Geotermisen energian hyödyntäminen peruskallioalueilla - Kallioperän rakoilun ja vedenjohtavuuden merkitys Ilmo Kukkonen Helsingin yliopisto Fysiikan laitos KYT - rakoiluseminaari GTK, Espoo
800 m Geotermisen energian hyödyntäminen kiteisen kallioperän alueilla Suomi on ikivanhaa peruskallioaluetta Kallioperän lämpötila on matalampi kuin nuorilla vulkaanisilla alueilla Geotermisen EGS-voimalan periaate KITEINEN KALLIOPERÄ TUOTANTOREIKÄ RAKOILLUT KIVI Kallion huokoisuus on alhainen ja vesisisältö pieni (alle 1%) Mutta syvällä on korkea lämpötila Kahden syvän porareiän väliin synnytetään rakoilua tai avarretaan luonnollisia rakoja SYÖTTÖREIKÄ 800 m Vettä kierrätetään toisesta reiästä alas ja toisesta ylös EGS: Enhanced Geothermal System ; vahvistettu geoterminen systeemi
Syvyys, jossa saavutetaan 40 C lämpötila 3 km 2.5 km 2 km 3 km 2.5 km Kukkonen (2002), in Atlas of Geothermal Resources in Europe
Syvyys, jossa saavutetaan 100 C lämpötila 8 km 8 km 7 km 6 km Kukkonen (2002), in Atlas of Geothermal Resources in Europe
Mantereisen kuoren hydraulinen permeabiliteetti Hydraulinen permeabiliteetti ja vedenjohtavuus χ = kμ ρa 10 7 k χ on hydralinen permeabiliteetti (m 2 ) k on vedenjohtavuus (m/s) μ on veden dynaaminen viskositeetti ρ on veden tiheys a on vetovoiman kiihtyvyys Ingebritsen and Manning, 1999 Permeabiliteetti laskee syvyyden kasvaessa Hauraassa yläkuoressa kasvava paine sulkee huokosia ja rakoja Duktiilissa (plastisessa) keski- ja alakuoressa permeabiliteetti on dynaamisesti muuttuva ominaisuus ja siihen vaikuttavat metamorfiset prosessit
Kiteisen kallioperän hydraulinen permeabiliteetti Permeabiliteetti riippuu mittakaavasta Permebiliteetti kasvaa kun mittakaava kasvaa Rakojen rooli on keskeinen kiteisen kallioperän hydrauliikassa Permeabiliteetti on log-normaalisti jakautunut Clauser, 1992
Outokummun syväreikä Lämpötila ja pohjaveden sähkönjohtavuus (suolaisuus) 0 km 1 km Lämpötila Suolaisuus Rakoilu Kivilajit Suolaisen pohjaveden sisään virtaussyvyydet 965 m 1720 m 2300 m 2430 m Rakoja on paljon, mutta vain muutamat raot ja rakovyöhykkeet ovat vettä johtavia 2 km 2.5 km 2.5 km 40 C Jopa 70 100 g/l Na-Ca-Mg-Cl suoloja Vedenjohtavuus laskee nopeasti syvyyden kasvaessa Outokummussa suolaiset pohjavedet ovat 10 50 miljoonan vuoden ikäisiä
Vedenjohtavuuden parantaminen hydraulisella murtamisella Kallion rakovyöhykkeeseen pumpataan vettä/fluidia suurella paineella Paine avartaa rakoja Syntynyt muodonmuutos ei palaudu Raon vedenjohtavuus on verrannollinen rakoavauman (apertuurin) kolmanteen potenssin Hydraulinen murtaminen = vesisärötys Luonnollinen rako Rako avautuu Rako hydraulisen murtamisen jälkeen
Jännitystilan merkitys Jännitystila vaikuttaa siihen mihin suuntaan rakoja syntyy Hydraulinen murtaminen avartaa/synnyttää rakoja jotka ovat kohtisuorassa jännitystilan pienintä pääkomponenttia vastaan ja yhdensuuntaisia suurimman komponentin kanssa Jos EGS perustuu pystyrakoihin fluidin kiertoa ei ole helppo pitää suljettuna Pystyrakoja Pystyrakoja Vaakarakoja
Kallion jännitystila Suomessa MPa MPa Pystyjännitys Suurin vaakajännitys Jännitystila kasvaa alaspäin Suurin pääjännitys on horisontaalinen puristus ja suunnassa noin SE-NW Alle 1 km syvyydellä pienin pääjännitys on pysty Kuinka jännitystila käyttäytyy syvemmällä? Pystyjännitys (=litostaattinen paine) kasvaa alaspäin, mutta mikä on sen ja horisontaalijännityksen suhde?
Hydraulisen murtaminen: Mikroseismiset tapahtumat Baselin EGS-projektissa 2006 Jännitystila Häring et al., 2008
Hydraulinen murtaminen Baselissa 3.-13.12.2006 Pumppaus (4.4 km syvyydellä) Paine Triggereroitujen mikrojäristysten määrä/h Järistysten magnitudit Huom! M L 3.4 tapahtuma 8.12.2006 Fokus n. 4.7 km syvyydellä Häring et al., 2008
Haasteita geotermisen energian etsinnässä ja hyödyntämisessä Lämpötila-arvioiden ja mallien luotettavuus Kohdealueen geologinen rakenne Kallioperän termiset ominaisuudet Kallioperän rakoilu, ruhjevyöhykkeet ja jännitystila Kallioperän vedenjohtavuus reikien välillä Vedenjohtavuuden parantaminen hydraulisella murtamisella Kalliopohjavesien koostumus ja kemialliset reaktiot Mahdolliset mikrobiologiset ilmiöt Mahdollinen indusoitu seismisyys Reikien stabiilisuus, kairauksen tekniset ongelmat, kairauksen kustannukset
Syvän geotermisen energian käyttöedellytykset Suomessa Yksinkertaisesti sanottuna tarvitsemme Tarpeeksi korkean lämpötilan porattavalla syvyydellä Tarpeeksi korkean kallion vedenjohtavuuden, jotta lämmönsiirto kivestä veteen on tehokasta Vedenjohtavuus voi olla luonnollinen tai keinotekoisesti synnytetty Sovelletaan kaksireikäistä EGS-voimalaa, jossa vettä kierrätetään
St1 Deep Heat Project Espoo, Otaniemi Suomen ensimmäisen geotermisen voimalan pilottihanke
St1 Deep Heat -projekti 2 km syvän pilottireiän kairaaminen Pilottireikä valmistui heinäkuun lopulla 2015 Reiässä ja kairasydämestä tehdään erilaisia geofysikaalisia ja geologisia mittauksia Reikätiedoilla ennustetaan olosuhteet 7 km:n syvyydellä Yhtiö valmistautuu syvien reikien poraukseen v. 2016
Hierto- ja heikkousvyöhykkeet Helsingin alueella Lineaarisia rakenteita runsaasti Syvyysjatkuvuus? Rakoilun suunta? Rakotiheys? Vedenjohtavuus? Drill site 5 km Ilmo Kukkonen 11/11/2015 Basemap: Pajunen et al. (2002)
Haasteita geotermisen energian etsinnässä ja hyödyntämisessä Lämpötila-arvioiden ja mallien luotettavuus Kohdealueen geologinen rakenne Kallioperän termiset ominaisuudet Kallioperän rakoilu, ruhjevyöhykkeet ja jännitystila Kallioperän vedenjohtavuus reikien välillä Vedenjohtavuuden parantaminen hydraulisella murtamisella Kalliopohjavesien koostumus ja kemialliset reaktiot Mahdolliset mikrobiologiset ilmiöt Mahdollinen indusoitu seismisyys Reikien stabiilisuus, kairauksen tekniset ongelmat, kairauksen kustannukset
Kallioperän rakoilun ja vedenjohtavuuden merkitys - Yhteenveto Kiteisen kallioperän vedenjohtavuus on rakojen varassa Rakoja on paljon, mutta vain harvat ovat johtavia Vedenjohtavuus laskee nopeasti syvyyden kasvaessa Vedenjohtavuuden parantaminen hydraulisella murtamisella: Saavutettu vedenjohtavuuden kasvu alle ~2 suuruusluokkaa Indusoitu seismisyys huomioitava Jännitystila kontrolloi minkä suuntaista rakoilua voidaan avartaa Pintatutkimuksista tulkitut lineaariset rakenteet Edustavat todennäköisesti vettä johtavia rakenteita Kuinka arvioida syvyysulottuvuus Korreloiko pintarakoilun suuntaus
Kiitos kuulijoille!