Geotermisen energian hyödyntäminen lämpöpumpuilla kaukolämpöjärjestelmässä

Abstract

Suomella on tavoitteena pienentää lämmöntuotannon hiilidioksidipäästöjä. Geotermiset lämpöpumput ovat mahdollinen keino pienentää näitä päästöjä kaukolämmön tuotannossa. Geotermiset lämpöpumput ovat laitteita, jotka siirtävät matalalämpöistä geotermistä energiaa korkealämpöisempään kaukolämpöverkkoon työn avulla. Tässä työssä selvitettiin kuinka geotermiset lämpöpumput soveltuvat kaukolämmön tuotantoon sekä millaisia etuja ja haasteita niillä on verrattuna perinteisiin kaukolämmön tuotantomenetelmiin. Lisäksi selvitettiin geotermisten lämpöpumppujen taloudellista kannattavuutta ja niistä aiheutuvia ympäristövaikutuksia.

Työssä tutustuttiin kaukolämmön sekä geotermisen energian perusperiaatteisiin. Kaukolämpö on Suomen yleisin lämmöntuotantomuoto, ja se tuotetaan pääasiallisesti puupolttoaineilla ja fossiilisilla polttoaineilla. Kirjallisuutta geotermisen energian hyödyntämisestä löytyy runsaasti. Tutkimuksessa selvisi, että ihmisen hyödynnettävissä olevaa geotermistä energiaa on saatavilla kaikkialla Euroopassa. Suomen kallioperän takia kaukolämmön tuotantoon vaadittaviin lämpötiloihin pääsemiseksi täytyy porata erittäin syvälle. Toisaalta Suomen vakaa kallioperä pienentää riskejä kaivon romahtamisesta porauksen aikana sekä suurempien järistysten syntymisestä hydraulisen stimuloinnin aikana. Otaniemeen on rakenteilla Suomen ensimmäinen geoterminen kaukolämpölaitos, joka tuottaa toivottavasti lisää tietoa geotermisen energian hyödyntämisestä Suomen olosuhteissa.

Työssä perehdyttiin myös kompressio- ja absorptiolämpöpumppujen toimintaperiaatteisiin ja siihen, kuinka ne soveltuvat kaukolämmön tuottamiseen. Yleisesti lämpöpumppujen ongelmana kaukolämmön tuotannossa on ollut kaukolämpöveden korkea lämpötila. Perinteisesti kompressiolämpöpumpuilla on pystytty tuottamaan maksimissaan 90 °C:n lämpötiloja kaukolämpöveden ollessa talvisin jopa yli 120 °C. Viime vuosina markkinoille on tullut lämpöpumppuja, jotka pääsevät tarpeeksi korkeisiin lämpötiloihin. Työssä perehdyttiin tällaisten korkealämpöpumppujen erityispiirteisiin ja niiden käyttämiin kylmäaineisiin.

Tutkimuksista käy ilmi, että geotermiset lämpöpumput ovat monissa tilanteissa kilpailukykyisiä verrattuna fossiilisiin lämmöntuotantomuotoihin. Geotermisiä lämpöpumppuja käyttämällä primäärienergiankulutus pienenee ja pumput lisäävät uusiutuvaa energiaa kaukolämpöverkkoon. Lisäksi geotermiset lämpöpumput pienentävät kaukolämmön tuotannon hiilidioksidipäästöjä merkittävästi, jos sähköntuotantorakenne on vähäpäästöinen. Pumpuilla voidaan myös optimoida ja tuoda joustavuutta kaukolämpöjärjestelmään sekä tasapainottaa sähköverkkoa. Geotermisten lämpöpumppujen merkittävimpänä heikkoutena voidaan pitää niiden investointikustannusten suuruutta, mutta useissa tutkimuksissa pumput olivat alhaisten käyttökustannusten ansiosta perinteisiä kaukolämmön tuotantomuotoja taloudellisesti kannattavampia.

Kirjallisuus geotermisistä lämpöpumpuista keskittyy erityisesti alueille, joilla geoterminen potentiaali on suurta. Tutkittujen kaukolämpöverkkojen lämpötila tai rakenne saattaa erota Suomen vastaavista merkittävästi. Näistä syistä tutkimustietoa on vaikea soveltaa Suomen olosuhteisiin. Geotermisiä lämpöpumppuja ei ole Suomessa käytössä kaukolämmön tuotannossa ja niistä tarvitaankin lisää tutkimustietoa Suomen olosuhteissa.