GTK:n geoenergiatutkimukset 15.6.2010 1
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) 15.6.2010 2
Ja vielä EU:n energiankulutus Liikenne 26 % Teollisuus 33 % Rakennukset 41 % (Suomessa 40 %) 15.6.2010 3
Maa- ja kalliolämpöä voidaan hyödyntää eri lähteistä Maaperästä (irtaimet maalajit), jolloin energia on pääosin peräisin auringosta (tyypillisesti Suomessa pienkohteita) Kallioperästä (kiteinen maankuori), matalista porakaivoista 50 200 m (300 m), energia myös pääosin auringosta + pieni lisä myös geotermisestä lämmöstä (tyypillisesti suurkohteiden energiaratkaisuja) Syvistä kalliorei istä (ns. geotermisistä rei istä korkean lämpötilagradientin kallioperäalueilla, ei mahdollista Suomessa). Olemassa olevista tunneleista tai suljetuista kaivoksista. Vesimassoista ja järvi- sekä merisedimenteistä. 15.6.2010 4
15.6.2010 5
(Sulpu Ry.) Maaperään asennettava lämmönkeruuputkisto. 15.6.2010 6
(Sulpu Ry.) Kallioperään asennettava lämmönkeruuputkisto. 15.6.2010 7
(Sulpu Ry.) Vesistön pohjalle asennettava lämmönkeruuputkisto. 15.6.2010 8
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) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Lämpötila ( o C) -1 1 3 5 7 9 11 Tammi Maalis Marras Touko Syys Lähde: Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät, 2008. Nina Leppäharju Heinä s = 1*10-6 m 2 s -1 15.6.2010 9
Maanpinnan vuotuinen keskilämpötila (Leppäharju, Nina, GTK) 15.6.2010 10
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 monipuolisia in-situ tutkimuksia pitää tehdä ja näistä lähtökohdista spesifistä, soveltavaa osaamista pitää rakentaa Kalliolämmön hyödyntämisen yhdistäminen esim. maa- tai sedimenttilämpöön tai jätelämmön ja muun hukkalämmön hyödyntämiseen esim. viemärivedestä, kaukolämmön paluuvedestä 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, herkkyystarkastelu Geoenergiapotentiaalisten alueiden / - muodostumien osoittaminen kartalla (eri parametrejä) huomioitavaksi yhdyskuntasuunnittelussa ja kaavoituksessa geoenergia-atlas 15.6.2010 11
15.6.2010 12
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 useita projekteja/feasibility studyja valmistelussa/arvioitavana) Mallinnuksessa käytetään TRT-mittauksesta ratkaistuja energiakaivon ominaisuuksia. Mitoitus Järjestelmän luotettavuus, tehokkuus ja pitkäikäisyys. DTS-laitteen mahdollisia uusia käyttökohteita lisäksi esim. routa- ja virtaamatutkimukset sekä käytetyn ydinpolttoaineen sijoitukseen liittyvät kallioperätutkimukset. Sipoo, syystalvi 2008. Valokuvat: Ilkka Martinkauppi, GTK 15.6.2010 13
TRT-laite (Thermal Response Test) Syötetään vakioteholla lämpöenergiaa koereikään ja mitataan menevän ja tulevan liuoksen lämpötila. Mittausta voidaan tarkkailla ja ohjata etänä modeemin kautta. Käyttö geoenergiatutkimuksissa Mittaustuloksista tulkitaan energiakaivon termiset ominaisuudet Tulosten tulkinta ja kentän mallinnus edellyttää laajaa ja monipuolista geologis- geofysikaalisen tiedon hallintaa, yhdistämistä ja kokeellista taustaa myös eurot mukana! Nupurinkartano, Espoo, kesä 2008. Valokuva: Ilkka Martinkauppi, GTK 15.6.2010 14
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. Suvilahti, Vaasa, syksy 2008. Valokuva: Nina Leppäharju, GTK Käyttö geoenergiatutkimuksissa Energiakaivokentän toiminnan pitkäaikaisseuranta. Voidaan käyttää yhtä aikaa TRTmittauksen kanssa pohjaveden virtauksen paikantamiseen energiakaivossa. 15.6.2010 15
TRT- ja DTS-mittaukset käynnissä 15.6.2010 16
Lämpötila- ja geofysikaalisia sondeerauksia 15.6.2010 17
GTK useissa hankkeissa mukana Vaasan asuntomessualueen sedimenttilämpötutkimus ja - hyödyntäminen (GTK ei ole tehnyt mitoitusta ja mallinnusta vaan on suorittanut kentän lämpötilojen seurantaa toimeksiantona käytön aikana) Tehty Nupurinkartanon pientaloalueen (YIT, Uponor Oyj ja Fortum Oyj) geoenergiaselvitys. Energiakentän laskenta/mallinnus/suunnittelu. Valmistelussa useita alueellisia hankkeita (etätaajamat, kaavoitus ) Tutkittu, laskettu ja mallinnettu > 10 megaluokan geoenergian tuotantokenttää suurkohteille Suomessa, lisäksi useita valmistelussa/neuvottelujen kohteena GEOENER Maa- ja kallioenergia yhdyskunnan energiahuollossa (Tekes), geoenergiaosio+projektinjohto/koordinointi 15.6.2010 18
15.6.2010 19
Espoon Nupurinkartano (250 pientaloa) 15.6.2010 20
Nupurinkartano: Designed energy system Goal of modelling: study how different parametres affect the energy field modelling Parametres: Energy need, with/without district heat water, with/without spacers in the boreholes, area reserved for boreholes etc. Borehole configuration: As curvy lines next to the streets Example for one block: 20-24 boreholes with spacers, depth about 180-200 m Heating: 300-400 MWh/year, cooling 50-60 MWh/year There are 18 blocks in total 15.6.2010 21
Esimerkki paikkatutkimuksista: 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 15.6.2010 22
DTS-mittaus käynnissä kaivolla 2 (kuvassa kalibrointilaatikko). 15.6.2010 23
Optinen kuitu, pituus 220 m. Pisteanturi 100 m syvyydelle. 15.6.2010 24
Kuopio: Measurements Geological bedrock mapping and bore powder analysis Thermal response test (TRT) in 3 boreholes Optical cables were installed to all 3 boreholes DTS temperature measurement regular temperature monitoring of the energy field Measurements in the spring of 2009 Depth [m] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Ground temperature [C] 0 1 2 3 4 5 Borehole 1 180 Borehole 2 Borehole 3 200 Smoothed DTS data before TRT tests i.e. before heat injection. Figure by Maarit Nousiainen, GTK. 15.6.2010 25
Esimerkki yhdestä mitoituksessa huomioitavasta näkökohdasta: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., 2008. Kalliolämmön hyödyntämiseen vaikuttavat geofysikaaliset ja geologiset tekijät. Pro gradu työ. Oulun yliopisto. 15.6.2010 26
Kuopio: Hear carrier fluid temperature development in 25 years Annual min-max fluid temp. [ C] 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Base min Base max Fluid temperature (T) here is the average of inlet and outlet fluid temperatures Annual maximum in summer, annual minimum in winter -0.5-1 2 4 6 8 10 12 14 Year Figure by Maarit Nousiainen, GTK 16 18 20 22 24 Steady temperature decrease indicates good thermal balance 15.6.2010 27
Kuopio: Heat carrier fluid temperature in the year 25 2.5 Fluid temperature Temperatures between -1,17 2,9 C Fluid temperature [ C] 2 1.5 1 0.5 0 The shape of the temperature curve is approximately the same every year -0.5-1 JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Year 25 Figure by Maarit Nousiainen, GTK 15.6.2010 28
Case 4: Nokia Department store Other similar project in Nokia: A large service station next to this site Photo by Ilkka Martinkauppi, GTK 15.6.2010 29
SOK:n ABC huoltoaseman työmaa Nokialla 13.1.2010 15.6.2010 30
SOK:n Kodin Terran työmaa Nokialla 13.1.2010 15.6.2010 31
Nokia: Measurements Preliminary geological mapping Mineralogical bore powder analysis Thermal response test in 3 boreholes 2 double-u-pipes and 1 U-pipe comparison of pipe types Measurements in the spring of 2009 Photos by Ilkka Martinkauppi, GTK 15.6.2010 32
Nokia: Designed energy system 1/2 Figure by Maarit Nousiainen, GTK 30-40 boreholes Depth 195 m Boreholes around the building Geoenergy: Heating 700-900 MWh/year Cooling 150-200 MWh/year Provides 40-50 % of the total heating energy needed 15.6.2010 33
SOK:n Sipoon logistiikkakeskus, valmistuu 2012 GTK:n suunnittelema energiakaivokenttä: 150 energiakaivoa, à 300 m Kuva: Ilkka Martinkauppi, GTK 15.6.2010 34
Sipoo: Measurements Geological bedrock mapping revealed a contact of diorite and granite gneiss different thermal properties and fracturing! Mineralogical bore powder analysis GTK conducted a thermal response test (TRT) in 3 boreholes: in diorite area, in granite gneiss area and near the contact Spacers were tested in 2 boreholes spacers keep the inlet and outlet pipes separate from each other in the borehole decreases the thermal resistance Optical cables for temperature monitoring (DTS measurement, Distributes Tempererature System) Photo by Ilkka Martinkauppi, GTK 15.6.2010 35
Sipoo: Designed energy system (hybrid geo-bio) GTK modelled different energy systems as the parameters (needed amount of energy, area reserved for boreholes, etc) changed Final model: 150 boreholes, depth 300 m, configuration: 15 x 10 borehole blocks Several options for geoenergy share (from 30 80-90%) 1: U-pipes Heating 7-8 GWh/year (about 30 % of the total heating energy) Cooling 3,24 GWh/year with double-u-pipes Some improvement in performance 15.6.2010 36
SOK:n logistiikkakeskuksen energiakaivokentän porauksia Sipoossa 2.2.2010. 15.6.2010 37
Energiakaivokentän putkituksia, SOK:n logistiikkakeskus Sipoo 3.2.2010. 15.6.2010 38
Tutkimuskaivon kaapelointia, SOK:n logistiikkakeskus Sipoo 4.2.2010. 15.6.2010 39
DTS-kaapeli (vas.) ja valmis asennus (oik.), SOK:n logistiikkakeskus Sipoo 4.2.2010. 15.6.2010 40
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 15.6.2010 41
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 15.6.2010 42
15.6.2010 43
15.6.2010 44
Liikerakennus, Tukholman keskusta 15.6.2010 45
15.6.2010 46
15.6.2010 47
Ostoskeskus, 2006 Vällingby, Tukholma 143 energiakaivoa, yht. 28 600 m 15.6.2010 48
Kalliolämpö Suomessa ja Ruotsissa Ruotsissa on asennettu yli 300 000 ja Suomessa noin 46 000 kallio- tai maalämpöjärjestelmää (2008). Vuotuiset asennusmäärät ovat Ruotsissa 10- kertaiset Suomeen verrattuina. Ruotsin edistyneisyys perustuu siihen, että Ruotsin 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 käytetystä energiasta on noin 17 %. Sitä käytetään vuosittain 1,1 milj. tonnia, arvoltaan vajaat 500 milj. (Suomen Virallinen Tilasto 2005). 45 000 40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 kpl 0 Vuotuiset asennusmäärät 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Suomi Kallio tai maalämpöpumppu Ruotsi Kallio tai maalämpöpumppu Lähde: Suomen Lämpöpumppuyhdistys (Sulpu) ja Sveriges Värmepumpförening (SVEP) tilastoja. 15.6.2010 49
Kalliolämpöratkaisujen näköalat Suomessa Suomen ja Ruotsin kallioperä on samankaltaista, joten geologiset lähtökohdat 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. SOK Sipoon logistiikkakeskus samaa luokkaa (hybridi)! 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). Myös vanhat kerrostalot lähteneet mukaan! Paras tulos kuitenkin saavutetaan uudiskohteissa, joissa lämmitys voidaan toteuttaa lattia-/seinä-/kattolämmityksenä alhaisella 25 35 asteisella kiertovedellä. Ja vielä yhdistämällä viilennys hyötysuhde paranee merkittävästi. 15.6.2010 50
GEOENER- Geoenergy in community energy supply 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, Rautaruukki Oyj 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 15.6.2010 51
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 Jos jatketaan: Analysointi ja jatkon arviointi Porataan 2 5 testi e-kaivoa, TRT (Thermal Response Test), DTS-, Antares- jne. mittaukset, geofysikaaliset muut reikämittaukset ja luotaukset, reikien videokuvaus ja tulkinta Energialähteen ja kentän mitoistus ja mallinnus: tuoton optimointi, -pysyvyys, 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. 15.6.2010 52
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.050-349 3242 15.6.2010 53
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 15.6.2010 54