Groundwater as an energy resource in Finland

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1344-3
Title: Groundwater as an energy resource in Finland
Author: Arola, Teppo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Department of Geosciences and Geography A - URN:ISSN:L1798-7911
Abstract: Increase of greenhouse gas concentrations in the atmosphere, the limits of conventional energy reservoirs and the instability risks related to energy transport have forced nations to promote the utilisation of renewable energy reservoirs. Groundwater can be seen as an option for renewable energy utilisation and not only a source of individual or municipal drinking water. Finland has multiple groundwater reservoirs that are easily exploitable, but groundwater energy is not commonly used for renewable energy production. The purpose of this thesis study was to explore the groundwater energy potential in Finland, a region with low temperature groundwater. Cases at three different scales were investigated to provide a reliable assessment of the groundwater energy potential in Finland. Firstly, the national groundwater energy potential was mapped for aquifers classified for water supply purposes that are under urban or industrial land use. Secondly, the urbanisation effect on the peak heating and peak cooling power of groundwater was investigated for three Finnish cities, and finally, the long-term groundwater energy potential was modelled for 20 detached houses, 3 apartment buildings and a shopping centre. The thesis connects scientific information on hydro- and thermogeology with the energy efficiency of buildings to produce accurate information concerning groundwater energy utilisation. Hydrological and thermogeological data were used together with accurate data on the energy demands of buildings. The heating and cooling power of groundwater was estimated based on the groundwater flux, temperature and heat capacity and the efficiency of the heat transfer system. The power producible from groundwater was compared with the heating and cooling demands of buildings to calculate the concrete groundwater energy potential. Approximately 20% to 40% of annually constructed residential buildings could be heated utilising groundwater from classified aquifers that already are under urban land use in Finland. These aquifers contain approximately 40 to 45 MW of heating power. In total, 55 to 60 MW of heat load could be utilised with heat pumps. Urbanisation increases the heating energy potential of groundwater. This is due anthropogenic heat flux to the subsurface, which increases the groundwater temperatures in urbanised areas. The average groundwater temperature was 3 to 4 °C higher in city centres than in rural areas. Approximately 50% to 60% more peak heating power could be utilised from urbanised compared with rural areas. Groundwater maintained its long term heating and cooling potential during 50 years of modelled operation in an area where the natural groundwater temperature is 4.9 °C. Long-term energy utilisation created a cold groundwater plume downstream, in which the temperature decreased by 1 to 2.5 °C within a distance of 300 m from the site. Our results demonstrate that groundwater can be effectively utilised down to a temperature of 4 °C. Groundwater can form a significant local renewable energy resource in Finland. It is important to recognise and utilise all renewable energy reservoirs to achieve the internationally binding climatological targets of the country. Groundwater energy utilisation should be noted as one easily exploitable option to increase the use of renewable energy resources in a region where the natural groundwater temperature is low. The methods presented in this thesis can be applied when mapping and designing groundwater energy systems in nationwide- to property-scale projects. Accurate information on hydro- and thermogeology together with the energy demands of buildings is essential for successful system operation.Ilmastolliset muutokset, perinteisten energiavarastojen rajallisuus ja energiapoliittiset tekijät ovat pakottaneet valtiot lisäämään uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Pohjaveden hyödyntäminen on Suomessa lähes kokonaan liitetty juomavesikäyttöön ja siten pohjavettä ei yleisesti käytetä tai tunnisteta energialähteenä. Tämä tutkimus antaa pohjavesigeologiseen, termogeologiseen ja rakennusten energiankulutustietoihin perustuvaa tietoa pohjavesienergian hyödyntämisestä. Työn tarkoituksena oli kartoittaa ja tutkia pohjaveden energiakäytön mahdollisuutta Suomessa, jossa pohjaveden luonnontilainen lämpötila vaihtelee noin 3 ja 7 °C välillä. Tutkimus tehtiin kolmessa osassa; ensin kartoitettiin koko maan kattava asuin- ja/tai teollisuuskäytössä olevien luokiteltujen pohjavesialueiden lämmitysenergiapotentiaali. Sen jälkeen tutkittiin miten kaupungistuminen on vaikuttanut pohjaveden lämpötilaan ja siten pohjaveden lämmitys- ja jäähdytysenergiapotentiaaliin Turun, Lohjan ja Lahden alueilla. Viimeisessä osiossa tutkittiin pohjaveden pitkäaikaista energiapotentiaalia 20 kerrostalon, 3 rivitalon ja kauppakeskuksen energiatarpeisiin alueella, jossa pohjaveden luonnontilainen lämpötila on 4.9 °C. Pohjavedestä laskettua lämmitys- ja jäähdytystehoa ja energiaa verrattiin erityyppisten rakennusten teho- ja energiatarpeisiin. Vertauksen tuloksena voitiin määrittää konkreettinen pohjaveden energiapotentiaali. Asuin- ja teollisuuskäyttöön kaavoitetuilta pohjavesialueilta voitaisiin pohjavedestä tuottaa lämpöpumpulla noin 55 60 MW lämmitystehoa. Tällä teholla voitaisiin lämmittää noin 20 40 % Suomessa vuosittain rakennettavista asuinrakennuksista. Pohjaveden keskimääräisen lämpötilan todettiin olevan kaupunkien keskustojen alueella 3 4 °C korkeampi kuin luonnontilaisilla alueilla. Tämä lämpiäminen nostaa pohjavedestä hyödynnettävää lämmitystehoa noin 50 60 %. Pohjavesi säilytti lämmitys- ja jäähdytyspotentiaalin 50 vuoden mallinnuksessa omakoti- ja rivitalojen sekä kauppakeskuksen energiatarpeisiin nähden. Pitkän ajan pohjaveden energianhyödyntäminen alensi sen luonnontilaista lämpötilaa 1 2.5 °C 300 m etäisyydellä kohteesta. Tutkimus osoitti, että pohjavettä voidaan tehokkaasti hyödyntää Suomen olosuhteissa minimissään 4 °C lämpötilaan asti. Pohjavesi voi muodostaa merkittävän paikallisen uusiutuvan energialähteen Suomessa. Kaikkien uusiutuvien energialähteiden käyttömahdollisuudet on huomioitava, jotta Suomi saavuttaa sille asetetut ilmastolliset tavoitteet. Pohjavesienergian onnistunut hyödyntäminen edellyttää laaja-alaista pohjavesi- ja termogeologista sekä rakennusten energiatekniikan osaamista ja näiden alojen yhteistyötä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1344-3
http://hdl.handle.net/10138/158293
Date: 2015-12-18
Subject: geologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
groundwa.pdf 2.060Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record