Geotermiska system

1.4.2 Egenskaper och användning av geotermiska system

Geotermiska system består av tre huvudkomponenter: en värmekälla, en värmesänka och en värmeväxlare. Typiskt sett är värmekällan marken medan värmesänkan är en byggd miljö (i allmänhet en konstruktion). Det motsatta kan dock också inträffa, dvs. att värmekällan är en byggd miljö medan värmesänkan är marken. Värmeväxlaren består i allmänhet av ett eller flera element som innehåller en vätska som överför värmen mellan värmekällan och värmesänken.

Användning av marken som värmebehållare, dvs. värmekälla eller värmesänka, är ett resultat av en lång historisk utveckling som ofta endast kan behandlas utifrån indirekta överväganden (Cataldi, 1999). Några exempel på tidig utveckling av deras typ anges nedan. Under tidig sumerisk och akkadisk tid användes marken som värmesänka för att lagra is (och mat) i så kallade ”ishus” som konstruerades delvis eller helt under jord (t.ex. Dalley, 2002), baserat på den begränsade känsligheten hos dessa miljöer för de termiska förhållandena på ytan. Under paleolitikum och romersk forntid användes marken som värmekälla för bad och rumsuppvärmning (t.ex. Armstead, 1973), eftersom det fanns varmvattenkällor under ytan (t.ex. termiska källor). År 1904 användes marken som värmekälla för elproduktion via byggandet av det första geotermiska kraftverket av prins Piero Ginori Conti i Italien (t.ex. Lungonelli, 2003).

En viktig egenskap hos geotermiska system är det sätt på vilket den värmeenergi som hämtas från marken används via sådana system. I ytliga geotermiska system sker vanligtvis en indirekt användning av den geotermiska energin. Maskiner eller anordningar som ändrar (förstärker eller sänker) den energitillförsel som överförs mellan marken och målmiljön, förutom maskiner eller anordningar som tvingar en värmebärande vätska att flöda (utbyta värme) mellan dem, används i sådana fall. I djupa geotermiska system kan geotermisk energi användas direkt när en indirekt användning inte är möjlig. Till skillnad från föregående fall kan maskiner som ändrar den energitillförsel som överförs mellan marken och målmiljön undvikas i detta fall och endast maskiner som tvingar en värmebärande vätska att flöda mellan marken och målmiljön behövs.

Djupt liggande geotermiska system kan användas för att tillhandahålla uppvärmning, kylning och varmvatten med hjälp av temperaturer som finns tillgängliga i underjorden på mindre än 25°C. Dessa system är lämpliga för småskaligt bruk och hushållsbruk på nästan alla geografiska platser. Djupa geotermiska system kan användas för uppvärmning och varmvatten samt elkraft med temperaturer under jord som är högre än 25 °C och upp till 200 °C . Dessa system lämpar sig för medel- till storskalig användning, men kan användas på mer speciella platser än ytliga geotermiska system.

Förutom den tidigare föreslagna klassificeringen av geotermiska system används ofta ytterligare ett kriterium för att karakterisera dessa system, och det är relaterat till förekomsten av slutna eller öppna kretsar i värmeväxlaren. Utifrån detta kriterium kan geotermiska system i de flesta fall klassificeras som antingen slutna eller öppna system. I slutna kretslopp används en vattenbaserad blandning som cirkulerar i slutna rör för att överföra värmen från marken till överbyggnaden eller vice versa. Öppna system använder direkt grundvatten som utvinns från eller injiceras i akviferer genom brunnar i den aktuella värmeväxlingsprocessen.

Den avgörande skillnaden mellan slutna och öppna system är att det i de senare systemen sker ett massutbyte, till skillnad från i de förstnämnda, och att värmeöverföringen är mer gynnsam. Även om de ger det högsta energiutbytet kräver dock öppna kretsloppssystem en större ekonomisk insats och innebär tekniska risker i samband med till exempel föroreningar i underjorden (Boënnec, 2008). Eftersom det inte sker något massutbyte med marken minimerar slutna kretsloppssystem miljörisker och problem med mineralutfällning, och kräver inte heller att man behöver erhålla utvinningstillstånd (Narsilio et al., 2014). Grunda geotermiska system kan vara antingen öppna eller slutna kretslopp. Djupa geotermiska system är öppna kretslopp.

I fig. 1.11 presenteras typiska exempel på ytliga och djupa geotermiska system. Typiska ytliga geotermiska system är horisontella geotermiska borrhål, geotermiska korgar, grundvatteninfångningssystem, vertikala geotermiska borrhål och geostrukturer för energi. Typiska djupa geotermiska system är termiska källor, hydrotermiska system och petrotermiska system.

Figur 1.11. Klassificering av geotermiska system.

Modifierad efter Geothermie Schweiz.

Horisontella geotermiska borrhål är den ytligaste typen av geotermiska system. Dessa system består vanligtvis av slutna polyetenrör som plöjs eller grävs ner horisontellt i marken intill byggnader på några meters djup (från ett djup av z= 2-5 m). I rören finns en cirkulerande värmebärande vätska som gör det möjligt att utbyta den värme som finns i marken (huvudsakligen som en följd av solstrålning), särskilt för uppvärmning i bostäder, jordbruk eller vattenbruk. Lagringsändamål kan dock också uppnås i de situationer där borrhålen placeras under byggnader.

Geotermiska korgar utgör ett mer kompakt system än horisontella geotermiska borrhål och kan användas för liknande ändamål. Dessa system är vanligtvis nedgrävda i marken på några meters djup (från ett djup av z= 2-10 m) och består av slutna polyetenrör som fästs i en spiralformad geometri i vilken en värmebärande vätska strömmar. Tillämpningar där spiralspiraler placeras i ytvattenreservoarer intill byggnader är också möjliga, förutsatt att sådana reservoarer ligger tillräckligt djupt för att undvika problematiska förhållanden för systemets funktion, t.ex. frysning av reservoarvattnet och därmed av den cirkulerande värmebärarvätskan i rören.

I system för uppsamling av grundvatten används öppna brunnar som är omgärdade av grundvattenreservoarer som är belägna på små djup (från ett djup på z= 5-20 m). Dessa system kan användas när det inte finns några hydrologiska, geologiska eller miljömässiga begränsningar. De används vanligtvis för uppvärmning genom att utvinna den värmeenergi som finns i vattnet under markytan. För små konstruktioner kan enskilda brunnar användas. Större konstruktioner kräver vanligtvis dubbla brunnar. Utvinnings- och injektionsbrunnar kan användas för att säkerställa ett balanserat termiskt fält i underjorden, vilket är viktigt för prestanda och i vissa fall miljöhänsyn.

Vertikala geotermiska borrhål består av slutna polyetenrör som är inbäddade vertikalt i marken under eller intill byggnader på djupare djup än de tidigare tillämpningarna (från ett djup på z= 50-300 m). Ett fyllnadsmaterial (t.ex. bentonit) placeras vanligtvis i borrhålet för att förbättra värmeutbytet mellan marken och rören. En värmebärande vätska som cirkulerar i rören gör det möjligt att utbyta värme för uppvärmning, kylning, lagring och varmvattenproduktion i de mest varierande konstruktionstyperna. Enstaka borrhål kan försörja små bostadsbyggnader. Borrhålsfält krävs om man vill försörja större byggnader med värmeenergi. Genom vertikala geotermiska borrhål kan man uppnå högre energitillförsel än den som överförs genom ytligare geotermiska system på grund av de högre temperaturnivåerna som kännetecknar marken på de aktuella djupen.

Energigeostrukturer är nya geotermiska system som (från ett djup av z=10-50 m) kopplar ihop den strukturella stödfunktionen hos alla konstruktioner som är i kontakt med marken med värmeväxlarfunktionen hos ytliga geotermiska system, med jämförbara och till och med gynnsammare resultat än de tidigare beskrivna systemen.

Thermiska källor kan generellt sett klassificeras som djupa geotermiska system, även om de också kan hittas på djup som är karakteristiska för ytliga geotermiska system. I dessa system används öppna brunnar som omges av varma grundvattenreservoarer som ligger relativt djupt i underjorden (från ett djup av z= 500-1000 m). De används vanligtvis för bad och medicinska ändamål genom att utvinna den termiska energin i vattnet under ytan.

Hydrotermiska system utvinner grundvatten genom öppna brunnar på djup som gör att temperaturen och den termiska energin är tillräckligt hög för att möjliggöra storskaliga uppvärmningstillämpningar (från ett djup av z= 1000-4000 m). Typiska användningsområden för dessa system är fjärrvärme, men uppvärmning av stora industri- eller jordbruksbyggnader kan också uppnås på ett lämpligt sätt.

Petrotermiska system utvinner också grundvatten genom öppna brunnar, men från djupare djup än hydrotermiska system (från ett djup på z= 4000-6000 m). Den temperatur och termiska energi som finns i vattnet på dessa djup kan användas för storskalig elproduktion och elförsörjning.