Jak se využívá zemské teplo?

Mezi obnovitelné zdroje energie se také rozlišuje geotermální energie: zařízení s tepelnými čerpadly, geotermální elektrárny. Řekneme vám, jak fungují, na jakém principu fungují a kde jsou relevantní.

Expert: Igor Valigun – vystudoval Ruskou chemicko-technologickou univerzitu pojmenovanou po. Mendělejev, specializace: environmentální inženýr, specialista na obnovitelné zdroje energie (tepelná čerpadla), kandidát ekonomických věd v oblasti obnovitelné energie.

Jak můžete využít geotermální energii

Geotermální energii je zvláště důležité využít tam, kde jsou přírodní podzemní termální vody, vulkanická činnost a gejzíry. Dokonce i v severním podnebí – na Sibiři a na Dálném východě. Tepelné instalace s geotermálními čerpadly lze využít v podnikání, průmyslu i pro soukromé spotřebitele – k vytápění škol, školek a bytových domů. Geotermální energii lze získávat pomocí geotermálních elektráren a geotermálních tepelných čerpadel.

Existují dva typy geotermálních instalací. První využívají horké prameny (gejzíry, sopky) s teplotami od 100 do 1300 ºC. Druhým typem jsou zařízení, která využívají teplo ze země nízké kvality.

Horké prameny

Přibližně polovina všech geotermálních elektráren provozovaných ve světě funguje na ložiskách suché páry z termální podzemní vody. Ale jejich počet je malý a téměř všechny se nacházejí tam, kde jsou gejzíry a termální vody: v Rusku je takových míst málo – na Kamčatce, na západní Sibiři (Omsk, Novosibirská oblast), v Dagestánu. Účinnost a atraktivita takové energie je samozřejmě velmi velká: čistý, bezplatný a nevyčerpatelný zdroj tepla – zní fantastická předpověď těch nejodvážnějších futurologů.

Geotermální elektrárny využívají přímou metodu získávání tepla z podzemní vody. Je to docela jednoduché: voda se čerpá potrubím uloženým ve studnách. Při průchodu těmito trubkami se voda ohřívá a pod tlakem se mění v páru, která při výstupu ze země naráží na lopatky jednotek parních turbín (STU) a roztáčí je. Současně PTU generují elektrickou energii a pára se opět mění na vodu, která jde do podzemí pro ohřev a cyklus se opakuje.

Geotermální elektrárny byly postaveny na Kamčatce, Islandu, Keni, Novém Zélandu – všude tam, kde je relativně dostupný zdroj vysoké teploty (>100 ºC – protože voda se musí přeměňovat v páru). A zároveň je pára snadno dostupná – není potřeba extrémně nákladné vrtání vrtů mnoho kilometrů hluboko do zemské kůry. Například v geotermální elektrárně Pauzhetskaya (území Kamčatka) se používají vrty s hloubkami od 366 m do 1205 m.

Horká pára z geotermální elektrárny samozřejmě může sloužit jako zdroj tepla pro kotelny a lze ji využít k vytápění vesnic a měst v okolí geotermálními elektrárnami, díky čemuž je zásobování teplem velmi dostupné a ekologické.

Teplo země

Ale ne všude v Rusku jsou sopky a gejzíry. Proto se používá druhý typ geotermálních zařízení s nízkopotenciálním teplem ze země. Vždyť v hloubce 8–10 m teplota nikdy neklesne pod +4–10 ºC (v závislosti na regionu). V zimě je tedy venku -20 ºC a v podzemí +5 ºC. Tepelné čerpadlo odebírá toto teplo ze země, soustřeďuje je a předává do topného systému budovy jako teplo o teplotě 45–75 ºC.

Geotermální instalace s tepelnými čerpadly obvykle neslouží k výrobě elektrické energie, ale častěji se využívají přímo k vytápění budov. Tepelné čerpadlo odebírá teplo/energii z jakýchkoli zdrojů nekvalitního tepla (voda, vzduch, země s nízkou teplotou ~5–8 ºC) a soustřeďuje je a následně předává k vytápění budov.

Plynofikace sídel v Rusku je přibližně 70% a na zbývajících 30% území může být použití topných systémů založených na geotermálních čerpadlech téměř jedinou alternativou k palivovému dřevu, protože solární ani větrná energie není schopna zcela vytápět budovy. . Pro vytápění jsou účinnější čerpadla půda-voda: odebírají teplo z půdy a předávají ho vodě cirkulující v topném systému budov.

K odběru tepla z půdy nebo podzemní vody se používá tzv. primární teplosměnný okruh: je to smyčková trubka uložená v zemině, v níž cirkuluje chladivo (nejčastěji roztok alkoholu ve vodě). Chladivo se při průchodu vrstvou země (nebo spodní vody) ohřeje na 4–8 ºC a vlastně „přivádí“ teplo do tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo pomocí freonu a kompresoru přeměňuje 4–8 ºC na 45–70 ºC (tedy koncentruje) a předává toto teplo vodě cirkulující v potrubí topného systému budovy.

Takové instalace mohou být buď malé (určené pro nízkopodlažní a chatovou výstavbu – a těch je nyní většina) nebo určené pro vytápění vícepodlažních budov. Ten je stále raritou – v Ruské federaci existuje několik pilotních projektů.

Zkušenosti v podnikání a zemědělství

Geotermální zařízení byla v SSSR využívána v jižních oblastech k zásobování teplem skleníků a k vytápění rybníků (akvakultura) a bazénů. Od roku 1966 úspěšně fungují systémy zásobování teplem založené na geotermálních instalacích ve městech Machačkala, Kizlyar, Izberbash a dalších osadách Dagestánu. V roce 1969 poskytla geotermální zařízení teplo 15 hektarům skleníků v Machačkale.

V roce 1985 dosáhla roční produkce geotermální vody na území Krasnodar 8,5 milionu m³, byly vytápěny obytné budovy v sedmi osadách a 30 hektarů skleníků. Geotermální chladivo bylo nejprve dodáváno do vytápění budov, poté do skleníků pro pěstování rajčat, okurek a citronů. Poté při teplotě 30 ºС vstoupila do rybníků geotermální voda.

V 1990. letech celá tato infrastruktura chátrala. Práce jediného ruského Ústavu geotermálních problémů Ruské akademie věd v Machačkale nebyla žádaná. Stát a podniky spoléhaly na uhlovodíky bez rozvoje obnovitelných zdrojů energie.

Jak na tom vydělat peníze?

V současné době v kontextu prudkého růstu cen energií a obrovské inflace ožívá zájem o geotermální energii, ale rozvoj projektů v této oblasti vyžaduje čas a peníze. Opět se zvedá vlna zájmu o geotermální energii: můžete získat dotace v rámci spolkového projektu Čistý vzduch, v jehož rámci stát částečně kompenzuje přechod na ekologičtější typy zdrojů tepla.

Potenciál využití geotermální energie v průmyslu je poměrně velký, zejména na jihu Ruské federace. V roce 2015 byl na poli Khankala (Čečenská republika) vybudován geotermální topný systém o výkonu 3 MW s reinjektáží odpadního chladiva pro zásobování teplem 8,7 hektarů skleníků. Tepelná čerpadla lze navíc v létě použít jako klimatizaci, protože teplota o několik metrů pod zemí je nižší než teplota vzduchu. Tímto způsobem je dosaženo úspor na dodatečné instalaci klimatizací.

Výhody geotermální elektřiny

• Vysoká šetrnost k životnímu prostředí. Ve srovnání s tradiční uhlovodíkovou energií nedochází téměř k žádným emisím skleníkových plynů, z nichž hlavní je oxid uhličitý produkovaný spalováním fosilních paliv (uhlí, ropa, plyn).
• Obnovitelnost. Nevyčerpatelný zdroj energie (s využitím ~1 % zemské energie lze pokrýt veškeré energetické potřeby lidstva).
• Vysoká účinnost. Na 1 kW spotřebované energie (především ve formě elektřiny vynaložené na pohon kompresoru) je tepelné čerpadlo v závislosti na podmínkách schopno dodat 4–5 kW tepelné energie.

Nevýhody geotermální elektřiny

• Vysoké kapitálové náklady. Jak pro samotné tepelné čerpadlo, tak pro vrtání studní. Náklady na tepelné čerpadlo jsou od ₽250 tis.. Pro srovnání: elektrokotel stojí od ₽15 tis., plynový kotel pro soukromý dům – od 60 tis. trvá roky a může být mnohem dražší než celý geotermální projekt).

Někdy jsou náklady na vrtání studní pro primární okruh tepelného čerpadla více než 50 % nákladů celého projektu. Podle Světové banky se náklady na provádění geologického průzkumu a počátečního pilotního vrtného programu pro tři až pět geotermálních vrtů pohybují od 20 do 30 milionů dolarů.

Nízká účinnost systému u tradičních radiátorů. Pokud je nutné dosáhnout vysokých teplot v sekundárním okruhu, vykazují tepelná čerpadla nižší účinnost ve srovnání s tradičními topnými systémy. Proto se lépe kombinují s aktuálně oblíbeným systémem podlahového vytápění, který vyžaduje teplotu chladicí kapaliny 45 ºC, než s tradičními radiátory, jejichž systém vyžaduje teplotu chladicí kapaliny 75 ºC.

V případě tepelných čerpadel platí, že čím nižší je teplotní rozdíl na vstupu do tepelného čerpadla a na výstupu, tím vyšší je účinnost. Například za stejných okolností srovnejme zimu v Paříži a v moskevské oblasti. Teplota vzduchu v Paříži v zimě je asi -3 ºС a teplota země je +10 ºС, rozdíl je 13 ºС. V zimě v Moskevské oblasti je průměrná teplota vzduchu -15 ºС a teplota půdy je pouze +5 ºС, rozdíl je 20 ºС. A pokud vezmeme dva stejné soukromé domy, jejichž vytápění vyžaduje řekněme 12 kW tepelné energie za hodinu, pak v Paříži budeme muset nainstalovat méně výkonný model čerpadla, což znamená, že kompresor bude spotřebovávat méně elektřiny, potřeba udělat méně vrtů v zemi, což znamená, že délka potrubí a objem alkoholového chladiva budou menší než v Rusku. Při zachování všech ostatních podmínek jsou náklady na získání 1 kW tepelné energie v Ruské federaci vyšší než v Evropě. To ale neznamená, že tepelná čerpadla není v Ruské federaci vhodné používat, pouze kapitálové investice budou větší. Je vhodné je použít tam, kde není možnost dodávky plynu.

Geotermální energie v jiných zemích

Podle Světové banky je globální potenciál geotermální energie mezi 70 a 80 GW. K výrobě elektřiny se však v současnosti využívá pouze 15 % známých světových zásob geotermální energie a celková kapacita těchto zařízení je pouze 13 GW.

Geotermální energie je aktivně využívána v USA a Číně – tyto země jsou nyní v tomto směru nezpochybnitelnými lídry, ale Japonsko je již dohání. Geotermální zdroje se úspěšně využívají k výrobě energie na Filipínách, v Indonésii a na Novém Zélandu.

Spojené státy financují výstavbu geotermální elektrárny v Nikaragui, která by měla pokrýt energetické potřeby země z 20 %. Úspěch geotermálních elektráren je částečně způsoben mírnějšími klimatickými podmínkami v těchto zemích.

Ale je tu také příklad Islandu, severské země s drsným klimatem. V roce 2014 tam byla spuštěna první geotermální elektrárna na světě fungující v průmyslovém měřítku. Je postaven na sopečném kráteru a energii přijímá ze zemského magmatu (v tomto místě se magma dostává co nejblíže k povrchu, teplota tam dosahuje stovek stupňů Celsia). Vrty v této stanici proto nejsou hluboké – pouze 2 km.

Podstatou geotermální energie je využití přirozeného tepla země v hloubce 1,5 m. Tento jeden z alternativních způsobů vytápění je aktivně využíván v průmyslových podnicích, venkovských farmách a obytných budovách. Největší efekt je dosažen v oblastech, kde teplota klesá pod -20 stupňů.

Většina naší země, za Uralem na Sibiři na Dálném východě, se nemůže pochlubit mírně chladnými zimami jako v evropské části Ruska. Často teploměr klesne pod -40 -45 stupňů. Široce známá a cenově dostupná vzduchová tepelná čerpadla v těchto podmínkách ztrácejí svůj význam, protože nejpokročilejší modely jsou schopny efektivně pracovat s nízkopotenciálním zdrojem tepla s teplotami do -20.

Půda a voda pokrytá sněhem přitom zadržují velké množství tepla. Teplota země pod bodem mrazu zůstává vždy kladná +8 +12. V této situaci je logické opustit snadno dostupný nízkopotenciální zdroj vzduchu ve prospěch stabilnější a tepelně náročnější půdy a vody.

Je třeba si také uvědomit, že účinnost tepelného čerpadla, respektive jeho COP, přímo závisí na teplotě zdroje. Čím je teplejší, tím je proces přeměny energie efektivnější.

Význam geotermálního vytápění

Tradiční druhy paliva každým rokem zdražují a při použití uhlovodíků se do atmosféry uvolňuje obrovské množství škodlivin. To vše vysvětluje atraktivitu alternativních zdrojů energie. Například ve Švédsku z 10 nových venkovských domů 7 používá popsaný způsob vytápění. Navíc, na rozdíl od všeobecného přesvědčení, pro efektivní fungování systému nejsou potřeba blízko umístěné gejzíry nebo sopky: na rovině nefunguje topení o nic hůř. Geotermální vytápění domu zahrnuje využití tepla z půdy a podzemních vod, které jsou relativně snadno dostupné. K získání 4-5 kW/h energie potřebuje tepelné čerpadlo 1 kilowatthodinu. Vlastnosti systému:

• environmentální a požární bezpečnost;
• žádný hluk během provozu;
• malé rozměry systému;
• offline mód;
• zařízení umístěné v domě vyžaduje prostor srovnatelný s rozměry běžné pračky;
• při správné instalaci a konfiguraci není nutný lidský zásah;
• dlouhá životnost: tepelná čerpadla vydrží 20 až 30 let;
• vysoká stabilita systému fungujícího za všech povětrnostních podmínek;
• dlouhý interval mezi preventivními opravami čerpadla (až 100 tisíc hodin).

Princip

Poprvé byl publikován již v roce 1824 ve Francii vědcem Sadi Carnotem. Efekt geotermálního vytápění lze přirovnat ke starému typu lednice. V něm je teplo odváděno přes výměník mimo chladicí komoru: v důsledku toho se obsah domácího spotřebiče ochladí. Geotermální metoda naopak tlačí chlad do země a teplo se v interiéru akumuluje.

Podle termodynamického zákona má teplo z ohřátého tělesa tendenci přecházet do chladného tělesa a vstupovat do rovnovážného stavu. Vlivem expanze-vypařování chladiva se zvětšuje jeho objem a klesá teplota, tepelná energie země se snaží tyto procesy vyrovnávat. Při kontaktu se zemí prostřednictvím mezilehlého chladiva absorbuje freon své teplo. To však na vytápění budovy nestačí.

Systém má tři hlavní součásti:

;
• kolektor umístěný pod zemí;
• systém vytápění domu.

Jak funguje tepelné čerpadlo

Navenek to připomíná malou ledničku, mezi jejíž hlavní prvky stojí za to zdůraznit:

• ERV: freonové škrtící zařízení. Ochlazené kapalné chladivo je pod vysokým tlakem vstřikováno do výparníku při nízkém tlaku.
• Odpařovač. Zde se chladivo odpařuje a studený plyn absorbuje okolní teplo.
• Kompresor, ve kterém se vytváří tlak, díky kterému se plyn zahřeje na +70 stupňů.
• Kondenzátor: horký freonový plyn je zde přiváděn z kompresoru, aby kondenzoval a opět odevzdával teplo, aby se přeměnil na kapalinu. Přes stěny kondenzátoru dochází k výměně tepla mezi freonem a chladicí kapalinou cirkulující v topném systému budovy.

Jedinečnost tepelného čerpadla (HP) spočívá v tom, že může fungovat jako chladicí systém během horkého období. Nejefektivnější je použití tohoto zařízení s nízkoteplotním topným systémem, vyhřívanými podlahami nebo fancoily. Při výběru čerpadla byste měli vzít v úvahu následující parametry:

• SOR. Zkratka je akceptována v mnoha zemích světa a označuje ziskovost TN. Například COP 4 znamená, že na 1 kW spotřebované elektřiny se vyrobí 4 kW tepelné energie. Je třeba poznamenat, že COP tepelného čerpadla bude maximální, když rozdíl mezi nízkopotenciálním zdrojem a chladicí kapalinou v topném systému nepřesáhne 40 stupňů.
• Ovladač. Přítomnost vestavěného ovladače a automatického ovládání zařízení ve VT naznačuje, že vše bylo smontováno a testováno u výrobce.
• Kompresor. Moderní chladicí systémy stále častěji přecházejí na invertorové modely s frekvenčním řízením výkonu.
• Rusifikace. V první fázi uživatelského vývoje TN nabídka v ruštině značně zjednodušuje úkoly ovládání a programování zařízení.

Způsoby umístění potrubí (rozdělovače)

1. První z nich, horizontální, zahrnuje umístění kolektoru pod bod mrazu půdy. V závislosti na regionu může být hloubka kolektoru od jednoho a půl metru. Délka podzemního potrubí nemůže být kratší než trubky podlahového topení uložené v domě, záleží také na obsahu vody v zemině, čím vlhčí půda, tím vyšší je prostup tepla Stavba nad obrysem konstrukcí s podsypem založení není povoleno a po dokončení instalace bude vyžadována terénní úprava místa.
2. Druhý způsob umístění kolektoru je vertikální. Budete muset vyvrtat několik studní do země ve vzdálenosti ne blíže než 2-3 m od domu, z nichž každá vstupuje do půdy pod svým vlastním úhlem a je nasměrována různými směry. Geotermální sondy jsou umístěny uvnitř zemních děr až do hloubky 50 m. Konstrukčně se jedná o jednu nebo dvojici trubek ve tvaru U z plastu HDPE. Jedna studna (1 lineární metr) je schopna dodat až 50 W. To znamená, že k získání stejných 7-9 kW potřebujete 150 až 200 m geotermálních sond. To platí, pokud je plocha malá a není dostatek místa. Tato metoda je několikanásobně dražší než horizontální, ale její výhodou je nenarušení krajiny lokality. Jedinou dodatečnou podmínkou je příprava malého prostoru pro kesonovou studnu spojující kolektorové potrubí.
3. Třetí způsob vyžaduje přítomnost nádrže v blízkosti domu, která v zimě nezamrzá ke dnu (hloubka by měla být od 2 m), kde bude umístěn zatopený geotermální okruh. Výhodou metody je, že nejsou potřeba pracné výkopové práce (vyjma kopání příkopu k domu). Existují ale i nevýhody – bude potřeba zvláštní povolení, zvláště pokud je nádrž veřejná. Navíc ne každý venkovský dům má v blízkosti jezero nebo rybník nebo řeku. A přesto je tato metoda považována za nejekonomičtější. Pro vytápění 100 m250. m plochy bude vyžadovat 300 až XNUMX lineárních metrů kolektoru.
4. A poslední způsob uspořádání geotermální instalace je přepad. Při odběru vody z vrtané vodonosné studny dochází k jejímu ochlazení v HP o 4-5 stupňů a opětovnému vypuštění buď do jímací studny vzdálené 20 metrů, nebo do nejbližší vodní plochy. Nevýhodou tohoto způsobu je nemožnost regulace hladiny zvodnělé vrstvy a nutnost dovybavení VT filtry a mezivýměníky.

Společné negativní aspekty geotermálních instalací

Nejzávažnějším problémem jsou vysoké náklady na připojení k nízkopotenciálnímu zdroji. K vytápění budovy o rozloze 300 mXNUMX. m instalace na klíč bude stát asi milion rublů. V tomto případě půjde polovina prostředků na nákup tepelného čerpadla. Doba návratnosti nejúčinnějšího systému ve srovnání s vytápěním elektřinou je od pěti let. Další nevýhodou je složitost nezávislého uspořádání, o kterém bude řeč níže.

Je možné vybavit geotermální instalaci vlastníma rukama?

Je velmi obtížné instalovat obrysy sami: potřebujete nejpřesnější výpočty, které mohou provádět pouze specialisté. Nejmenší chyby v konstrukci mohou vést k nízké účinnosti zařízení a v důsledku toho k jeho úpravě, což povede ke zbytečným nákladům. Parametry, které se berou v úvahu při výpočtu geotermálního systému:

• klima regionu (průměrná roční teplota, vlhkost);
• extrahovatelná tepelná energie;
• Topný systém domu by měl být nízkoteplotní.
• celková tepelná ztráta obálky budovy by neměla přesáhnout 70 W na 1 metr čtvereční plochy domu.

Perspektivy rozvoje geotermálních struktur

Jen před 25 lety v Evropě využívalo zemské teplo k vytápění svých domovů 25 milionů majitelů domů, dnes se toto číslo několikrát zvýšilo. To dokazuje nákladovou efektivitu geotermálních systémů, které se samy zaplatí během několika let. Vlády mnoha zemí navíc dotují majitele domů, kteří chtějí využívat energii Země. V Rusku nejsou takové návrhy rozšířeny, což je spojeno s vysokými počátečními náklady. Existují však vyhlídky: s rozvojem konkurence náklady na tepelná čerpadla se sníží , což povede k levnějšímu geotermálnímu vytápění. Nejlepší variantou je ale státní nebo alespoň krajská podpora. Zvláště pokud vezmeme v úvahu ekologický význam tohoto způsobu vytápění domů.

Geotermální vytápění z hlediska nákladů na rok 2020 a snadného použití je ekvivalentní vytápění hlavním plynem, přičemž je zcela nevýbušné a instalováno během několika týdnů. Všechny ostatní způsoby vytápění jsou buď výrazně dražší, nebo vyžadují vyšší denní mzdové náklady. Trendy růstu cen energií v dohledné době povedou k vyrovnání ruských cen s cenami pro evropské spotřebitele. Diskuse o návratnosti vedou v dílně především konkurenti, nezohledňují pohodlí tohoto způsobu vytápění a inflaci.

Konvenční spotřebitel dnes vydělává dost peněz na to, aby si nevšiml vysokých nákladů na vytápění svého domova, ale časem se může vše změnit.
Vzhledem k tomu, že úvahy o venkovském domě se objevují mezi obyvateli naší země nad 40 let, lze investice do vytápění HP považovat za investice do osobního penzijního fondu. Vynaložte jednou na instalaci a následně získejte 1-4 kW tepla na 5 kW elektřiny.