Keskisyvän (600–800 m) lämpökaivon ja tutkimusreiän poraus sekä niiden ympärille perustettava pysyvä geoenergian tutkimus- ja kehitysympäristön toteutus (T&K ympäristö)

Linnanmaan kampusalueelle porataan keskisyvä lämpökaivo ja tutkimusreikä vähintään 600 metrin syvyyteen ja noin 10–15 metrin etäisyydelle toisistaan. Keskisyvien kaivojen poraus on olennainen osa projektia, millä tavoitellaan rutiininomaista syvempien lämpökaivojen porausta toistettavuuden myötä. Porauksessa syntyvää kokemusperäistä tietoa hyödynnetään porausprosessin dokumentoinnissa, jotta keskisyviä lämpökaivoja voidaan tulevaisuudessa porata nopeammin ja pienemmillä kustannuksilla.

Lämpökaivo, tutkimusreikä ja niihin pysyvästi asennettava mittausinstrumentaatio sekä lämpökaivoon yhdistettävä lämpöpumppu muodostavat yhdessä kiinteistön kanssa tutkimus- ja kehitysympäristön. T&K ympäristössä suoritetaan erilaisia mittauksia ja kokeita sekä kehitetään geoenergian mittausmenetelmiä keskisyviin lämpökaivoihin soveltuviksi. Lämpökaivoon ja tutkimusreikään asennetaan valokuitukaapelit. Ne mittaavat kaivon eri osien lämpötiloja ja niiden muutoksia operointiolosuhteiden, kuten lämmönoton tai -syötön eli latauksen muuttuessa. Mittaustietoa saadaan koko kaivon syvyydeltä ajan funktiona.

Geoenergian tutkimus- ja kehitysympäristö toimii pysyvänä demonstraatioalustana tutkimus- ja opetuskäytössä projektin aikana ja myös sen jälkeen.

Lämpökaivosta ja tutkimusreiästä tehtävät mittaukset, menetelmä- ja laitekehitys, näytteenotto ja geoenergian tuoton arviointi mallinnuksella

• Näytteenotto: Keskisyvän lämpökaivon ja tutkimusreiän porauksen yhteydessä poraussoijasta otetaan näytteitä, joiden mineraalikoostumus analysoidaan laboratoriossa. Mineraalikoostumus antaa tietoa maa- ja kallioperän ominaisuuksista, esimerkiksi eri mineraalien jakautumisesta lämpökaivossa ja tutkimusreiässä syvyyden suhteen.
  Soija-analyysitietoja voidaan hyödyntää geoenergian in situ -mittauksissa (kts. alla TRT-, DTRT- ja ADTS-mittaukset) saadun tiedon kanssa, kun arvioidaan kaivoja ympäröivän kallioperän lämmönjohtavuutta. Poraussoijasta analysoitu tieto kootaan geoenergian tietopankkiin ja yhdistetään lämpökaivojen porausprosessin dokumentointiin. Tiedoilla pyritään lisäämään suunnittelu-, mitoitus- ja porausosaamista.

• Mittaukset, menetelmä- ja laitekehitys: Mittaus- ja menetelmäkehityksellä parannetaan geoenergiajärjestelmien kustannustehokasta suunnittelua ja mitoitusta. Tavoitteena on kehittää geoenergia-alalle, erityisesti keskisyviin lämpökaivoihin soveltuvia mittausmenetelmiä huomioimalla sekä konsulttien tarpeet että tieteellinen tarkkuus.Projektissa kehitetään perinteistä termistä vastetestiä eli TRT-mittausta keskisyviin lämpökaivoihin sopivaksi sekä valokuituteknologiaan perustuvia DTRT- ja ADTS-menetelmiä (engl. Distributed Thermal Response Test ja Active Distributed Temperature Sensing). Menetelmillä saadaan joko keskiarvostettua (TRT) tai yksityiskohtaisempaa, kerroksittaista tietoa (DTRT, ADTS) kaivoa ympäröivän kallioperän lämmönjohtavuudesta ja kaivon lämpövastuksista.
  Menetelmäkehityksen lopputuloksena annetaan suositukset eri syvyisiin kaivoihin sopivista in situ mittausmenetelmistä. Lisäksi pyritään parantamaan valokuitumittausten kalibrointia ja mittaustarkkuutta.Pohjois-Pohjanmaan maakunnallisen teeman yhtenä tavoitteena on kehittää GTK:n, OAMK:n ja Oulun yliopiston yhteistyönä uudenlaisen mittalaitteen prototyyppi, jolla voidaan määrittää pohjaveden liikesuunta ja nopeus maa- ja kallioperässä. Näiden parametrien tunteminen on keskeistä geoenergian tuotantokenttien lämmön talteenoton ja varastoinnin optimaalisessa suunnittelussa, liittyen esimerkiksi kaivojen sijoitteluun ja lämpöhäviöiden minimoimiseen. Pohjaveden virtauksen ymmärtäminen auttaa huolehtimaan siitä, että suunniteltu geoenergian tuotantokenttä toimii halutulla tavalla, sillä se vaikuttaa myös kyseisten järjestelmien tehokkuuteen.

• Geoenergian tuoton arviointi: Edellä mainituilla menetelmillä tehdyillä mittauksilla saatuja maa- ja kallioperän ominaisuustietoja hyödynnetään geoenergian tuottoarvioissa. Teoreettisia malleja ja niiden tuottoarvioita voidaan tarkentaa, kun niihin yhdistetään relevantti geologinen mittaustieto.

Geoenergian lämmöntuotannollisten mahdollisuuksien selvittäminen valikoiduissa pilottikohteissa ja hybridilaboratoriossa

Oulun ammattikorkeakoulu OAMK selvittää geoenergian lämmöntuotannollisia mahdollisuuksia sekä hybridilaboratoriossa että valikoiduissa pilottikohteissa. Tavoitteena on lisätä geoenergian investointeja ja käyttöä.

Hybridienergiatutkimuksen ja -opetuksen kehittäminen

OAMK keskittyy hybridienergiatutkimuksen ja -opetuksen kehittämisessä erityisesti projektissa porattavien lämpökaivon ja tutkimusreiän ympärille rakennettavan tutkimus- ja kehitysympäristön (T&K ympäristö) toteuttamiseen hybridilaboratoriossa. Hybridilaboratoriossa demonstroidaan tuuli-, sähkö- ja aurinkoenergiaa sekä perinteisiä energialähteitä. T&K ympäristö integroidaan geoenergian opetukseen osana oppilaitoksen opetustarjontaa.

Keskisyvän lämpökaivon maalämpöpumpun digitaalisen kaksosen laatiminen

Oulun yliopistossa laaditaan keskisyvän kaivon lämpöpumpun digitaalinen kaksonen, joka integroidaan hybridienergialaboratorion digitaaliseen kaksoseen. Tämä antaa mahdollisuuden verrata keskisyvää lämpöpumppua muihin lämmitysratkaisuihin ja mitoittaa lämmitysratkaisuja eri kohteille.

Käytännössä digitaalinen kaksonen toteutetaan virtuaalisena mallina järjestelmän fyysisistä ominaisuuksista. Virtuaalisen mallin avulla mallinnetaan lämpöpumpun käyttäytyminen, mukaan lukien lämmönsiirtoprosessit, tehokkuuskäyrät ja säätöalgoritmit. Tämän pohjalta kehitetään simulaatiomalli, joka jäljittelee lämpöpumpun käyttäytymistä. Lopuksi kirjoitetaan säätöalgoritmi, joka säätelee lämpöpumpun toiminnan kaivosta saadun lämpötilan ja energian tarpeen perusteella.