Otaniemen syväreiät

Otaniemen syväreiät ovat Espoossa sijaitsevia St1:n (aiemmin St1 Deep Heat Oy:n) kairaamia Suomen syvimpiä kallioporareikiä. Ne sijaitsevat Otaniemessä Fortumin kaukolämpövoimalan tontilla. Rei'istä syvin, OTN-III, ulottuu 6,4 kilometriin.

Otaniemen reikiä oli tarkoitus käyttää lämpökaivoina Espoon kaupungin kaukolämmön tuotannossa. Geoterminen lämpövoimala muodostuu kahdesta yli kuusi kilometriä syvästä reiästä. Toiseen reikään pumpatun kylmän veden oli tarkoitus nousta toista reikää pitkin ylös yli 100-asteisena.

Kevääseen 2022 mennessä lämpökaivot oli porattu tavoitesyvyyteen, mutta vettä ei ollut saatu virtaamaan riittävästi kaivosta toiseen. St1 kertoi jatkavansa tuotekehittelyä.

Historia

Marraskuussa 2014 uutisoitiin, että St1 alkaa rakentaa Espooseen Suomen ensimmäistä geotermisellä energialla toimivaa teollisen mittakaavan lämpölaitosta. Tuotantolaitokselle haettiin paikkaa Fortumin lämpölaitoksen alueelta Otaniemestä tai Kivenlahdesta. Toukokuussa 2015 kerrottiin, että poraukset alkavat Otaniemessä. Uutisen mukaan voimalan suunniteltiin olevan tuotannossa helmikuussa 2017. Kaivojen porauksesta vastasi Strada Energy.

Reikien tarvittavan syvyyden arvioitiin olevan jotakin kuuden ja kahdeksan kilometrin väliltä, mikä teki laitoksen toteutuksesta haastavan, sillä yhtä syviä reikiä ei vielä maailmasta löytynyt. Työn edetessä paljastui, että 6,4 kilometriä riittää. Pohjalla 121-asteinen vesi on maan pinnalle nostettuna 110-asteista, mikä riittää kaukolämpöverkon tarpeisiin.

Fortum vetäytyi St1:n geotermisestä pilottiprojektista keväällä 2022. Lämpökaivot oli porattu tavoitesyvyyteen, mutta vettä ei saatu virtaamaan riittävästi kaivosta toiseen. St1 kertoi jatkavansa tuotekehittelyä. Pilotin avulla on kehitetty uutta liiketoimintaa, jota hyödynnetään taloyhtiöiden lämmityksessä.

Otaniemen hankkeen rahoitus

Hanke on paitsi koko St1 Nordic -konsernin suurin investointi myös yksi Suomen uusiutuvan energian kärkihankkeita, jolle Työ- ja elinkeinoministeriö on myöntänyt investointitukea 9,6 miljoonaa euroa vuoteen 2018 mennessä. Tekes taas on antanut 0,9 miljoonaa euroa hankkeeseen liittyvään tieteelliseen tutkimukseen, jonka avulla kehitetään alaan liittyvää osaamista Suomessa. Geolämpövoimaloita on käytössä jo esimerkiksi Ranskassa ja Yhdysvalloissa. Hanke maksaa 70 miljoonaa euroa ja St1:n tavoitteena on kehittää siitä päästötön syvälämpövoimalan konsepti, jota voidaan viedä ulkomaille.

St1 Deep Heatin toimitusjohtaja Jari Suominen totesi keväällä 2018, ettei hankkeesta tule koskaan taloudellisesti kannattavaa, vaan sen on tarkoitus olla tuotekehityshanke. Hankkeen avulla saadaan kuitenkin kokemusta ja osaamista, jota voi viedä ulkomaille: kiteisen kallioperän poraamista, vesiporaustekniikkaa ja veden virtauksen tutkimista.

Keväällä 2022 kerrottiin, että hanke oli tullut maksamaan noin sata miljoonaa euroa, joista julkisen tuen osuus oli noin kymmenes ja loput St1:n omaa rahoitusta. Vaikka laitos ei valmistunut, sijoitus ei mennyt St1:n mukaan hukkaan, sillä pilotti opetti yhtiölle paljon geologiasta ja poraamisesta. Pilotin myötä syntyi esimerkiksi uusia tuotteita taloyhtiöiden lämmitykseen.

Porauksen kulku

Tuotantolaitoksen suunnittelu alkoi vuonna 2014. Tuolloin reikien poraussyvyydeksi ajateltin 6–8 km, ja geotermisen laitoksen ajateltiin valmistuvan vuonna 2016. Reikien paikaksi valikoitui Fortumin kaukolämpövoimalan tontti Espoon Otaniemessä, mutta varavaihtoehtona oli Kivenlahden lämpölaitoksen tontti. Hanke on luvitettu maankäyttö- ja rakennuslain mukaisella laajennetulla toimenpideluvalla, eikä sen ole tarvinnut käydä läpi ympäristövaikutusten arviointimenettelyä. Lain mukaan toimenpideluvan myöntää kunnan, tässä tapauksessa Espoon kaupungin, rakennusvalvontaviranomainen.

Vuonna 2015 kairattiin 2,0 km syvä pilottireikä OTN-I, jonka avulla pyrittiin arvioimaan urakan aikana vastaan tulevia porausolosuhteita. Pilottireiässä tehtyjen mittausten perusteella maankamaran lämpötila nousee alueella n. 18 °C per kilometri.

OTN-II- ja OTN-III-reikien pystysuora poraus alkoi huhtikuussa 2016. Porauksen urakoitsija oli brittiläinen Strada Energy, jonka yli 50 metriä korkea pora tuotiin Otaniemeen 58 rekkakuormana. Poran liityntäteho sähköverkkoon on 6,3 MW. Kaivon profiili on putkitettu määrävälein, ja sisusputki kapenee syvemmälle mentäessä. Maan päällä reiän halkaisija on noin metrin ja loppupäässä 21 senttimetriä.

Elokuussa 2016 OTN-II-reikä saavutti 3,25 km syvyyden ja OTN-III-reikä 4,5 km syvyyden. Aluksi hankkeessa käytettiin ilmavasarointia eli tekniikkaa, jossa paineistettu ilmavirta tuo porausjätteet ylös. Parhaimmillaan poraus eteni yli kaksisataa metriä päivässä. Ensimmäisessä kairausvaiheessa OTN-II-reikä jätettiin 3 325 metrin syvyiseksi.

Syyskuussa 2017 OTN-III-reiän kairausta jatkettiin vesivasaroinnilla. Viiden kilometrin tason saavuttamisen jälkeen reikää alettiin kallistaa kolmipäisellä kiertokairauksella n. 30 asteen kulmaan. Kuuden kilometrin syvyydessä poran terä pitää vaihtaa vuorokauden välein, jolloin koko kairausputki vedetään ylös ja lasketaan takaisin. OTN-III-reikä saavutti tavoitesyvyytensä (6,4 km) huhtikuussa 2018. Reiän pohjalla lämpötila on noin 125 °C.

Porauksen aikana kallioperästä löytyi isot rakojärjestelmät syvyyksiltä 857–900 m, 2 400 m, 2 900 m sekä 5 020 m. Poran pää juuttui viimeksi mainittuun siirrokseen kolmen viikon ajaksi. Syvät kairanreiät ovat usein epävakaita yli viiden kilometrin syvyyksissä, koska voimakas jännityskenttä saa reikien seinät romahtamaan. Tämän vuoksi porauksen aikana täytyy käyttää vastapainetta (esim. tiheitä kairausmutia) reikien pitämiseksi auki.

Kallioperän luonnollista vedenjohtavuutta voidaan parantaa stimuloimalla eli pumppaamalla maankamaraan vettä. Tällöin kallioperän rakopaine kasvaa, osa sulkeutuneista raoista avautuu ja joissain siirroksissa tapahtuu liukua, mikä ilmenee maanjäristyksinä ja muuna seismisenä toimintana.

4. kesäkuuta 2018 Otaniemessä aloitettiin kuuden viikon pituinen stimulointivaihe, jonka aikana OTN-III-reiän alimpaan 750 metrin pituiseen osaan pumpattiin 18 000 kuutiometriä puhdasta vettä. Injektointi tehtiin viiteen erilliseen mittausvyöhykkeeseen, jotka oli eristetty toisistaan tulppauslaitteistolla. Kokeen tulosten tulkinnan on tarkoitus kestää 5–7 kuukautta.

31. joulukuuta 2018 St1 Deep Heat Oy fuusioitiin sisaryhtiöönsä St1 Oy:hyn.

Heinäkuussa 2019 kerrottiin, että ensimmäinen noin 6,5 kilometrin syvyinen reikä on valmis ja toisen kaivon porausta jatketaan elokuussa 2019. Kaivon syvyydestä puuttuu kolmisen kilometriä ja porauksen odotetaan valmistuvan puolessa vuodessa. St1 Deep Heatin tavoite on koekäyttää laitosta kesällä 2020.

Lämpölaitoksen toimintaperiaate

Otaniemen reikien muodostamaa lämpövoimalaa kutsutaan tehostetuksi geotermiseksi järjestelmäksi (engl. enhanced geothermal system, EGS). Lämpölaitoksessa tuotetaan geotermistä energiaa kahdella maahan poratulla reiällä, joiden etäisyys toisistaan on maan pinnalla noin 50–100 metriä. Kallioperän lämpö nostetaan ylös siten, että toisen reiän kautta kallioperään pumpataan kylmää vettä, joka kiertää kuuman maaperän kautta ylös toisesta reiästä. Suunnitelmien mukaan vettä virtaa Otaniemen putkissa noin sata litraa sekunnissa.

Kaukolämmön tuotantoon tarvitaan yli 120-asteista vettä. Vaikka veden nostamiseen tarvitaankin jonkin verran pumppausenergiaa, sähkön tarve on huomattavasti pienempi kuin maalämpöratkaisuissa, joissa maalämpöpumpulla nostettu vesi on lämpötilaltaan viileämpää. Saatu lämpö siirretään Fortumin kaukolämpöverkkoon lämmönvaihtimen avulla. Laitoksen on tarkoitus tuottaa jopa 40 MW teholla, mikä kattaa kymmenen prosenttia Espoon kaukolämmön tarpeesta. Prosessia kehittämällä tehoa voidaan mahdollisesti kasvattaa 55–60 megawattiin.

Lämpölaitoksen toimintaan vaikuttavia tekijöitä

Tärkeimmät tehostetun geotermisen järjestelmän toimintaan vaikuttavat tekijät ovat kallioperän lämpötila ja sen syvyysriippuvuus (geoterminen gradientti), jännityskenttä ja syvän kallioperän vettä johtavat rakenteet. Suomessa lämpötila kasvaa syvemmälle mentäessä 0,010–0,018 astetta metriä kohti. Yleisesti ottaen lämpötila on parhaiten tunnettu parametri EGS-kokeessa. Kallioperän suurin pääjännitys on Suomessa vaakasuora ja luode–kaakko-suuntainen.

Kallioperän luonnollinen vedenjohtavuus on alhainen, ja sitä voidaan parantaa stimuloimalla eli pumppaamalla maankamaraan vettä, jolloin kallioperän rakopaine kasvaa. Tällöin osa siirrosvyöhykkeistä pettää ja tapahtuu liukua, mikä ilmenee maanjäristyksinä ja muuna seismisenä toimintana. On tärkeää, että raot pysyvät auki myös, kun ylipaine poistetaan. Raot saadaan pidettyä auki esimerkiksi liettämällä veden sekaan hiekkaa, jolloin sen tiheys kasvaa.

Kun virtaava vesi jäähdyttää kiveä paikallisesti, ympäristö pyrkii kompensoimaan tätä johtamalla rakojärjestelmään lisää lämpöä. Kiven lämmönjohtavuus on kuitenkin hyvin heikko, ja jos EGS-järjestelmä pääsee jäähtymään liian nopeasti, ei kokeessa päästä 15–25 vuoden käyttöikään, jolla hankkeen investointikustannukset voitaisiin kattaa.

Indusoitu seismisyys

Stimuloinnille tyypillistä mikroseismisyyttä (magnitudialueella –3...0) syntyy, kun vesi laajentaa kallioperän rakoja. Mikroseismisyys on hyödyllistä, sillä sen avulla tutkitaan Otaniemen kokeen toisessa vaiheessa veden kulkureittejä kallioperän rakojärjestelmissä.

Anomaliseksi seismisyydeksi kutsutaan seismisyyttä, joka on sijainniltaan tai kooltaan epätavallista. Mikäli anomalista seismisyyttä esiintyy liikaa, pumppausnopeutta tulee pienentää ja tarvittaessa toiminnot tulee keskeyttää ja kaivon ylipaine purkaa hallitusti. Liian voimallista stimulointia pyritään välttämään, sillä Sveitsin Baselista tunnetaan magnitudin 3,4 (M_L) ja Etelä-Korean Pohangista jopa magnitudin 5,4 (M_w) indusoituja maanjäristyksiä, jotka liittyvät geotermisen voimalan toimintaan.

Seisminen valvonta

St1 Deep Heat ja sen alihankkijat toteuttavat stimuloinnin yhteydessä Otaniemen hankkeen seismisen valvonnan. Helsingin yliopiston Seismologian instituutti varmentaa viranomaistyönä, että St1:n oma valvonta on ajan tasalla. Helsingin Sanomien mukaan instituutti on turvautunut työssään myös ulkomaiseen asiantuntemukseen.

St1-valvontaverkkoon kuuluu 13 pinta-asemaa ja 12 lyhytperiodista kairanreikäseismometriä Helsingin ja Espoon alueella sekä kymmenen kolmikomponenttiseismometrin jono OTN-II -reiässä yli kahden kilometrin syvyydessä. Lisäksi Seismologian instituutilla on kahdeksan laajakaista-asemaa kymmenen kilometrin säteellä Otaniemestä. Verkon avulla saavutetaan vaakasuunnassa 200 metrin paikannustarkkuus maanjäristyksille.

Seismisyyden luokitteluun käytetään kolmivaiheista varoitusjärjestelmää. Järjestelmässä on vihreä, keltainen ja punainen alue. Keltaiselle alueelle saavutaan, kun seismisen tapauksen magnitudi ylittää 1,2, tai maanliikkeen huippunopeus (PGV) ylittää 1 mm/s ja magnitudi ylittää 1,0. Punainen alue saavutetaan, kun magnitudi ylittää 2,1. Tällöin pumppaustoiminta keskeytetään väliaikaisesti.

OTN-III-reiän ensimmäinen stimulointivaihe alkoi 4. kesäkuuta 2018, ja ensimmäisten kolmen viikon aikana valvontaverkko havaitsi noin 5 000 tapausta viiden kilometrin säteellä Otaniemestä. Näistä yli 500 on analysoitu käsin tarkemmin. Alustavat fokusmekanismit viittaavat käänteis- ja kulku–liukusiirrostumiseen.

Toistaiseksi suurin St1-verkon raportoima indusoitu maanjäristys on ollut voimakkuudeltaan 1,9, ja se tapahtui 8. heinäkuuta 2018 klo 20.36 Suomen aikaa. Helsingin yliopiston Seismologian instituutti arvioi järistyksen magnitudiksi 1,7. Suurimmat seismiset tapaukset on havaittu ympäri pääkaupunkiseutua ukkosen kaltaisena äänenä tai pamahduksena. Kauimmillaan järistyksiä on tunnettu Kulosaaressa asti.