen lämmönjohtavuudelle käytettiin arvoa 1,3 W/(m K). Mitä paksumpi maapeite, sitä heikompi on kallion ja maapeitteen yhdessä muodostama tehollinen lämmönjohtavuus. Taulukko 3. Geoenergiapotentiaalin lopullinen luokittelu viiteen luokkaan maapeitteen paksuuden ja kivilajin lämmönjohtavuuden avulla esitettynä. Potentiaaliluokka Sanallinen luokittelu kombinaatioittain Kombinaatio 1 (erinomainen) 2 (hyvä) 3 (keskinkertainen) 4 (tyydyttävä) 5 (heikko) erinomainen lämmönjohtavuus + maapeite 0-10 erinomainen lämmönjohtavuus + maapeite hyvä lämmönjohtavuus + maapeite 0-10 hyvä lämmönjohtavuus + maapeite keskink. lämmönjohtavuus + maapeite 0-10 keskink. lämmönjohtavuus + maapeite erinomainen lämmönjohtavuus + maapeite yli 30 tyydyttävä lämmönjohtavuus + maapeite 0-10 tyydyttävä lämmönjohtavuus + maapeite hyvä lämmönjohtavuus + maapeite yli 30 keskink. lämmönjohtavuus + maapeite yli 30 heikko lämmönjohtavuus + maapeite 0-10 heikko lämmönjohtavuus + maapeite tyydyttävä lämmönjohtavuus + maapeite yli 30 heikko lämmönjohtavuus + maapeite yli Pinta-ala [km 2 ] 147,4 1296,5 229,0 89,3 12,1 Tulosten perusteella Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alue kuuluu geoenergiapotentiaaliltaan pääosin hyvään luokkaan ohuen maapeitteen ja kivilajien hyvän lämmönjohtavuuden vuoksi. Myös erinomaisia alueita on pinta-alallisesti enemmän kuin tyydyttävää tai heikkoa potentiaalia. Maapeitteen paksuus ei muodostu merkittäväksi geoenergian hyödynnettävyyttä rajoittavaksi tekijäksi, koska paksuja maapeitteitä, m ja yli 30 m, esiintyy huomattavasti vähemmän kuin ohutta maapeitettä. Selvästi paksuimmat maapeitteet sijoittuvat harjunmuodostelman alueelle heikentäen potentiaalia selvästi.

14 Loppuraportti 11 Vaikutus on nähtävissä myös Kuvasta 4, jossa on esitetty lopullinen geoenergiapotentiaalia kuvaava kartta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän alue on potentiaaliltaan suotuisaa geoenergian hyödyntämiseen.

15 Kuva 4. Lopullinen geoenergiapotentiaalikartta Tampereen,. Luokittelu: 1=erinomainen, 2=hyvä, 3=keskinkertainen, 4=tyydyttävä, 5=heikko.

16 Loppuraportti 13 6 ESIMERKKILASKELMAT JA ENERGIAKAIVOJEN MITOITUS Geoenergian (kalliolämmön) hyödynnettävyyttä erikokoisille kiinteistöille tarkasteltiin EEDohjelmistolla (Earth Energy Designer) tehtyjen esimerkkilaskelmien avulla. Esimerkkilaskelmilla pyritään osoittamaan konkreettisemmin mitä Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän geoenergiapotentiaali ja sen vaihtelut merkitsevät todellisissa geoenergia- eli maalämpökohteissa, pientalo- (lämmitysenergian vuosittainen tarve MWh), rivi- ja kerrostalo- (lämmitysenergian vuosittainen tarve MWh) sekä suurkohteissa (lämmitysenergian vuosittainen tarve MWh), tarvittavien energiakaivojen syvyyden ja määrän sekä porauskustannusten näkökulmasta. Simuloinneissa tutkittiin kallioperän ja energiakaivon termisten ominaisuuksien sekä kalliosta otettavan energian vaikutusta energiakaivon/kaivojen tarvittavaan aktiivisyvyyteen. Aktiivisyvyys tarkoittaa pohjaveden pinnan alapuolista osaa energiakaivosta, koska tämän yläpuolella kaivon pintaosassa ei tapahdu käytännössä lainkaan lämmönsiirtoa. Laskelmat tehtiin useilla eri lämpöpumpulta (COP=3,0) saatavilla lämpökuormilla, jotka vaihtelivat välillä MWh/a. Suurkohteiden simulointitarkastelu tehtiin energioilla 150 MWh/a, 250 MWh/a ja 800 MWh/a. Kivilajin lämmönjohtavuus on merkittävä tekijä simuloitaessa energiakaivokenttien toimintaa. Pirkanmaan kivilajit jaettiin lämmönjohtavuuden osalta viiteen hyvyysluokkaan. Kutakin luokkaa kuvaava keskimääräinen tehollinen lämmönjohtavuus on 4,0 W/(m K) (erinomainen), 3,3 W/(m K) (hyvä), 3,0 W/(m K) (keskinkertainen), 2,7 W/(m K) (tyydyttävä) ja 2,4 W/(m K) (heikko). Lämmönjohtavuuden lisäksi kallion lämpötila vaikuttaa oleellisesti geoenergian hyödynnettävyyteen. Tässä yhteydessä maanpinnan keskimääräiselle vuotuiselle lämpötilalle käytettiin laskelmissa arvoa 5,6 C ja lämpötilan arvioitiin kasvavan kallioperässä 1,1 C/100 m. Taulukkoon 4 on kirjattu EED-simuloinneista saadut tarvittavat aktiivisyvyydet, kun energiakaivot mitoitettiin mallintamalla niiden toimintaa 25 käyttövuoden aikana. Tarkasteluissa maapeitteen paksuuden ja sen lämmönjohtavuuden on ajateltu sisältyvän kivilajin teholliseen lämmönjohtavuuteen. Simuloinneissa käytetyt lämmönjohtavuudet kuvaavat siis energiakaivoa ympäröivän kallion ja maapeitteen yhteistä tehollista lämmönjohtavuutta. Laskettaessa kustannusvaikutusta parhaan ja heikoimman lämmönjohtavuusluokan välillä tuloksessa ei ole huomioitu maaperäosuuden suojaputkituksesta aiheutuvia kustannuksia. Hinta kaivometriä kohti voi suojaputkitettaessa olla jopa kaksin- tai kolminkertainen kallioporaukseen verrattuna. Todellinen maapeitteen aiheuttama kustannusvaikutus voi olla siis selvästi korkeampi kuin Taulukoissa 4 ja 5.

17 Loppuraportti 14 Taulukko 4. Tarvittava aktiivisyvyys energiakaivoa kohti ja kaivojen lukumäärä kivilajin lämmönjohtavuuden ja lämpöpumpulta saatavan energian funktiona. Tarkasteltu myös kustannusvaikutusta tarvittavan kaivosyvyyden osalta lämmönjohtavuudeltaan parhaimman ja heikoimman luokan välillä, kun kaivoporauksen on arvioitu maksavan keskimäärin 35 /m. Kustannusvaikutuksen arvioinnissa ei ole huomioitu maapeitteen aiheuttamaa kallista maaporausosuutta. Taulukkoa ei saa käyttää ohjeena todellisten energiakaivojen mitoittamisessa! Energia lämpöpumpulta, MWh/a Kivilajin lämmönjohtavuus, W/(m K) Kaivojen lkm. Kustannusvaikutus 4,0 3,3 3,0 2,7 2, ,7 102,3 108,7 116,4 125,7 1 (125,7 90,7) 35 = ,3 165,0 174,8 186,4 200, ,9 223,0 235,6 250,8 269, ,3 277,1 292,4 310,5 332, ,8 159,3 169,2 180,9 194, ,1 192,1 203,2 216,9 233, ,5 222,9 236,0 251,1 269, ,8 253,0 267,2 284,1 304, ,0 183,1 194,0 207,1 222, ,9 205,2 217,4 231,5 248, ,1 227,0 240,1 255,2 273, ,5 186,5 197,4 211,2 226, ,7 204,3 216,6 230,8 247, Taulukkoon 4 kirjatut tulokset on esitetty myös Kuvassa 5, josta käy ilmi lisäksi simuloinneissa käytetty kuukausittainen prosentuaalinen energiajakauma. Mikäli energiakuormaa pienennettäisiin talvikuukausien osalta ja kasvatettaisiin kesäkuukausina, olisi tarvittava kaivosyvyys matalampi. Simuloinnein voitiin todeta, että yksi energiakaivo riittää energiantarpeen 35 MWh/a tuottamiseen myös heikoimmalla tutkitulla lämmönjohtavuudella edellyttäen kuitenkin, että aktiivinen kaivosyvyys on noin 280 metriä. Tyydyttävällä ja heikolla kivilajin lämmönjohtavuudella 45 MWh/a tarpeen tuottamiseen suositellaan kahta energiakaivoa. Keskinkertaisella lämmönjohtavuudella (3,0 W/mK) riittäisi yksi energiakaivo, kunhan aktiivinen kaivosyvyys on lähellä 300 metriä. Tarkasteluissa vierekkäisten energiakaivojen etäisyys toisistaan oli 15 m. Tutkituissa kahden ja kolmen energiakaivon kentissä kaivot olivat yhdessä linjassa vierekkäin ja neljän kaivon kentässä neliömuodossa. Energiantarpeen ollessa MWh/a suositellaan neljän energiakaivon kenttää, jolloin tarvittava aktiivisyvyys yhtä kaivoa kohti vaihtelee välillä 165,5 247,3 m riippuen kivilajin tehollisesta lämmönjohtavuudesta.

18 Loppuraportti 15 Kuva 5. Energiakaivon/kaivojen tarvittava aktiivisyvyys erilaisilla lämpökuormilla. Suurten energiakaivokenttien osalta on tarpeen kohdekohtaisesti aina tarkasti miettiä, millaiseen muodostelmaan eli konfiguraatioon kaivot on järkevintä asettaa, jotta porauskustannukset saadaan minimoitua ja kytkennät kaivojen välillä on helppo tehdä. Suurkohteiden osalta suositellaan myös kallion termisten ominaisuuksien mittausta (TRTmittaus eli terminen vastetesti) ennen kaivokentän suunnittelua, koska kallioperän lämmönjohtavuudella on oleellinen vaikutus energiakaivojen lukumäärään ja syvyyteen. Taulukossa 5 on esitetty esimerkinomaiset kaivokenttävaihtoehdot kiinteistöille, joiden energiantarve on 150 MWh/a, 250 MWh/a ja 800 MWh/a. Kuukausittainen prosentuaalinen energiajakauma on sama kuin aiemmissa simuloinneissa. Energiakaivojen on oletettu

19 Loppuraportti 16 jokaisessa tarkastelussa olevan 15 m etäisyydellä toisistaan. Kaivokenttäkonfiguraatio kuitenkin vaihtelee, ja se vaikuttaa suurelta osin tarvittavaan kokonaisaktiivisyvyyteen ja siten porauskustannuksiin. Lämpöpumpun lämpökertoimen ollessa kolme on teoreettinen suoraan kalliosta saatava energia kaksi kolmasosaa kiinteistöön lämpöpumpulta siirrettävästä lämmöstä. Taulukossa 5 on sarakkeella kwh/m esitetty kullekin energiakaivokentälle kwh/m-arvo, joka on laskettu jakamalla suoraan kalliosta saatava energia kaivojen yhteissyvyydellä. Lämpökuorman ollessa esim. 150 MWh/a, voi Taulukon 5 tuloksista havaita kwh/m vaihteluvälin parhaimman ja heikoimman lämmönjohtavuusluokan välillä olevan 25,7 kwh/m. Erotus olisi jopa suurempi, jos energiakaivot lämmönjohtavuuden ollessa 4,0 W/(m K) olisivat yhdessä linjassa vierekkäin. Tuolloin kwh/m-arvo olisi suurempi kuin 99,2 kwh/m. Jos energiakaivokenttää käytetään ainoastaan joko lämmitykseen tai viilennykseen, niin kaivoporauksen osalta kustannukset saadaan minimiin kaivojen ollessa vierekkäin yhdessä linjassa ja mielellään mahdollisimman etäällä toisistaan. Tuolloin energiakaivot heikentävät toisiaan mahdollisimman vähän. Mikäli energiakaivokenttää käytetään lämmityksen lisäksi myös viilennykseen, voivat kaivot olla keskenään tiiviimmässä asetelmassa.

20 Loppuraportti 17 Taulukko 5. Tarvittava aktiivisyvyys energiakaivoa kohti ja kaivojen lukumäärä kivilajin lämmönjohtavuuden funktiona. Lämpöpumpun (COP=3,0) tuottama energia on tässä tapauksessa 150 MWh/a, 250 MWh/a ja 800 MWh/a. Tulokset pätevät vain edellä mainituilla parametreilla ja kenttäkonfiguraatioilla tehtynä, eikä niitä voi suoraan hyödyntää energiakaivokenttien mitoituksessa. 150 MWh/a Lämmönjohtavuus Kaivojen Aktiivisyvyys m vaikutus kwh/ Kustannus- Yhteissyvyys Konfiguraatio lkm 4, ,2 2 2 ( ) 3, , = , , , , , , MWh/a Lämmönjohtavuus Kaivojen Aktiivisyvyyvaikutus Kustannus- Yhteissyvyys Konfiguraatio lkm 4, ,5 2 3 ( ) 3, , = , , , , , , MWh/a Lämmönjohtavuus Kaivojen Aktiivisyvyyvaikutus Kustannus- Yhteissyvyys Konfiguraatio lkm 4, ,8 5 6 ( ) 3, , = , , , , , ,5 5 8 Sekä Taulukoiden 4 ja 5 tulosten perusteella voi todeta, että mitä suuremmista lämpökuormista on kyse, sitä enemmän pienikin muutos lämmönjohtavuudessa vaikuttaa tarvittavaan kaivojen yhteiseen aktiivisyvyyteen. Siksi energiakaivokenttää mitoitettaessa on tärkeää tuntea kallioperän todellinen kohdekohtainen tehollinen lämmönjohtavuus. 7 YHTEENVETO Geologian tutkimuskeskus (GTK) teki Tampereen, Kangasalan ja Lempäälän toimeksiannosta selvityksen maakunnan geoenergiapotentiaalista. Selvitys pyrkii antamaan tietoa kaavoituksen ja alueellisten energiaratkaisujen suunnittelun tueksi. Selvitys koskee kallioperään porattavia energiakaivoja, joista saatavaa lämmitys- ja/tai viilennysenergiaa voidaan hyödyntää lämpöpumpun avulla. Selvityksessä huomioitiin geoenergian hyödyntämisen kannalta olennaiset geologiset tekijät eli kivilajit ja niiden lämmönjohtavuus

21 Loppuraportti 18 sekä maapeitteen paksuuden vaihtelu. Työn tuloksena tuotettiin geoenergiapotentiaalikartta, joka kuvaa kvalitatiivisesti geoenergian hyödynnettävyyttä. Esimerkkilaskelmin tutkittiin geoenergiapotentiaalin merkitystä yksittäisen energiakaivon ja pienen energiakaivokentän poraussyvyyksiin ja tätä kautta geoenergian tuotantoon. Kartoitetun alueen geoenergiapotentiaali on pääosin hyvä ja paikoin erinomainen. Tämä johtuu kohtuullisista maapeitteistä ja lämmönjohtavuudeltaan hyvistä ja erinomaisista kivilajeista. Näiden lisäksi luokkaan keskinkertainen kuuluvat alueet ovat geoenergian hyödyntämisen kannalta suositeltavia. Potentiaaliltaan heikompiin luokkiin tyydyttävä ja heikko kuuluu pääosin yksittäisiä alueita, ja niillä oikeaan kaivomitoitukseen tulee kiinnittää erityistä huomiota. KIRJALLISUUSLÄHTEET Leppäharju, N., Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät. Pro gradu -työ. Oulun yliopisto.