Geoenergian hyötykäyttö suurkohteissa ja yhdyskuntasuunnittelussa

Transkriptio

1 Geoenergian hyötykäyttö suurkohteissa ja yhdyskuntasuunnittelussa

2 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)

3 Ja vielä EU:n energiankulutus Liikenne 26 % Teollisuus 33 % Rakennukset 41 % (Suomessa 40 %)

4 Mikä on maa- ja kallioperän lämpötila Suomessa? Maan pinnan lämpötila vaihtelee ilman lämpötilan mukaisesti (vuodenaikojen mukaan) Noin 15 metrin syvyydeltä lähtien lämpötila on vuodenajasta riippumaton Paikkakunnan vuosittainen ilman keskilämpötila määrää maankamaran lämpötilan: T(maa) 0,71 * T(ilma(a)) + 2,93 Kallioperän lämpötila Etelä- Suomessa 100 m:n syvyydessä on noin 7 8 C. Pyhäsalmen kaivoksessa lämpötila on 1450 m:n syvyydessä noin 22 C Outokummussa 2500 m:n syvyydessä 40 C Syvyys (m) Lämpötila ( o C) Tammi Maalis Marras Touko Syys Lähde: Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät, Nina Leppäharju Heinä s = 1*10-6 m 2 s

5 Annual average temperature of ground surface (Leppäharju, Nina, GTK)

6 Maa- ja kalliolämpöä voidaan hyödyntää eri lähteistä Maaperästä (irtaimet maalajit), jolloin energia on pääosin peräisin auringosta (tyypillisesti pienkohteita) Kallioperästä (kiteinen kallioperä), matalista porakaivoista 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

7

8 (Sulpu Ry.) Maaperään asennettava lämmönkeruuputkisto

9 (Sulpu Ry.) Kallioperään asennettava lämmönkeruuputkisto

10 (Sulpu Ry.) Vesistön pohjalle asennettava lämmönkeruuputkisto

11 Kalliolämpö Suomessa ja Ruotsissa Ruotsissa on asennettu yli ja Suomessa noin 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, että Ruotsin valtio panosti voimakkaasti uusiutuviin energiamuotoihin ja luvuilla. Maalämpöpumppujen myynti kasvoi 42 % vuonna 2008, myytiin 7500 kpl (Sulpu ry). Kevyen polttoöljyn osuus Suomessa rakennusten lämmitykseen käytetystä energiasta on noin 17 %. Sitä käytetään vuosittain 1,1 milj. tonnia, arvoltaan vajaat 500 milj. (Suomen Virallinen Tilasto 2005) kpl 0 Vuotuiset asennusmäärät Suomi Kallio tai maalämpöpumppu Ruotsi Kallio tai maalämpöpumppu Lähde: Suomen Lämpöpumppuyhdistys (Sulpu) ja Sveriges Värmepumpförening (SVEP) tilastoja

12 Maalämpöpumppujen vuotuiset asennusmäärät kpl Suomi Ruotsi Lähde: Suomen Lämpöpumppuyhdistys (SULPU) ja Sveriges Värmepumpförening (SVEP) tilastoja

13 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 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 öljylämmitysjärjestelmää (kaikkiaan vielä öljylämmitteistä taloa) Paras tulos kuitenkin saavutetaan uudiskohteissa, joissa lämmitys voidaan toteuttaa lattia-/seinä-/kattolämmityksenä alhaisella asteisella kiertovedellä. Ja vielä yhdistämällä viilennys hyötysuhde paranee merkittävästi

14 Akershus hospital Technical solution Heat- 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

15 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

16

17

18 Ostoskeskus, 2006 Vällingby, Tukholma 143 energiakaivoa, yht m

19 I1 Liikerakennus, Tukholman keskusta

20 Dia 19 I1 IT-PALVELUT;

21

22

23 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 pitää rakentaa Kalliolämmön hyödyntämisen yhdistäminen esim. maa- tai sedimenttilämpöön tai jätelämmön ja muun hukkalämmön hyödyntämiseen esim. viemärivedestä liitettynä varastointiin 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 yhdistettynä varastointiratkaisuihin) Isojen kohteiden energiajärjestelmien konseptikehitys- ja vertailu Geoenergiapotentiaalisten alueiden / - muodostumien osoittaminen kartalla (eri parametrejä) huomioitavaksi yhdyskuntasuunnittelussa ja kaavoituksessa

24

25 GTK useissa hankkeissa mukana 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 tuotantokenttää suurkohteille Suomessa, lisäksi useita valmistelussa/neuvottelujen kohteena GEOENER Maa- ja kallioenergia yhdyskunnan energiahuollossa (Tekes), geoenergiaosio+projektinjohto/koordinointi

26 Espoon Nupurinkartano (250 pientaloa)

27

28 Pelastusopisto/Palotalo Kallioperä geologisen kivilajikartoituksen perusteella (Pohjoinen oikealle) Kaivo 1 Graniittijuoninen kiillegneissi Kaivo 2 Ehjä keskirakeinen graniitti Kaivo 3 Kiilleliuskeen ja graniitin kontakti Poraukset Saadaan tarkempi kivilajiselvitys Soijanäytteet n. 40 m:n välein

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

30 DTS-mittaus käynnissä kaivolla 2 (kuvassa kalibrointilaatikko)

31 TRT- ja DTS-mittaukset käynnissä kaivolla

32 Lämpötilan lasku energiakaivon ympäristössä: tehon vaikutus T [ C] T [ C] Lämpötila 150 metriä syvän lämpökaivon ympärillä stationääritilanteessa, kun lämmönoton keskiteho on 10 W/m, lämmönjohtavuus 3,24 W/(mK) ja ympäristön lämpötila 5 C. Lämpötila 150 metriä syvän lämpökaivon ympärillä stationääritilanteessa, kun lämmönoton keskiteho on 15 W/m, lämmönjohtavuus 3,24 W/(mK) ja ympäristön lämpötila 5 C. Lähde: Leppäharju, N., Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät. Pro gradu työ. Oulun yliopisto

33 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 laajuudessa Analysointi 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

34 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: FL, johtava tutkija Geologian tutkimuskeskus GTK/Energia jarmo.kallio@gtk.fi, p

35 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 Valokuvat: Ilkka Martinkauppi, GTK

36 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 Valokuva: Ilkka Martinkauppi, GTK

37 DTS-laite (Distributed Temperature System) Lämpötilan mittaus optisella kuidulla. Perustuu lasersäteen takaisinsironnan lämpötilariippuvuuteen. GTK:ssa kaksi DTS-laitetta, hankittu Geoenergiatutkimukset ainutlaatuinen DTS:n sovelluskohde Suomessa. Suvilahti, Vaasa, syksy Valokuva: Nina Leppäharju, GTK Käyttö geoenergiatutkimuksissa Energiakaivokentän toiminnan pitkäaikaisseuranta. Voidaan käyttää yhtä aikaa TRTmittauksen kanssa pohjaveden virtauksen paikantamiseen energiakaivossa

38 Temperature measurements

39 Miksi siis geoenergiaa? Se on kestävän kehityksen mukaista, uusiutuvaa, käytännössä loputon energian lähde Se tuottaa energiaa 24 tuntia /vrk, kautta vuoden, käytännössä kaikkialla asutuilla alueilla Se on ympäristöystävällistä ja auttaa vähentämään CO2 päästöjä Keskimäärin 2/3 käytetystä energiasta on ilmaista

40 GEOENER- Geoenergy in community energy supply 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