Geoterminen voimala - peruslähtökohdat ja rakentaminen
-
Geoterminen voimala tuottaa maasta sähköä, lämpöä tai molempia. Voimalan toiminta edellyttää, että kuumaa vettä saadaan tuotettua maankamaran kautta kierrättämällä. Voimalan teho muodostuu veden lämpötilan noususta ja kallion läpi kulkevasta vesimäärästä. Kiteisessä kalliossa vesikierron muodostaminen vaatii rakennusvaiheessa kallion repeyttämistä ja avaamista korkeilla ylipaineilla. Prosessi on monivaiheinen ja siihen liittyy aina maanjäristykset. Geovoimala voi toimia parhaimmillaan vuosikymmeniä energiaa vähäpäästöisesti tuottaen.
-
Voimala koostuu normaalisti tuotantolaitoksesta, tuotannon poranrei'istä ja
seismisestä monitorointijärjestelmästä. Voimaloita toimii runsaasti Euroopassakin,
esimerkiksi Islannissa, Italiassa, Portugalissa, Saksassa ja Ranskassa.
Verkkosivun kansikuvassa on esimerkkinä
Insheimin voimala Saksasta, mikä toimii kiteisessä kallioperässä 165 asteisesta
vedestä sähköä 4.3 megawatin (MW) teholla tuottaen.
Periaatteessa voimalan
toiminnalle voi parhaassa ja yksinkertaisimmassa tapauksessa riittää, että
kalliosta saadaan vain pumpattua ylös kuumaa vettä, joka voidaan energian
talteenoton jälkeen palauttaa maankamaraan. Tällainen tilanne voi vallita
esimerkiksi hyvin huokoisissa vettäjohtavissa kivilajeissa silloin, kun korkeat
lämpötilat esiintyvät jo lähellä maanpintaa. Geotermisen energian hyödyntämisen
kannalta suotuisat olosuhteet vallitsevat usein tektoonisesti aktiivisilla
alueilla (mannerlaattojen reunat, vulkaanisesti ja seismisesti aktiiviset
alueet).
Tyypillisiä geotermisen voimalan osia ovat kuitenkin yleisesti
2 - 5 kilometrin syvyiset tuotantoreiät ja reikien välinen etäisyys muutamasta sadasta
metristä kilometriin. Lämpötilan veden kierrätyssyvyydellä tulee olla yli 100 °C
lämmön tuottoon ja yli 150 °C sähkön tuottamiseen. Voimalan nimellistehon
voi laskea veden lämmönnoususta (astetta) ja virtausmäärästä (kilogrammaa sekunnissa, kg/s).
Jos esimerkiksi veden lämmönnousu kalliossa on 60 astetta, tarvitaan 10 MW nimellistehoon
kuumentuneen veden virtausta 40 kg/s. Voimalan häviöitä ei ole tässä huomioitu.
Tuotantoreiät putkitetaan ja/tai sementoidaan haluttuun syvyyteen, jotta
vesi saadaan ohjattua reiän pohjalle ja kallioon tai kalliosta takaisin reikään.
Reikiä voi olla kaksi tai useampia. Reikien alimpien osuudet ovat
luonnotilaisia, joista vesi joko pumpataan ulos kallioon tai pumpataan reiästä
ylös voimalaitokseen. Kahden reiän tilanteessa ensimmäisen reiän porausvaihetta
esittää kuva A alla.
Kuva A.
Ensimmäisen syvän reiän poraus voimalalle.
Kiteisessä kallioperässä geotermistä
voimalatyyppiä kutsutaan lyhenteellä EGS (Enhanced Geothermal System), mikä
tarkoittaa, että reikien pohjaosien välillä kallion hyvin pientä
vedenläpäisevyyttä tulee tehostaa voimakkaalla ylipaineistuksella. Kallion
olemassa olevia rakoja ja ruhjeita pyritään avaamaan ja luomaan repeyttämällä
uusia virtausreittejä vedelle. Vettä pumpataan repeyttämisessä kallioon tuhansia
tai kymmeniä tuhansia kuutioita. Tätä voimalan kehitysvaihetta kutsutaan
stimuloinniksi: ylipaineiden suuruuksia ja kestoja varioidaan päivien tai
viikkojen ajan valitulle poranreiän pohjaosuudelle. Kallion virtausreittien
luontia on esitetty kuvassa B. 
Kuva B. Ensimmäisen syvän reiän alkuvaiheen ylipaineistus.
Paineistusta ja kallion repeyttämistä jatketaan, jotta avointa veden
virtausreitistöä saadaan avattua toiselle poranreiälle kaavailtuun etäisyyteen.
Seismisen monitorointiverkoston avulla seurataan repeämisissä ja avautumisissa
syntyviä liikkeitä ja mitataan seismisiä täryaaltoja (mikromaanjäristyksiä), joiden
pohjalta voidaan analysoida avautumien syntymistä, asentoja ja sijainteja.
Pääsääntöisesti avaumapinnat ovat pystyjä tai asennoltaan jyrkkiä tasomaisia
pintoja tai kanavia sekä pyrkivät muodostumaan pääjännityskentän suuntaan.
Avautuvien murtopintojen laajuus ja vapautuva jännitysenergia määrittää kuinka
suuria järistyksiä tilanteessa syntyy. Koska valtaosa yksittäisistä
rakopinnoista on pienialaisia, ovat vastaavat järistyksetkin pieniä. Suuremmista
avaumapintojen liikkeistä ja kytkeytymisistä toisiinsa voi aiheutua myös
suurempia maanjäristyksiä, jotka ihminenkin voi havaita.
Seisminen
monitorointiverkosto palvelee seismisten tapahtumien (maanjäristykset) seurannan
osalta myös ympäristöturvallisuutta. Normaali menettelytapa on seurata tarkasti
järistysten suuruutta ja sijainteja ja jos maanjäristysten suuruus ylittää
ennakolta asetettuja raja-arvoja, niin ylipaineistuksen ohjelmaa muutetaan tai
paineistus poistetaan. Ylipaineistuksen jatkovaihetta on esitetty kuvassa C.
Kuva C.
Ensimmäisen syvän reiän jatkovaiheen kallion repeytys ylipaineella.
Toinen (tai useampi) reikä porataan ja ohjataan kohtaan missä se
tavoittaa ylipaineistuksella syntyneet avoimet raot ja railot, kuva D. 
Kuva D. Toisen
syvän reiän poraus virtaukselle haluttuun paikkaan.
Myös tämä reikä
ylipaineistetaan kuten aiempi. Tätä vaihetta on havainnollistettu kuvassa E.
Yhdessä poranreiän 1 kanssa muodostuu yleensä monimutkainen virtausreitistö
vedelle. 
Kuva E. Toisen
syvän reiän ylipaineistus ja kytkeytyminen aiempaan rako- ja railoverkostoon.
Ylipaineistusta tarvitaan myös voimalan käyttöaikana, jotta avoimet raot
ja railot pysyvät kalliossa auki ja vesi virtaa halutusti reikien välillä. Vesimäärä
kalliossa on veden virtausmäärä (kg/s) kerrottuma veden keskimääräisellä viipymällä.
Viipymä kalliomassassa
riippuu siitä kuinka lämpö siirtyy kalliosta veteen ja on vuorokausia tai jopa viikkoja.
Voimalan tyypillinen
käyttöaika voi olla kymmeniä vuosia, lämmöntuotto kuitenkin hiipuu kallion
kennoston jäähtyessä. EGS-tyypin geovoimalaan liittyy virtausreittien luomisesta
johtuen aina jonkin suuruiset maanjäristykset sekä alkuvaiheen repeyttämiesssä
(stimuloinnissa) että voimalan käyttöaikana. Tuotantovaihetta on esitetty kuvassa F.
Kuva F.
Toiminta-aikainen paineistus ja veden kierto.
Linkki Saksan geotermisten voimaloiden ja muiden kohteiden tietokantaan:
GeotIS Geoterminen informaatiojärjestelmä (graafinen karttaliittymä)
Palaa erikoissivuston aloitussivulle
