ŚWIĘTOKRZYSKI PORTAL EWE

REGIONALNA BAZA WIEDZY

Home » Geotermia » Geotermia niskotemperaturowa i wysokotemperaturowa

 

 

Wyróżniamy dwa rodzaje geotermii:

  • Geotermia wysokiej entalpii (wysokotemperaturowa)

Temperatura źródła ciepła (wód termalnych) umożliwia wykorzystanie bezpośrednie potencjału energetycznego, bez konieczności używania pomp ciepła. Nośnikiem energii jest ciecz wypełniająca puste przestrzenie skalne (woda, para, gaz i ich mieszaniny). Wykorzystanie bezpośrednie, oprócz ciepłownictwa i produkcji energii elektrycznej, może mieć miejsce w wielu innych dziedzinach, np. do celów rekreacyjnych - (kąpieliska, balneologia), hodowli ryb, celów suszarniczych czy produkcji rolnej (szklarnie).

  • Geotermia niskiej entalpii (niskotemperaturowa)

Temperatura źródła ciepła – (w tym wypadku wód podziemnych lub skał) jest niższa niż 20ºC. Odzysk energii jest możliwy dzięki wykorzystaniu pomp ciepła z gruntową sondą pionową jako dolne źródło ciepła.

 

Pompy ciepła

Pompy ciepła są to urządzenia, które przenoszą ciepło z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o temperaturze wyższej. Odbywa się to dzięki energii dostarczonej z zewnątrz w postaci pracy mechanicznej (pompy sprężarkowe), energii elektrycznej (pompy termoelektryczne) lub ciepła (pompy absorpcyjne). Urządzenia te jednocześnie chłodzą i grzeją. W zależności od ich przeznaczenia mówimy o nich chłodziarki lub pompy ciepła.

 Rys.3 Pompa ciepła

źródło: https://www.flickr.com/photos/12394349@N06/

 

 

Wyróżnia się następujące rodzaje pomp ciepła:

  • sprężarkowe – jako urządzenie dostarczające energię do układu wykorzystana jest sprężarka mechaniczna. Jest to najbardziej rozpowszechniony typ pomp ciepła. Posiadają one stosunkowo prostą konstrukcję oraz wysoką efektywność energetyczną. Wadą tego rodzaju pomp jest zużywanie się elementów mechanicznych oraz zależność od dostaw energii elektrycznej.
  • termoelektyczne – wykorzystują zjawisko Seebecka. Charakteryzują się dość niską efektywnością przez co są najmniej rozpowszechnionym w użyciu typem pomp ciepła. Zaletami tego rozwiązania są mała waga, możliwość miniaturyzacji, brak hałasu oraz brak konieczności stosowania czynników pośredniczących.
  • absorpcyjne – do swojej pracy wykorzystują tzw. sprężarkę termiczną, działającą dzięki dostarczonemu do układu ciepłu. Pompy absorpcyjne stosowane są w miejscach gdzie jest dostępne tanie źródło ciepła lub trudności z dostępem do elektryczności. Pompy absorpcyjne posiadają niższy współczynnik efektywności cieplnej niż pompy sprężarkowe. Zaletą ich natomiast jest brak elementów mechanicznych co powoduje niską awaryjność.

 

Czynnikiem roboczym w pompach ciepła jest substancja chemiczna, której temperatura wrzenia zawiera się w granicach od -50°C do +10°C. Głównym wymogiem aby pompa ciepła pracowała prawidłowo jest konieczność dostarczenia takiej ilości energii (Qd) w dolnym źródle ciepła, aby odparować substancję roboczą. Czynnik roboczy w postaci pary doprowadzany jest do sprężarki, gdzie dzięki wykonanej nad nim pracy mechanicznej (Ls) zostaje podniesione jego ciśnienie oraz temperatura. Następnie transportowany on jest do skraplacza, gdzie następuje kontakt z górnym źródłem ciepła. Najczęściej jest to woda w obiegu centralnego ogrzewania. Czynnik roboczy ogrzewając wodę oddaje swe ciepło (Qg) równocześnie się wykraplając. Ochłodzona substancja trafia do zaworu rozprężnego gdzie powraca do wyjściowego ciśnienia i temperatury. Opisaną powyżej pracę pompy ciepła obrazuje poniższy schemat.

Rys. 4 Schemat działania pompy ciepła

źródło: Instytut OZE – materiały własne

 

Dla określenia efektywności pompy ciepła stosuje się współczynnik efektywności energetycznej COP. Jest on zdefiniowany następująco:

.

W najprostszym ujęciu można powiedzieć, że jest to stosunek oddanej mocy grzewczej do użytej w sprężarce mocy elektrycznej. Współczynnik COP dla pomp ciepła powinien mieć wartość wyższą od 4.Dolnym źródłem ciepła dla pompy może być każdy ośrodek o temperaturze wystarczającej do odparowania czynnika roboczego oraz zapewniającej ciągłą pracę urządzenia. Najczęściej stosowanymi w praktyce dla pomp ciepła dolnymi źródłami są: powietrze, grunt, zbiorniki wodne, kanalizacja czy grunty w okolicach fundamentów budynków (wykorzystanie ciepła traconego przez fundamenty).Najpopularniejszym z wymienionych wyżej źródeł ciepła niskotemperaturowego jest grunt. Najwyższą pojemnością cieplną charakteryzują się grunty wilgotne (gliniaste), zaś najniższą grunty suche (piaszczyste). Energia zmagazynowana w gruntach pochodzi z dwóch źródeł – przy powierzchni ziemi z promieniowana słonecznego, a w głębszych warstwach jest to energia pochodząca z wnętrza ziemi (geotermalna). Stosuje się dwie metody na wykorzystanie energii zgromadzonej w gruntach – poziome kolektory ziemne oraz sondy pionowe (montowane w ziemi dzięki odwiertom). Kolektory ziemne są to odpowiednio ułożone rury PCV w których krąży niezamarzający płyn. Najczęściej jest to glikol lub jego roztwór wodny. Jego zadaniem jest odbiór ciepła z gruntu i przekazanie go czynnikowi roboczemu w parowniku pompy ciepła. Ważnym jest aby kolektory ziemne układać poniżej granicy przemarzania gruntu. Sondy pionowe są drugim ze sposobów pobierania energii z gruntów – są one układane w specjalnie wykonanych odwiertach. Wewnątrz sond podobnie jak w kolektorach poziomych krąży glikol. Zastosowanie sond pionowych nie wymaga dużej powierzchni działki na instalacje i gwarantuje wysoką wydajność pompy ciepła, lecz jest stosunkowo kosztowne oraz wymaga uzyskania zezwoleń (dla wierceń w na głębokość większą niż 30m). Przeciętny koszt odwiertu to około 60 zł za metr głębokości.

 

Ciepłownie geotermalne

Woda geotermalna jest wydobywana ze złoża za pomocą pomp głębinowych. W ciepłowniach geotermalnych woda ze źródła przepływa przez odpowiednie filtry, po czym jest podawana na wymienniki ciepła. Czynnikiem grzejącym w wymiennikach jest woda geotermalna, a czynnikiem ogrzewanym woda sieciowa. Najczęściej spotyka się krzyżowe i płytowe wymienniki ciepła. Po przejściu przez wymienniki woda znów jest kierowana na filtry po czym zatłaczana do tego samego złoża geotermalnego z którego ją wypompowano. Sieć ciepłownicza przy ciepłowniach geotermalnych jest bardzo podobna do tych stosowanych w tradycyjnych ciepłowniach. W zależności od użytej technologii  i danego obiektu woda geotermalna przed zatłoczeniem do złoża może być kierowana na jeden, dwa lub trzy wymienniki ciepła. Polepsza to sprawność procesu grzania wody.

 

Elektrownie i elektrociepłownie geotermalne

Wyróżnia się dwa główne typy konstrukcji elektrowni geotermalnych w zależności od temperatury i stanu skupienia płynu (czyli cieczy lub gazu) geotermalnego w odwiertach. Jeśli temperatura jest wyższa niż 200-300ºC – stosuje się rozwiązania technologiczne podobne jak w klasycznych elektrowniach parowych. Polega to na skierowaniu pary geotermalnej bezpośrednio na turbinę parową połączoną z generatorem elektrycznym. Na łopatkach turbiny para rozpręża się zamieniając swą energię wewnętrzna na energię mechaniczną ruchu obrotowego turbiny a następnie na energię elektryczną w generatorze. Rozprężoną parę kieruje się do skraplacza (najczęściej chłodni kominowej), gdzie ulega ona kondensacji. Powstały w ten sposób kondensat wtłacza się poprzez odpowiedni odwiert do złoża. W ten sposób zamyka się obieg termodynamiczny, oraz zapewnia się odnawialność złoża geotermalnego. Elektrownie tego typu działają według obiegu termodynamicznego Rankine’a.Jeżeli temperatura cieczy geotermalnej zawiera się w granicach 80-150ºC, stosuje się dodatkowy obieg czynnika w obiegu roboczym. Instalacje takie są znane pod nazwą elektrowni binarnych lub elektrowni ORC (Organic Rankine Cycle) z uwagi na rodzaj czynnika roboczego w obiegu termodynamicznym. W porównaniu z tradycyjnym obiegiem Rankine’a, gdzie czynnikiem roboczym jest para wodna, w obiegach ORC jest to czynnik organiczny – izopentan, izobutan lub dwutlenek węgla. Właściwości tych czynników (ciepło właściwe, temperatura skraplania/parowania) pozwalają im być zamiennikami pary wodnej oraz wpływają na podwyższenie sprawności jednostek ORC. Elektrownie działające w oparciu o ORC posiadają trzy obiegi. Pierwszy – stanowi obieg wody pobieranej ze źródła geotermalnego. Woda geotermalna trafia do parownika gdzie zostaje schłodzona, po czym wraca z powrotem do złoża.  Obieg drugi jest to obieg organicznego czynnika roboczego. Czynnik roboczy po odparowaniu w parowniku trafia na turbinę połączoną wałem z generatorem elektrycznym. Po procesie rozprężenia na turbinie czynnik trafia do wymiennika ciepła gdzie się skrapla, po czym jest przepompowywany do parownika. Obieg trzeci jest obiegiem chłodzącym czynnik roboczy. Ciepło odebrane w wymienniku ciepła przy skropleniu czynnika roboczego jest wykorzystywane do celów ciepłowniczych. Jako czynnik roboczy w trzecim obiegu wykorzystuje się wodę.

 

1W tym serwisie wykorzystywane są pliki cookies. Stosujemy je w celach zapamiętywania ustawień i zbierania anonimowych danych dla celów statystycznych. Użytkownik ma możliwość samodzielnej zmiany ustawień dotyczących cookies w swojej przeglądarce internetowej.