Kallion lämmönjohtavuuden tutkimus monipuolistuu uudella geoenergiavaunulla ja ADTS-menetelmällä

Tutkija Petri Hakala ja tutkimusassistentti Mikko Pelkkala suorittamassa ADTS-mittausta maastossa. Kuva: Ilkka Martinkauppi, Geologian tutkimuskeskus.

GTK:n uutinen

ADTS-menetelmässä (active distributed temperature sensing) kalliota lämmitetään halutulla teholla hybridivalokuitukaapelin sisällä oleviin kuparijohtimiin syötetyllä sähkövirralla ja lämpötilan kehitystä kalliossa tarkkaillaan valokuidun avulla. Menetelmä poikkeaa perinteisestä DTS-mittauksesta (distributed temperature sensing), jossa mitataan kallioperän luonnollista lämpötilaa ja saadusta datasta selvitetään kallion lämpötilaprofiili syvyyden suhteen.

DTS-laite mittaa lämpötilan koko valokuidun matkalta samanaikaisesti. Yhdellä mittauksella nähdään heti kallion lämpötila pinnalta kaivon pohjaan saakka. Uusi ADTS-mittaus tuottaa vieläkin monikäyttöisempää lämpötiladataa, sillä kallion tehollinen lämmönjohtavuus voidaan määrittää koko kaivon syvyydeltä. ”Käytännössä kaikki uudella geoenergiavaunulla tekemämme mittaukset ovat olleet ADTS-mittauksia”, toteaa tutkija Petri Hakala GTK:lta.

Geoenergiavaunussa ei ole asennettuna kiinteitä mittalaitteita, vaan tarvittavat mittalaitteet otetaan mukaan tapauskohtaisesti. Aggregaatti tuottaa kaiken mittauksissa tarvittavan sähkön. Tämä mahdollistaa mittaukset myös syrjäisissä kohteissa, joissa sähköä ei ole muuten saatavilla. Geoenergiavaunu on huomattavasti edellistä suurempi sisältäen valaistuksen, lämmityksen, tuuletusjärjestelmän ja riittävästi sisätyöskentelytilaa.

”Olemme erittäin tyytyväisiä geoenergiavaunun tuomiin mahdollisuuksiin. Nyt voimme tehdä muun muassa valokuituhitsaukset sisällä, eikä vaunun ulkopuolelle tarvitse jättää mittalaitteita. Näin ei myöskään pääse syntymään vaaratilanteita”, kertoo tutkimusassistentti Mikko Pelkkala.

Geoenergiavaunussa lämpötilan kehitystä pystytään seuraamaan mittauskohteessa

Geotermisen energiaratkaisun suunnittelussa kallion lämmönjohtavuus on yksi tärkeimpiä selvitettäviä muuttujia. Lämmönjohtavuus kertoo, kuinka tehokkaasti lämpö liikkuu kalliossa, ja on olennainen tekijä laajojen energiakaivokenttien suunnittelussa.

Kohteesta riippuen tutkitaan yleensä 1–5 mittauspistettä. Esimerkiksi SOK:n päivittäistavarapuolen logistiikkakeskuksessa Sipoossa tehtiin aikanaan viisi kallion lämpövastemittausta, joista jokaisesta selvitettiin kallion lämmönjohtavuus. Tämän perusteella mallinnettiin tarvittavan energiakaivokentän suuruus kiinteistölle. Logistiikkakeskuksen energiakaivoista osaan on pysyvästi asennettu valokuitukaapeli, jotta energiakaivokentän käytönaikaista toimintaa voidaan seurata reaaliajassa ja ohjata kentän toimintaa kallion lämpötilan perusteella. Tutkija Ilkka Martinkauppi GTK:lta on vastannut monitorointijärjestelmän suunnittelusta.

”Kallion lämmönjohtavuusmittaus ADTS-menetelmällä kestää käytännössä kolme vuorokautta. Tämä on kokemuksemme mukaan riittävän pitkä aika, jotta näemme miten lämpö etenee kalliossa”, kertoo Hakala.

Jos mittausaika on liian lyhyt, menee suurin osa syötetystä lämmöstä kaivossa olevan veden lämmittämiseen. Geoenergiavaunussa lämpötilan kehitystä pystytään monitoroimaan mittauskohteessa. Mittausdata tallentuu reaaliaikaisesti. Mittauksen päätyttyä alkaa datan tulkinta ja mallinnus.

Mittaus vaatii aina kaksi ammattitaitoista henkilöä, ja valmistelutyöt on tehtävä huolella. ”Ensin laskemme valokuitukaapelin kairanreikään tai energiakaivoon ja teemme siihen valokuituhitsaukset. Kytkemme valokuituliittimet kaapeliin, jotta pystymme ohjaamaan lasersäteitä valokuituun. Tämän jälkeen valokuituliittimet kytketään mittauslaitteeseen”, kertoo Pelkkala.

DTS-laite ei mittaa absoluuttisen oikeaa lämpötilaa. Tämän vuoksi täytyy suorittaa kalibrointi, jonka perusteella korjataan mitattua lämpötilaa. Yleensä korjaus on hyvin pieni. DTS-laitteen mittaustarkkuus on noin 0,1 °C. Valmistelutyö vie aikaa, sillä korjaus on tehtävä jokaiselle mittaukselle erikseen.

”Uudet DTS-mittalaitteet ovat osoittautuneet erittäin toimiviksi käyttämiemme valokuitukaapeleiden kanssa. Olemme tehneet mittauksia jopa 2 kilometriä syvästä, eli niin sanotusta keskisyvästä, energiakaivosta. Mittauksia voisi tehdä syvemmältäkin”, Hakala toteaa.

Uudella laitteella pystytään mittaamaan lämpötila koko kaapelin matkalta 25 cm välein. Näin saadaan todella tarkka kuva kallion lämpötilaprofiilista. Laitteen mittaustarkkuus on niin suuri, että sillä päästään käsiksi myös muuhun tärkeään tietoon. ADTS-menetelmän avulla voidaan lisäksi paikallistaa esimerkiksi kallion rikkonaisuusvyöhykkeitä ja kivilajin vaihtumista, kunhan mittausaika on riittävän pitkä.

GTK tekee ainoana Suomessa ADTS-mittauksia

Hybridivalokuitukaapelia hyödyntävä ADTS-menetelmä palvelee monia GTK:n tutkimusalueita ja palveluja. Menetelmällä pystytään muun muassa paikantamaan kallioperän vettä johtavat rakoilut ja arvioimaan veden liikkeen voimakkuutta huokoisessa maaperässä. Uutta yhteistyötä on syntynyt energia-, rakentamisen ja vesiratkaisujen välille. Esimerkiksi GTK:n omassa Hydrogeologia ja globaalimuutos -projektissa kehitetään ADTS-menetelmää veden liikkeen seuraamiseen maaperässä.

Kokeilemalla ja tutkimalla uusia käyttötapoja opitaan koko ajan lisää menetelmän monipuolisuudesta. DTS-valokuitumenetelmää on testattu niin patorakenteiden tarkkailussa kuin bioliuotuksen tehokkuuden seurannassa. DTS- ja ADTS-mittauksia voidaan tehdä myös urbaanissa rakennetussa ympäristössä. Esimerkiksi maa- ja kallioperän termisten olosuhteiden mittaustulosten ja energiatarvetietojen pohjalta voidaan mallintaa arvio kohteeseen tarvittavien energiakaivojen määrästä.

DTS-mittauksia on tehty pitkään, mutta ADTS on verrattain uusi menetelmä ja tutkimusta siihen liittyen on vielä melko vähän. GTK on Suomessa ainoa toimija, joka tekee ADTS-mittauksia. Maailmanlaajuisesti ADTS-menetelmää käytetään jonkin verran esimerkiksi Saksassa ja Ranskassa.

”Julkaisimme juuri ADTS-menetelmään liittyvän artikkelin ’Novel use of the enhanced thermal response test in crystalline bedrock‘. Tämä oli pelinavaus meidän puoleltamme, mutta aiheessa riittää tutkittavaa. Olemme aika hyvällä mallilla mittausten ja tulkinnan suhteen, jokainen uusi mittaus lisää kuitenkin ymmärrystä ja osaamista tästä menetelmästä”, Hakala toteaa.

Lisätietoja: GTK