Geotermální systém

1.4.2 Vlastnosti a použití geotermálních systémů

Geotermální systémy se skládají ze tří hlavních součástí: zdroje tepla, chladiče a výměníku tepla. Zdrojem tepla je obvykle země, zatímco chladičem je zastavěné prostředí (obecně stavba). Může však nastat i opačný případ, tj. zdrojem tepla je zastavěné prostředí, zatímco chladičem je země. Výměník tepla je obecně tvořen jedním nebo více prvky obsahujícími kapalinu, která přenáší teplo mezi zdrojem tepla a chladičem.

Použití země jako zásobníku tepla, tj. zdroje nebo chladiče, je výsledkem dlouhého historického vývoje, který lze často řešit pouze na základě nepřímých úvah (Cataldi, 1999). Některé příklady raného vývoje jejich typu jsou uvedeny níže. V raných sumerských a akkadských dobách byla země využívána jako chladič k uchovávání ledu (a potravin) v takzvaných „ledových domech“ budovaných částečně nebo zcela pod zemí (např. Dalley, 2002), a to na základě omezené náklonnosti těchto prostředí k povrchovým tepelným podmínkám. V paleolitu a ve starověkém Římě byla země využívána jako zdroj tepla ke koupání a vytápění prostor (např. Armstead, 1973), a to na základě přítomnosti zdrojů horké vody v podzemí (např. termálních pramenů). V roce 1904 byla země využita jako zdroj tepla pro výrobu elektrické energie prostřednictvím výstavby první geotermální elektrárny princem Pierem Ginori Contim v Itálii (např. Lungonelli, 2003).

Jedním z klíčových rysů geotermálních systémů je způsob využití tepelné energie, která je prostřednictvím těchto systémů získávána ze země. V mělkých geotermálních systémech se obvykle využívá geotermální energie nepřímo. V takových případech se používají stroje nebo zařízení, které upravují (zvyšují nebo snižují) příkon energie přenášené mezi zemí a cílovým prostředím, a dále stroje nebo zařízení, které nutí teplonosnou kapalinu, aby mezi nimi proudila (vyměňovala teplo). V hlubinných geotermálních systémech lze geotermální energii využívat přímo, pokud není cílem nepřímé využití. Na rozdíl od předchozího případu se lze za těchto okolností vyhnout strojům, které mění příkon energie přenášené mezi zemí a cílovým prostředím, a jsou zapotřebí pouze stroje, které nutí teplonosnou kapalinu proudit mezi zemí a cílovým prostředím.

Malé geotermální systémy lze použít k vytápění, chlazení a přípravě teplé vody s využitím teplot dostupných v podzemí nižších než 25 °C. Tyto systémy jsou vhodné pro malé a domácí použití v téměř jakékoli zeměpisné poloze. Hluboké geotermální systémy lze použít k zajištění vytápění a ohřevu teplé vody i elektrické energie s využitím teplot dostupných v podzemí vyšších než 25 °C až do 200 °C . Tyto systémy jsou vhodné pro středně rozsáhlé až rozsáhlé využití, ale lze je použít v konkrétnějších lokalitách než mělké geotermální systémy.

Kromě dříve navržené klasifikace geotermálních systémů se pro jejich charakteristiku často používá ještě jedno kritérium, které souvisí s přítomností uzavřených nebo otevřených smyček ve výměníku tepla. Na základě tohoto kritéria lze geotermální systémy ve většině případů klasifikovat jako systémy s uzavřenou nebo otevřenou smyčkou. Systémy s uzavřenou smyčkou využívají směs na bázi vody cirkulující uzavřeným potrubím k přenosu tepla ze země do nosné konstrukce nebo naopak. Systémy s otevřenou smyčkou využívají v uvažovaném procesu výměny tepla přímo podzemní vodu získávanou z vodonosných vrstev nebo do nich vtláčenou prostřednictvím vrtů.

Zásadní rozdíl mezi systémy s uzavřenou a otevřenou smyčkou spočívá v tom, že v těchto systémech dochází na rozdíl od prvních k výměně hmoty a přenos tepla je příznivější. Systémy s otevřenou smyčkou však, přestože poskytují nejvyšší energetický výnos, vyžadují větší finanční vstupy a představují technická rizika spojená například se znečištěním podzemí (Boënnec, 2008). Protože nedochází k výměně hmoty se zemí, systémy s uzavřenou smyčkou minimalizují rizika pro životní prostředí a problémy s minerálními srážkami a nevyžadují nutnost získat povolení k těžbě (Narsilio et al., 2014). Mělké geotermální systémy mohou být buď s otevřenou, nebo s uzavřenou smyčkou. Hlubinné geotermální systémy jsou s otevřenou smyčkou.

Obrázek 1.11 uvádí typické příklady mělkých a hlubinných geotermálních systémů. Typickými mělkými geotermálními systémy jsou horizontální geotermální vrty, geotermální koše, systémy zachycování podzemní vody, vertikální geotermální vrty a energetické geostruktury. Typickými hlubokými geotermálními systémy jsou termální prameny, hydrotermální systémy a petrotermální systémy.

Obrázek 1.11. Klasifikace geotermálních systémů.

Změněno podle Geothermie Schweiz.

Horizontální geotermální vrty jsou nejmělčím typem geotermálních systémů. Tyto systémy se obvykle skládají z uzavřených polyethylenových trubek vyoraných nebo vykopaných vodorovně v zemi vedle budov v hloubce několika metrů (od hloubky z= 2-5 m). V potrubí cirkulující teplonosná kapalina umožňuje výměnu tepla přítomného v zemi (převážně v důsledku slunečního záření), zejména pro účely vytápění v obytných, zemědělských nebo akvakulturních aplikacích. Akumulačních účelů však lze dosáhnout i v těch situacích, kdy jsou vrty umístěny pod budovami.

Geotermální koše představují kompaktnější systém než horizontální geotermální vrty a lze je použít pro podobné účely. Tyto systémy jsou obvykle uloženy v zemi v hloubce několika metrů (od hloubky z= 2-10 m) a skládají se z uzavřených polyethylenových trubek upevněných ve spirálové geometrii, v nichž proudí teplonosná kapalina. Možné jsou také aplikace, kdy jsou spirálové spirály umístěny v povrchových vodních nádržích vedle budov, pokud jsou tyto nádrže umístěny dostatečně hluboko, aby se zabránilo problematickým podmínkám pro provoz systému, například zamrznutí vody v nádrži, a tím i cirkulující teplonosné kapaliny v potrubí.

Systémy zachycování podzemní vody využívají otevřené vrty obklopené zásobníky podzemní vody umístěné v malé hloubce (od hloubky z= 5-20 m). Tyto systémy lze použít, pokud neexistují žádná hydrologická, geologická a environmentální omezení. Obvykle se používají pro účely vytápění získáváním tepelné energie přítomné v podpovrchové vodě. U malých staveb lze použít jednotlivé vrty. Větší stavby obvykle vyžadují dvojité vrty. Pro zajištění vyváženého podzemního tepelného pole, které je nezbytné z hlediska výkonu a v některých případech i z hlediska ochrany životního prostředí, mohou být použity těžební a injekční vrty.

Vertikální geotermální vrty se skládají z uzavřených polyethylenových trubek, které jsou uloženy vertikálně v zemi pod budovami nebo vedle nich ve větších hloubkách než předchozí aplikace (od hloubky z= 50-300 m). Do vrtu se obvykle vkládá výplňový materiál (např. bentonit), aby se zlepšila výměna tepla mezi zemí a trubkami. Teplonosná kapalina cirkulující v potrubí umožňuje výměnu tepla pro účely vytápění, chlazení, akumulace a výroby teplé vody v nejrůznějších typech staveb. Jednotlivé vrty mohou zásobovat malé obytné stavby. Pokud je cílem zásobovat tepelnou energií větší stavby, jsou zapotřebí vrtná pole. Vertikálními geotermálními vrty lze dosáhnout vyšších energetických příkonů, než jsou příkony přenášené mělčími geotermálními systémy, a to z důvodu vyšších teplotních úrovní charakterizujících půdu v uvažovaných hloubkách.

Energetické geostruktury jsou nové geotermální systémy, které spojují (od hloubky z=10-50 m) podpůrnou úlohu jakékoliv konstrukce ve styku se zemí s úlohou tepelného výměníku mělkých geotermálních systémů se srovnatelnými a dokonce příznivějšími výsledky než dříve popsané systémy.

Termální prameny lze obecně klasifikovat jako hlubinné geotermální systémy, i když se mohou nacházet i v hloubkách charakteristických pro mělké geotermální systémy. Tyto systémy využívají otevřené vrty obklopené zásobníky horké podzemní vody, které se nacházejí relativně hluboko v podloží (od hloubky z= 500-1000 m). Obvykle se využívají ke koupání a léčebným účelům díky získávání tepelné energie přítomné v podpovrchové vodě.

Hydrotermální systémy získávají podzemní vodu prostřednictvím otevřených vrtů z hloubek, které umožňují dostatečně vysokou teplotu a přítomnou tepelnou energii pro realizaci rozsáhlých aplikací vytápění (od hloubky z= 1000-4000 m). Typické využití těchto systémů je pro dálkové vytápění, ale vhodně lze dosáhnout i vytápění velkých průmyslových nebo zemědělských staveb.

Petrotermální systémy rovněž odebírají podzemní vodu prostřednictvím otevřených vrtů, ale z větších hloubek než hydrotermální systémy (z hloubky z= 4000-6000 m). Teplotu a tepelnou energii přítomnou ve vodě v těchto hloubkách lze využít pro výrobu a dodávku elektrické energie ve velkém měřítku.

.