Geoterminen energia: määritelmä, hyödyntäminen, sovellukset ja potentiaali

Geoterminen energia: määritelmä, hyödyntäminen, sovellukset ja potentiaali — kattava opas uusiutuvaan sähkö- ja lämmöntuotantoon sekä maalämpöratkaisuihin.

Geoterminen energia (kreikan kielen juurista geo, joka tarkoittaa maata, ja termos, joka tarkoittaa lämpöä) on energiaa, joka on tuotettu maankuoren sisällä olevan lämmön avulla.

Vaikka aurinko lämmittääkin maapallon pintaa, maapallon sisäinen lämpö ei johdu auringosta. Maankuoren geoterminen energia on peräisin 20 prosenttia planeetan alkuperäisestä muodostumisesta ja 80 prosenttia mineraalien radioaktiivisesta hajoamisesta. Maapallo on kuumimmillaan ytimessään, ja ytimestä maan pinnalle päin lämpötila viilenee vähitellen.

Geotermisen energian resurssit vaihtelevat matalasta maanpinnasta muutaman kilometrin syvyydessä olevaan kuumaan veteen ja kallioon ja vielä syvemmältä magmaksi kutsutun sulan kiven erittäin korkeisiin lämpötiloihin. Sitä on käytetty kylpemiseen paleoliittisista ajoista lähtien, mutta nykyään se tunnetaan paremmin sähkön tuottamisesta.

Maailmanlaajuisesti geotermistä energiaa käytettiin noin 10 gigawatin sähköenergian tuottamiseen vuonna 2007, mikä on noin 0,3 prosenttia maailman sähköenergiasta. Kun geotermisiä voimalaitoksia käytetään sähköntuotantoon, niiden tuotanto on yleensä tasaista.

Maalämpöenergiaa käytetään myös suoraan kaukolämmitykseen tai muissa lämmitys- ja jäähdytyssovelluksissa. Islannissa rakennuksia lämmitetään tällä tavoin maan monista geotermisistä kohteista.

Voimalaitokset ja geotermisen energian lämpösovellukset ovat kehittyneitä tekniikoita, kun taas tehostetut geotermiset järjestelmät (EGS-hankkeet) ovat uudentyyppisiä sovelluksia.

Lähes kaikkialla maanpinnan alapuolella 10 jalkaa (3 m) maanpinnan alapuolella lämpötila on lähes vakio 10-16 °C (50-60 °F). Maalämpöpumput voivat hyödyntää tätä resurssia rakennusten lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu lämpöpumpusta, ilmansyöttöjärjestelmästä (kanavistosta) ja lämmönvaihtimesta - putkistosta, joka on haudattu matalaan maahan rakennuksen lähelle. Talvella lämpöpumppu käyttää sähköä poistaakseen lämpöä lämmönvaihtimesta ja pumppaa sen sisäilman jakelujärjestelmään. Kesällä prosessi on päinvastainen, ja lämpöpumppu käyttää jälleen sähköä siirtääkseen lämpöä sisäilmasta lämmönvaihtimeen. Sisäilmasta kesällä poistettua lämpöä voidaan käyttää myös ilmaisen lämpimän veden lähteenä. Lämpöpumpun käyttövoima saadaan toisesta lähteestä.

Geoterminen energia purkautuu kuumana vetenä monissa kuumissa lähteissä tai höyrynä geysireissä.

Yhdysvalloissa suurin osa geotermisistä lämpimän veden varastoista sijaitsee läntisissä osavaltioissa, Alaskassa ja Havaijilla. Maanalaisiin säiliöihin voidaan porata kaivoja sähkön tuottamiseksi. Joissakin geotermisissä voimalaitoksissa käytetään säiliöstä saatavaa höyryä turbiinin/generaattorin käyttövoimana, kun taas toisissa kuumaa vettä käytetään kiehauttamaan käyttönestettä, joka höyrystyy ja pyörittää sitten turbiinia. Maan pinnan lähellä olevaa kuumaa vettä voidaan käyttää suoraan lämmöntuotantoon. Suoraan käytettäviä sovelluksia ovat rakennusten lämmitys, kasvien kasvattaminen kasvihuoneissa, viljelykasvien kuivaus, veden lämmitys kalanviljelylaitoksissa ja useat teolliset prosessit, kuten maidon pastörointi.

Kuumia kuivia kiviainesvarantoja esiintyy kaikkialla maanpinnan alla 3-5 mailin (5-8 km) syvyydessä ja tietyillä alueilla pienemmissä syvyyksissä. Näiden luonnonvarojen hyödyntäminen edellyttää kylmän veden ruiskuttamista yhteen kaivoon, sen kierrättämistä kuuman halkeilevan kallion läpi ja lämmenneen veden ottamista toisesta kaivosta. Tällä hetkellä kukaan ei käytä tätä menetelmää kaupallisesti. Nykyinen tekniikka ei myöskään vielä mahdollista lämmön talteenottoa suoraan magmasta, joka on hyvin syvällä sijaitseva ja tehokkain geoterminen energiavarasto.

Miten geoterminen energia toimii käytännössä

Geoterminen energia hyödynnetään pääasiassa kahdella tavalla: suoraan lämmitykseen tai sähkön tuotantoon.

• Suora hyödyntäminen: Kuumaa vettä tai höyryä johdetaan suoraan lämmitykseen, kasvihuoneisiin, kaukolämpöverkkoihin tai teollisiin prosesseihin. Suora käyttö on tehokasta ja yksinkertaista, kun riittävän korkealämpöisiä varantoja on lähellä pintaa.
• Sähköntuotanto: Maasta pumpattua kuumaa vettä tai höyryä käytetään turbiinien pyörittämiseen. Yleisimpiä sähköntuotantotekniikoita ovat dry steam (kuivahöyry), flash-järjestelmät (höyryn erottaminen korkeapaineisesta vedestä) ja binäärijärjestelmät, joissa matalan lämpötilan geovettä käytetään lämmönsiirtoon suljetussa piirikierrossa.

Teknologiat — lyhyt esittely

• Kuivahöyryvoimalaitokset: Käyttävät luonnollista höyryä suoraan turbiineihin. Soveltuvat harvoille alueille, joissa höyryvuodot ovat riittäviä.
• Flash-voimalaitokset: Kuuma, korkeapaineinen vesi pumpataan pintaan ja painelaskun seurauksena osa siitä höyrystyy (”flash”), mikä pyörittää turbiineja.
• Binäärijärjestelmät: Kokonaan suljetut järjestelmät, joissa geoveden lämpö siirretään matalapakkaiseen työaineeseen, joka höyrystyy ja pyörittää turbiinia. Mahdollistaa matalampien lämpötilojen hyödyntämisen ja vähentää korroosiota ja saastumista.
• Tehostetut geotermiset järjestelmät (EGS): Keinotekoisesti halkeilutettua kalliota käytetään lämmönsiirtoon, mikä voi laajentaa geotermisen energian saatavuutta alueille, joilla luonnollisia vesivarastoja ei ole.

Hyödyt

• Luotettavuus: Geoterminen tuotanto on tasaisempaa ja ennustettavampaa kuin aurinko- ja tuulivoima.
• Alhaiset hiilidioksidipäästöt: Sähköntuotannossa elinkaaripäästöt ovat tyypillisesti pienet verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin.
• Paikallinen energialähde: Vähentää riippuvuutta tuontipolttoaineista ja parantaa energiaomavaraisuutta.
• Monikäyttöisyys: Sähkön lisäksi lämpöä voidaan käyttää suoraan moniin tarkoituksiin (kaukolämpö, teollisuus, kasvihuoneet).

Rajoitteet ja ympäristövaikutukset

• Paikallisuus: Parhaat geotermiset resurssit sijaitsevat usein tietyillä geologisilla alueilla (esim. vapautuneen kiven reunavyöhykkeet, tuliperäiset alueet).
• Alkukustannukset: Poraukset ja tutkimukset ovat kalliita; geofysikaaliset tutkimukset ja koekairaukset vaaditaan sijoituspäätöksiin.
• Maankäyttö ja maisema: Voimalaitokset ja infrastruktuuri vievät tilaa ja voivat muuttaa paikallista ympäristöä.
• Vesien ja kaasujen hallinta: Jotkin geovarat sisältävät sulfaattipitoisia tai korrosoivia aineita sekä magmasta peräisin olevia rikkiyhdisteitä; asianmukainen käsittely on tärkeää.
• Indusoitu seismisyys: Vesien injektointi halkeamiin tai voimakkaat poraukset voivat aiheuttaa pienten maanjäristysten riskejä, mikä on erityisesti EGS-projekteissa huomioitava.

Sovellukset käytännössä

Geoterminen energia soveltuu moniin käyttötarkoituksiin ja eri mittakaavoissa:

• Kaupallinen ja teollinen lämmitys: Kaukolämpöverkot, teollisuuden prosessilämmöt, kuivurit ja uunit.
• Asuminen: Maalämpöpumput tarjoavat energiatehokkaan ratkaisun pientaloihin ja kerrostaloihin.
• Maatalous: Kasvihuoneiden lämmitys, kuivausprosessit ja kalanviljely.
• Sähkön tuotanto: Erikokoiset voimalaitokset paikalliseen ja verkon tuotantoon.

Taloudelliset näkökohdat

Geoterminen investointi vaatii suuria alkuinvestointeja poraukseen ja kenttätutkimuksiin, mutta pitkäikäisyyden ja alhaisten käyttö- ja polttoainekustannusten ansiosta elinkaarikustannukset voivat olla kilpailukykyisiä, erityisesti alueilla, joilla resurssi on hyvä. Riskienhallintaa parannetaan mm. vaiheistetulla kehitysmallilla (esim. pilottiprojektit) ja rahoitustuilla.

Kestävyys ja resurssien uusiutuvuus

Geoterminen energia on periaatteessa uusiutuvaa, kun lämpöä otetaan pois hallitusti ja reservoireja hallitaan (esim. injektoimalla jäähdytettyä vettä takaisin säiliöön). Huolellinen käyttö varmistaa, että paikalliset lämmönvarannot eivät ehty nopeasti.

Esimerkkejä maailmalta

• Islanti: Lähes koko maan kaukolämmitys perustuu geotermiseen energiaan, ja maa tuottaa myös merkittävästi sähköä geolähteistä.
• Yhdysvallat: Suuret varannot länsiosissa ovat johtaneet useisiin voimalaitoksiin Kaliforniassa, Nevadassa ja muissa osavaltioissa.
• Muut maat: Filippiinit, Uusi-Seelanti ja Kenia ovat myös merkittäviä geotermisen sähkön tuottajia.

Tulevaisuuden näkymät

Tulevaisuudessa geotermisen energian rooli voi kasvaa seuraavien kehitysten myötä:

• Parantuneet poraus- ja kairausmenetelmät, jotka laskevat kustannuksia syvemmille porauksille.
• EGS-teknologian kehittyminen, joka voi avata laajat alueet kaupalliselle hyödyntämiselle.
• Matalalämpötilaisen geoveden parempi hyödyntäminen binäärisillä järjestelmillä.
• Integrointi muihin järjestelmiin, kuten lämpövarastointiin ja hajautettuun uusiutuvan energian verkkoon.

Yhteenveto

Geoterminen energia on luotettava ja vähäpäästöinen energianlähde, jolla on laaja kirjo sovelluksia lämmityksestä sähköntuotantoon. Sen käyttöä rajoittavat toistaiseksi paikalliset geologiset olosuhteet ja alkuinvestointien kustannukset, mutta teknologinen kehitys ja EGS-ratkaisut voivat laajentaa käyttömahdollisuuksia merkittävästi. Huolellisella resurssien hallinnalla geoterminen energia voi olla tärkeä osa uusiutuvaa energiantuotantoa ja kestävää energiajärjestelmää.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on geoterminen energia?

Kysymys: Kuinka suuri osa maailman sähköstä tuotettiin maalämmöllä vuonna 2007?

K: Minkälainen lämpötila maanpinnalla vallitsee 10 jalan syvyydessä maan pinnan alapuolella?

K: Miten maalämpöpumppuja voidaan käyttää rakennusten lämmittämiseen?

Kysymys: Ovatko parannetut maalämpöjärjestelmät kehittyneitä teknologioita?

Hae kirjaimella