Geotermisk system

1.4.2 Egenskaber og anvendelse af geotermiske systemer

Geotermiske systemer består af tre hovedkomponenter: en varmekilde, en varmesænke og en varmeveksler. Typisk er varmekilden jorden, mens varmesænken er et bygget miljø (generelt en struktur). Det modsatte kan dog også forekomme, dvs. at varmekilden er et bygget miljø, mens varmesænken er jorden. Varmeveksleren består generelt af et eller flere elementer, der indeholder en væske, som overfører varmen mellem varmekilden og varmesænken.

Anvendelse af jorden som varmereservoir, dvs. varmekilde eller varmesænke, er et resultat af en lang historisk udvikling, som ofte kun kan behandles ud fra indirekte overvejelser (Cataldi, 1999). Nogle eksempler på tidlige udviklinger af deres art er anført i det følgende. I tidlig sumerisk og akkadisk tid blev jorden brugt som varmesænke til at opbevare is (og mad) i såkaldte “ishuse”, der blev bygget helt eller delvist under jorden (f.eks. Dalley, 2002), baseret på disse miljøers begrænsede følsomhed over for de termiske forhold i overfladen. I den palæolitiske og romerske oldtid blev jorden brugt som varmekilde til badning og rumopvarmning (f.eks. Armstead, 1973) på grund af tilstedeværelsen af kilder til varmt vand i undergrunden (f.eks. termiske kilder). I 1904 blev jorden brugt som varmekilde til elproduktion via opførelsen af det første geotermiske kraftværk af fyrst Piero Ginori Conti i Italien (f.eks. Lungonelli, 2003).

Et centralt træk ved geotermiske systemer er den måde, hvorpå den termiske energi, der høstes fra jorden, udnyttes via sådanne systemer. I overfladiske geotermiske systemer sker der typisk en indirekte udnyttelse af den geotermiske energi. I sådanne tilfælde anvendes maskiner eller anordninger, der ændrer (øger eller sænker) det energitilskud, der overføres mellem jorden og målmiljøet, foruden maskiner eller anordninger, der tvinger en varmebærende væske til at strømme (udveksle varme) mellem dem. I dybe geotermiske systemer kan der ske en direkte udnyttelse af geotermisk energi, når der ikke er tale om en indirekte udnyttelse. I modsætning til det foregående tilfælde kan maskiner, der ændrer den energitilførsel, der overføres mellem jorden og målmiljøet, undgås i dette tilfælde, og der er kun behov for maskiner, der tvinger en varmebærende væske til at strømme mellem jorden og målmiljøet.

Dybe geotermiske systemer kan anvendes til at levere varme, køling og varmt vand ved hjælp af temperaturer under 25 °C i undergrunden. Disse systemer er velegnede til brug i lille skala og til husholdningsbrug på næsten alle geografiske steder. Dybe geotermiske systemer kan anvendes til at levere varme og varmt vand samt elektrisk energi ved hjælp af temperaturer i undergrunden på over 25 °C og op til 200 °C . Disse systemer er velegnede til mellemstore til store anvendelser, men kan anvendes på mere specielle steder end overfladiske geotermiske systemer.

Ud over den tidligere foreslåede klassificering af geotermiske systemer anvendes der ofte et yderligere kriterium til at karakterisere disse systemer, og det vedrører tilstedeværelsen af lukkede eller åbne kredsløb i varmeveksleren. På grundlag af dette kriterium kan geotermiske systemer i de fleste tilfælde klassificeres som enten systemer med lukkede eller åbne kredsløb. Ved lukkede kredsløb anvendes en vandbaseret blanding, der cirkulerer i lukkede rør til at overføre varmen fra jorden til overbygningen eller omvendt. Åbne kredsløbssystemer anvender direkte grundvand, der udvindes fra eller injiceres i grundvandsmagasiner gennem brønde i den betragtede varmeudvekslingsproces.

Den afgørende forskel mellem lukkede og åbne kredsløbssystemer er, at der i sidstnævnte systemer sker masseudveksling i modsætning til førstnævnte, og at varmeoverførslen er mere gunstig. Selv om de giver det højeste energiudbytte, kræver åbne kredsløbssystemer imidlertid en større finansiel indsats og indebærer tekniske risici i forbindelse med f.eks. forurening af undergrunden (Boënnec, 2008). Da der ikke er nogen masseudveksling med jorden, minimerer lukkede kredsløbssystemer miljørisici og problemer med mineraludfældning og kræver ikke behov for at opnå udvindingstilladelser (Narsilio et al., 2014). Lavvandede geotermiske systemer kan være enten åbne eller lukkede kredsløb. Dybe geotermiske systemer er open-loop.

Figur 1.11 viser typiske eksempler på overfladiske og dybe geotermiske systemer. Typiske overfladiske geotermiske systemer er horisontale geotermiske borehuller, geotermiske kurve, grundvandsopsamlingssystemer, vertikale geotermiske borehuller og energi-geostrukturer. Typiske dybe geotermiske systemer er termiske kilder, hydrotermiske systemer og petrotermiske systemer.

Figur 1.11. Klassifikation af geotermiske systemer.

Modificeret efter Geothermie Schweiz.

Horisontale geotermiske borehuller er den mest lavvandede type af geotermiske systemer. Disse systemer består typisk af lukkede polyethylenrør, der pløjes eller graves horisontalt ned i jorden ved siden af bygninger i nogle få meters dybde (fra en dybde på z= 2-5 m). I rørene cirkulerer en varmebærende væske, som gør det muligt at udveksle den varme, der er til stede i jorden (hovedsagelig som følge af solstråling), især til opvarmningsformål i boliger, i landbruget eller i akvakultur. Der kan dog også opnås lagringsformål i de situationer, hvor boringerne er placeret under bygninger.

Geotermiske kurve udgør et mere kompakt system end horisontale geotermiske borehuller og kan anvendes til lignende formål. Disse systemer er typisk nedgravet i jorden i få meters dybde (fra en dybde på z= 2-10 m) og består af lukkede polyethylenrør, der er fastgjort i en spiralgeometri, hvori en varmebærende væske strømmer. Anvendelser, hvor spiralspiralerne er placeret i overfladevandreservoirer ved siden af bygninger, er også mulige, forudsat at sådanne reservoirer er placeret dybt nok til at undgå problematiske forhold for systemets drift, f.eks. frysning af reservoirvandet og dermed af den cirkulerende varmebærervæske i rørene.

Grundvandsopsamlingssystemer anvender åbne brønde omgivet af grundvandsmagasiner, der er placeret i lav dybde (fra en dybde på z= 5-20 m). Disse systemer kan anvendes, når der ikke er hydrologiske, geologiske og miljømæssige begrænsninger. De anvendes typisk til opvarmningsformål ved at udvinde den termiske energi, der er til stede i vandet under overfladen. Til små konstruktioner kan der anvendes enkelte brønde. Større konstruktioner kræver normalt dobbeltbrønde. Der kan anvendes ekstraktions- og injektionsbrønde for at sikre et afbalanceret termisk felt i undergrunden, hvilket er vigtigt af hensyn til ydeevnen og i nogle tilfælde af hensyn til miljøet.

Lodrette geotermiske boringer består af lukkede polyethylenrør, der er indstøbt lodret i jorden under eller ved siden af bygninger i større dybde end de tidligere anvendelser (fra en dybde på z= 50-300 m). Der anbringes normalt et fyldmateriale (f.eks. bentonit) i borehullet for at forbedre varmevekslingen mellem jorden og rørene. En varmebærende væske, der cirkulerer i rørene, gør det muligt at udveksle varme med henblik på opvarmning, køling, lagring og produktion af varmt vand i de mest forskellige konstruktionstyper. Enkelte borehuller kan forsyne små boligbyggerier. Boringsfelter er nødvendige, hvis man ønsker at forsyne større bygninger med varmeenergi. Ved vertikale geotermiske boringer kan der opnås større energitilførsler end dem, der overføres gennem mindre dybdegående geotermiske systemer, fordi temperaturen i jorden i de pågældende dybder er højere.

Energige geostrukturer er nye geotermiske systemer, der (fra en dybde på z=10-50 m) kobler den strukturelle støttefunktion, som enhver struktur i kontakt med jorden har, med varmevekslerfunktionen i lavvandede geotermiske systemer med sammenlignelige og endog mere gunstige resultater end de tidligere beskrevne systemer.

Thermiske kilder kan generelt klassificeres som dybe geotermiske systemer, selv om de også kan findes i dybder, der er karakteristiske for lavvandede geotermiske systemer. Disse systemer anvender åbne brønde, der er omgivet af varme grundvandsreservoirer, som ligger relativt dybt i undergrunden (fra en dybde på z= 500-1000 m). De anvendes typisk til bade- og medicinske formål ved at udnytte den termiske energi, der er til stede i vandet under overfladen.

Hydrotermiske systemer indvinder grundvand gennem åbne brønde i dybder, hvor temperaturen og den termiske energi er tilstrækkelig høj til, at der kan gennemføres opvarmningsanvendelser i stor skala (fra en dybde på z= 1000-4000 m). Typiske anvendelser af disse systemer er fjernvarme, men opvarmning af store industri- eller landbrugsbyggerier kan også opnås med fordel.

Petrotermiske systemer indvinder også grundvand gennem åbne brønde, men fra større dybder end hydrotermiske systemer (fra en dybde på z= 4000-6000 m). Den temperatur og termiske energi, der er til stede i vandet i disse dybder, kan udnyttes til elproduktion og -forsyning i stor skala.