GEOTERMAALENERGIA KUI TAASTUVA RESSURSI KASUTAMINE EESTIS

Transcription

1 Kerto Hioväin GEOTERMAALENERGIA KUI TAASTUVA RESSURSI KASUTAMINE EESTIS LÕPUTÖÖ Arhitektuuri ja keskkonnatehnika teaduskond Tehnoökoloogia eriala Tallinn 2015

2 SISUKORD SISSEJUHATUS SOOJUSPUMBA TÖÖPÕHIMÕTE JA AJALUGU GEOTERMAALENERGIA KASUTAMINE EESTIS Maakollektor Soojuspuurauk ja energiavai Energiakaev Soojuse ammutamine veekogust MAASOOJUSPUMPADE PAIGALDAMINE Ettevalmistusfaas Tööfaas Käivitamis- ja dokumenteerimisfaas GEOTERMAALENERGIA MÕJU KESKKONNALE GEOTERMAALENERGIA TULEVIK EESTIS KOKKUVÕTE SUMMARY VIIDATUD ALLIKAD

3 SISSEJUHATUS Lõputöö teemaks on valitud Geotermaalenergia kui taastuva ressursi kasutamine Eestis, kuna antud teemaga oli autor juba varasemalt kokku puutunud ja see on autorile huvi tekitanud. Geotermaalenergia pakkus huvi, kuna põlevkivi ei ole Eestil kindlasti lõpmatude varudega ning küsimused energeetilise julgeoleku ja mitmekesisuse kohta on Eestis alati päevakorral. Eesti geograafiline asukoht ei luba meil kasutada suurtes kogustes Maa seest tulevat kuuma vett ja auru, seda geisrite ja vulkaaniliste tegevuste näol, et toota elektrit ja seda transportida üle riigi. Eestis kasutusel olevad lahendused võimaldavad kütta või jahutada hooneid vastavalt siis sooja või külma veega. Lõputöö eesmärgid on järgmised: selgitada välja, kas geotermaalenergiat ehk maasoojust on Eestis võimalik kasutada ühe peamise energiaallikana; selgitada välja, millised maasoojussüsteeme on võimalik paigaldada Eesti tingimustes; analüüsida Maa süvasoojuse kasutamise perspektiiv Eesti Vabariigi territooriumil ja selle jaoks tehtud uuringuid. Lõputöö koostamise metoodika on probleemi analüüsimine kirjanduse põhjal. Koostamisel on kasutatud eelkõige A. Soesoo ja A. Jõelehe poolt avaldatud materjale. [3], [13], [14] Töö koosneb viiest peatükist. Esimeses peatükis kirjeldatakse maasoojuspumba olemust ja tööpõhimõtet. Teises peatükis kirjeldatakse geotermaalenergia kasutamist Eestis. Selles peatükis antakse ülevaade Eestis paigaldavatest erinevatest maasoojussüsteemidest. Selgitavate tekstide juures olevad joonised annavad lihtsustatud, kuid piltliku ettekujutuse maasoojussüsteemide rajamise protsessist. 4

4 Kolmandas peatükis kirjeldatakse maasoojuspumba paigaldamist, alates ettevalmistusest kuni dokumenteerimiseni. Neljandas peatükis analüüsitakse energeetiliste puuraukude mõjust põhjaveele. Viimases ehk viiendas peatükis analüüsitakse Eesti võimalikke geotermaalenergia kasutamise tulevikulahendusi, millised on hetkel probleemid, ning millele tuleb rohkem tähelepanu pöörata. 5

5 1. SOOJUSPUMBA TÖÖPÕHIMÕTE JA AJALUGU Soojuspump on keskkonnasõbralik ja säästlik küttesüsteem, mille abil köetakse ja jahutatakse hooneid ning toodetakse sooja tarbevett. Soojuspumpa saab rakendada praktiliselt kõikjal. Soojust ammutatakse, õhust, veest või maapõuest. Soojuspumba ajalugu ulatub aega, mil leiutati kompressor, millest esimesed alustasid tööd enam kui 100 aastat tagasi. Inglane William Thomson esitas aastal esimese soojuspumba projekti. Aastail Zürichis pandi töösse esimene soojuspump, mille soojusallikaks oli jõevesi. [12], [15] Termodünaamika II seaduse kohaselt ei suundu soojus iseenesest madalama temeratuuriga kehalt kõrgema temperatuuriga kehale. See on võimalik ringprotsesside vahendusel, kui selleks tehakse tööd (Joonis 1). Soojuspumba süsteem töötab analoogselt tavalise külmutuskapiga. Kui külmkapis juhitakse kapi seest soojus välja, siis soojuspump juhib vastupidiselt maapinnas või vees oleva soojuse majja. Soojuspump koosneb neljast põhiosast: aurustist, kondensaatorist, kompressorist ja paisventiilist, mis on ühendatud suletud süsteemiks. [6] Joonisel 2 on lihtsustatud maasoojuspumba tööpõhimõtte skeem. Maakollektoris ringlev külmakindel vedelik ehk külmakandja soojeneb maapinnast saadud soojuse toimel. Kollektoriks on tavaline plastiktoru. Soojenenud külmakandja liigub maasoojuspumba aurustisse, kus toimub soojusenergia ülekanne teisele kinnises süsteemis ringlevale vedelikulekülmaagensile. Külmaagensil on omadus madalatel temperatuuridel aurustuda. Külmaagens on võimeline isegi -15 C juures aurustuma. Järgnevalt imetakse külmaagensi aur kompressorisse, kus kokkusurumise tagajärjel gaasi temperatuur tõuseb. Seejärel liigub kuum gaas kondensaatorisse, kus kondenseerumisel antakse soojusenergia edasi maja küttesüsteemile. Gaasiline külmaagens muutub kondenseerudes vedelikuks ja peale paisventiilis rõhu alandamist on valmis uueks soojusenergia kogumiseks. Paisventiil reguleerib külmaagensi vooluhulka, et saavutada optimaalset rõhkude vahet aurusti ja kondensaatori vahel. [6], [15] 6

6 Joonis 1. Soojuspumba teoreetiline ringprotsess TS-diagrammil [15] Maasoojuspump vajab tööks elektrit seega ei ole tegemist 100% loodussõbraliku küttelahendusega. Hinnanguliselt 75% soojusest saadakse kollektori abil ja 25% maasoojuspumba tööst. Soojuspump on seda kasulikum, mida kõrgem on tema kasutegur. Soojuspumba efektiivsust väljendatakse soojusteguriga COP (Coefficient of Performance), mis näitab, mitu korda annab seade rohkem soojusenergiat võrreldes kulutatud elektrienergiaga. [12] 7

7 Joonis 2. Maasoojuspumba tööpõhimõte [7] 8

8 2. GEOTERMAALENERGIA KASUTAMINE EESTIS Alates 1993 aastat on Eestis paigaldatud hinnanguliselt soojuspumpa, millest ligikaudu moodustavad maasoojuspumbad. [15] Tabel 1 Maasoojuspumpade kasutuselevõtu dünaamika Eestis ( ) [15], [16] Aasta Paigaldatud maasoojuspumbad (tk) Installeeritud väljundvõimsused (kw) Lähtuvalt asukohast ja energiavajadusest saab rakendada nelja erinevat looduslikku energiaallikat: horisontaalne, vertikaalne või spiraalne maakollektor; soojuspuurauk, energiavai, (kinnine süsteem); energiakaev, (avatud süsteem); veekogu. Eestis on enamasti kasutusel horisontaalne kollektor. [15] Maa seest soojuse ammutamisel on kõige efektiivsemad avatud süsteemiga soojuspuuraugud, järgnevad vertikaalse kontuuriga ja neile omakorda horisontaalse kontuuriga maasoojussüsteemid. [12] 2.1. Maakollektor Kevadest sügiseni salvestub maapinna ülemistesse kihtidesse päikese-, vihmavee- ja maapinna lähedase õhu soojusenergia. Kollektori, mis on paigaldatud maapinda, pikkus sõltub soojuspumba võimsusest. Kuna kollektor on paigaltatud maapinda siis puuduvad visuaalselt häirivad elemendid. Maakollektorit on võimalik paigutada nii horisontaalselt kui ka spiraalidena. Maakollektori valik sõltub vaba maa-ala olemasolu suurusest. Horisontaalkollektor nõuab suurt maa-ala, millele ei tohi 9

9 enam hooneid rajada, samuti peab talvel plats lumekatte alla jääma kuna lumi kaitseb kollektorit külmumise eest. 1 m² eramu köetavat pinda vajab vähemalt 3 m horisontaalset maakollektorit ja vähemalt 3,6 m² maapinda, torustik paigaldatakse ca. 1 m sügavusele ca. 1 m vahedega [12]. Joonis 3. Horisontaalne maakollektor [8] Spiraalkollektori ja vertikaalkollektori paigaldamine ei vaja nii suurt maa-ala, kuid paigaldamiseks tuleb rajada vastava läbimööduga puuraugud. Spiraalkollektorid paigaldatakse maapinnast vähemal 1 m sügavusele ja alumised otsad jäävad kuni kolme ja poole meetri sügavusele. Maakollektori torustikus ringleb külmakindel lahus, millele ülekandunud maasoojust kasutatakse soojuspumba abil hoone kütmiseks, jahutamiseks ning sooja tarbevee tootmiseks. Pinnasekollektori eluiga võib ulatuda üle 20 aasta. Korrektselt paigaldatud pinnasekollektor ei mõjuta taimi. [12], [6] Joonis 4. Spiraalkollektor [8] 10

10 2.2. Soojuspuurauk ja energiavai Kui vaba maapinda horisontaalse kollektori jaoks napib või ei soovita rikkuda olemasolevat haljastust siis on võimalus rajada soojuspuurauk. Soojuspuurauk on kinnine süsteem, mis keskkonnale ohtu ei kujuta. Puuraugu sügavus jääb meetri vahemikku. Puuraugu sügavus sõltub soojusvajadusest ja kohalikust omavalitsusest. Kui puurauk tamponeeritakse, siis sanitaarkaitseala nõudeid ei kehtestata. Vastavalt küttevajadusele saab rajada mitu puurauku ja ühendada üheks süsteemiks. Keskmiselt katab 1m puurauku 1 m 2 köetava pinna soojavajaduse. Puurauku paigaldatakse üks või kaks U kujulist kontuuri, mille sees voolab küttevedelik. Küttevedelik ehk külmakandja pumbatakse omakorda maasoojuspumpa, kus toimub soojusülekanne ja jahtunud külmakandja juhitakse tagasi puurauku, kus hakkab kogu protsess uuesti pihta. Pärast kontuuri paigaldamist on võimalik soojuspuurauk tamponeerida. Puuraukude täitmiseks sobilik materjal peaks olema võimalikult suure soojusjuhtivusega. Levinuim täide on sama pinnas, mis augu puurimisel tekib või erinevad betoonsegud. [6], [14] Kuna sügavamal maapinnas on temperatuur talvel kõrgem kui 1 m sügavusel, siis on tagatud ka parim võimalik soojuspumba kasutegur. Suurel määral oleneb lõplik lahendus ka kohalikust omavalitsusest. Näiteks Tallinnas peaks arvestama võimalusega puurida kuni 50 m sügavusele, kuid samas võib mitu puurauku üksteise lähedale rajada. Mõnes teises Eesti regioonis pole probleemi ka ühe 250 m sügavuse puuraugu rajamine. [14] Joonis 5. Soojuspuurauk [8] 11

11 Üha enam saavutab populaarsust suletud kontuuri paigaldamine puuritud vaivundamentidesse ehk energiavaiad. Energiavaiad on hea lahendus suurematele hoonetele, kus kasututatakse vaivundamente. Vaba maapinda praktiliselt vaja ei lähe, kuna vaivundamendid asetsevad hoone all (Joonis 6). Kontuur kinnitatakse betooni sisse paigaldatava raudsõrestiku külge. Soojusvaiad on oma olemuselt analoogilised tampoonitud soojuspuuraukudele, sest nad puuritakse ja hiljem täidetakse vett mittejuhtiva materjaliga. Vaiade rajamist reguleerib Eestis ehitusseadus, mis käsitleb puurimist oluliselt leebemalt ja puurimisloa saamine on palju lihtsam. Esineb juhtumeid, kus rajatavate vaiade sügavus on mitukümmend meetrit ehk sarnane madalamate soojuspuuraukude sügavusele. Põhimõtteline vastuolu Eesti tingimustes seisneb selles, et soojuspuurauke käsitletakse puurkaevudena, mille rajamiseks nõutakse tavapraktikas 10 m hooldusala olemasolu, samas kui soojusvaiad asuvad vahetult ehitise all, mille puhul sanitaarkaitseala ei nõuta. [14] Joonis 6. Energiavai [8] Kuna energiavaiad ei vaja suurt maa-ala, siis on antud tehnoloogia muutumas üha populaarsemaks linnades, seda eriti rajatavate büroohoonete ja hotellide küttesüsteemides. Tallinnas on käesoleval aastal valmimas Hiltoni hotell, mis hakkab kasutama nii kütteks kui ka jahutuseks vaikütte 12

12 süsteemi. Samuti valmis 2014 aasta oktoobris Sõpruse pst 157 rohelise mõtteviisi maja. Esimene Green Building kontseptsioonile vastavalt projekteeritud büroomaja Eestis, kus talvel kasutatakse küttesüsteemina energiavaiade näol toimivat maakütet, suvel kasutatakse sama süsteemi hoone jahutamiseks. Green Building kontseptsioon keskendub ressursside efektiivsele kasutamisele ja hoonete mõju vähendamisele inimese tervisele. [10], [11] 2.3. Energiakaev Eesti põhjavee temperatuur on vahemikus 6-12 C ja seda soojust saab kasutada soojuspumba edukaks tööks. Põhjavee kasutamiseks tuleb rajada vähemalt kaks puurkaevu vahekaugusega ca. 15 m, mis peavad jääma ühte põhjavee horisonti. Puurkaevust pumbatakse põhjavesi soojusvahetisse, kus põhjavesi jahutatakse soojuspumba abil 3 4 C ja suunatakse edasi tarbimisse või tagasi teise puurkaevu. Tagasilaske puurkaev peab asetsema allavoolu vee liikumisele veehorisondis vältimaks vee korduvat kasutamist, sellega ka ei muutu põhjavee tase veehorisondis. Puurkaevu tootlikkus peab tagama soojuspumba võimsusele ja olmevajadustele vastava veehulga. Puurkaevuvee kasutamine ei kahjusta põhjavett, sest soojust võetakse kinnise süsteemi abil ja süsteemis kasutatavad materjalid on plastik või roostevaba teras. [15] Joonis 7. Energiakaev [8] 13

13 2.4. Soojuse ammutamine veekogust Soojuse ammutamisel veekogust on kasutusel kaks moodust, vee otsene pumpamine soojusvahetisse ja sealt jahtununa tagasi veekogusse või kollektorite rakendamine veekogu põhjas (Joonis 8). [15] Esimese mooduse puhul kasutatakse suvel veekogu pinnakihti, talvel põhjakihti kuna suvel on veekogu pinnakihi temperatuur kõrgem kui põhjakihtides ning talvel vastupidi. Tähtis on jälgida, et veekogu oleks piisavalt suur ja sügav, et ei tekkiks talviti külmumisohtu. Loomulikult saab antud tehnoloogilist lahendit kasutata, sis kui hoone on ehitatud veekogu lähedale. [15], [8] Joonis 8. Maasoojuspumba veekontuur [12] Eestis hiljuti valminud Tallinna Lennusadama angaarid ammutavad soojust merekütte baasil. Tegemist on huvitava ja keeruka küttelahendusega, kus soojust ammutatakse mereveest. Keerukus seisneb asjaolus, et merevee temperatuur langeb külmade tulekuga väga madalale ning hoone kütmiseks vajalik soojusenergia tuleb kätte saada ka merevee temperatuuril +0,5 C. [9] 14

14 3. MAASOOJUSPUMPADE PAIGALDAMINE Tehnoloogiliste etappide järjekord maasoojuspumba paigaldamisel on [8]: ettevalmistusfaas; paigaldus- ehk tööfaas; käivitamis- ja dokumenteerimisifaas Ettevalmistusfaas Ettevalmistusfaasis valitakse maasoojupump, selgitatakse võimsuse vajadus ja maakollektori pikkus. [8] Mõjutavateks faktoriteks on [8]: hoone suurus m²; energiakulu; maja ehitusaeg, renoveerimisaeg; akende pindala m 2 ; maja ehituskonstruktsioone iseloomustav info; maja ventilatsiooninõuded ja ventilatsiooniseadmed; krunti iseloomustavad näitajad: pindala, asukoht, pinnas; maja elanike arv ja vanus; eramajas kasutatav küttesüsteem (elektriküte, keskküte, kaugküte) või uus küttesüsteem; kasutatav/projekteeritav vesiküttesüsteem; maja asukoht. Ettevalmistusfaasis teostatakse projekteerimistööd ja arvutustööd maaküttesüsteemi paigaldamiseks. Põhiprojektil märgitakse kasutatava maaküttekollektori paiknemine krundil, kasutatava torustiku läbimõõdud, sügavus maapinnast ning torustiku minimaalsed vahekaugused ning kontuuride arv. Projektis märgitakse paigaldatavate seadmete asukohad hoones, olemasoleva küttesüsteemiga liitumispunktid ja elektritööde teostamiseks vajalikud võimsused, mida antud süsteem hakkab tarbima. [8] 15

15 Maaküttesüsteemi projekt tuleb kooskõlastada kohaliku omavalitsusega ja keskkonnaametiga ning kui antud krundil on teiste asutuste tehnovõrgud, siis tuleb nendelt saada kirjalik nõusolek ja tingimused kaevetööde teostamiseks. [8] 3.2. Tööfaas Tööfaasi raames püstitatakse soojakud ja olmeruumid. Rajatakse teed ja piirded ning püstitatakse infotahvlid ja puude kaitse. [8] Tööetapid, mis kirjeldavad kogu süsteemi väljaehitamist ja seadistamist, näiteks ühepereelamule on järgmised: [8] ettevalmistustööd; kaevetööd; avade puurimine vundamenti; kollektortorustiku paigaldamine ja survestamine; tagasitäide; pinnasevedu ja planeerimine; haljastustööd; maakütte pumbasõlme paigaldamine; olemasoleva küttesüsteemiga ühendamine ja täitmine külmainega; juhtimiskeskuse ja internetimooduli ühendamine; tugev- ja nõrkvoolutööd; süsteemi seadistamine ja töösse laskmine; dokumentatsiooni täitmine ja aruande koostamine. Kõik mõõtmised, häälestamised ja kontrollimised protokollitakse. Tööde teostaja peab kõik varjatult paigaldatavad seadmed esitama tellijale kontrollimiseks enne katmistööde alustamist. [8] Paigaldamise ajal peavad toru otsad olema suletud, et sinna ei sattuks võõrkehi, näiteks mulda ja kive. Kui projektis pole märgitud teisi mõõte, siis tuleb jälgida, et torustik paigaldatakse ligikaudu 1,2 m sügavusele ja minimaalselt 1 m vahedega maapinda. Maakollektorit ei tohi paigaldada liiga sügavale, kuna kevadel ei jõua siis päikesesoojus torustiku ümber tekkinud jääd piisavalt kiiresti üles sulatada. Veelgi suurem on oht liiga sügavale paigaldatud torustiku puhul, kui maakollektor asub vilus, näiteks puude all. Kui torustik on paigaldatud vähem kui 1 m sügavusele, siis kollektor ei ammuta enam piisavalt soojust kuna maapind külmub talvel läbi. [8] 16

16 Kui kollektori torustik on paigaldatud ajutiselt kaevikusse, siis tehakse sellele kontrollsurvestamine veendumaks kontuuri töökindluses. Süsteemi pumbatakse soovitud proovirõhk, näiteks 4 bar. Rõhk ei tohi olla suurem kui süsteemi madalaima rõhutaluvusega osa töörõhk. Kahe tunni pärast tõstetakse rõhk uuesti soovitud proovirõhuni, kuna rõhk võib langeda tulenevalt torustiku elastsusest ja temperatuurist. Surveproov loetakse õnnestunuks, kui rõhk prooviajal, näiteks üks tund, ei lange. Surveproovi teostusaeg on vähemalt 24 tundi. [8] 3.3. Käivitamis- ja dokumenteerimisfaas Kolmas etapp on dokumentatsiooni koostamine, maasoojuspumba seadistamine ja töösselaskmine, ning töövalmis küttesüsteemi üleandmine tellijale. Dokumentatsiooni hulka kuuluvad teostusjoonised, paigaldatud materjalide sertifikaadid, seadmete passid, kasutusjuhendid seadmete ja maakrundi kohta, millel paikneb maakollektor, samuti kaetud tööde aktid ja ehituspäevikud, surveaktid ja hooldustööde graafik, kindlasti geodeetiliste mahamärkimiste aktid, käikuandmisprotokoll ning töökoosolekute protokollid. Vajaduse korral lisatakse ehitise ekspertiisitulemusena koostatud ekspertarvamus. [8] Maakrundi kasutuse kohta tuuakse tavaliselt välja sellega seotud piirangud, näiteks: tohib istutada ainult kuusepuid, sest nende juurestik ei ulatu kollektortorustikuni. Samuti tuuakse välja see, et antud maapinnal ei tohi talvel lund lükata või seda ei tohi kasutada parkimisplatsina. Süsteemi tuleb vastavalt nõuetele hooldada üks või kaks korda aastas. [8] 17

17 4. GEOTERMAALENERGIA MÕJU KESKKONNALE Geotermaalenergia kasutamist tuleks arendada meetoditega, mille keskkonnamõjud oleksid võimalikult väikesed. Võrreldes teiste energialiikidega on geotermaalenergia kasutamine keskkonnasõbralik kuna soojuspumbas puudub põlemisprotsess. Tüüpiline geotermaalenergial töötav elektrijaam, mis kasutab elektritootmiseks kuuma vett ja auru emiteerib umbes 1% SO2, 1% NO2 ja 5% CO2 kogused, mis väljutab samasuurune kivisöel põhinev elektrijaam. [1] Efektiivseks energia saamiseks võib süvasoojust kasutada ainult neis kohtades, kus puurimistehnikaga kättesaadavates sügavustes esinevad tingimused võimaldavad maapinnale juhtida küllaldasel hulgal kuuma vett või looduslikku auru. Arvestades Eesti geoloogilisi ja klimaatilisi tingimusi on meie peamiseks energiaallikaks kivimid ning põhjavesi, mille temperatuur on aasta jookusul kõige stabiilsem. Põhjavesi on aga Eesti peamine joogivee allikas ja tema kvaliteedi säilitamine on esmatähtis. [2], [14] Kehtivad Eesti seadused ei käsitle eraldi energeetilisi puurauke. Juhul, kui energeetilised puuraugud on täitmata, siis tuleks neid käsitleda sarnaselt veehaarde puurkaevudega koos neile kehtivate sanitaarnõuetega, mis on kehtestatud keskkonnaministri 16. detsembri a. määrusega nr. 61 Veehaarde sanitaarkaitseala moodustamise ja projekteerimise kord. [5] Nii suletud kui ka avatud süsteemiga soojuspuurauke tuleks vaadelda veevõtukohtadena, sest neid kasutatakse ühe kinnisasja tarbeks tootlikkusega alla 10 m 3 ööpäevas. Tavapraktikas erineb selle määruse tõlgendamine maakonniti. Punkt 4.1 on sõnastatud Ühe kinnisasja omanikule vajaliku kaevu asukoht peab olema võimalike reostusallikate (kogumiskaevud, käimlad, prügikastid, väetise- ja sõnnikuhoidlad, õlimahutid, kanaliseerimata saunad jne.) suhtes põhjaveevoolu suunas (järgib üldjoontesmaapinna kallakust) ülesvoolu ja neist krundi piires võimalikult kaugemal (mitte vähemkui 10 m) [5]. See määruse punkt lubab tõlgendada, et näiteks kanaliseeritud saun või krundi piir ei ole asukohavalikul piiravaks. Samas loetakse mõnes maakonnas võimalikeks reostusallikateks kõiki ehitisi ning puurauk peaks neist olema vähemalt 10 m kaugusel. Samuti nõutakse, et puurauk peaks olema vähemalt 10 m kaugusel kinnistu piirist, sest muidu seatakse lubamatuid piiranguid naaberkrundi 18

18 kasutamisele. Valdav osa energeetilistel eesmärkidel kasutatavatest puuraukudest on majale või kinnistu piirile lähemal kui 10 m. Piisavalt laia hooldusala puudumine ei ole kehtiva määrusega vastuolus, kuid ei järgi suundumusi põhjavee kaitsel. [14] Tõsisem probleem on soojuspuuraukude suudmetega. Eelpool nimetatud määruse punkti 4.2 kohaselt peab manteltoru ulatuma vähemalt 30 cm maapinnast kõrgemale, mitte soovitatava variandina on lubatud ka vettpidavate seinte ja põhjaga šurfi rajamine. Valdavalt on avatud süsteemiga soojuspuuraukude suudmed maapinnal või allpool maapinda ja mitte šurfides. Puuraugud on küll veekindlalt suletud, kuid on raske ennustada, milliseks kujuneb nende seisund niisketes aeroobsetes tingimustes eeldatava kasutusaja, umbes 30 aasta pärast. Uuringutes on selginud, et puuraugud on aias täitemulla all ning omanikud ei tea täpset puuraukude asukohta. Omanike endi seisukohast on lühinägelik eeldada, et puuraugus oleva pumba eluiga on sama pikk kui soojuspumbal ja ülejäänud süsteemil. [14], [5] Tänapäevased avatud süsteemide osadena kasutatavad soojusvahetid on mehaaniliselt oluliselt vastupidavamad külmumisele. Nad on mahult väiksemad ning külmakandevedeliku hulk, mis võiks sattuda põhjavette on väike ning see lahjeneb mitteoluliste sisaldusteni juba väikeses kauguses puuraugust. Suletud süsteemiga puuraukudes olev kontuur on pikem ning kasutatav soojuskande vedeliku hulk suurem. Kuigi Eestis puuduvad juhtumid, kus vertikaalsed kontuurid oleksid lekkinud, siis seda laadi ohuga tuleks siiski arvestada. Riski vähendamiseks peaks kasutama rahvusvahelistele standarditele vastavaid komponente ja nende paigaldamine võiks toimuda litsentseeritud töötajate poolt. [14] Uuringute käigus ei ole täheldatud soojuspuuraukude mõju vee hulgale. Avatud süsteemiga soojuspuuraukude kaudu võetav vesi juhitakse suletud torustikku pidi teise puuraugu kaudu tagasi maapõue. Esineb küll mitmeid süsteeme, kus tagasivoolu puurkaev on sügavam kui pumbatav puurkaev, kuid mõõtmised on näidanud, et soojuse ammutamisel töötab sügavamast kaevust ainult madalama puurauguga võrdne osa. Soojuse ammutamisel puudub praktiline vajadus erineva sügavusega puuraukude rajamiseks. Vähendamaks veel ka erinevate veekihtide põhjavee võimalikku segunemise või ühest veekihist teise voolamise riski, siis oleks põhjendatud edaspidi nõuda ühesügavuste puuraukude puurimist avatud süsteemi tarbeks. Põhimõtteliselt peaks avatud süsteemides kasutatava põhjavee kvaliteeti mõjutama tema kokku puutumine õhuga, kuid see mõju on tegelikkuses raskesti tuvastatav ja määratav. Kindlasti vähendab seda mõju nõue, et puuraukude suudmed peavad olema suletud. [14] 19

19 Korrektselt paigaldatud maasoojussüsteem keskkonnale ohtu ei kujuta. Horisontaalkontuuridel puudub kokkupuude põhjaveega ja peamiseks võimalikuks ohuks keskkonnale jääb torustiku mehaaniline vigastus. Uuringud on näidanud, et olemasolevad soojuspuuraugud ei põhjusta olulist füüsikalist ega ka keemilist mõju pinnastele, põhjaveele ja ökosüsteemile. Probleemid võivad tekkida nõuetele mittevastavate tehniliste lahendustega suudmete sulgemisel ja sellega võivad kaasneda potentsiaalne reostusoht. Usutavasti on tegu laiema probleemiga ning soojuspuuraukude suudmed ei ole kehvemas seisus kui tavalistel tarbevee puurkaevudel. [14] 20

20 5. GEOTERMAALENERGIA TULEVIK EESTIS Maa soojust võib tinglikult jagada kaheks üks osa, mis talletab soojust Päikese kiirgusenergiat maapinna ülemisse kihti ja teine osa, mis levib ülespoole Maa sügavusest. Maapinnalähedase maasoojuse kasutamine ei nõua keerukat oskusteavet, sobiliku tehnikaga on seda kõike võimalik kasutada, ehkki siiani suhteliselt piiratud mahus, kuna kasutatav temperatuur jääb vahemikku +2 kuni +10 C. [3] Enamasti kasvab temperatuur sügavuti ja selle kasvu kiirust kirjeldab temperatuuri gradient. Kuna temperatuur kasvab suhteliselt aeglaselt, siis on praktikas temperatuuri gradiendi mõõtühikuks ºC/km. Vanadel kontinentaalsetel kilpidel, sealhulgas näiteks Eesti alal jääb geotermiline gradient alla 30 ºC/km. Maakoorelaamade ääre- ja kokkupuutealadel, nagu näiteks Vaikse ookeani lääne- ja idaserv, Atlandi ookeani keskjoon ja Vahemere aladel võib Maa geotermiline gradient ulatuda isegi 100 ºC/km ja sealt võib puuraukude abil saada külluses nii kuuma vett kui auru. [13], [4] Joonisel 9 on toodud umbes 60 erineva puuraugu temperatuuri andmestik. [13] Joonis 9. Eesti puuraukudes mõõdetud temperatuurid [13] 21

21 Joonisel 10 soojusandmete analüüs näitab, et 250 m sügavusel võib rääkida kahest soojemast vööndist: Kirde-Eestist ja Edela-Eestist, kus temperatuurid jäävad C vahemikku. Üksikud mõõtmised 500 m sügavusel näitavad selgelt, et Kirde-Eestis on maapinna temperatuur umbes C. [3] Joonis 10. Temperatuurid 200 m sügavusel, 6-7 C tumesinine ja 14 C roheline [13] Eestis võib suurema geotermaalse käitise jaoks huvi pakkuda maakoore süvakihtide soojusenergia, see on umbes 3-6 km sügavusel lasuvad kristalsed aluskorrakivimid temperatuuril kuni 100 C. Sellega kaasnevat tehnoloogiat on inglise keeles nimetatud Hot Dry Rocks (HDR) Kuumad Kuivad Kivimid ning seda arendatakse viimasel kümnendil edukalt mitmetes riikides. Nimetatud valdkonnas on hetkel andmestik täiesti puudu. Maailmakogemused näitavad, et sarnaseid lahendusi on maailmas edukalt rakendatud. Selle tehnoloogia põhiprintsiip on lihtne: kuumadesse, puurauguga avatud kivimitesse pumbatakse külma lahust ning luuakse hüdraulilise injektsiooniga lõhelis-poorsed soojusvahetus-reservuaarid. [13] Hindamaks koduse maapõue geotermilist potentsiaali ei pääse mööda puuraukude puurimisest. Eesti sügavaima puuraugu sügavus jääb alla kilomeetri ning napib mõõtmisi isegi 500 m sügavuselt. Näiteks kahekilomeetrine puurauk laiendaks teadmisi suuresti. Maades, kus geotermaalenergia kasutamisega tegeletakse, ei ole mingi probleem uuringu- ja rakendusotstarbel ka 5 6 km sügavuste puuraukude võrgu puurimine. [3] 22

22 Joonisel 10 on näha, et Edela- ja Lõuna-Eestis teostatud mõõtmisi on liiga vähe temperatuurijaotuste hindamiseks. Selleks, et hinnata pinnalähedase geotermaalenergia potensiaali, tuleks rajada puuraukude skeem, mis kataks Eesti riigi territooriumi ühtlaselt. Põhiline järeldus olemasolevate andmete sünteesist viitab sellele, et kõrgematemperatuurilist geotermaal ressurssi rakendada ei ole võimalik meie aluspõhjakihtides oleva põhjavee baasil, kuna veetemperatuurid ei ületa C. Teiselt poolt on selge, et energiatootmise rikastamiseks on vaja erinevaid tootmisviise ning Euroopaski on suunatud viimastel aastatel uuringufookus elektritootmisele süvapuuraukude abil. Sellisele energiatootmisele peaks tähelepanu suunama ka Eesti, mis eeldaks 3-6 km sügavuse puuraugu puurimist ja kristalse kivimi lõhustamist maapõues ning vee pumpamist. Tulevikus võiks Eestis iga elumaja või ühiskondlik hoone kasutada geotermaalenergiat ühe osa kütte või jahutusena. [3], [13] 23

23 KOKKUVÕTE Eestis on geotermaalenergiat kasutatud peaaegu 25 aastat ja seda peamiselt horisontaalkontuuride näol. Teised maakütte lahendused nagu soojuspuuraugud, soojuse ammutamine pinnaveest või soojusvaiad ei ole veel Eestis laialdaselt levinud. Seda eelkõige tehnoloogia kalliduse ja bürokraatliku keerukuse tõttu. Töös esitatud andmed viitavad sellele, et Eestis on olemas ressurss madalatemperatuurilise geotermaalse energia kasutamiseks, mis sobib kasutamiseks nii kütteks kui ka jahutamiseks. Samuti näidatakse töös, et kõrgematemperatuurist geotermilist ressurssi hetkel rakendada ei ole võimalik, kuna põhjavee temperatuur ei ületa 16 C ja puudub info Eesti maakoore süvakihtide soojusenergia kohta. Töös näidatakse, et maasoojuse ammutamiseks on Eestis kasutusel peamiselt neli erinevat kollektorit: maakollektor; soojuspuurauk, energiavai, (kinnine süsteem); energiakaev, (avatud süsteem); veekollektor. Töös on näidatud, et sõltumata pinnasetüübist, hoone asukohast, krundi suurusest saab geotermaalenergiat kasutada praktiliselt igalpool Eestis. Töös näidatakse, et geotermaalenergis tõhusamaks kasutamiseks tuleks: puurida vähemal 3-6 km sügavune puuraukude süsteem et hinnata süvasoojuse kasutamise, ellkõige HDR tehnoloogia, võimalusi Eestis; rajada puuraukude süsteem, mis kataks Eesti riigi territooriumi ühtlaselt, et hinnata pinnalähedast geotermaalset ressurssi. 24

24 Töös näidatakse, et maasoojuspumba kasutamise plussid on: maasoojuspumbasüsteem on keskkonnasõbralik; puuduvad visuaalselt häirivad elemendid; puudub põlemisprotsess; maasoojuspumbasüsteemi eluiga on pikk. Töös näidatakse, et tulevikus võiks Eestis iga elumaja või ühiskondlik hoone kasutada geotermaalenergiat ühe osa kütte või jahutusena. 25

25 SUMMARY The Use of Geothermal Energy as a Renewable Resource in Estonia Estonia has used geothermal energy for almost 25 years, mainly in the form of horizontal contours. Other solutions, such as ground source heat pump and heat extraction from surface water are not yet widespread in Estonia due to high costs and complicated bureaucracy. The data presented in this graduation thesis show that in Estonia there are resources of lowtemperature geothermal energy, which is suitable both for heating and cooling. The thesis also displays that today it is not possible to use high-temperature geothermal energy because the groundwater temperature does not exceed 16 C and there is no data available about the thermal energy of the deeper layers of Earth s crust. According to the author of the thesis the available data suggests that Estonia has enough lowtemperature geothermal energy to use for heating or cooling all sorts of buildings. The graduation thesis states that in Estonia there are four different types for harnessing geothermal energy: ground loop; borehole heat exchanger (closed system); two well system (open system); surface water collector. The thesis gives proof that, regardless of the soil type, location or size of the plot, geothermal energy can be used practically anywhere. 26

26 It is suggested in the thesis that for more efficient usage of geothermal energy there are the following possibilities: to drill at least 3-6 km deep borehole system in order to assess the possibilities of using geothermal energy in Estonia; to establish a system of wells, evenly covering the territory of Estonia to assess the nearsurface geothermal resources. The graduation thesis points out the following advantages of using ground source heat pumps: geothermal energy is environmentally friendly; there are no visually distracting elements; there is no combustion process; ground source heat pumps have long life time. The graduation thesis suggests that in the future any private or public building could use geothermal energy for heating or cooling purposes. 27

27 VIIDATUD ALLIKAD [1] Wendell A Duffield, John H. Sass, Geothermal Energy Clean Power From the Earth s Heat, Virginia: U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, 2003, p. 26. [2] S. A. Krasokovski, Maa süvasoojus ja selle kasutamise perspektiivid, Tallinn: Eesti NSV poliitiliste ja teadusalaste teadmiste levitamise ühing, 1956, p. 10. [3] A. Soesoo, Maasoojus ja Eesti, Sirp, p. 7, 2. detsember, [4] Ü. Vaher, Geotermaalenergia sõbralik varaait, Tehnikamaailm, kd.nr 3, p , 7. aprill, [5] Veehaarde sanitaarkaitseala moodustamise ja projekteerimise kord, [6] Maaküte Infoportaal, Maasoojuspumba tööpõhimõte, [Võrgumatejal]. Available: [Kasutatud 12. veebruar, 2015]. [7] Eesti Soojuspumba Liit, Soojuspumba tööpõhimõte, [Võrgumatejal]. Available: [Kasutatud 16. veebruar, 2015]. [8] Vanker, Maaküttesüsteem, [Võrgumatejal]. Available: [Kasutatud 12. veebruar, 2015]. [9] AIT Nord Soojusumpade spetsialistid, Eesti Meremuuseumi Lennusadama angaaride mereküte, [Võrgumaterjal]. Available: [Kasutatud 21.aprill 2015]. [10] Sõpruse 157 rohelise mõtteviisi maja, Tutvustus [Võrgumaterjal]. Available: [Kasutatud 21.aprill 2015]. [11] Sweco - sustainable engineering and design, Roheline energia [Võrgumatejal]. Available: [Kasutatud 05. mai, 2015]. [12] Maakütte käsiraamat. [Võrgumatejal]. Available: [Kasutatud 02. märts, 2015]. 28

28 [13] A. Soesoo, Eesti geotermiline potentsiaal [Võrgumaterjal]. Available: df. [Kasutatud 03. märts, 2015]. [14] A. Jõeleht, Soojuspuuraukude mõju keskkonnale, [Võrgumaterjal]. Available: C3%B5ju_keskkonnale_aruanne.pdf [Kasutatud 05. märts, 2015]. [15] Soojuspumbad. [Võrgumaterjal]. Available: [Kasutatud 12. veebruar, 2015]. [16] Soojuspumpade kasutuselevõtu dünaamika Eestis ( ) [Võrgumaterjal]. Available: [Kasutatud 12. veebruar, 2015]. 29