Geoterminen lämpö pintaa syvemmältä

St1 lähti muutama vuosi sitten ennakkoluulottomasti tavoittelemaan geotermistä lämpöä Suomen kallioperästä. Se, että  maankuoressa on lämpöä, on tiedetty jo kauan. Periaatteessa sekin on tiedetty, miten sitä voidaan hyödyntää. Ei tarvitse kuin porata reikä riittävän syvälle, niin reikään pumpattu vesi saadaan sieltä lämmenneenä ylös. Mitä syvemmälle mennään, sen kuumempi maankuori on. Maan ydin on jokseenkin yhtä kuuma kuin Auringon pinta. Siellä, missä geotermistä lämpöä jo hyödynnetään, lämpö on selvästi lähempänä pintaa kuin Suomessa. Täällä on mentävät syvälle, todella syvälle.

ST1_a

St1 tavoittelee n. 7 km syvyyttä, jossa lämpötila on reilut sata astetta. Sähköä siitä ei vielä saa aikaiseksi, mutta kaukolämmitykseen se riittää hyvin. Sähkön tuottamiseen tarvittaisiin toiset sata astetta lisää.

Lämpö on osittain peräisin Maan syntyajoista, osittain maankuoressa olevien radioaktiivisten aineiden hajoamisesta. Lauri Muranen luonnehtiikin WEC Finlandin blogissa geotermistä lämpöä osuvasti luomu-ydinvoimaksi. Osa Maan sisäisestä lämmöstä syntyy vuorovesi-ilmiön seurauksena. Auringon ja Kuun painovoimat vääntelevät maankuorta, jolloin se lämpenee. Tämä lämpö on enimmäkseen Maan pyörimisliikkeen kineettistä energiaa, joka muuttuu lämmöksi.

Radioactive decay accounts for half of Earth’s heat

ST1_b

Poraustekniikkaa on käytetty öljyn- ja kaasuntuotannossa jo pitkään, mutta näin syvällä operointi ei ole aivan arkipäivää. St1 Deep Heat -projektin työmaa sijaitsee Otaniemessä Fortumin lämpökeskuksen tontilla. Työmaan aidassa on havainnollisesti selitetty hankkeen pääperiaatteet.

Ensin porataan yksi reikä n. 7 kilometriin, tai missä nyt haluttu lämpötila tulee vastaan. Sen jälkeen kalliota reiän pohjalla säröytetään suuren paineen avulla. Seismisillä antureilla ”kuunnellaan” mihin suuntaan säröt lähtevät avautumaan. Toinen reikä porataan sinne. Poraa voidaan ohjata sivusuunnassa, joten toisen reiän alapää voi sijaita kilometrin päässä ensimmäisestä, vaikka reikien yläpäät ovat samalla tontilla.

ST1_c

Reikien seinämät vuorataan teräksellä yläosastaataan, jotta vesi ei karkaa matkalla. Toisesta reiästä pumpataan vettä sisään ja otetaan se takaisin toista reikää myöten. Matkalla se lämpenee reiluun sataan asteeseen. Tästä kiertovedestä lämpö siirretään lämmönsiirtimellä kaukolämpöveteen. Tehoksi tälle laitokselle on suunniteltu 40 MW. Pumppaus kuluttaa sähkötehoa parisen megawattia.

Kuulostaa helpolta, mutta mahdollisia ongelmia on runsaasti.

  • Taloudellinen kannattavuus. Menestyäkseen minkä tahansa toiminnan tulee olla kannattavaa ja kilpailukykyistä.
  • Saadaanko reiästä suunniteltu määrä tehoa, vai jäädäänkö tavoitteen alle, jolloin palataan kohtaan 1.
  • Pysyvätkö reiät auki, vai tukkeutuvatko ne?
  • Pysyvätkö kallioon avatut säröt auki?
  • Mitä kaikkea veden mukana tulee reiästä ylös? Aiheutuuko putkistoon korroosiota, tai kerrostumia, jotka voivat tukkia laitteet tai itse reiät? Voidaanko vettä käyttää uudelleen, joudutaanko sitä vaihtamaan, mitä jätevesille tehdään?
  • Kuinka suuresta kalliotilavuudesta lämpöä onnistutaan keräämään, eli kuinka nopeasti lämpötila putoaa? Se tiedetään, että lämpöä otetaan kalliosta nopeammin kuin sitä muodostuu ja/tai johtuu ympäröivästä kalliosta tilalle, mutta kuinka kauan lämpötila pysyy riittävän korkeana? Jos se jäähtyy oletettua nopeammin, palataan pian kohtaan 1, ja tarvitaan uusi reikä uuteen paikkaan.
  • Miten maankuori käyttäytyy jäähtyessään? Kaikissa aineissa tapahtuu lämpöliikettä. Jäähtyessään maankuori supistuu. Siitä aiheutuu vetojännitystä, jota graniitti kestää todella huonosti, eli teoriassa jännityksen purkautuessa voi syntyä jonkinlainen maanjäristys.

Tätä lämmöntuotantomenetelmää ei ole onnistuneesti aiemmin käytetty missään. Pariisissa on geotermistä kaukolämpöä käytössä, mutta siellä tilanne on täsmälleen päinvastainen. Huokoisessa maaperässä on kuumaa vettä, joka vain tarvitsee pumpata ylös, ja palauttaa sinne jäähdytettynä takaisin.

Yhdysvalloissa on rakennettu yli 3000 MW geotermistä sähköntuotantoa, yli 80 % siitä Kaliforniassa. Sielläkin maassa on valmiiksi kuumaa vettä, joka ylös noustessaan höyrystyy.

Sveitsissä oli tarkoitus tuottaa sähköä ja kaukolämpöä samalla menetelmällä kuin nyt Espoossa. Reikä oli porattu 4450 metriin, säröjä oltiin avaamassa korkeapaineisella vedellä, kun toiminnan seurauksena laukesi 3,5 magnitudin maanjäristys. Paine reiästä purettiin, mutta pienemmät järistykset jatkuivat alueella vielä seuraavan vuoden ajan. Projekti keskeytettiin. Henkilövahingoilta vältyttiin, mutta järistysten aiheuttamia omaisuusvahinkoja korvattiin kahdeksalla miljoonalla eurolla. Tapahtumasta löytyy runsaasti tietoa.

Deep in Bedrock, Clean Energy and Quake Fears

All seemed to be going well — until Dec. 8, 2006, when the project set off an earthquake, shaking and damaging buildings and terrifying many in a city that, as every schoolchild here learns, had been devastated exactly 650 years before by a quake that sent two steeples of the Münster Cathedral tumbling into the Rhine.

Swiss geothermal power plan abandoned after quakes hit Basel

It was supposed to be an environmentally friendly way of generating electricity. When geologists in Switzerland drilled deep into the ground, they planned to pump water into the shaft and use the steam generated by hot rocks to power 10,000 homes.

But the geothermal power plant had to be abandoned after a series of earthquakes, one registering magnitude 3.4, damaged properties in the city of Basel, a court heard today.

Baselin kaupunki on siirroslinjan päällä. Maankuoren säröytys laukaisi jo olemassa olevia jännityksiä. Suomessa ei tällaisia siirroslinjoja ole, joten riski on ehkä pienempi, mutta viimeistään kallioperän jäähtyminen aiheuttaa jännityksiä, jotka voivat laueta aiheuttaen järistyksiä.

Seismisen aktiivisuuden lisääntymistä on havaittu muuallakin geotermisten reikien yhteydessä, eli kyse lienee enemmänkin säännöstä kuin poikkeuksesta. Tämä artikkeli mainitsee havainnoista Saksassa.

Geothermal plans halted after earthquake

Seismic activity due to Geothermal drilling has been frequently reported elsewhere in the world, as can be see from cracks in the ground that appeared in the German town of Staufen. This seems to be one of the unavoidable disadvantage of obtaining renewable energy from the ground.

Lisää tietoa:
Geothermal power facility induces earthquakes, study finds
How Does Geothermal Drilling Trigger Earthquakes?
Induced seismicity in Base
Google-haku

Kuinka kauan reiästä sitten lämpöä riittää? St1 on tätä varmasti arvioinut. Yritetään nyt hahmottaa asiaa itse. Emme tiedä, miten suuresta graniittitilavuudesta lämpöä onnistutaan tuottamaan. Oletetaan tilavuudeksi yksi kuutiokilometri. Se voi olla suurempi tai pienempi, riippuen siitä, miten paljon säröjä kallioon onnistutaan avaamaan, ja miten ne pysyvät auki.

Granitin tiheys on 2650 kg/m3. Kuutiokilometrin massa on näin ollen 2650 miljoonaa tonnia. Graniitin ominaislämpö on 0,75 kJ/(K·kg). Tästä voidaan laskea, että jäähdytettäessä kuutiokilometriä graniittia 40 megawatin teholla, sen lämpötila laskee 0,6 astetta vuodessa, kuusi astetta kymmenessä vuodessa. Jos lähtölämpötila on sata astetta, 30 vuoden kuluttua jäljellä on 82 stetta. Jos vesikierto onnistuukin saavuttamaan vain puoli kuutiokilometriä kalliota, jäähtyminen on tuplasti nopeampaa.

Geotermisen lämmön sanotaan olevan uusiutuvaa. Kestää kuitenkin aikansa, ennen kuin jäähdytetty graniittikuutio lämpenee uudestaan lähtölämpötilaansa. Se tapahtuu sekä johtumalla, että radioaktiivisen hajoamisen seurauksena.

Graniitissa on keskimäärin 3 miljoonasosaa uraania ja 17 miljoonasosaa toriumia, jotka tuottavat lämpöä hajotessaan. Muutama miljoonasosa kuulostaa pieneltä, mutta graniittiahan on paljon. Kuutiokilometrissä graniittia on 7950 tonnia uraania ja 45050 tonnia toriumia. Uraanin puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta, toriumin 14,05 miljardia vuotta. Hajoamisketjujen energiat ovat: uraani 51,7 MeV, torium 42,6 MeV. Nyt lasketaan ensin näiden aineiden aktiivisuus kuutiokilometrissä graniittia, saadaan: uraani 98 TBq, torium 183 TBq. Näistä saadaan edelleen lämmöntuotoksi: uraani 814 W, torium 1248 W. Yhteensä uraanin ja toriumin lämmöntuotto kuutiokilometrissä graniittia on siis 2 kW. Jos kalliosta otetaan 40 MW, se on 20000 kertaa enemmän kuin sitä uraanin ja toriumin radioaktiivisuuden johdosta muodostuu. Jos laitosta käytetään 30 vuotta, kestää lämmön palautuminen pelkästään uraanin ja toriumin hajoamisen avulla kuusisataatuhatta vuotta, olettaen, että sitä ei tänä aikana poistu mihinkään.

Kaikki laskut lähdeviitteineen löytyvät tästä taulukosta.

Graniitissa on jonkin verran muitakin radioaktiivisia aineita kuin uraani ja torium, mm kaliumia. Lisäksi jäähtyneeseen tilavuuteen siirtyy johtumalla lämpöä ympäristöstä.

Wikipedian mukaan maankuoren lämpövuo alhaalta ylöspäin on mantereiden alueilla keskimäärin 65 mW/m2. Jos tämä teho saadaan graniittikuutiomme lämmittämiseen, ja lämmön ajatellaan siirtyvän kuutioon pohjan kautta, sen lämmitysteho on 65 kW. Mikäli otetaan huomioon myös sivuilta siirtyvä lämpö, ollaan lukemassa 325 kW. Todellisuudessa lämpöä johtuu jäähtyneeseen kohtaan varmasti reilusti enemmän, koska syntyy normaalia selvästi jyrkempi lämpötilagradientti. Hetkellisesti, koska se loivenee sitä mukaa kuin lämpöä siirtyy. Lopulta saavutettaisiin sama gradientti kuin maankuoressa pystysuunnassa normaalisti vallitsee, eli pitkällä aikavalillä jäähdytetty kilometrin graniittikuutio saa uutta lämpöä radioaktiivisen hajoamisen tuloksena 2 kW sekä lämpöä johtumalla alapuolelta 65 kW, noin suunnilleen, tämähän on pelkkä suurrusluokka-arvio. Toimiessaan 40 MW:n teholla laitos jäähdyttää graniittikuutiota 600 kertaa nopeammin kuin siihen lämpöä palautuu. Uusiutuvaa, kyllä, mutta äärimmäisen hitaasti. Geotermisen ”lämpökaivon” palautuminen uudelleen käytettäväksi kestää niin kauan, että käytännöllisesti katsoen sitä voi pitää uusiutumattomana. Kun se ehtyy, pitää porata uudet reiät toiseen paikkaan, kilometrin päähän edellisistä.

Nyt voidaan hahmottaa myös toiminnan aiheuttamaa lämpöliikettä graniitissa. Graniitin lämpöpitenemiskerroin on 8,3 x 10^-6/aste C. Kun kuutiokilometrin graniittikuutiota jäähdytetään 18 astetta (30 vuoden käyttöaika), kuutio supistuu joka suunnassa 15 senttimetriä. Graniitti kestää vetojännitystä hyvin huonosti. Jäähtyminen aiheuttaa vetojännitystä graniittiin. Jos jännitys ylittää vetomurtolujuuden, tapahtuu murtuminen, joka havaitaan maanjäristyksenä.

Mielipiteeni asiasta on, että tätä kannattaa ehdottomasti kokeilla, ja toivoa hankkeen onnistumista. Toimiessaan sillä voi olla paikallista merkitystä, mutta ihmeitä, edes ratkaisua päästöongelmaan siitä ei pidä odottaa.

Fysiikan dosentti Tom Murphy Kalifornian yliopistosta on päätynyt samankaltaiseen johtopäätökseen:

Do the Math: Warm and Fuzzy on Geothermal?

21 thoughts on “Geoterminen lämpö pintaa syvemmältä

  1. Jos geoterminen kaukolämpö toimii jossain niin Suomessa, koska Suomessa on niin kannattavat kaukolämpömarkkinat. Pariisin leveysasteilla tarve lämmölle on pienempi, joten lämmön tuotannon kannattavuus on selkeästi heikompi.

    Geoterminen kaukolämpö olisi toimiessaan täydellinen vastinkappele kesäaktiiviselle aurinkovoimalle – Suomen olosuhteissa.

    Lisäksi koska rei’än lämpömäärä on se resurssi, joka rajoittaa rei’än käyttöikää, niin geoterminen kaukolämpö on täydellisen säätyvää lämpöenergiaa. Eli geotermista lämpöä voidaan ottaa täydellä teholla juuri silloin kun lämpöä tarvitaan eniten ja silloin kun tarvitaan vähemmän, pumppaustehoa voidaan suoraan skaalata kysyntään.

    Tykkää

  2. Toi Tim Murphyn analyysi on vähän epäoleellinen, koska perustuu kalifornian tilanteeseen ja lisäksi hän ei ota huomioon, että ST1 on yhden rei’än sijaan poraamassa kahta reikää, jolloin lämpöä voidaan kerätä 10-100 kertaa suuremmasta volyymista kalliota, jolloin saadaan tosiaankin 20-30 tuotto 40 megawatin lämpöteholla ennen kuin resurssi on kulutettu loppuun.

    Tässä on periaatteessa taloudellisen kannattavuuden reunaehdot aika hyvällä mallilla, jos säröytys toimii teknologian niin kuin on suunniteltu. Vähän surullista siis tuo Timin kritiikki, koska hän ei ollut tutustunut ST1:n konseptiin.

    Tykkää

  3. Hyvä tietoisku jälleen. Kiitoksia vaan.
    Silloin kun geoterminen lämpö puskee pintaan luonnostaan, ihmisen ottama lämpö siitä ei edes välttämättä jäähdytä kuin ihan pintaa. Tässäkin suhteessa ST1:n hankkeeseen verrattuna eroa on.
    Mitä sitten geotermisen energian uusiutumisnopeuteen tulee, niin eiköpä tuo ole hitaammin uudistuvaa kuin turve?
    Oikolukua: ”…olettaen, että sitä tänä aikana poistu mihinkään.”
    olisiko näin: ”…olettaen, ettei sitä tänä aikana poistu mihinkään.”

    Tykkää

  4. Jos lämpövuo on vertikaalisuuntaan 65mW/neliömetri, niin kilometri x kilometri -kokoisen pinnan lävitse se on miljoonakertainen, eli 65kW.

    Tämä ei sinällään muuta kokonaistilannetta miksikään. Kumminkin kannattaisi pohtia myös syvällä tapahtuvan kallion jäähtymisen vaikutusta pitemmälle. Epäilemättä kirjoituksen laskelman mukainen 15 senttimetrin suuruinen kutistuma (joka suuntaan) avaa myös uusia pystysuuntaisia kulkureittejä vedelle. Periaatteessa voisi syntyä 1km:n pituinen ja 15 cm leveä vako poikittaisiin suuntiin. Tuollaisten aukkojen yhteispinta-alahan on yli 200 neliömetriä. Muodostelma kuljettaisi melkoisen tehokkaasti lämpöä pystysuuntaan lämpökonvektion vaikutuksesta, jos halkeaminen tapahtuisi verrattain karkeana (ja tuskin tuo kivikuutio ainakaan heti soraksi asti hajoaa). Jonkinlaiset mahdollisuudet siis on myös sille, että lämmöntuotanto ”uudistuu” jossakin määrin itsestään pystysuuntaisten halkeamien työtyessä yhä syvemmälle kiven hiljalleen jäähtyessä. Tuosta voisi silloin ajan myötä syntyä jopa eräänlainen geysir.

    Tykkää

  5. Juu, huomasin just ja korjasin. Pilkkuvirhe ja liian kiire julkaista. Kokonaistilanne ei tosiaan ratkaisevasti muuttunut. Odelleen kovin hidasta uusiutumista.

    Graniitti noin syvällä on melkein 200 MPa:n paineessa (kansanomaisemmin 2000 bar, tai 2000 kilogramaa neliösentille), ja on sen johdosta kokoonpuristuneena. Jäähtyminen ei ehkä aiheuta vetojännitystä, mutta vähentää puristusjännitystä. Jännitystilan muutos voi sitten aiheuttaa jotain. En usko, että kukaan tässä vaiheessa voi sanoa tietävänsä, mitä siellä tulee tapahtumaan. Ei esim. tiedetä, minkä verran ja minkä suuntaisia säröjä siellä on ennestään. Tietääkseni myös jotkut huomattavasti matalammat koereiät ovat alkaneet koroutua umpeen. Onko kivi osittain amorfista ainetta?

    paineen vaikutuksesta

    Tykkää

  6. ”Onko kivi osittain amorfista ainetta?”

    Lasi ainakin on wikin mukaan, eli pätisikö sama osaan kivilaaduistakin.

    Wikistä lainattua:

    ”Aineen amorfinen muoto voidaan saada muodostumaan, kun ainetta jäähdytetään nopeasti sen ollessa nestemäisessä olomuodossa. Tällöin aineen rakenneosaset eivät ehdi järjestäytyä säännölliseen kiderakenteeseen. ”

    Tykkää

  7. Hyvä kirjoitus, mutta en oikein usko tuon uudelleen lämpenemisen menevän noin. Lämpö on peräisin radioaktiivista hajoamisesta joo, mutta ei välttämättä paikan päällä vaan alempana maassa, josta se siirtyy hitaasti ylöspäin. Jos kallio jäähtyy, ympäröivästä kalliosta siirtyy lämpöä tahdilla jota rajoittaa lämmönjohtavuus ja lämpötilaero. Luultavasti paljon nopeampaa kuin odottaa radioaktiivista hajoamista paikan päällä.

    Tykkää

  8. Ei se turha ollut. Tästä ei varmaa tietoa taida olla olemassa, mutta nykykäsityksen mukaan ilmeisesti noin puolet lämmöstä on radioaktiividuueen tulosta, toinen puoli alkuperäistä lämpöä Maan syntyajoilta. Eli puolet siitä johtumalla tulevasta lämmöstäki näin ollen olisi radioaktiivista alkuperää. Ilman sitä Espoossa jouduttaisiin poraamaan 14 kilometriin, tai jotain. Alkuperäinen pilkkuvirhe menee sitten omaan piikkiin.

    Johtopäätöksenä voinee pitää sitä, että ympäristöstä johtuva lämpö on aivan dominoiva tässä systeemissä.

    Tykkää

  9. Toisessa paikassa vastattiin, että graniitti ei ole amorfista. Luotan siihen, mutta uskallan väittää, että reiän käyttäytyminen, kuten koko systeemin toimivuus tiedetään vasta kun sitä kokeillaan, sen verran extreamea kuitenkin on.

    Tykkää

  10. Kiitos Kaj hyvästä jutusta.
    1. Graniitti ei ole amorfista, mutta korkeassa paineessa ja lämpötilassa veden vaikutuksesta tapahtuu usein hidasta uudelleen kiteytymistä, jolloin pitkän ajan kuluessa veteen liukenevat mineraalit kiteytyvät alemman paineen tai lämpötilan kohteisiin. Näin raotkin voivat sulkeutua.
    2. Toki säreyttämiseen on monin paikoin liittynyt kallioperän järkkymistä, mutta meidän peruskalliossa tämä ei tunnu kovin todennäköiseltä. Ei säreyttäminenkään ole kovin helppoa meidän ikikalliossa verrattuna nuorissa pehmeimmissä sedimenttikivissä, kute öljyliuskeissa.
    3. Minua kuitenkin askarruttaa paljon enemmän itse kuviteltu lämmöntuotto, kuten itsekin hienosti laskit, niin vähäiseksi taitaa jäädä. Minun on vaikea käsittää, että meidän oloissa syvemmältä kulkeutuisi taloudellisesti merkittäviä määriä lämpöä ja jota voisi sieltä lämpimästä kivi massasta voisi ekstrahoida. rajattomasti.
    4. Meillä Suomessakin on kyllä tehty paljon mittauksia lämpövuosta kalliorei’issä, mutta onko vuo, tarkemmin sanottuna lämmön kulkeutuminen/johtuminen riittävä ylläpitääkseen korkeata lämpötilaa jota hyödyntäminen edellyttää.
    5. Vai onko tässä vain kysymys ottaa lämpö siitä kuutiokilometristä kiveä, jota sinäkin arvioit. Jos sensijaan halutaan hyödyntää syvältä siirtyvää lämpöä niin luulisi, että samainen vuo (sinun 65 mW/m2) näkyisi pinnan lähellä vastaavan suuruisena lämpövuona? En näe, että sinunkaan laskemasi 65 kW/neliökilometri riittäisi taloudelliseen tuotantoon.
    6. Jos näin on niin kalliita reikiä pitänee porata melko usein. Minun omakotitaloni lämpiää 200 m syvästä kallioreiästä saadulla lämmöllä, tosin siinä lämpö on pääosin auringosta peräisin, tarkemmin sanottuna pinnan lähellä suorasta aurinkolämmöstä ja kalliohalkeamissa syvällä virtaavasta vedestä.

    Tykkää

  11. Kiitos Boris. Onhan lukijakunnassa oikea geologikin!

    Jos lasketaan 65 kW/km2 koko Suomen pinta-alalle, saadaan n. 20000 MW, mikä vastaa suunnilleen kahta kolmasosaa Suomen kulutuksesta. Jos siis kaikki maaperästämme virtaava lämpö saataisiin talteen. Tästä voi jokainen ymmärtää, että jos geotermistä lämpöä onnistutaan hyödyntämään, se on yhtä lailla ”fossiilista” kuin polttoaineetkin, eli reiät ehtyvät kuin öljylähteet ikään, ja niitä tarvitaan uusia.

    Löysin tällaisen kartan, jossa on Euroopan ”Geothermal Heat-Flow Density”. Espoo näkyy olevan yksi parhaista paikoista. Suuressa osassa Suomea lämpövuo on alle tuon 65 kW/km2.

    http://www.geni.org/globalenergy/library/renewable-energy-resources/world/europe/geo-europe/index.shtml

    Geoterminen energia olisi todennäköisesti läpimurto vasta sitten, jos päästäisiin poraamaan niin syvälle, että löytyy sulaa ja liikkuvaa ainesta. Siellä se ”uusiutuu” nopeammin kuin kiinteässä kuoressa.

    Tykkää

  12. Samalla saitilla on myös tarkempaa tietoa Suomesta: http://www.geni.org/globalenergy/library/renewable-energy-resources/world/europe/geo-europe/geo-finland.shtml ja siinä olevista kartoista on hauska verrata todellisia lämpötiloja 500 ja 1000 metrin syvyydessä.

    Kalevi Rantanen kirjoitti aiheesta Tiede 9/2008 https://planeetta.wordpress.com/2016/02/22/geoterminen-lampo-pintaa-syvemmalta/ jossa toteaa mm:

    Suomessa kivi on kylmää

    Kuuman kallion tekniikka mahdollistaa geotermisen energian hyödyntämisen laajoilla alueilla, mutta ei kaikkialla. Kiven täytyy olla tarpeeksi kuumaa ja lisäksi riittävän huokoista, jotta vesi pystyy kuljettamaan lämmön pinnalle. Suomessa näin ei ikävä kyllä ole.

    Suomen kallioperässä lämpövuo on Geologisen tutkimuskeskuksen tekemien mittausten mukaan keskimäärin 37 milliwattia neliömetriä kohti, kun mantereilla keskiarvo on noin 65 milliwattia neliöltä. Kuumimmilla alueilla lämpövuo nousee yli kolmensadan milliwatin.

    Suomen kallioperä myös läpäisee heikosti vettä. Huokoisuus on alle yhden prosentin. Senkään vuoksi kuuman kiven tekniikka ei vaikuta täällä kovin lupaavalta.

    Tykkää

  13. ”… lämpötila on reilut sata astetta. Sähköä siitä ei vielä saa aikaiseksi …”
    En väitä, etteikö asia noin olisi, mutta olisi kiva kuulla syy, koska itse en sitä tiedä.

    Tykkää

  14. Sähkö tehdään turbiinikoneistolla, jossa työaineena on vesi. Eli vettä keitetään ja johdetaan korkeapaineisena höyrynä turbiinille, joka pyörittää generaattoria. Sadalla asteella saadaan aikaiseksi höyryä, jonka paine on vain 1 bar, mikä ei riitä turbiinin pyörittämiseen. 200 asteella saadaan 15 bar, 300 asteella 85 bar. Hyötysuhde on riippuvainen lämpötilasta. Nykyaikaiset hiilivoimalat toimivat yli 600 asteen ja yli 200 barin höyryllä, jolloin hyötysuhteeksi saadaan reilusti yli 40 %. Turbiini kyllä pyörii jo vaikka muutamalla barilla, n. 150 astetta, mutta hyötysuhde jää niin onnettomaksi, ettei homma juuri kannata.

    Veden tilalla voidaan käyttää muita aineita, jolloin kyseessä on ORC, Organic Rankine cycle. Työaineena voi olla joku CFC-yhdiste tai hiilivety, jonka kiehumispiste on alle 100 astetta. Silloin lämpötilaksi riittää myös alle 100 astetta, joten alkuperäinen väite ei tarkalleen ottaen pidä paikkaansa. Mutta – hyötysuhde jäisi edelleen huonoksi. Espoon tapauksessa lämpöä on suunniteltu tuotettavaksi 40 MW. Jos se lämpöenergia käytetään ORC-koneessa, saataisiin sähköä korkeintaan muutama megawatti. Samalla menetettäisiin lämpöteho kokonaan, koska ORC:n poistolämpötila olisi alle sen mitä kaukolämmitykseen tarvitaan.

    Tuli vähän pitkä vastaus, mutta mielestäni tietäminen on ymmärtämistä, ja toivottavasti tämä valaisi asiaa. Eli joo, sähköä teoriassa saataisiin, mutta käytännössä niin vähän ja niin huonolla hyötysuhteella, että taloudellista kannattavuutta on mahdotonta saavuuttaa. Näin ollen se on käytännössä ”mahdotonta”.

    Tykkää

  15. Kyllä höyryturbiinin saa pyörimään jopa parissa kymmenessä asteessa, mutta se edellyttää, että höyry tuotetaan alipaineessa. Itse tutustuin 1980-luvulla Havaijin suurella saarella Konassa olevaan OTEC-projektiin (OTEC = Ocean Thermal Energy Conversion), jossa tuotetiin pinta veden 28 asteisen ja syvällä 600 metrin syvyydestä pumpatun 6-8 asteisen meriveden lämpötilaerolla sekä sähköenergiaa, makeaa vettä mm mansikkaviljelyn kasteluun sekä erilaisten hyödykkeiden tuottamiseen.

    Varsinainen energialaitos perustui höyryn tuootamiseen alipaineessa hyödyntäen korkealämpöistä trooppisen meren 28 asteista pintavettä. Alipainejärjestelmässä syntynyt höyry pyöritti turbiinia ja se vuorostaan generattoria. Turbiinin toisessa pääsää oli kylmällä 600 metrin syvyydestä pumpatulla vedellä toimiva lauhdutin. Kondenssivesi pumpaattiin pois kondensointikammiosta ja käytettiin mm mansikkaviljelyn kasteluun. Hieman lämmenyt merivesi syötettiin valtavaan avoaltaaseen jossa tuotettiin kylmänveden merilevää, jota kylmässä merivedessä viihtyvä kalifiornialainen Abaloni-kotilo käytti ravinnokseen.

    Seuraavassa vaiheessa edelleen hieman lämmennyt vesi käytettiin lohikalojen kasvatukseen.

    Viimeisessä vaiheessa lämmennyt merivesi pumpattiin laajoihin mataliin altaisiin, jossa muistaakseni spirulina-merilevä tuotti K-vitamiinin esiastetta karoteenia, ym muita farmakologisia tuotteita.

    Systeemi toimi varsin hyvin kunhan se ulkopuolisella energialähteellä käynnistettiin. Ainoa ongelma jota tuolloin yritettiin selvittä liittyi pintaveden imuputken suulle nopeasti lisääntyvä merieliöstö. Se nimittäin tukki putken suuta ja oli siis mekaansiesti poistettava sukeltajien avulla.

    Nyt samaiselle alueelle ollaan siinnuttelemassa jo sähköäkin tuottavaa laitosta http://nelha.hawaii.gov/main/energy/otec/makai-awarded-3-6m-to-continue-otec-work-at-nelha/

    Tykkää

  16. Tuollaisen prosessin (Rankine-prosessi) todellinen hyötysuhde saadaan kohtalaisen tarkasti kaavasta n=1/NELIÖJUURI(T2/T1), jossa T1 on alkulämpötila ja T2 loppulämpötila, molemmat Kelvineinä. Merilämpövoimalan hyötysuhde näin laskien on n. 3,5 %. Ihmettelen kyllä todella, kannattaako sellainen missään päin maailmaa.

    Espoon geotermisestä lähteestä, lämpötiloilla 120 C ja 20 C pääsisi hyötysuhteeseen 13%, mikä sähkötehona prosessin oma kulutus vähennettynä olisi nettona ehkä 3 MW. Teknisesti mahdollista, taloudellisesti ei varmasti ole. Hankkeen kannattavuus jo nykyisellään 40 MW:n lämpöteholla on toistaiseksi arvoitus. St1 myöntää sen itsekin.

    Eli jos nyt täydennetään teoriaa vielä, oleellista ei ole lämpötila sinänsä, vaan lämpötilaero. Lämpövoimakone toimii lämpötilaerolla. Se on periaatteessa sama asia kuin putouskorkeus vesivoimalassa. Vesivoimalaakaan ei kannata kovin matalaan putoukseen rakentaa. Se toimii kyllä, mutta teho jää vaatimattomaksi.

    Käytännössä ympäristön lämpötila määrittää loppulämpötilan. Sitä ei saa ympäristöä kylmemmäksi. Näin ollen ainoa mahdollisuus parantaa prosessin hyötysuhdetta on nostaa alkulämpötilaa, siellä on varaa enemmän. Geotermisessä lähteessä silläkin on rajansa.

    Liked by 1 henkilö

  17. Kyllä turpiinin saa pyörimään ilman alipainetta matalassa lämpötilassa. Temppu perustuu siihen, että maan alla kiertävän primääripiirin energia lämmittää maan päällä kiertävää sekundääripiiriä, missä ei kierrä vesi, vaan jokin neste muu neste, jonka kiehumispiste on hyvin matala. Tämä neste sitten höyrystyessään pyörittää turpiinia, josta saadaan sähköä. Hyötysuhde on aika matala, mutta lopputuote on myös paljon arvokkaampi. Näitä tällaisia laitoksia on suuressa maailmassa olemassa, ja ovat ilmeisesti myös aika yleisiä.

    Tykkää

  18. Joo, orgaaninen rankine prosessi pyörii kyllä vaikka 50 asteella. Hyötysuhde on matala, ja sitten menetetään kaikki lämpöteho, koska lauhdutuslämpö poistuu prosessista käyttökelvottoman matalassa lämpötilassa. Tänä päivänä sähkö ei ole juurikaan arvokkaampaa kuin lämpö.

    https://en.wikipedia.org/wiki/Organic_Rankine_cycle

    Mutta teknisesti ottaen olet oikeassa ja minä väärässä. Turbiinin saa kyllä pyörimään, mutta taloudellisesti siinä tässä reilun sadan asteen tapauksessa ei kyllä ole mitään mieltä.

    Tykkää

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s