Geoterminen järjestelmä

1.4.2 Geotermisten järjestelmien ominaisuudet ja käyttö

Geotermiset järjestelmät koostuvat kolmesta pääkomponentista: lämmönlähteestä, lämpönielusta ja lämmönvaihtimesta. Tyypillisesti lämmönlähde on maa, kun taas lämpönielu on rakennettu ympäristö (yleensä rakennus). Tilanne voi kuitenkin olla myös päinvastainen, eli lämmönlähde on rakennettu ympäristö ja lämpönielu on maa. Lämmönsiirrin koostuu yleensä yhdestä tai useammasta elementistä, jotka sisältävät nestettä, joka siirtää lämpöä lämmönlähteen ja -nielun välillä.

Maaperän käyttäminen lämpövarastona eli lämmönlähteenä tai -nieluna on seurausta pitkästä historiallisesta kehityksestä, jota voidaan usein käsitellä vain epäsuorien näkökohtien perusteella (Cataldi, 1999). Seuraavassa luetellaan joitakin varhaista kehitystä kuvaavia esimerkkejä. Varhaisella sumerilaisella ja akkadilaisella ajalla maata käytettiin lämpönieluna jään (ja ruoan) varastoimiseksi niin sanottuihin ”jäähuoneisiin”, jotka rakennettiin osittain tai kokonaan maan alle (esim. Dalley, 2002), mikä perustui näiden ympäristöjen rajoitettuun vaikutukseen pinnan lämpöolosuhteisiin. Paleoliittisella ja muinaisroomalaisella ajalla maata käytettiin lämmönlähteenä kylpemiseen ja tilojen lämmittämiseen (esim. Armstead, 1973), mikä perustui maanalaisiin kuuman veden lähteisiin (esim. lämpölähteisiin). Vuonna 1904 maata käytettiin lämmönlähteenä sähköenergian tuotannossa, kun prinssi Piero Ginori Conti rakensi Italiassa ensimmäisen geotermisen voimalaitoksen (esim. Lungonelli, 2003).

Yksi geotermisten järjestelmien tärkeimmistä piirteistä on tapa, jolla maasta kerättyä lämpöenergiaa käytetään tällaisten järjestelmien kautta. Matalissa maalämpöjärjestelmissä maalämpöenergiaa käytetään tyypillisesti epäsuorasti. Tällöin käytetään koneita tai laitteita, jotka muokkaavat (lisäävät tai vähentävät) maan ja kohdeympäristön välillä siirrettävää energiapanosta, sekä koneita tai laitteita, jotka pakottavat lämmönkuljetusnesteen virtaamaan (lämmönvaihto) niiden välillä. Syvissä geotermisissä järjestelmissä geotermistä energiaa voidaan käyttää suoraan silloin, kun epäsuoraa käyttöä ei tavoitella. Toisin kuin edellisessä tapauksessa, tässä tapauksessa voidaan välttää koneet, jotka muuttavat maan ja kohdeympäristön välillä siirrettävää energiapanosta, ja tarvitaan vain koneet, jotka pakottavat lämmönkuljetusnesteen virtaamaan maan ja kohdeympäristön välillä.

Syvällä sijaitsevia geotermisiä järjestelmiä voidaan käyttää lämmityksen, jäähdytyksen ja lämpimän käyttöveden tuottamiseen käyttämällä maan alla vallitsevia alle 25 °C:n lämpötiloja. Nämä järjestelmät soveltuvat pienimuotoiseen ja kotitalouskäyttöön lähes missä tahansa maantieteellisessä paikassa. Syvägeotermisiä järjestelmiä voidaan käyttää lämmityksen ja lämpimän veden sekä sähköenergian tuottamiseen käyttäen maan alla olevia yli 25 °C:n ja jopa 200 °C:n lämpötiloja. Nämä järjestelmät soveltuvat keskisuuriin ja suuriin käyttökohteisiin, mutta niitä voidaan käyttää erityisemmissä paikoissa kuin matalia geotermisiä järjestelmiä.

Aiemmin ehdotetun geotermisten järjestelmien luokittelun lisäksi näiden järjestelmien luonnehtimiseen käytetään usein yhtä lisäkriteeriä, joka liittyy suljettujen tai avointen silmukoiden olemassaoloon lämmönvaihtimessa. Tämän kriteerin perusteella maalämpöjärjestelmät voidaan useimmissa tapauksissa luokitella joko suljetun tai avoimen kierron järjestelmiksi. Suljetuissa järjestelmissä käytetään vesipohjaista seosta, joka kiertää suljetuissa putkissa lämmön siirtämiseksi maasta maanpäälliseen rakenteeseen tai päinvastoin. Avoimen kierron järjestelmissä käytetään suoraan pohjavettä, joka otetaan pohjavesikerroksista tai ruiskutetaan niihin kaivojen kautta harkitussa lämmönvaihtoprosessissa.

Kriittinen ero suljetun ja avoimen kierron järjestelmien välillä on se, että jälkimmäisissä järjestelmissä tapahtuu massanvaihtoa, toisin kuin edellisissä, ja lämmönsiirto on suotuisampaa. Vaikka avoimen kierron järjestelmät tarjoavat suurimman energiantuoton, ne vaativat kuitenkin suuremman taloudellisen panostuksen ja aiheuttavat teknisiä riskejä, jotka liittyvät esimerkiksi maanalaisen pilaantumiseen (Boënnec, 2008). Koska massanvaihtoa maan kanssa ei tapahdu, suljetun kierron järjestelmät minimoivat ympäristöriskit ja mineraalien saostumiseen liittyvät kysymykset, eikä niihin tarvitse hankkia louhintalupia (Narsilio et al., 2014). Matalat maalämpöjärjestelmät voivat olla joko avoimen tai suljetun kierron järjestelmiä. Syvät geotermiset järjestelmät ovat avoimen kierron järjestelmiä.

Kuvassa 1.11 esitetään tyypillisiä esimerkkejä matalista ja syvistä geotermisistä järjestelmistä. Tyypillisiä matalia geotermisiä järjestelmiä ovat vaakasuorat geotermiset porakaivot, geotermiset korit, pohjaveden talteenottojärjestelmät, pystysuorat geotermiset porakaivot ja energiageostruktuurit. Tyypillisiä syviä geotermisiä järjestelmiä ovat termiset lähteet, hydrotermiset järjestelmät ja petrotermiset järjestelmät.

Kuva 1.11. Geotermisten järjestelmien luokittelu.

Muokattu Geothermie Schweizin mukaan.

Vaakasuorat geotermiset porakaivot ovat geotermisten järjestelmien matalin tyyppi. Nämä järjestelmät koostuvat tyypillisesti suljetuista polyeteeniputkista, jotka on kynnetty tai kaivettu vaakasuoraan maahan rakennusten viereen muutaman metrin syvyyteen (syvyydestä z= 2-5 m). Putkissa kiertävä lämmönsiirtoneste mahdollistaa maaperässä olevan (pääasiassa auringon säteilystä johtuvan) lämmön vaihdon erityisesti lämmitystarkoituksiin asuin-, maatalous- tai vesiviljelysovelluksissa. Varastointitarkoituksia voidaan kuitenkin saavuttaa myös niissä tilanteissa, joissa porakaivot sijoitetaan rakennusten alle.

Geotermiset korit ovat kompaktimpi järjestelmä kuin vaakasuorat geotermiset porakaivot, ja niitä voidaan käyttää samanlaisiin tarkoituksiin. Nämä järjestelmät upotetaan yleensä maahan muutaman metrin syvyyteen (syvyydestä z= 2-10 m), ja ne koostuvat suljetuista polyeteeniputkista, jotka on kiinnitetty spiraalimaiseen geometriaan ja joissa lämpöä johtava neste virtaa. Mahdollisia ovat myös sovellukset, joissa kierukkakelat on sijoitettu rakennusten vieressä oleviin pintavesisäiliöihin edellyttäen, että tällaiset säiliöt sijaitsevat riittävän syvällä, jotta vältetään järjestelmän toiminnan kannalta ongelmalliset olosuhteet, esimerkiksi säiliöveden ja siten putkissa kiertävän lämmönsiirtonesteen jäätyminen.

Pohjaveden talteenottojärjestelmissä käytetään avoimia kaivoja, joiden ympärillä on matalalla syvyydellä (syvyydellä z= 5-20 m) sijaitsevia pohjavesivarastoja. Näitä järjestelmiä voidaan soveltaa silloin, kun hydrologisia, geologisia ja ympäristöön liittyviä rajoituksia ei ole. Niitä käytetään tyypillisesti lämmitystarkoituksiin hyödyntämällä maanalaisessa vedessä olevaa lämpöenergiaa. Pienissä rakenteissa voidaan käyttää yksittäisiä kaivoja. Suuremmissa rakenteissa tarvitaan yleensä kaksoiskaivoja. Louhinta- ja injektointikaivoja voidaan käyttää tasapainoisen maanalaisen lämpökentän varmistamiseksi, mikä on olennaista suorituskyvyn ja joissakin tapauksissa myös ympäristönäkökohtien kannalta.

Pystysuorat maalämpökaivot koostuvat suljetuista polyeteeniputkista, jotka upotetaan pystysuoraan maahan rakennusten alapuolelle tai viereen syvemmälle kuin edellisissä käyttökohteissa (syvyydeltä z= 50-300 m). Porausreikään sijoitetaan yleensä täyttömateriaalia (esim. bentoniittia) maan ja putkien välisen lämmönvaihdon tehostamiseksi. Putkissa kiertävän lämmönsiirtonesteen avulla voidaan vaihtaa lämpöä lämmitykseen, jäähdytykseen, varastointiin ja lämpimän veden tuotantoon mitä erilaisimmissa rakennustyypeissä. Yksittäiset porakaivot voivat toimittaa lämpöä pieniin asuinrakennuksiin. Porakaivokenttiä tarvitaan, kun pyritään toimittamaan lämpöenergiaa suurempiin rakennuksiin. Pystysuorilla geotermisillä porakaivoilla voidaan saavuttaa suurempia energiamääriä kuin matalammilla maalämpöjärjestelmillä, koska maaperän lämpötilat ovat korkeammat kyseisillä syvyyksillä.

Energiageostruktuurit ovat uusia geotermisiä järjestelmiä, jotka yhdistävät (syvyydeltä z=10-50 m) minkä tahansa maan kanssa kosketuksissa olevan rakenteen rakenteellisen tukitehtävän matalien geotermisten järjestelmien lämmönvaihtotehtävään, ja niiden tulokset ovat vertailukelpoisia ja jopa suotuisampia kuin aiemmin kuvattujen järjestelmien.

Lämpölähteet voidaan yleensä luokitella syviin geotermisiin järjestelmiin, vaikka niitä voidaan löytää myös matalille geotermisille järjestelmille ominaisista syvyyksistä. Näissä järjestelmissä käytetään avoimia kaivoja, joita ympäröivät kuumat pohjavesivarastot, jotka sijaitsevat suhteellisen syvällä maan alla (syvyydestä z= 500-1000 m). Niitä käytetään tyypillisesti uimiseen ja lääketieteellisiin tarkoituksiin hyödyntämällä maanalaisessa vedessä olevaa lämpöenergiaa.

Hydrotermiset järjestelmät ottavat pohjavettä avoimien kaivojen kautta syvyyksistä, joissa lämpötila ja lämpöenergia ovat riittävän korkeita laajamittaisten lämmityssovellusten toteuttamiseksi (syvyydestä z= 1000-4000 m). Näiden järjestelmien tyypillisiä käyttökohteita ovat kaukolämpöjärjestelmät, mutta myös suurten teollisuus- tai maatalousrakennusten lämmittäminen on mahdollista.

Petrotermiset järjestelmät ottavat myös pohjavettä avokaivoista, mutta syvemmältä kuin hydrotermiset järjestelmät (syvyydeltä z= 4000-6000 m). Näissä syvyyksissä vedessä olevaa lämpötilaa ja lämpöenergiaa voidaan käyttää laajamittaiseen sähköntuotantoon ja -huoltoon.