System geotermalny

1.4.2 Cechy i zastosowanie systemów geotermalnych

Systemy geotermalne składają się z trzech głównych komponentów: źródła ciepła, radiatora i wymiennika ciepła. Zazwyczaj źródłem ciepła jest grunt, podczas gdy radiatorem jest środowisko zabudowane (ogólnie rzecz biorąc, konstrukcja). Może być jednak również odwrotnie, tzn. źródłem ciepła jest środowisko zabudowane, a radiatorem – grunt. Wymiennik ciepła składa się zazwyczaj z jednego lub więcej elementów zawierających płyn, który przenosi ciepło pomiędzy źródłem ciepła a radiatorem.

Wykorzystanie gruntu jako zasobnika ciepła, czyli źródła lub rozpraszacza ciepła, jest wynikiem długiego rozwoju historycznego, który często może być rozpatrywany tylko na podstawie pośrednich rozważań (Cataldi, 1999). Poniżej podano kilka przykładów wczesnego rozwoju tego typu. We wczesnych czasach sumeryjskich i akadyjskich ziemia była wykorzystywana jako radiator do przechowywania lodu (i żywności) w tak zwanych „domach lodowych” zbudowanych częściowo lub całkowicie pod ziemią (np. Dalley, 2002), w oparciu o ograniczoną wrażliwość tych środowisk na warunki termiczne panujące na powierzchni. W paleolicie i w czasach starożytnego Rzymu ziemia była wykorzystywana jako źródło ciepła do kąpieli i ogrzewania pomieszczeń (np. Armstead, 1973), co wynikało z obecności źródeł gorącej wody pod powierzchnią ziemi (np. źródeł termalnych). W 1904 r. ziemia została wykorzystana jako źródło ciepła do produkcji energii elektrycznej poprzez budowę pierwszej elektrowni geotermalnej przez księcia Piero Ginori Conti we Włoszech (np. Lungonelli, 2003).

Jedną z kluczowych cech systemów geotermalnych jest sposób, w jaki energia cieplna pozyskiwana z ziemi jest wykorzystywana przez takie systemy. W płytkich systemach geotermalnych zazwyczaj wykorzystuje się energię geotermalną w sposób pośredni. W takich przypadkach stosuje się maszyny lub urządzenia, które modyfikują (zwiększają lub zmniejszają) wkład energii przekazywanej pomiędzy gruntem a środowiskiem docelowym, a także maszyny lub urządzenia, które wymuszają przepływ (wymianę ciepła) płynu będącego nośnikiem ciepła pomiędzy nimi. W głębokich systemach geotermalnych możliwe jest bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej, gdy nie jest celowe wykorzystanie pośrednie. W przeciwieństwie do poprzedniego przypadku, w tym przypadku można uniknąć maszyn, które modyfikują wkład energii przekazywanej między gruntem a środowiskiem docelowym, a wymagane są jedynie maszyny, które wymuszają przepływ płynu będącego nośnikiem ciepła między gruntem a środowiskiem docelowym.

Płytkie systemy geotermalne mogą być stosowane do zapewnienia ogrzewania, chłodzenia i gorącej wody, wykorzystując temperatury dostępne pod ziemią poniżej 25°C. Systemy te są odpowiednie do zastosowań na małą skalę i do użytku domowego w prawie każdym położeniu geograficznym. Głębokie systemy geotermalne mogą być stosowane do ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, a także do wytwarzania energii elektrycznej, przy wykorzystaniu temperatur dostępnych pod ziemią powyżej 25°C i do 200°C. Systemy te są odpowiednie do zastosowań na małą skalę i do użytku domowego w prawie każdym miejscu geograficznym. Systemy te są odpowiednie do zastosowań na średnią i dużą skalę, ale mogą być stosowane w bardziej szczególnych lokalizacjach niż płytkie systemy geotermalne.

Oprócz wcześniej zaproponowanej klasyfikacji systemów geotermalnych, do ich charakterystyki często stosuje się dodatkowe kryterium związane z obecnością zamkniętych lub otwartych pętli w wymienniku ciepła. W oparciu o to kryterium systemy geotermalne można w większości przypadków sklasyfikować jako systemy z zamkniętą lub otwartą pętlą. Systemy z zamkniętą pętlą wykorzystują mieszaninę wodną krążącą w szczelnych rurach do przekazywania ciepła z gruntu do konstrukcji nośnej lub odwrotnie. Systemy z obiegiem otwartym bezpośrednio wykorzystują wodę gruntową wydobywaną z warstw wodonośnych lub wtłaczaną do nich przez studnie w rozważanym procesie wymiany ciepła.

Zasadnicza różnica między systemami z obiegiem zamkniętym i otwartym polega na tym, że w tych drugich, w przeciwieństwie do pierwszych, zachodzi wymiana masy, a wymiana ciepła jest korzystniejsza. Jednak systemy z obiegiem otwartym, mimo że zapewniają najwyższy uzysk energii, wymagają większych nakładów finansowych i stwarzają zagrożenia techniczne związane np. z zanieczyszczeniami podziemnymi (Boënnec, 2008). Ze względu na brak wymiany masy z gruntem, systemy o obiegu zamkniętym minimalizują zagrożenia środowiskowe i kwestie związane z opadami mineralnymi, a także nie wymagają konieczności uzyskania koncesji wydobywczych (Narsilio i in., 2014). Płytkie systemy geotermalne mogą mieć obieg otwarty lub zamknięty. Głębokie systemy geotermalne mają obieg otwarty.

Na rys. 1.11 przedstawiono typowe przykłady płytkich i głębokich systemów geotermalnych. Typowymi płytkimi systemami geotermalnymi są poziome otwory geotermalne, kosze geotermalne, systemy wychwytywania wód podziemnych, pionowe otwory geotermalne i geostruktury energetyczne. Typowymi głębokimi systemami geotermalnymi są źródła termalne, systemy hydrotermalne i systemy petrotermalne.

Rysunek 1.11. Klasyfikacja systemów geotermalnych.

Zmodyfikowano za Geothermie Schweiz.

Poziome otwory geotermalne są najpłytszym rodzajem systemów geotermalnych. Systemy te składają się zazwyczaj z zamkniętych rur polietylenowych wyoranych lub wykopanych poziomo w ziemi obok budynków na głębokości kilku metrów (od głębokości z= 2-5 m). W rurach tych krążąca ciecz będąca nośnikiem ciepła umożliwia wymianę ciepła obecnego w gruncie (głównie w wyniku promieniowania słonecznego), zwłaszcza w celach grzewczych w budownictwie mieszkaniowym, rolnictwie lub akwakulturze. Jednakże cele magazynowania mogą być również osiągnięte w sytuacjach, w których otwory są umieszczone pod budynkami.

Kosze geotermalne reprezentują bardziej kompaktowy system niż poziome otwory geotermalne i mogą być wykorzystywane do podobnych celów. Systemy te są zazwyczaj zakopywane w ziemi na głębokości kilku metrów (od głębokości z= 2-10 m) i składają się z zamkniętych rur polietylenowych zamocowanych w geometrii spiralnej, w których przepływa płyn będący nośnikiem ciepła. Możliwe są również zastosowania, w których wężownice spiralne umieszczone są w zbiornikach wód powierzchniowych przy budynkach, pod warunkiem, że zbiorniki takie znajdują się na tyle głęboko, że nie występują w nich warunki problematyczne dla działania systemu, np. zamarzanie wody zbiornikowej, a tym samym krążącego w rurach nośnika ciepła.

Systemy wychwytywania wody gruntowej wykorzystują studnie otwarte otoczone zbiornikami wód gruntowych położonymi na niewielkiej głębokości (od głębokości z= 5-20 m). Systemy te mogą być stosowane, gdy nie występują ograniczenia hydrologiczne, geologiczne i środowiskowe. Zazwyczaj są one wykorzystywane do celów grzewczych poprzez pozyskiwanie energii cieplnej obecnej w wodach podziemnych. W przypadku małych konstrukcji mogą być stosowane pojedyncze studnie. Większe konstrukcje wymagają zwykle studni podwójnych. Odwierty wydobywcze i zatłaczające mogą być stosowane w celu zapewnienia zrównoważonego podziemnego pola termicznego, co jest istotne dla wydajności i, w niektórych przypadkach, dla ochrony środowiska.

Pionowe odwierty geotermalne składają się z zamkniętych rur polietylenowych, które są osadzone pionowo w ziemi pod budynkami lub obok nich na głębokościach większych niż poprzednie zastosowania (od głębokości z= 50-300 m). W otworze zwykle umieszcza się materiał wypełniający (np. bentonit), aby zwiększyć wymianę ciepła między gruntem a rurami. Krążący w rurach nośnik ciepła umożliwia wymianę ciepła na potrzeby ogrzewania, chłodzenia, magazynowania i produkcji ciepłej wody użytkowej w najróżniejszych typach budynków. Pojedyncze odwierty mogą zaopatrywać małe budynki mieszkalne. W celu zaopatrzenia w energię cieplną większych obiektów konieczne jest zastosowanie pól odwiertów. W pionowych otworach geotermalnych można uzyskać większe ilości energii niż w płytszych systemach geotermalnych ze względu na wyższe poziomy temperatur charakteryzujące grunt na rozpatrywanych głębokościach.

Geostruktury energetyczne są nowatorskimi systemami geotermalnymi, które łączą (od głębokości z=10-50 m) rolę podpory konstrukcyjnej każdej struktury kontaktującej się z gruntem z rolą wymiennika ciepła płytkich systemów geotermalnych z porównywalnymi, a nawet bardziej korzystnymi wynikami niż poprzednio opisane systemy.

Źródła termalne mogą być ogólnie sklasyfikowane jako głębokie systemy geotermalne, chociaż można je również znaleźć na głębokościach charakterystycznych dla płytkich systemów geotermalnych. Systemy te wykorzystują otwarte studnie otoczone gorącymi zbiornikami wód podziemnych, które znajdują się stosunkowo głęboko w podpowierzchni (od głębokości z= 500-1000 m). Są one zazwyczaj wykorzystywane do celów kąpielowych i medycznych poprzez wykorzystanie energii cieplnej obecnej w wodach podziemnych.

Systemy hydrotermalne wydobywają wody podziemne poprzez otwarte studnie z głębokości, która pozwala na uzyskanie temperatury i energii cieplnej wystarczająco wysokiej, aby zrealizować zastosowania grzewcze na dużą skalę (od głębokości z= 1000-4000 m). Typowe zastosowania tych systemów to ciepłownictwo komunalne, ale możliwe jest również ogrzewanie dużych obiektów przemysłowych lub rolniczych.

Systemy petrotermalne również wydobywają wody podziemne poprzez otwarte studnie, ale z większych głębokości niż systemy hydrotermalne (z głębokości z= 4000-6000 m). Temperatura i energia cieplna obecna w wodzie na tych głębokościach może być wykorzystana do produkcji i dostarczania energii elektrycznej na dużą skalę.