Urbaania geotermistä energiaa ja energiapositiivisia rakennuksia
Helsingin Kalasatamassa yhdistetään teknologia- ja palveluratkaisut energiatehokkaan asuinkerrostalon toteuttamiseen ja havainnollistetaan niiden toimivuutta urbaanissa kohteessa. Tavoitteena on kehittää energiapositiivisen rakennuksen konseptia, jossa yhdistyvät geoterminen energia, lämpöpumpputeknologia, aurinkosähkö ja -lämpö sekä talotekninen LVIS-järjestelmä. Konseptilla tähdätään mahdollisimman alhaiseen ekologiseen jalanjälkeen rakennusten energiaratkaisuissa.
HYBGEO-projektissa talokonsepti ja teknologia suunnitellaan ja tuotteistetaan skaalautuviksi, helposti valittaviksi ja käyttöönotettaviksi kylmän ilmaston alueilla niin Suomessa kuin maailmanlaajuisesti. Energiapositiivisen rakennuksen (positive energy building, PEB) vuosittainen energiankulutus on yhtä suurta tai pienempää kuin rakennuksen oma energiantuotanto.
Projektin yhtenä tavoitteena on lisätä geotermisen energian hyödyntämistä eri syvyyksiltä ja kehittää kaupunkialueelle sopiva geofysikaalinen tutkimusmenetelmä maa- ja kallioperän ominaisuuksien selvittämiseen.
Passiiviseisminen tutkimus urbaaneissa kohteissa
Maankamaran rakenteen tutkiminen kiinteistömittakaavassa, kaupunkien keskusta-alueilla, edellyttää uudenlaista geofysikaalista lähestymistapaa. Maanpäällinen ja maanalainen infrastruktuuri, kuten rakennukset, sähkölinjat, putket ja kaapeloinnit sekä pienillä tonteilla mittauslinjojen lyhyydestä aiheutuva rajallinen syvyysulottuvuus, asettavat omat vaatimuksensa tutkimusmenetelmien käytölle.
Urbaanissa kohteessa menetelmäksi valittiin passiiviseisminen tutkimus, joka perustuu ympäristön melun ja taustahälinän passiiviseen tallentamiseen. Menetelmällä rekisteröidään esimerkiksi liikenteen, koneiden, teollisuuden ja luonnonilmiöiden, kuten tuulen, synnyttämiä seismisiä aaltoja. Kustannustehokas passiiviseisminen tutkimus soveltuu erityisen hyvin keskusta-alueiden pienillä tonteilla tehtäviin kartoituksiin.
”Ennakkoon tehtävä maankamaran rakenteen selvitys on tärkeä osa geotermisen energian projektin onnistunutta toteutusta. Geofysikaaliset menetelmät, kuten passiiviseisminen tutkimus, ovat arvokkaita syvien energiakaivojen porauspaikan valinnassa ja ennakoitaessa mahdollisia poraukseen liittyviä haasteita. Lisäksi tieto maa- ja kallioperän ominaisuuksista, kuten kallion rikkonaisuudesta, ja tiedon yhdistäminen lämmönsiirron mallinnukseen mahdollistaa entistä luotettavammat arviot saatavilla olevasta energiasta”, kertoo GTK:n Geoenergia-ryhmän geofyysikko Annu Martinkauppi.
Geoenergian hybridi-ratkaisut vaihtoehtona tiiviisti rakennetuilla alueilla
Keskisyvien energiakaivojen tuotannon potentiaali on merkittävä niin kiinteistö- ja korttelikohtaisissa kuin alueellisissa lämpöratkaisuissa. Keskisyvien energiakaivojen lämmönkeruutekniikka poikkeaa matalien lämpökaivojen suljetusta U-putkiratkaisusta. Energiakaivojen syvyyden kasvaessa lämpöhäviö on pienempi suljetussa tai avoimessa koaksiaalikollektorissa kuin U-putkessa.
Koaksiaalikollektorin materiaaliominaisuuksia on kuitenkin vielä kehitettävä, jotta kerätty lämpö saadaan talteen tehokkaammin. Projektissa syvään energiakaivoon soveltuvan koaksiaalikollektorin materiaaliteknistä kehittämistyötä tekee Muovitech Oy. Lämmönsiirron tehokkuuden kannalta putkimateriaalin lämmönjohtavuuden tulisi olla mahdollisimman alhainen, jotta sen eristävyys paranee ja lämpöhäviöt pienenevät. Putkimateriaalien lämmönjohtavuutta on mitattu GTK:n laboratoriossa.
Kiinteistöalalla on lisätty toimia vastineeksi kiristyviin energiansäästötavoitteisiin, esimerkiksi kiinteistöjen ylijäämälämpöjä ei saisi enää päästää hukkaan. HYBGEO-projektin yrityskumppaneilla on tähän tarpeeseen kehitteillä ratkaisuja. Geotermisen energian käyttöä kaupunkien ydinkeskusta-alueilla voidaan tukea esimerkiksi konsepteilla, joissa yhdistetään tavanomaisia, matalia (≤ 300 m) ja syvempiä (600–2000 m) energiakaivoja. Perusenergiantarve voidaan kattaa syvillä kaivoilla ja lämmityksen huipputehot matalammilla kaivoilla. Matalia kaivoja voisi myös ladata ylijäämäenergialla. Tällaiset maalämpöratkaisujen hybridit ovat yksi vaihtoehto, ja ne soveltuvat tiiviisti rakennetuille alueille.
DTS-menetelmä energiakaivojen seurantaan
Optisilla valokuiduilla ja DTS-menetelmällä (distributed temperature sensing) voidaan mitata energiakaivojen lämpötilaa ja seurata käytönaikaisia muutoksia. Mitatut lämpötilat antavat olennaista tietoa energiakaivojen ohjaukseen ja kestävään käyttöön. Mittaustiedon perusteella tiettyjä kaivoja voidaan esimerkiksi kuormittaa enemmän ja toisten käyttöä vähentää.
Lämmönsiirron malleja pystytään arvioimaan ja tarkentamaan, kun nähdään, miten hyvin mallinnetut ja mitatut lämpötilat vastaavat toisiaan. Yksittäisen keskisyvän kaivon tai geoenergian tuotantokentän aktiivisesta mallinnuksesta on kyse silloin, kun teoreettisia ennusteita parannetaan ja tarkennetaan suhteellisen reaaliaikaisilla mittaustiedoilla.
Pohjaveden mukana siirtyvän lämmön vaikutus energiakaivon tuottoon
Kansainvälisen yhteistyön tuloksena projektissa on syvennetty tutkijoiden osaamista keskisyvän geotermisen energian mallintamisessa. Johtumalla tapahtuvan lämmön siirtymisen lisäksi mallinnuksessa voidaan huomioida kallion raoissa liikkuvan pohjaveden mukana siirtyvän lämmön vaikutus energiakaivon tuottoon.
”Perustavanlaatuisia tuloksia saavutettiin mallinnettaessa lämmönsiirtoa rikkonaisessa väliaineessa. Herkkyystarkastelulla tutkittiin, miten kallioraon koko, esiintymissyvyys, rakojen määrä, vedenläpäisevyys ja veden virtausnopeus vaikuttavat geotermisen energian tuotantoon keskisyvässä kaivossa. Tulosten perusteella nämä ovat suoraan verrannollisia kaivosta saatavaan lisälämpöön”, kertoo Martinkauppi.
Leveä, hyvin vettä läpäisevä rako syvällä kalliossa tuottaa parhaimmillaan 10% lämpimämmän keruunesteen kuin kapea, vedenläpäisevyydeltään heikko ja lähellä maanpintaa sijaitseva rako. Jos syvällä kallioperässä esiintyy useita, vettä hyvin läpäiseviä rakoja, nämä parantavat tuottoa edelleen. Kallion raoissa olevan veden tulee olla kuitenkin liikkeessä, ei paikallaan.
Mallin laskentatavan herkkyystarkastelussa nousi esille huomionarvoinen havainto: kallioraon verkotuksen tiheydellä on merkittävä vaikutus lopputuloksiin. Pelkän fysikaalisen ilmiön ymmärtämisen lisäksi on tärkeä käyttää asianmukaista, esimerkiksi numeeriseen elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmistoa. On myös varmistettava, että mallissa on riittävä määrä elementtejä, jotka on asetettu oikein. GTK:lla syntynyt uusi osaaminen mahdollistaa lämmönsiirron mallinnuksen entistä monipuolisemmin.
Aiheesta enemmän
- Uudenmaan liiton ja GTK:n selvitys Uudenmaan geoenergiapotentiaalista >
Uudellamaalla on hyvät mahdollisuudet geoenergialle, joka on yksi ratkaisu energiasektorin päästöjen vähentämiseen - Geoenergian innovaatiot -projektissa kehitetään tutkimusmenetelmiä ja mallinnusta >
Geotermisen energian tehokkaampi hyödyntäminen vähentäisi fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja hiilidioksidipäästöjä - Aalto yliopiston geoenergiakohteen toteutus >
Aalto University Campus & Real Estate – Geoenergialla kohti hiilineutraalia kampusta - Keskisyvän geotermisen energian tutkimuksesta >
Hiilineutraalia geotermistä energiaa Muhos-muodostumasta - GTK:n geoenergiakyselystä kaukolämpöyhtiöille >
Kaukolämpöä maankamarasta ‒ kuinka kaukolämpöyhtiöiden tietoa geotermisen lämmön hyödyntämismahdollisuuksista voitaisiin lisätä
