G EOTERMALNE TOPLOTNE ČRPALKE - PLITVI GEOTERMALNI SISTEMI mag. Dušan Rajver

1. GEOTERMALNE TOPLOTNE ČRPALKE - PLITVI GEOTERMALNI SISTEMImag. 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. 2010 Kje: Hotel Vivat, Moravske Toplice OPERATIVNI PROGRAM SLOVENIJA- MADŽARSKA 2007 - 2013

2. 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.

3. Plitva geotermalna energija– letne spremembe: profili temperatur z globino

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

5. 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.

6. Plitvi geotermalni sistemi V splošnem imamo dva možna scenarija za izkoriščanje stalne nizke temperature tal (Sanner, 2010): • S toplotno črpalko povišati temperaturo zemeljske toplote na uporabljivo raven. • 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.

7. 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

8. 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!

9. 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)

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

11. Geotermalne toplotne črpalke (Sanner, 2010)

12. Geotermalne toplotne črpalke (Sanner, 2010)

13. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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)

21. Hvala za pozornost!Podrobneje o projektu T-JAM – www.t-jam.eu