GEOTERMALNE TOPLOTNE ČRPALKE - PLITVI GEOTERMALNI SISTEMI

mag. Dušan Rajver

Projekt: T-JAM (Pregled rabe geotermalne energije, ocena podzemnih teles termalne vode in priprava skupnega načrta upravljanja vodonosnikov v Mursko-Zalskem bazenu)

KDAJ: 23. 9. 2010Kje: Hotel Vivat, Moravske Toplice

OPERATIVNI PROGRAM SLOVENIJA - MADŽARSKA 2007 - 2013

Plitvi geotermalni sistemi

Zemlja (pod površjem in v plitvem podzemlju) ostaja pri relativno stalni temperaturi skozi celo leto, toplejša kot zrak nad njo med zimo in hladnejša med poletjem (kot v kraški jami).•Zunanji vir Zemljine toplote je sevanje Sonca.•Poleti se površina Zemlje zaradi intenzivnega sončnega sevanja in povišanih temperatur zraka segreva.•Kako se spreminjajo temperature v plitvem podzemlju v podnebnih razmerah Srednje Evrope?

– dober pokazatelj so dolgotrajnejše meritve do globine vsaj 20 m – primer iz naše opazovalnice v vzhodni Sloveniji•Značilne periodične spremembe so dnevne in letne temperature na površju Zemlje, ki vplivajo na obliko poteka temperature z globino (geoterme) v podzemlju.

Plitva geotermalna energija – letne spremembe: profili temperatur z globino

Plitva geotermalna energija – dnevna poprečja temperatur v globinah 1 do 10 m

Definicija geotermalne energije

• Osnovna zahteva za dosledno pravno pokritje je jasna in nedvoumna definicija geotermalne energije. To je tudi primarne važnosti v razvoju katerekoli geotermalne uredbe. Naslednja definicija, ki jo je definirala EU direktiva 2009/28/EC o pospeševanju obnovljivih virov energije (angl. Renewable Energy Sources - RES), je najprimernejša:

• »geotermalna energija je v obliki toplote shranjena energija pod površjem trdne zemlje« (EU, 2009). Direktivo uporabljajo EGEC in združenja članic EU.

Plitvi geotermalni sistemi V splošnem imamo dva možna scenarija za izkoriščanje stalne

nizke temperature tal (Sanner, 2010):

1.S toplotno črpalko povišati temperaturo zemeljske toplote na uporabljivo raven.

2.Povišati temperaturo v tleh s shranjevanjem toplote oziroma znižati temperaturo v tleh z odvzemanjem (ekstrakcijo) toplote.

Dve osnovni vrsti geotermalnih toplotnih črpalk: •na zemeljski vir toplote (zemlja-voda, angl. ground-coupled heat pump) kot zaprti krogotok in •na vodni vir toplote (voda-voda, angl. water-source heat pump) kot odprti krogotok.

Plitvi geotermalni sistemi – geotermalne toplotne črpalke

Poznamo različne plitve geotermične metode (postavitve) za odjem toplote iz plitvega podzemlja (Sanner, 2010; Lund, 2008):

prevladujoča globina postavitve

Zaprti krogotok:•Vodoravna zanka 1,2 do 2,0 m•Toplotni izmenjevalnik v vrtini (navpična zanka) 10 do 250 m•Energijski oporniki (koli, piloti) 8 do 45 m

Odprti krogotok:•Vrtina na podzemno vodo (s ponikalno vrtino) 4 do 50 m•Voda iz jezer in potokov•Voda iz rudnikov in predorov

Vrtine na podtalno vodo (Sanner, 2010; Lund, 2008) Izdelati je potrebno črpalno in ponikalno vrtino.

Prenos toplote se odvija od podzemlja na vrtino zaradi tlačne razlike.

Prednosti:

•Visoka termična kapaciteta z relativno nizkimi stroški

•Relativno visoka temperaturna raven toplotnega vira

Pomanjkljivosti :

•Vzdrževanje vrtin; fini drobni delci, minerali v vodi (“screening”, itd)

•Zahteva po vodonosniku z zadostno izdatnostjo

•Kemijsko sestavo vode je potrebno preiskati – kemizem vode je lahko največji problem!

Toplotni izmenjevalnik v vrtini (geosonda ali geotermična sonda)

Prenos toplote se odvija od tal na toplotni izmenjevalnik zaradi temperaturne razlike.

Prednosti:

•Ni potrebe po rednem vzdrževanju

•Varno delovanje

•Možno dejansko povsod

Pomanjkljivosti:

•Omejena kapaciteta na vrtino

•Relativno nizka temperaturna raven toplotnega vira

(Sanner, 2010; Lund, 2008)

Glede na različne plitve geotermične metode se postavljajo večinoma naslednji tipi geotermalnih toplotnih črpalk (Sanner, 2010):

Geotermalne toplotne črpalke (Sanner, 2010)

Geotermalne toplotne črpalke (Sanner, 2010)

Osnove geologije – kaj morajo vedeti inženirji in vrtalci?

Geološka situacija - tisti del načrta postavitve geotermalne toplotne črpalke (GTČ), ki je načrtovalec sistema ne more spremeniti. Zato se mora načrt prilagoditi geologiji, in to zahteva poznavanje geoloških podatkov (Sanner, 2010):•tip kamnine in trdota – za izdelavo vrtin ali vodnjakov za GTČ,•termične značilnosti plitvega podzemlja - za delovanje GTČ in•situacija podzemne vode (za vrtanje in delovanje GTČ).

Geološki razvoj neke regije je v geološkem času lahko silno pester.

Geologija Značilno vrtanje v mezozojskem geološkem okolju Srednje Evrope – sedimentne plasti

različne trdote in prepustnosti:•Možnost zaprtega ali pa arteškega vodonosnika,•Vrtanje bi lahko bilo udarno ali rotacijsko, odvisno od kamnine,•Geosonde (toplotni izmenjevalniki v vrtini) – vmesni prostori zapolnjeni s posebnim cementom.

Geologija

V sedimentnih kotlinah je tipično vrtanje v nesprijetih sedimentih kvartarne in terciarne starosti:•Vrtanje je rotacijsko, potrebna je začasna cevitev,•Obstaja možnost zaprtega vodonosnika ali arteške podzemne vode.

Geologija Poznavanje geologije na terenu je pomembno (Sanner, 2010): zaradi izbire pravilne metode vrtanja, da se izognemo težavam z litološkimi presenečenji - naletimo bodisi na trde, ali pa na mehke plasti - oziroma težavam s hidrogeološkimi tveganji.Poznavanje termičnih parametrov plitvega podzemlja je pomembno za pravilno načrtovanje geosonde.Poznavanje prepustnosti in toka podzemne vode je pomembno za toplotne črpalke na podzemno vodo, toda podzemna voda ima lahko tudi vpliv na geosondo (ko je Darcyjev tok velik).

Na odločitev o načinu vrtanja in predvsem na vrsto uporabljene tehnologije toplotnih črpalk vpliva tudi hidrogeološka zgradba ozemlja.

Geologija Glede termičnih lastnosti pa je dobro vedeti (Sanner, 2010):

Za geosonde postavljene v takšnih tleh, kjer prevladuje prenos toplote s prevajanjem (kondukcijo), je odločilna toplotna prevodnost zemljin in kamnin λ; Vrednosti λ so v praksi med 1 in 4 W/(m∙K).Termični preskus odzivnosti (angl. Thermal Response Test) je standardni postopek za določanje termičnih parametrov tal (plitvega podzemlja) za projekte večje od ca 50 kW.

Okoljski premisleki - možni okoljski problemi z geotermalnimi toplotnimi črpalkami

Učinek na tla in podzemno vodo:curljanje antifriza (tesnilnost sistema, tlačni test !): glikol je biorazgradljiv v tleh.ustvarjanje povezave različnih nivojskih vodonosnih plasti ali povezave vodonosnikov s površjem (kakovost zapolnjevanja / dolgotrajno tesnenje !)toplotni učinki (hlajenje vodonosnika ni problem) vedno je potrebno biti pozoren na predpise o varstvu podzemne vode !!!Ostali učinki kot so nabrekanje gline, anhidrita, itd.

Okoljski premisleki - možni okoljski problemi z geotermalnimi toplotnimi črpalkami

Možni problemi z mešanjem podzemne vode Možni problemi s tlakom podzemne vode - Nikoli ne poskušajte postaviti geosonde v arteški vodonosnik! Zapolnjevanje s cementom namreč ne bo zadostovalo (možno le za manjši nadtlak)

Hvala za pozornost!

Podrobneje o projektu T-JAM – www.t-jam.eu