Sistemul geotermic

1.4.2 Caracteristici și utilizare a sistemelor geotermice

Sistemele geotermice sunt alcătuite din trei componente principale: o sursă de căldură, un radiator și un schimbător de căldură. În mod obișnuit, sursa de căldură este solul, în timp ce radiatorul de căldură este un mediu construit (în general, o structură). Cu toate acestea, se poate întâmpla și invers, adică sursa de căldură este un mediu construit, în timp ce radiatorul de căldură este solul. Schimbătorul de căldură este, în general, constituit din unul sau mai multe elemente care conțin un fluid care transferă căldura între sursa de căldură și radiator.

Utilizarea solului ca rezervor de căldură, adică sursă sau radiator de căldură, este rezultatul unor evoluții istorice îndelungate care, adesea, pot fi abordate doar pe baza unor considerații indirecte (Cataldi, 1999). Câteva exemple de dezvoltare timpurie de acest tip sunt enumerate în continuare. La începutul epocii sumeriene și akkadiene, solul a fost utilizat ca rezervor de căldură pentru a stoca gheață (și alimente) în așa-numitele „case de gheață” construite parțial sau complet sub pământ (de exemplu, Dalley, 2002), pe baza afecțiunii limitate a acestor medii față de condițiile termice de la suprafață. În paleolitic și în epoca romană antică, solul a fost folosit ca sursă de căldură pentru scăldat și încălzirea spațiilor (de exemplu, Armstead, 1973), pe baza prezenței unor surse de apă caldă în subsol (de exemplu, izvoare termale). În 1904, solul a fost folosit ca sursă de căldură pentru producerea de energie electrică prin construirea primei centrale geotermale de către Prințul Piero Ginori Conti în Italia (de exemplu, Lungonelli, 2003).

O caracteristică cheie a sistemelor geotermale este modul în care energia termică care este colectată din sol este utilizată prin intermediul acestor sisteme. În sistemele geotermale de mică adâncime, se face de obicei o utilizare indirectă a energiei geotermale. În astfel de cazuri se folosesc mașini sau dispozitive care modifică (măresc sau reduc) aportul de energie transferat între sol și mediul țintă, pe lângă mașinile sau dispozitivele care forțează un fluid purtător de căldură să circule (schimb de căldură) între ele. În sistemele geotermale de adâncime se poate face o utilizare directă a energiei geotermale atunci când nu este vizată o utilizare indirectă. Spre deosebire de cazul anterior, în această împrejurare pot fi evitate mașinile care modifică aportul de energie transferat între sol și mediul țintă și sunt necesare doar mașinile care forțează un fluid purtător de căldură să circule între sol și mediul țintă.

Sistemele geotermice de adâncime pot fi folosite pentru a furniza încălzire, răcire și apă caldă, folosind temperaturi disponibile în subteran mai mici de 25°C. Aceste sisteme sunt potrivite pentru uz casnic și la scară mică, în aproape orice locație geografică. Sistemele geotermale de adâncime pot fi utilizate pentru a furniza încălzire și apă caldă, precum și energie electrică, folosind temperaturi disponibile în subteran mai mari de 25°C și până la 200°C . Aceste sisteme sunt adecvate pentru utilizări la scară medie și mare, dar pot fi aplicate în locații mai particulare decât sistemele geotermale de mică adâncime.

În plus față de clasificarea sistemelor geotermale propusă anterior, un criteriu suplimentar este adesea utilizat pentru a caracteriza aceste sisteme și este legat de prezența buclelor închise sau deschise în schimbătorul de căldură. Pe baza acestui criteriu, sistemele geotermale pot fi clasificate, în majoritatea cazurilor, ca fiind sisteme cu buclă închisă sau cu buclă deschisă. Sistemele cu buclă închisă utilizează un amestec pe bază de apă care circulă prin conducte etanșe pentru a transfera căldura din sol către suprastructură sau invers. Sistemele cu buclă deschisă utilizează direct apa subterană extrasă din sau injectată în acvifere prin puțuri în procesul de schimb de căldură considerat.

Diferența crucială dintre sistemele cu buclă închisă și cu buclă deschisă este că în cele din urmă are loc un schimb de masă, spre deosebire de primele, iar transferul de căldură este mai favorabil. Cu toate acestea, deși oferă cel mai mare randament energetic, sistemele cu buclă deschisă necesită un aport financiar mai mare și prezintă riscuri tehnice legate, de exemplu, de poluarea subterană (Boënnec, 2008). Deoarece nu există un schimb de masă cu solul, sistemele în circuit închis reduc la minimum riscurile de mediu și problemele legate de precipitațiile minerale și nu necesită obținerea de licențe de extracție (Narsilio et al., 2014). Sistemele geotermale de mică adâncime pot fi fie în buclă deschisă, fie în buclă închisă. Sistemele geotermale de adâncime sunt în buclă deschisă.

Figura 1.11 prezintă exemple tipice de sisteme geotermale de mică și mare adâncime. Sistemele geotermale de mică adâncime tipice sunt foraje geotermale orizontale, coșuri geotermale, sisteme de captare a apelor subterane, foraje geotermale verticale și geostructuri energetice. Sistemele geotermale de adâncime tipice sunt izvoarele termale, sistemele hidrotermale și sistemele petrotermale.

Figura 1.11. Clasificarea sistemelor geotermale.

Modificat după Geothermie Schweiz.

Găurile de foraj geotermale orizontale sunt cel mai puțin adânc tip de sisteme geotermale. Aceste sisteme constau, de obicei, din țevi închise din polietilenă, arate sau săpate orizontal în sol, lângă clădiri, la câțiva metri adâncime (de la o adâncime de z= 2-5 m). În conducte, un fluid termic circulant permite schimbul de căldură prezentă în sol (predominant ca urmare a radiației solare), în special în scopul încălzirii în aplicații rezidențiale, agricole sau de acvacultură. Cu toate acestea, scopurile de stocare pot fi realizate și în acele situații în care forajele sunt plasate sub clădiri.

Cestele geotermice reprezintă un sistem mai compact decât forajele geotermice orizontale și pot fi utilizate în scopuri similare. Aceste sisteme sunt de obicei îngropate în pământ la câțiva metri adâncime (de la o adâncime de z= 2-10 m) și constau din țevi închise din polietilenă fixate într-o geometrie spiralată în care circulă un fluid purtător de căldură. Sunt, de asemenea, posibile aplicații în care serpentinele spiralate sunt amplasate în rezervoare de apă de suprafață de lângă clădiri, cu condiția ca aceste rezervoare să fie situate la o adâncime suficientă pentru a evita condițiile problematice pentru funcționarea sistemului, de exemplu înghețarea apei din rezervor și, prin urmare, a fluidului purtător de căldură care circulă în conducte.

Sistemele de captare a apei subterane utilizează puțuri deschise înconjurate de rezervoare de apă subterană situate la adâncimi mici (de la o adâncime de z= 5-20 m). Aceste sisteme pot fi aplicate atunci când nu sunt prezente constrângeri hidrologice, geologice și de mediu. Ele sunt utilizate în mod obișnuit în scopuri de încălzire prin extragerea energiei termice prezente în apa subterană. În cazul construcțiilor mici, se pot utiliza puțuri unice. Construcțiile mai mari necesită, de obicei, puțuri dublete. Pot fi utilizate puțuri de extracție și de injecție pentru a asigura un câmp termic subteran echilibrat, ceea ce este esențial pentru performanță și, în unele cazuri, pentru probleme de mediu.

Puțurile geotermale verticale constau din conducte închise din polietilenă care sunt înglobate vertical în sol sub sau lângă clădiri, la adâncimi mai mari decât aplicațiile anterioare (de la o adâncime de z= 50-300 m). Un material de umplere (de exemplu, bentonită) este de obicei plasat în gaura de sondă pentru a spori schimbul de căldură între sol și conducte. Un fluid purtător de căldură care circulă în conducte permite schimbul de căldură în scopul încălzirii, răcirii, stocării și producerii de apă caldă în cele mai diverse tipuri de construcții. Un singur foraj poate alimenta construcții rezidențiale mici. Câmpurile de foraje sunt necesare atunci când se urmărește alimentarea cu energie termică a unor construcții mai mari. Prin intermediul forajelor geotermale verticale se pot obține aporturi energetice mai mari decât cele transferate prin sisteme geotermale mai puțin adânci, datorită nivelurilor mai ridicate de temperatură care caracterizează solul la adâncimile considerate.

Geostructurile energetice sunt sisteme geotermice noi care cuplează (de la o adâncime de z=10-50 m) rolul de suport structural al oricărei structuri în contact cu solul cu rolul de schimbător de căldură al sistemelor geotermice de mică adâncime, cu rezultate comparabile și chiar mai favorabile decât sistemele descrise anterior.

În general, izvoarele termale pot fi clasificate ca sisteme geotermice de adâncime, deși pot fi găsite și la adâncimi caracteristice sistemelor geotermice de mică adâncime. Aceste sisteme utilizează puțuri deschise înconjurate de rezervoare de apă subterană fierbinte care sunt situate relativ adânc în subsol (de la o adâncime de z= 500-1000 m). Ele sunt utilizate în mod obișnuit pentru scăldat și în scopuri medicale prin extragerea energiei termice prezente în apa din subsol.

Sistemele hidrotermale extrag apa subterană prin puțuri deschise de la adâncimi care permit ca temperatura și energia termică prezente să fie suficient de ridicate pentru a realiza aplicații de încălzire la scară largă (de la o adâncime de z= 1000-4000 m). Utilizările tipice ale acestor sisteme sunt pentru încălzirea urbană, dar se poate realiza în mod convenabil și încălzirea construcțiilor industriale sau agricole de mari dimensiuni.

Sistemele petrotermale extrag, de asemenea, apa subterană prin puțuri deschise, dar de la adâncimi mai mari decât sistemele hidrotermale (de la o adâncime de z= 4000-6000 m). Temperatura și energia termică prezente în apă la aceste adâncimi pot fi utilizate pentru producerea și alimentarea cu energie electrică la scară largă.

.