Geotermisen energian eri muodot

Oheisessa kuvassa on esimerkkejä erilaisista matalan ja syvän geotermisen energian järjestelmistä. Järjestelmät voivat olla joko avoimia tai suljettuja, ja niissä käytetään lämmönsiirtoon vettä tai muuta nestettä. Avoimessa järjestelmässä tavoitteena on hyödyntää lämmönsiirtoon ympäröivää kiveä tai vesistöä, kun taas suljetussa järjestelmässä lämmönsiirtoaine kiertää putkissa eikä ole kosketuksissa ympäröivään kiveen tai vesistöön.

Matala geoterminen energia hyödyntää auringon ja maan sisäisen lämmön lämmittämää maa- tai kallioperän pintakerrosta. Yleisempiä matalan geotermisen energian sovelluksia ovat maalämpöputkistot ja kalliolämpö- eli energiakaivot. Maalämpöputkisto on maaperään asennettu horisontaalinen lämmönsiirtoputkisto, joka kiertää maan pintakerroksissa tai vesistössä. Energiakaivo on kallioon porattu pystyputki. Maalämpöputkistolla tai energiakaivolla voidaan tuottaa yhden pientalon tarvitsema määrä lämpöä, ja käyttämällä useita energiakaivoja voidaan lämmittää suuria komplekseja.

Maanpinnan vuodenaikariippuvaisen lämpötilan vaikutusalue ulottuu noin 15 metrin syvyyteen. Sen alapuolella lämpötila nousee syvyyden myötä vuodenajasta riippumatta. Syvä geoterminen energia hyödyntää tätä geotermiseksi lämmöksi kutsuttua pääasiassa Maan radioaktiivisten isotooppien (uraanin, toriumin ja kaliumin) hajoamisesta syntyvää lämpöä. Etelä-Suomessa kallion lämpötila nousee noin 2°C/100 m, ja Itä- ja Pohjois-Suomessa alimmillaan 1.2°C/100 m (Lähde: Kukkonen, I. 2000. Geothermal energy in Finland, Proceedings World Geothermal Congress). Tämä tarkoittaa, että 100°C lämpötila saavutetaan alueesta riippuen vasta 6-9 kilometrin syvyydellä. Syvän geotermisen energian hyödyntämiseksi on siis porattava useiden kilometrien syvyyteen.

Syvän geotermisen energian sovelluksia ovat yksittäiset syvät lämpökaivot sekä erilaiset tehostetut geotermiset systeemit. Yksittäiset syvät lämpökaivot vastaavat toimintaperiaatteeltaan matalaa lämpökaivoa, mutta ovat tuhansia metrejä syviä. Ne voivat olla täysin tai vain osittain putkitettuja, ja ne keräävät sitä enemmän lämpöä, mitä syvempiä ne ovat. Alaosastaan avoin kaivo hyödyntää kallioperän vettä johtavia rakenteita, joten niihin liittyy samoja riskejä kuin muihinkin vettä kallioperässä kierrättäviin järjestelmiin (näistä lisää alla Tehostettu geoterminen lämmöntuotto). 

 

Syvällä kallioperässä vesi ei pääse virtaamaan helposti, joten tehostetussa geotermisessa lämmöntuotannossa (englanniksi Enhanced Geothermal System (EGS) veden virtausta on parannettava eli tehostettava keinotekoisesti. Mitä syvemmältä lämpöä halutaan kerätä, sitä haastavampaa on veden virtauksen tehostaminen. Veden virtauksen tehostaminen voidaan toteuttaa niin kutsutulla hydraulisella stimuloinnilla eli pumppaamalla poranreikään suurella paineella suuria määriä vettä. Stimuloinnin tavoitteena on avartaa kiven olemassa olevia rakoja, joita pitkin vesi pääsee virtaamaan. Hydraulinen stimulointi aiheuttaa niin kutsuttuja indusoituja eli ihmisen toiminnan aiheuttamia maanjäristyksiä, mutta se on oleellinen osa EGS-voimalan rakennusta.

Tehostettua geotermistä voimalaa varten on porattava kaksi reikää, syöttö- ja tuotantoreikä. Poranreiät putkitetaan haluttuun syvyyteen saakka ja viimeiset 500 – 1000 metriä reiästä eli osuus, jossa veden on tarkoitus kiertää syöttöreiästä tuotantoreikään, jätetään avoimeksi (katso oheinen kuva). Kun ensimmäinen reikä on porattu haluttuun syvyyteen, siihen pumpataan kovalla paineella vettä eli kallioperää stimuloidaan, jolloin siinä olevat raot avautuvat. Tämä aiheuttaa pieniä maanjäristyksiä, joita paikantamalla selvitetään veden virtausreitit. Toinen reikä porataan suunnatusti, kun tiedetään, mihin suuntaan valtaosa raoista on auennut. Tarvittaessa myös toisessa poranreiässä toteutetaan stimulointi ennen voimalan toiminnan aloittamista.

Geotermisen voimalan toimintaperiaate on, että syöttöreikään syötetään kylmää vettä, joka kiertää kallioperässä ja lämpiää. Lämmennyt vesi pumpataan ylös tuotantoreikää pitkin. Lämmennyttä vettä voidaan käyttää muun muassa sähköntuotantoon. Veden kierto poranreikien välillä on nopeampaa kuin lämmön siirtyminen ympäröivässä kivessä, joten veden kierrättäminen kallioperässä jäähdyttää kiveä. Voimalalla on siis tietty rajattu käyttöikä, jonka jälkeen vesi ei enää ehdi lämmetä tarpeeksi matkalla syöttöreiästä tuotantoreikään.

Maailmalla on useita EGS-tyyppisiä voimaloita, mutta suurin osa niistä on sijoitettu lähelle maanpintaa tai kallioperään, missä vesi kiertää useita kertaluokkia paremmin kuin kiteisessä ja vanhassa kallioperässä. Suomen geologisen ympäristön kanssa vertailukelpoisia kohteita on vähän. Tällaisia geotermisiä voimaloita on esimerkiksi Ranskassa (Soultzin voimala) ja Saksassa (Landaun voimala). Suomessa on suunnitteilla useita voimalahankkeita, joista ensimmäinen on energiayhtiö St1:n Deep Heat-hanke (avautuu uuteen ikkunaan) Espoon Otaniemessä.