Keskisyvän energiakaivon toiminta lämpövarastona
Peltola, Suvi (2025)
2025
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025052214882
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025052214882
Tiivistelmä
Opinnäytetyön tavoitteena oli kartoittaa keskisyvien energiakaivojen toimintaa lämpövarastona. Toimeksiantajana oli Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun TKI-osasto ja opinnäytetyö liittyi Geoenergialoikka-hankkeeseen. Osana hanketta luodaan tutkimusympäristö, jonka keskiössä on talvella 2025 Kymenlaaksoon porattu keskisyvä Sunilan energiakaivo.
Opinnäytetyön teoriapohja rakentui energiakaivoissa tapahtuvan lämmönsiirron, maalämpöpumpputekniikan sekä perinteisen ja keskisyvän energiakaivojen eroihin. Teoriaosassa perehdyttiin myös aikaisempaan tutkimustietoon keskisyvien energiakaivojen lataamisesta ja purkamisesta. Varastoinnin hyötysuhdetta käsiteltiin pintapuolisesti.
Laskentaosuudessa arvioitiin, miten lämpöteho siirtyy energiakaivon eri syvyyksissä purkamisen ja lataamisen aikana. Laskenta toteutettiin Microsoft Excelissä. Suoritetun laskennan tulokset toimivat lähtöarvoina 3D-malliin, joka tehtiin Autodesk Inventor Nastran -ohjelmalla. Lämmönsiirtomallilla pystyttiin tutkimaan, miten lämpö johtuu energiakaivosta kallioperään ajan myötä eri syvyyksissä.
Keskisyvät energiakaivot mahdollistavat paremman lämpöenergian tuoton purkutilanteessa kuin perinteiset, mutta niiden lataaminen ei ole niin tehokasta syvemmälle mentäessä. On kuitenkin järkevää ladata keskisyviä energiakaivoja purkujakson jälkeen, kun kallioperä on viilentynyt. Tämä elvyttää energiakaivoa ja saattaa jopa lisätä sen elinikää.
Excel-laskentaa ja 3D-lämmönsiirtomallia pystytään käyttämään työkaluna valmistuvassa tutkimusympäristössä. Tutkimusympäristöstä saatavien mittausarvojen ja tietojen avulla laskennan ja mallin parametreja voidaan päivittää. Tämä mahdollistaa tarkempaa tietoa esimerkiksi kannattavista latausajoista tai optimaalisista ajotavoista.
Lopuksi voidaan todeta, että keskisyvien energiakaivojen tutkimus on vielä kehitysvaiheessa. Tässä opinnäytetyössä on pyritty selkeyttämään lämmönsiirron perusperiaatteita keskisyvissä energiakaivoissa ja esittämään Kymenlaaksoon rakentuvaan tutkimusympäristöön soveltuva laskentamalli. Tällä laskentamallilla voidaan arvioida lämmön siirtymistä eri syvyyksissä, ja 3D-mallinnuksen avulla voidaan arvioida kallioperän lämpötilaa eri etäisyyksillä energiakaivosta.
Asiasanat: geoterminen energia, lämpökaivot, maalämpö The aim of this thesis was to investigate the operation of medium-deep geothermal boreholes as thermal energy storage. This thesis was commissioned by the RDI (Research, Development and Innovation) unit of South-Eastern Finland University of Applied Sciences and is associated with the Geoenergialoikka project. A key component of this project is the establishment of a research environment centered around a medium-deep geothermal borehole drilled in Kymenlaakso region in spring 2025.
The theoretical background includes heat transfer occurring in geothermal boreholes, basics of ground source heat pump technology, and differences between traditional and medium-deep boreholes. The theory section also includes a review of prior research concerning the charging and discharging of medium-deep geothermal boreholes. The efficiency of thermal storage was covered briefly.
Excel was used to calculate heat transfer at different depths of the energy well during charging and discharging. These calculations provided the initial data for a 3D heat transfer model in Autodesk Inventor Nastran, which allowed for the analysis of heat transfer from the well to the bedrock over time at various depths.
Medium-deep energy wells allow for better thermal energy production during discharge than traditional ones, but their recharge efficiency diminishes with increasing depth. However, it makes sense to recharge medium-deep energy wells after the discharge period, when the bedrock has cooled. This revives the energy well and may even increase its lifespan.
The developed Excel calculation and 3D heat transfer model will serve as research tools within the new environment. Updating the model and calculation parameters with data from this environment will enable more accurate insights into aspects such as profitable charging times and optimal process driving patterns.
Research on medium-deep energy wells is ongoing. This thesis clarifies heat transfer principles and presents a calculation model to assess heat transfer at different depths. Furthermore, 3D modeling allows for the evaluation of bedrock temperature at various distances from the well.
Keywords: geothermal energy, energy wells, ground heat
Opinnäytetyön teoriapohja rakentui energiakaivoissa tapahtuvan lämmönsiirron, maalämpöpumpputekniikan sekä perinteisen ja keskisyvän energiakaivojen eroihin. Teoriaosassa perehdyttiin myös aikaisempaan tutkimustietoon keskisyvien energiakaivojen lataamisesta ja purkamisesta. Varastoinnin hyötysuhdetta käsiteltiin pintapuolisesti.
Laskentaosuudessa arvioitiin, miten lämpöteho siirtyy energiakaivon eri syvyyksissä purkamisen ja lataamisen aikana. Laskenta toteutettiin Microsoft Excelissä. Suoritetun laskennan tulokset toimivat lähtöarvoina 3D-malliin, joka tehtiin Autodesk Inventor Nastran -ohjelmalla. Lämmönsiirtomallilla pystyttiin tutkimaan, miten lämpö johtuu energiakaivosta kallioperään ajan myötä eri syvyyksissä.
Keskisyvät energiakaivot mahdollistavat paremman lämpöenergian tuoton purkutilanteessa kuin perinteiset, mutta niiden lataaminen ei ole niin tehokasta syvemmälle mentäessä. On kuitenkin järkevää ladata keskisyviä energiakaivoja purkujakson jälkeen, kun kallioperä on viilentynyt. Tämä elvyttää energiakaivoa ja saattaa jopa lisätä sen elinikää.
Excel-laskentaa ja 3D-lämmönsiirtomallia pystytään käyttämään työkaluna valmistuvassa tutkimusympäristössä. Tutkimusympäristöstä saatavien mittausarvojen ja tietojen avulla laskennan ja mallin parametreja voidaan päivittää. Tämä mahdollistaa tarkempaa tietoa esimerkiksi kannattavista latausajoista tai optimaalisista ajotavoista.
Lopuksi voidaan todeta, että keskisyvien energiakaivojen tutkimus on vielä kehitysvaiheessa. Tässä opinnäytetyössä on pyritty selkeyttämään lämmönsiirron perusperiaatteita keskisyvissä energiakaivoissa ja esittämään Kymenlaaksoon rakentuvaan tutkimusympäristöön soveltuva laskentamalli. Tällä laskentamallilla voidaan arvioida lämmön siirtymistä eri syvyyksissä, ja 3D-mallinnuksen avulla voidaan arvioida kallioperän lämpötilaa eri etäisyyksillä energiakaivosta.
Asiasanat: geoterminen energia, lämpökaivot, maalämpö
The theoretical background includes heat transfer occurring in geothermal boreholes, basics of ground source heat pump technology, and differences between traditional and medium-deep boreholes. The theory section also includes a review of prior research concerning the charging and discharging of medium-deep geothermal boreholes. The efficiency of thermal storage was covered briefly.
Excel was used to calculate heat transfer at different depths of the energy well during charging and discharging. These calculations provided the initial data for a 3D heat transfer model in Autodesk Inventor Nastran, which allowed for the analysis of heat transfer from the well to the bedrock over time at various depths.
Medium-deep energy wells allow for better thermal energy production during discharge than traditional ones, but their recharge efficiency diminishes with increasing depth. However, it makes sense to recharge medium-deep energy wells after the discharge period, when the bedrock has cooled. This revives the energy well and may even increase its lifespan.
The developed Excel calculation and 3D heat transfer model will serve as research tools within the new environment. Updating the model and calculation parameters with data from this environment will enable more accurate insights into aspects such as profitable charging times and optimal process driving patterns.
Research on medium-deep energy wells is ongoing. This thesis clarifies heat transfer principles and presents a calculation model to assess heat transfer at different depths. Furthermore, 3D modeling allows for the evaluation of bedrock temperature at various distances from the well.
Keywords: geothermal energy, energy wells, ground heat