Maanalainen lämpökaivos – suurimittakaavainen lämmön tuotanto- ja varastointimenetelmä yhteiskunnan tarpeisiin

GTK

Maanalainen lämpökaivos – suurimittakaavainen lämmön tuotanto- ja varastointimenetelmä yhteiskunnan tarpeisiin
Lämpöpumppuja hyödyntävä geoterminen energia on lupaava tapa tuottaa hiilivapaata lämpöä kaukolämpöjärjestelmiin. Kuuman veden tuottaminen kaukolämpöverkkoon vaatii korkeampaa lämpötilaa lämpöpumpun lämmönlähteeltä kuin Suomen maankamaran yläosasta on saatavissa. Tutkittuja ja toteutettuja geologisia vaihtoehtoja suurimittakaavaiseksi lämpöpumpun lämmönlähteeksi ovat maan pinnalta poratut syvät ja keskisyvät lämpökaivot. Lämmöntarpeen kasvaessa maanalainen lämmöntuotanto ja lämmönvarastointi saattavat muodostua edullisemmaksi tavaksi kuin maan pinnalta poratun syväkaivokonseptin monistaminen.

Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) vetämässä Energiakaivos-hankkeessa tutkittiin kallioperän lämmön hyödyntämistä syvyysväliltä 500 – 2500 metriä käyttäen Pyhäsalmen kaivosta tutkimuskohteena.

Projektissa tutkittiin päävaihtoehtona maanalaista lämpökaivokenttää ja kollektoriratkaisua, jolla kallion lämpö saadaan tehokkaasti siirrettyä vesikiertopiiriin.

Kaivoksen pohjalle, 1440 metrin syvyyteen sijoitettu lämpökaivokenttä voidaan mitoittaa lämmittämään kiertovettä lähes 20-asteiseksi ja tuottamaan lämpöenergiaa, jopa useiden megawattien teholla. Lämpöpumppuja hyväksikäyttäen tämä mahdollistaa kymmenien gigawattituntien vuotuisen energiantuotannon 70 – 110 oC lämpötilatasolla, joka riittää kattamaan esimerkiksi Pyhäjärven kaupungin keskustan lämmöntarpeen.

Numeeristen simulointien avulla kuvattiin myös kaivokentän lämpenemistä kun lämmönsiirtopiiriin syötettiin lämmintä vettä.

Energiakaivos vastaa yhteiskunnan tarpeisiin

Samanaikaisesti Pyhäsalmen geotermisen tutkimuksen ja konseptin kehitystyön kanssa projektiryhmä tutki, myös kaivoksesta saatavaan geotermiseen energiaan liittyviä liiketoimintamahdollisuuksia.

Metallisten raaka-aineiden louhinta Pyhäsalmen kaivoksesta tulee päättymään lähitulevaisuudessa ja syvän maanalaisen tilan jatkokäytölle on kehitteillä erilaisia jatkosuunnitelmia.

Geotermisen energian hyödyntämisessä Pyhäsalmen kaivoksen ympäristö saa 1.4 kilometrin etumatkan lämmön saavutettavuudessa. Alustavan arvion mukaan kannattava lämmöntuottoon perustuva liiketoiminta maanalaisesta kaivoksesta edellyttää 2 – 4 MW:n suuruusluokan lämpötehoa, joka laskelmien mukaan on kaivoksesta saatavissa.

Projektissa kartoitettiin sekä paikallisen yritystoiminnan tarpeita ja kiinnostusta että laajemmin uusia liiketoimintamahdollisuuksia, jotka selkeästi voisivat hyötyä hiilivapaan lämpöenergian saatavuudesta.

Syvästä kaivoksesta saatava lämpöenergia yhdessä esimerkiksi pumppuvoimalana toteutettavan sähköenergiavaraston kanssa voivat mahdollistaa Pyhäjärven kaupungin kehittymisen johtavaksi hiilivapaan energian käyttäjäksi ja kehittäjäksi.

Suuren mittakaavan energiavarastona toimiva kaivos voi samalla toimia monipuolisena maanalaisena laboratoriona ja tutkimusympäristönä, joka tuottaa tietoa geotermisen energian mahdollisuuksista ja uusista ratkaisuista koko yhteiskunnan käyttöön.

Projektissa kehitetyllä mallinnussovelluksella simuloitiin myös kalliossa olevan porareikäkentän lämmittämistä lämmön poispumppaamisen sijaan. Tulokset osoittavat, että kallioperä toimii erinomaisesti suurena lämpöpumppujen avulla hyödynnettävänä matalan lämpötilan (20 – 40oC) energiavarastona. Suomen asutuskeskusten merkittävänä lämmönlähteenä voikin tulevaisuudessa olla maanalainen, suhteellisen lähellä maan pintaa sijaitseva hukkalämmöllä tai auringonlämmöllä lämmitetty kalliomassa.

Geotieteelliset tulokset

• Pyhäsalmen kaivosympäristön Paleoproterotsooisen (1.9 Ga) kiteisen kallioperän termogeologisia olosuhteita tutkittiin tekemällä lämpötilamittaukset 8 syvästä kairareiästä DTS-tekniikalla (Distributed Thermal Sensing) ja määrittämällä 57 kivinäytteen termiset ominaisuudet GTK:n geolaboratoriossa. Näiden tulosten pohjalta kallioperästä tehtiin kolmiulotteinen termogeologinen malli ja arvioitiin geoterminen energiapotentiaali.
• Kehitettiin uudenlaista maanalaisiin porareikiin soveltuvaa kollektorikonseptia ja simuloitiin sen toimintaa numeerisella mallinnuksella. Kollektorityypin toiminnan testaus projektin puitteissa kehitetyllä siirrettävällä testiyksiköllä on meneillään. Lämmönkeräimen toiminnan yleiset periaatteet on mallinnettu, mutta tekninen toteutustapa materiaalien ja yksityiskohtien osalta vaatii jatkokehitystä.
• Rakennettiin siirrettävä terminen testilaitteisto, jota voidaan käyttää sekä lämmön pumppaukseen kallioperästä (21 kW) että lämmön injektointiin (8 kW). Erilaisten kollektorityyppien ja kallioperän lämmönsiirtimien testauksen lisäksi laitteistolla voidaan tehdä kallioperän termisiä vastetestejä (TRT) porareikäympäristössä.
• Huomattava työpanos käytettiin mallinnusmenetelmien kehittämiseen projektin tarpeita ja vaatimuksia vastaaviksi. Koaksiaalisen porareikäkollektorin aikariippuvaa käyttäytymistä eri olosuhteissa simuloitiin ja optimoitiin käyttäen Comsol Multiphysics-ohjelmistoa. Koaksiaalisen lämmönvaihtimen toimintakyvyn nopeaan testaamiseen erilaisilla parametriarvoilla laadittiin myös Excel-taulukkolaskentaohjelma.
• Maanalaisten porareikäkenttien toiminnan simulointiin laadittiin joustava Matlab-sovelluskoodi, joka käyttää Comsol Multiphysics numeerista ratkaisijaa. Sovelluksen avulla voidaan tehdä kenttien aikariippuvaa simulointia, vertailua ja optimointia ilman aikaan ja kentän geometriaan liittyviä rajoitteita. Laskennassa kenttään syötettävän veden lämpötilaa voidaan muuttaa portaattomasti ja näin simuloida kentän lataus-purkaussyklejä.
• Simuloinnin perustapaukseksi valittiin puolipallon muotoinen maanalainen porareikäkenttä, koska vaakasuunnassa tasaisesti jakautuneista pystyistä kaivoista muodostuva kenttä ei yleensä ole mahdollinen maanalaisessa tunnelissa. Kaivojen lähtöpisteiden sijainti lähekkäin on teknisen ratkaisun kannalta edullinen, mutta kaivokentän keskiosan kylmeneminen on otettava huomioon kollektoriratkaisussa, jos kentästä ainoastaan otetaan lämpöä pois. Toisaalta tämä geometria on lähes ihanteellinen lämmön varastoinnin kannalta.

Aiheesta kiinnostuneet voivat osallistua ”Pyhäsalmen kaivos hiilivapaan lämpöenergiantuotannon mahdollistajana”- seminaariin, joka pidetään torstaina 19.3.2020 klo 13-16. Paikka: Auditorio, Vuorimiehentie 5, Otaniemi, Espoo. Seminaariin on vapaapääsy. Ilmoittaudu seminaariin tästä (linkki).

GTK:n ja Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutin toteuttama Energiakaivos- hanke on saanut rahoitusta Euroopan aluekehitysrahastosta, Pyhäsalmi Mine Oy:ltä, Pyhäjärven kaupungilta ja Pyhäjärven Energia ja Vesi Oy:ltä.

Lisätietoa: GTK

Linkki: Seminaariohjelma ja ilmoittautuminen

Raportti: http://jultika.oulu.fi/Record/isbn978-952-62-2556-2