Helsingissä tarvittaisiin vähintään 5000 keskisyvää energiakaivoa kaukolämmön energiatarpeeseen – tutkijat peräänkuuluttavat lisäselvityksiä

Keskisyvien eli 2-3 kilometrin syvyyteen porattavien energiakaivojen toiminta energialähteenä perustuu pitkälti maaperän lämpötilagradienttiin eli siihen, miten nopeasti lämpötila kasvaa, kun mennään syvemmälle maaperään. Mitä pienempi lämpötilagradientti, sitä syvemmälle tarvitsee porata.

Tuliperäisillä alueilla kuten Islannissa ja Kaliforniassa lämpöä saadaan läheltä maanpintaa, mutta Suomessa kallioperän lämpötila saavuttaa 40-50 astetta vasta noin kahden kilometrin syvyydessä johtuen maankuoren paksuudesta ja heikosta lämmönjohtavuudesta. Samasta syystä syvälämpö on ihmisen eliniällä mitattuna uusiutumatonta: energiakaivoilla on mitoituksesta riippuva käyttöikä. Kaivoihin tulee uutta energiaa Maan kuumasta keskustasta varsin hitaasti. Lämpövuo on lämpövirta pinta-alayksikköä kohden ja sen suuruus on vain noin 0.05 W/m^2, kun maan pintakerroksia lämmittävä auringon lämpövuo on suuruusluokkaa 100 W/m^2.

”Keskisyvien energiakaivojen pitkän aikavälin potentiaalia tulisi tutkia lisää”, sanoo akatemiatutkija ja fyysikko Eero Hirvijoki.

Tiedon puute kiusasi fuusioreaktoreihin ja plasmafysiikkaan erikoistunutta Hirvijokea niin paljon, että hän päätti selvittää asiaa yhdessä lehtori David Pfefferlén ja professori Manasvi Lingamin kanssa.

Yksittäisen kaivon sijaan tutkimuksessa tarkasteltiin laajaa kaivokenttäkokonaisuutta. Tämä paljasti yhteyden kaivojen eliniän, tehon, syvyyden ja yksittäiselle kaivolle tarvittavan pinta-alan eli alueelta saatavan tehotiheyden välillä.

"Kaupungit ovat tiiviitä keskuksia. Kun arvioidaan keskisyvien energiakaivojen potentiaalia, tarvittava tehotiheys ja kaivon syvyys yhdessä määrittävät mahtuuko niitä annetulle alueelle riittävästi ja ovatko ne käyttökelpoisia riittävän pitkään. Watit per neliömetri ratkaisevat", Hirvijoki sanoo.

Tavoiteltaessa taloudellisuutta kaivoja halutaan porata mahdollisimman pieni lukumäärä. Ison kaivokentän tarkastelu kuitenkin osoittaa, että käyttöikä laskee yksikkötehon kasvaessa.

"Jos esimerkiksi halutaan, että kaivokentältä saadaan keskimäärin 30 W neliömetriltä, ja yksikkökooksi valitaan kolme kilometriä syvä kaivo, josta otetaan 200 kW:n teho, jää käyttöikä 50 vuoteen. Mikäli yhdestä kaivosta otettava teho pudotetaan 100 kW:iin, kasvaa käyttöikä 120 vuoteen. Tällöin tarvittava kaivojen lukumäärä kuitenkin tuplaantuu."

Mitoitusongelma on siis moniulotteinen. Esimerkin kaivoja Helsingin lämmittämiseen tarvittaisiin noin 5000 tai 10000 kappaletta yksikkötehosta riippuen.

"On ajateltu, että tämä olisi helppo vaihtoehto, mutta kaivojen lukumäärä vaatii myös aikaa poraamiseen. Yhden yön aikana energiamurros ei tapahdu", Hirvijoki sanoo.

Hirvijoki toivoo, että muutkin innostuisivat tutkimaan energiakaivojen potentiaalia.

"Olisi tärkeää tarkastella miten keskisyvät kaivot toimivat kausivarastoinnissa. Kesällä pienemmän kulutuksen aikaan energiakaivoa voi ladata muilla tavoin tuotetulla kaukolämmöllä. Talvella kulutuspiikkejä voisi sitten tasata hyödyntämällä kesän aikana varastoitua lämpöä. Ainakin kaukolämpöjärjestelmän kapasiteettikerroin paranisi."

Hirvijoen kanssa Helsingin energiakaivomitoitusta tutkinut David Pfefferlé on matematiikan ja tilastotieteen lehtorina Australiassa ja Manasvi Lingam työskentelee avaruusbiologian apulaisprofessorina Yhdysvalloissa. Kolmikko tutustui toisiinsa työskennellessään Princetonin yliopistossa.

Artikkeli: Longevity and power density of intermediate-to-deep geothermal wells in district heating applications