Ground Source Heat Pumps (GSHP) and Underground Thermal Energy Storage (UTES) - Key Vectors to a Future Energy Transition

Ilmastonmuutos, jota pahentavat kasvavat kasvihuonekaasupäästöt, on muuttanut elämää maapallolla äkillisesti viime vuosikymmeninä. Äärimmäiset sääolosuhteet, polttoaineiden ja luonnonvarojen niukkuus, lisääntyvä sosiaalinen epätasa-arvo ja konfliktit ovat oireita siitä, että tilanne karkaa käsistä. Tässä yhteydessä energiajärjestelmämme, joita edelleen hallitsee fossiilisten polttoaineiden käyttö, ovat vastuussa korkeista päästöistä ja ilman saastumisesta erityisesti kaupungeissa. Rakennussektorin lämmitys- ja jäähdytysverkkojen dekarbonisaatio on etusijalla. Maalämpöpumput (GSHP) yhdistettyinä maanalaiseen lämpöenergian varastointiin tarjoavat kiinnostavan teknologian, joka vastaa kulutukseen ja tuotantoon mahdollistaen uusiutuvien energialähteiden tehokkaan integroinnin ja hukkalämmön kierrätyksen. Tutkimuksessa analysoidaan GSHP:n ja akviferi lämpöenergiavaraston (ATES) integrointia kaukolämpö- ja jäähdytysverkkoihin teknis-taloudellisen toteutettavuuden, tehokkuuden ja akviferin vaikutuksen kannalta. GSHP:n toiminnan ja energiajärjestelmän hallinnan kokonaisvaltaista integraatiota ja matemaattista mallintamista esitellään kahdessa suomalaisessa case-tutkimuksessa. GSHP-ATES:n toiminnan pitkäaikaisvaikutuksia simuloivien pohjavesimallien kalibroimiseksi ja validoimiseksi haetaan hydrogeologista ja maantieteellistä tietoa eri suomalaisista tietolähteistä.    Väitöskirjassa tutkitaan myös toista suomalaista case-tutkimusta ja laajamittaista GSHP/poraus-lämpöenergian varastointisovellusta (BTES) – Aalto-yliopiston uutta kampuskompleksia. Tähän erikseen kehitetty menetelmä mittaustietojen hallintaan on välttämätön, koska se pystyy käsittelemään dataa suurella epävarmuudella (lämpömittarit) käyttämällä tarkkaa dataa GSHP:n tehontarpeesta. Käyttötietoja ja relevantteja GSHP:n suoritusindikaattoreita analysoidaan ja ehdotetaan erilaisia toimenpiteitä järjestelmän toiminnan parantamiseksi. Lisäksi kehitetään useita menetelmiä pohjavedellä täytettyjen porausreikien tehollisen lämpöresistanssin arvioimiseen ja mallintamiseen käyttämällä työalgoritmia yhdistettynä BTES-simulaatiotyökaluun. On havaittu, että todellisessa käytössä tehollinen lämpöresistanssi voi vaihdella merkittävästi, ja siksi sen päivitys on ratkaisevaa BTES-kentän luotettavan pitkän aikavälin simuloinnin kannalta. Yleisenä argumenttina on, että rajallisella ja epävarmalla tiedolla on mahdollista arvioida ATES-integraatio kaukolämmön ja -jäähdytyksen osalta hyväksyttävällä tarkkuudella. Lähettämällä lämmitys- ja jäähdytyskuormat yhdellä kertaa, GSHP-ATES-integrointi on teknisesti kannattavaa ja taloudellisesti mahdollista. Silti sen vaikutus akviferiin on pitkäaikaisesti alhainen. Väitöskirja korostaa myös nykyisten GSHP–BTES-energiajärjestelmien tarkan seurannan ja mallintamisen tärkeyttä, mukaan lukien niiden pohjavedellä täytettyjen kaivojen yksityiskohtaisen mallintamisen tehokkaan, luotettavan ja kestävän pitkän aikavälin toiminnan kannalta.