Geotermálna energia predstavuje tepelnú energiu naakumulovanú pod zemským povrchom. Z fyzikálneho pohľadu je to teplo, ktoré je dlhodobo uložené v Zemi a vychádza z horúceho jadra, ktoré má teplotu päť až šesť tisíc stupňov. Patrí k jednej z mála ľudstvom využívaných foriem energie, ktoré nepochádzajú zo Slnka. Geotermálna energia sa pod zemským povrchom nahromadila počas zrodu našej planéty a patrí medzi obnoviteľné zdroje energie. Vo vnútri Zeme sa ukrýva obrovský energetický potenciál. V hĺbke 10 až 12 kilometrov pod zemou sa nachádza prakticky nevyčerpateľný zdroj energie s teplotou asi 300 °C - geotermálne teplo, ktoré pomaly preniká na povrch a prejavuje sa ako zemetrasenie alebo výbuch sopky, alebo ako vyvieranie horúcich geotermálnych prameňov.
Za jeden rok vyžiari Zem teplo, na výrobu ktorého by bolo treba asi 30 miliárd ton najkvalitnejšieho uhlia. Z tohto hľadiska sa geotermálna energia považuje za obnoviteľný zdroj energie. Geotermálna energia je produktom procesov, ktoré sa odohrávajú v zemskej kôre. Viaže sa na geotermálnu vodu, paru alebo na suché horniny. Geotermálna energia predstavuje obnoviteľný zdroj, ktorý je k dispozícii nepretržite 24 hodín denne. Keďže pochádza zo zemskej kôry, nie je závislá od počasia ani ročného obdobia.
Princípy Využívania Geotermálnej Energie na Vykurovanie
Vykurovanie je najrozšírenejší spôsob, ako naložiť s geotermálnym teplom. Spôsobov zužitkovania geotermálnej energie na vykurovanie je niekoľko. Geotermálne vykurovanie funguje na princípe získavania tepla z podzemného zdroja. Geotermálny teplotný gradient závisí od hĺbky a miesta vrtu - čím hlbšie pod zemou sa voda čerpá, tým je zvyčajne teplejšia. Konkrétne využitie závisí hlavne od teploty a kvality termálnej vody alebo termálneho prameňa. Najväčší význam má v súčasnosti voda z geotermálnych prameňov, ktorých teplota pri výstupe na zemský povrch je vyššia ako priemerná ročná teplota vzduchu v danej lokalite. Na priame energetické využitie sú vhodné vody s nízkou teplotou, to znamená do 100 °C.
Priame a Nepriame Využitie
Termálna voda je často bohatá na minerály a rôzne iné rozpustené látky. To znemožňuje jej priame napojenie na vykurovaciu sústavu kvôli vysokej pravdepodobnosti zanesenia a upchatia potrubí. Pri vyhovujúcom zložení vody (čiže vtedy, ak sa neusadzuje príliš veľa minerálnych látok vo vnútornom potrubí a nevzniká korózia) možno odoberať geotermálnu vodu priamo z vrtu do odberného miesta, napríklad na vykurovanie skleníka. V ojedinelých prípadoch, kedy je kvalita a teplota termálnej vody vhodná na priame využitie, je možné ju napojiť na systém vykurovania bez dodatočného výmenníka tepla.
Nepriaznivé vlastnosti geotermálnej vody väčšinou ovplyvňujú spôsob vykurovania tak, že ju možno využívať iba nepriamo - ako primárnu teplonosnú látku, ktorá svoju energiu prenáša na sekundárnu látku. V tomto prípade treba vybaviť systém aj výmenníkom tepla a obehovým čerpadlom. Aký konkrétny systém zvolíme, závisí od typu a druhu stavebného objektu. Iný geotermálny systém sa použije na vykurovanie rodinného domu, iný na vykurovanie verejnej alebo priemyselnej budovy. V každom prípade však treba prispôsobiť druh vykurovacích telies, potrubné rozvody, armatúry a pod.
Typy Geotermálnych Systémov a Tepelných Čerpadiel
Veľmi častým spôsobom využitia geotermálnej energie sú tepelné čerpadlá. Na rozdiel od využitia termálnej vody cez výmenník tepla, zapojenie tepelného čerpadla umožňuje využívanie aj nízkopotenciálovej energie, teda energie s nižšími teplotami. Odoberanie tepla zeme sa stáva kľúčovým prvkom. Teplota pod zemským povrchom dosahuje stabilné hodnoty už v niekoľkometrovej hĺbke aj na miestach bez priameho geotermálneho zdroja.
V princípe rozlišujeme dva hlavné typy systémov získavania tepla: Plytké geotermálne vrty a Hlbinné geotermálne systémy.
Plytké geotermálne vrty
Plytké geotermálne vrty dosahujú teploty, ktoré sa nedajú priamo využiť. Preto sa absorbované teplo kombinuje s tepelnými čerpadlami, ktoré zvyšujú teplotu na úroveň vhodnú pre vykurovanie. Technológie využívajúce geotermálne vrty: Najbežnejším spôsobom získavania energie pre rodinné a komerčné budovy je systém s geotermálnou sondou alebo zvislým zemným kolektorom.
Hlbinné geotermálne systémy
Hlbinné geotermálne systémy pracujú v hĺbkach od 500 metrov do niekoľkých kilometrov. Teplota vody z takýchto vrtov môže byť dostatočne vysoká na priame využitie alebo na pohon generátorov na výrobu elektriny. V prípade dostupnosti zdroja termálnej vody sa musia vyvŕtať hlbinné vrty. V nich sú následne umiestnené akumulačné potrubia.
Tepelné čerpadlá na vykurovanie objektov je možné rozdeliť podľa prostredia, z ktorého sa získava energia, na tepelné čerpadlá zem - voda, voda - voda a vzduch - voda. Každé z týchto čerpadiel má iné vlastnosti a vyžaduje iný prístup do vykurovacej sústavy.
Systém zem-voda (uzavretý okruh)
Ide o systém s uzavretým typom vrtu. Do zeme sa inštaluje jedna alebo viac sond do hĺbky 80 - 150 m. V uzavretom potrubnom systéme cirkuluje médium (často s nemrznúcou zmesou), ktoré odoberá teplo z okolitých hornín. Všetky duté priestory medzi potrubím a zemou musia byť vyplnené dobre vodivým materiálom, zvyčajne suspenziou vody a cementu. Ak je použité tepelné čerpadlo typu zem-voda, akumulačná časť čerpadla môže byť umiestnená jednak vertikálne, podobne ako pri type voda-voda, jednak horizontálne.
Systém voda-voda (otvorený okruh)
Tento systém je považovaný za najefektívnejší. Podzemná voda sa čerpá z prvej studne do tepelného čerpadla, kde sa odoberie časť tepla, a následne sa ochladená vracia do druhej vsakovacej studne. Účinnosť je tu veľmi vysoká, no kľúčová je správna vzdialenosť medzi studňami (minimálne 12 m) a zohľadnenie smeru prúdenia podzemnej vody.
Kľúčové komponenty geotermálneho tepelného čerpadla
Pre zabezpečenie dlhodobej spoľahlivosti a výkonnosti systému je kritický výber komponentov a odborný návrh. Zle fungujúci výmenník tepla môže ovplyvniť bezpečnosť a náklady na energiu. Preto sa odporúča využívať zariadenia s certifikáciou, ako je napríklad certifikácia Inštitútu pre klimatizáciu, vykurovanie a chladenie (AHRI), ktorá poskytuje nezávislú záruku výkonu.
| Komponent | Význam |
|---|---|
| Tepelné čerpadlo | Srdce systému, ktoré premieňa nízkoteplotnú energiu na využiteľné teplo. |
| Doskový výmenník | Zabezpečuje prenos tepla medzi geotermálnym médiom a vykurovacím okruhom. |
| Invertor | Riadi otáčky kompresora pre maximálnu energetickú účinnosť (SCOP). |
Jak funguje tepelné čerpadlo? Vysvětlíme jednoduše a jasně!
Geotermálna Energia na Slovensku
Slovensko je krajinou v srdci Európy. Medzi jeho jedinečné prírodné bohatstvá patria veľké zásobárne pitnej vody a tiež prítomnosť minerálnych a geotermálnych vôd. Na Slovensku, kde sa nachádza viac ako sto geotermálnych prameňov s teplotou vody 16 až 126 °C, sú veľmi dobré predpoklady na využívanie geotermálnej energie - energetický potenciál týchto vôd je vyše 5-tisíc MW. S geotermálnou energiou ráta aj energetická koncepcia SR. Podľa správy rezortu životného prostredia sa v našich podmienkach ušetrí za rok pri výrobe 25 MW tepelnej energie z geotermálnych zdrojov pri 200 dňoch vykurovania asi 42 600 ton hnedého uhlia alebo 16 miliónov m3 zemného plynu. Náš najhorúcejší termálny vodný zdroj sa nachádza vo Veľkom Mederi, kde voda dosahuje teplotu 92°C. Potenciál využitia energie z hlbín zeme je pritom u nás pomerne vysoký, dokonca v porovnaní s inými krajinami nadpriemerný. Keby sme ju využívali viac, mohla by nám pomôcť znížiť závislosť od fosílnych palív a v konečnom dôsledku by sme aj ušetrili.
Rozdelenie termálnych vôd podľa teploty
Termálne vody sa podľa teploty z energetického hľadiska rozdeľujú na:
- subpotenciálne (15 - 30 °C)
- nízkopotencionálne (30 - 100 °C)
- strednopotencionálne (100 °C - 150°C)
- vysokopotencionálne (nad 150 °C)
Súčasné a budúce využitie
Historicky boli na výrobu tepla tradične využívané geotermálne pramene v krajinách ako je Island, Rusko - Kamčatka, či Nový Zéland. Tieto krajiny ležia v oblastiach s aktívnou sopečnou činnosťou. Na Slovensku sa posledná výrazná sopečná aktivita udiala pred 130 000 až 140 000 rokmi neďaleko Novej Bane, kde sa nachádza najmladšia slovenská sopka Putikov vŕšok. Vedeli ste, že až 90% tepla a 25% elektriny na Islande pochádza z geotermálnej energie? Na Slovensku ju zatiaľ využívame najmä na termálnych kúpaliskách, pri pestovaní plodín a chove rýb. Na Slovensku je 12 obcí, napríklad Bešeňová, Podhájska, Veľký Meder či Topoľníky, ktoré využívajú geotermálnu vodu v poľnohospodárstve pri produkcii rýchlenej zeleniny a kvetov. Iné obce vykurujú geotermálnym teplom kancelárske a technické priestory, napríklad Galanta, Komárno, Liptovský Trnovec a Poprad. V ďalších lokalitách ocenia geotermálnu vodu najmä milovníci relaxu v rekreačných zariadeniach. V minulosti sa na Slovensku využívali termálne pramene najmä v poľnohospodárstve prostredníctvom veľmi jednoduchej technológie. Tepelné čerpadlá, ktoré v súčasnosti zvyšujú účinnosť využívania nízkoteplotných geotermálnych prameňov, sa uplatňovali iba výnimočne, takže energia vody sa využívala pomerne nehospodárne.
Dočkáme sa rozsiahlejšieho využitia geotermálnej energie aj na Slovensku? Začiatok tohto roka priniesol správu o tom, že prvá geotermálna elektráreň na Slovensku má vzniknúť pri Žiari nad Hronom. Výstavba by mala začať v roku 2022. Zatiaľ prebiehajú konania na jej odobrenie, vrátane EIA. Vďaka tomuto projektu by mohla Žiarska kotlina získať zelenú elektrickú energiu pre približne 50-tisíc domácností. Zostatkové teplo by našlo ďalšie uplatnenie, napr. pri vykurovaní alebo na rekreačné účely. Geotermálna elektráreň bude mať v prvej etape vybudované dve prevádzky. Zariadenie bude využívať tzv. binárny cyklus, v ktorom vyčerpaná horúca voda cirkuluje v uzavretom systéme bez toho, aby prišla do kontaktu s blízkym okolím. Vďaka tomu je zabezpečené, že energeticky využitá voda, ktorá odovzdá svoje teplo, po ochladení putuje prostredníctvom reinjektážneho vrtu naspäť pod zemský povrch, odkiaľ sa pôvodne čerpala. Geotermálne vrty musia v takýchto prípadoch siahať do hĺbky 3 až 4 kilometre. Prieskum pre podobný projekt robí spoločnosť PW Energy, realizátor projektu geotermálnej elektrárne, tiež v oblasti Prešova. Ďalšia geotermálna elektráreň na Slovensku by mala vyrásť aj v jeho okolí.
Jak funguje tepelné čerpadlo? Vysvětlíme jednoduše a jasně!
Legislatíva a výzvy
Navyše sa začal riešiť problém vedľajšieho produktu vykurovania geotermálnou vodou - odpadové vody, ktoré obsahujú veľké množstvo minerálnych látok (4 g/l), čo zaťažovalo povrchové vody a nakoniec viedlo k odstaveniu mnohých geotermálnych zdrojov. Ochranu a využívanie vodných zdrojov na Slovensku upravujú tiež zákony, a to najmä Zákon č. 364/2004 Z. z. o vodách a o zmene zákona Slovenskej národnej rady č. 372/1990 Zb. o priestupkoch v znení neskorších predpisov (vodný zákon), Zákon č. 538/2005 Z. z. o prírodných liečivých vodách, prírodných liečebných kúpeľoch, kúpeľných miestach a prírodných minerálnych vodách a o zmene a doplnení niektorých zákonov a Zákon č. 569/2007 Z. z. Dôležitou podmienkou pri priamom rozvode vody až k spotrebiteľovi je, aby chemické zloženie vyhovovalo požiadavkám platnej normy (STN 83 0616). Kritériá normy nespĺňa na Slovensku ani jeden geotermálny prameň. Preto sa využíva druhý spôsob - nepriamy odber geotermálnej vody, pri ktorom geotermálna voda ako primárny zdroj tepla pripravuje ohriatú vodu z pitnej vody v rekuperačnom výmenníku tepla.
Iné Využitie Geotermálnej Energie
Okrem prípravy tepla pre obývané priestory sa geotermálne zdroje využívajú napríklad na ohrev chodníkov počas zimy, čím sa zabraňuje ich namŕzaniu. Nízkoteplotné zdroje sa uplatňujú pri výrobe tepelnej energie, ktorá sa využíva na vykurovanie bazénov, skleníkov a obytných domov (so systémom centralizovaného zásobovania teplom), na vetranie alebo aj klimatizáciu. Výroba elektrickej energie pomocou geotermálnej energie vyžaduje geotermálne zdroje s vyššími teplotami. V prípade, že je dostupný gejzír, z ktorého vychádza priamo para, táto môže byť po odseparovaní vody napojená priamo na parnú turbínu, ktorá poháňa elektrogenerátor. Takto výdatné gejzíry sú však zriedkavé a omnoho častejšie sa geotermálne teplo využíva na ohrev kvapaliny s nízkym bodom varu.
Ekonomické a Environmentálne Aspekty
Energia zdražuje, a tak sa ľudia aj inštitúcie obzerajú po ďalších zdrojoch, ktoré by mohli nahradiť alebo doplniť tie existujúce. Jeden taký, s pomerne veľkým potenciálom, je geotermálna energia. Geotermálny energetický systém je finančne náročný, preto sa musí zaručiť stopercentná istota návratnosti vložených investícií. Hoci počiatočná investícia do vrtov môže byť vysoká, návratnosť sa pri správnom návrhu pohybuje v rozmedzí 6 až 10 rokov. Vykurovanie s nízkou produkciou CO2 je kľúčom k udržateľnému rozvoju. Tepelné čerpadlá pri správnej inštalácii dokážu znížiť emisie domácnosti až o 50 %. Okrem vykurovania umožňujú tieto systémy aj pasívne chladenie v lete, kedy sa teplo z interiéru odvádza späť do podzemných vrtov, čo je proces s veľmi nízkymi prevádzkovými nákladmi.
tags: #vykurovanie #budov #geotermalnou #energiou