Ogrzewanie geotermalne

Ten artykuł dotyczy bezpośredniego wykorzystania ciepła geotermalnego. Aby uzyskać informacje na temat wytwarzania energii elektrycznej, zobacz energię geotermalną . W przypadku „geotermalnej” pompy ciepła patrz gruntowa pompa ciepła .
Część serii poświęconej
zrównoważonej energii
A car drives past 4 wind turbines in a field, with more on the horizon
Oszczędzanie energii
Energia odnawialna
Zrównoważony transport

Ogrzewanie geotermalne to bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej do niektórych zastosowań grzewczych. Ludzie wykorzystywali geotermalne w ten sposób od czasów paleolitu. W 2004 r . około siedemdziesiąt krajów wykorzystało bezpośrednio łącznie 270 PJ ciepła geotermalnego. Od 2007 r. na całym świecie zainstalowano 28 GW mocy geotermalnej, co odpowiada 0,07% światowego zużycia energii pierwotnej. Sprawność cieplna jest wysoka, ponieważ nie jest wymagana konwersja energii, ale współczynniki wydajności są zwykle niskie (około 20%), ponieważ ciepło jest potrzebne głównie zimą.

Energia geotermalna pochodzi z ciepła zatrzymanego w Ziemi od czasu powstania planety, z radioaktywnego rozpadu minerałów oraz z energii słonecznej absorbowanej na powierzchni. Większość wysokotemperaturowego ciepła geotermalnego jest pozyskiwana w regionach położonych blisko granic płyt tektonicznych , gdzie aktywność wulkaniczna wzrasta blisko powierzchni Ziemi. Na tych obszarach można znaleźć grunt i wody gruntowe o temperaturach wyższych niż temperatura docelowa aplikacji. Jednak nawet zimna ziemia zawiera ciepło. Poniżej 6 metrów (20 stóp) niezakłócona temperatura gruntu jest stale na poziomie średniej rocznej temperatury powietrza, a ciepło to można odzyskać za pomocą gruntowej pompy ciepła .

Aplikacje

Kraje, które w 2005 roku wykorzystywały najwięcej ciepła geotermalnego
Kraj
Produkcja PJ/rok
Pojemność GW 		Współczynnik wydajności
Aplikacje dominujące
Chiny 45.38 3,69 39% kąpielowy
Szwecja 43,2 4.2 33% pompy ciepła
USA 31.24 7,82 13% pompy ciepła
Indyk 24.84 1.5 53% ogrzewanie miejskie
Islandia 24,5 1,84 42% ogrzewanie miejskie
Japonia 10.3 0,82 40% kąpiel ( onseny )
Węgry 7,94 0,69 36% uzdrowiska/szklarnie
Włochy 7.55 0,61 39% spa/ogrzewanie pomieszczeń
Nowa Zelandia 7.09 0,31 73% zastosowań przemysłowych
63 innych 71 6.8
Całkowity 273 28 31% ogrzewania pomieszczeń
Bezpośrednie wykorzystanie ciepła geotermalnego według kategorii w 2015 r. na podstawie Johna W. Lunda
Kategoria GWh/rok
Geotermalne pompy ciepła 90293
Kąpiel i pływanie 33164
Ogrzewania pomieszczeń 24508
Ogrzewanie szklarni 7407
Ogrzewanie stawu akwakultury 3322
Zastosowania przemysłowe 2904
Chłodzenie / topnienie śniegu 722
Suszenie rolnictwa 564
Inni 403
Całkowity 163287

Istnieje wiele różnych zastosowań taniego ciepła geotermalnego, w tym ogrzewanie domów, szklarni, kąpieli i pływania lub zastosowań przemysłowych. Większość zastosowań wykorzystuje geotermię w postaci gorących płynów o temperaturze od 50 ° C (122 ° F) do 150 ° C (302 ° F). Odpowiednia temperatura jest różna dla różnych zastosowań. W przypadku bezpośredniego wykorzystania ciepła geotermalnego zakres temperatur dla sektora rolniczego wynosi od 25 °C (77 °F) do 90 °C (194 °F), a dla ogrzewania pomieszczeń wynosi od 50 °C (122 °F) do 100 °C C (212 ° F). Rury cieplne rozszerzają zakres temperatur do 5 ° C (41 ° F), ponieważ odprowadzają i „wzmacniają” ciepło. Ciepło geotermalne przekraczające 150 ° C (302 ° F) jest zwykle wykorzystywane do energii geotermalnej .

W 2004 r. ponad połowa bezpośredniego ciepła geotermalnego była wykorzystywana do ogrzewania pomieszczeń, a jedna trzecia do uzdrowisk. Pozostała część została wykorzystana do różnych procesów przemysłowych, odsalania, ciepłej wody użytkowej i zastosowań rolniczych. Miasta Reykjavík i Akureyri odprowadzają gorącą wodę z elektrowni geotermalnych pod drogami i chodnikami, aby topić śnieg. Wykazano odsalanie geotermalne .

Systemy geotermalne zwykle korzystają z ekonomii skali , więc energia do ogrzewania pomieszczeń jest często rozprowadzana do wielu budynków, czasem całych społeczności. Ta technika jest od dawna praktykowana na całym świecie w miejscach takich jak Reykjavík , Islandia ; Boise , Idaho ; i Klamath Falls , Oregon ; jest znany jako ciepłownictwo .

Według Europejskiej Rady Energii Geotermalnej (EGEC) w samej Europie w 2016 r. działało 280 ciepłowni geotermalnych o łącznej mocy około 4,9 GWth.

Ekstrakcja

Główny artykuł: Gruntowy wymiennik ciepła

Niektóre części świata, w tym znaczna część zachodnich Stanów Zjednoczonych, znajdują się pod stosunkowo płytkimi zasobami geotermalnymi. Podobne warunki panują na Islandii, w niektórych częściach Japonii i innych gorących miejscach geotermalnych na całym świecie. Na tych obszarach woda lub para wodna może być wychwytywana z naturalnych gorących źródeł i kierowana bezpośrednio do grzejników lub wymienników ciepła . Alternatywnie, ciepło może pochodzić z ciepła odpadowego dostarczanego przez kogenerację z elektrowni geotermalnej lub z głębokich studni do gorących warstw wodonośnych. Bezpośrednie ogrzewanie geotermalne jest znacznie bardziej wydajne niż wytwarzanie energii elektrycznej z geotermii i ma mniejsze wymagania temperaturowe, więc jest opłacalne na dużym obszarze geograficznym. Jeśli płytki grunt jest gorący, ale suchy, powietrze lub woda mogą krążyć przez rury ziemne lub otworowe wymienniki ciepła , które działają jak wymienniki ciepła z gruntem.

Para pod ciśnieniem z głębokich zasobów geotermalnych jest również wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej z energii geotermalnej. Iceland Deep Drilling Project uderzył w kieszeń magmy na wysokości 2100 m. W otworze skonstruowano cementowaną stalową obudowę z perforacją na dnie blisko magmy. Wysokie temperatury i ciśnienie pary magmy zostały wykorzystane do wytworzenia 36 MW energii elektrycznej, dzięki czemu IDDP-1 stał się pierwszym na świecie systemem geotermalnym wspomaganym magmą.

Na obszarach, gdzie płytkie podłoże jest zbyt zimne, aby bezpośrednio zapewnić komfort, jest ono wciąż cieplejsze niż zimowe powietrze. Bezwładność cieplna płytkiego gruntu zatrzymuje energię słoneczną nagromadzoną w okresie letnim, a sezonowe wahania temperatury gruntu całkowicie zanikają poniżej 10 m głębokości. Ciepło to można wydobywać za pomocą geotermalnej pompy ciepła wydajniej niż w przypadku konwencjonalnych pieców. Geotermalne pompy ciepła są ekonomicznie opłacalne praktycznie na całym świecie.

Teoretycznie energia geotermalna (zwykle służąca do chłodzenia) może być również pozyskiwana z istniejącej infrastruktury, takiej jak miejskie wodociągi.

Gruntowe pompy ciepła

Główny artykuł: Geotermalna pompa ciepła

W regionach bez źródeł geotermalnych o wysokiej temperaturze gruntowa pompa ciepła (GSHP) może zapewnić ogrzewanie i chłodzenie pomieszczeń. Podobnie jak lodówka czy klimatyzator, systemy te wykorzystują pompę ciepła do wymuszenia transferu ciepła z gruntu do budynku. Ciepło można wydobywać z dowolnego źródła, bez względu na to, jak bardzo jest zimne, ale cieplejsze źródło zapewnia wyższą wydajność. Gruntowa pompa ciepła wykorzystuje płytki grunt lub wody gruntowe (zwykle zaczynające się od 10–12 ° C lub 50–54 ° F) jako źródło ciepła, wykorzystując w ten sposób sezonowo umiarkowane temperatury. Z kolei powietrzna pompa ciepła pobiera ciepło z powietrza (zimniejszego powietrza zewnętrznego), przez co zużywa więcej energii.

GSHP cyrkulują płyn nośny (zwykle mieszaninę wody i niewielkich ilości płynu niezamarzającego) przez zamknięte pętle rur zakopane w ziemi. Systemy pojedynczych domów mogą być systemami „pola z pionową pętlą” z otworami o głębokości 50–400 stóp (15–120 m) lub, jeśli dostępny jest odpowiedni teren na rozległe rowy, „pole z pętlą poziomą” jest instalowane około sześciu stóp pod powierzchnią. Gdy płyn krąży pod ziemią, pochłania ciepło z gruntu, a po powrocie ogrzany płyn przechodzi przez pompę ciepła, która wykorzystuje energię elektryczną do wydobywania ciepła z płynu. Ponownie schłodzony płyn jest wysyłany z powrotem do gruntu, kontynuując w ten sposób cykl. Ciepło pobrane i wytworzone przez pompę ciepła jako produkt uboczny jest wykorzystywane do ogrzewania domu. Dodanie pętli ogrzewania gruntu do równania energetycznego oznacza, że ​​do budynku można przekazać znacznie więcej ciepła, niż gdyby do ogrzewania wykorzystano bezpośrednio samą energię elektryczną.

Zmieniając kierunek przepływu ciepła, ten sam system może służyć do cyrkulacji schłodzonej wody w domu w celu chłodzenia w miesiącach letnich. Ciepło jest odprowadzane do stosunkowo chłodniejszego gruntu (lub wód gruntowych), zamiast dostarczać je do gorącego powietrza na zewnątrz, jak robi to klimatyzator. W rezultacie ciepło jest pompowane przy większej różnicy temperatur, co prowadzi do wyższej wydajności i mniejszego zużycia energii.

Ta technologia sprawia, że ​​ogrzewanie gruntowe jest opłacalne ekonomicznie w dowolnym miejscu geograficznym. Szacuje się, że w 2004 r. milion gruntowych pomp ciepła o łącznej mocy 15 GW pobrało 88 PJ energii cieplnej do ogrzewania pomieszczeń. Globalna wydajność gruntowych pomp ciepła rośnie o 10% rocznie.

Historia

Najstarszy znany basen zasilany gorącym źródłem, zbudowany w III wieku pne za panowania dynastii Qin.

Gorące źródła były używane do kąpieli co najmniej od czasów paleolitu. Najstarszym znanym uzdrowiskiem jest kamienny basen na chińskiej górze Li, zbudowany za panowania dynastii Qin w III wieku pne, w tym samym miejscu, w którym później zbudowano pałac Huaqing Chi . Energia geotermalna dostarczała ukierunkowane ogrzewanie miejskie do łaźni i domów w Pompejach około 0 rne. W pierwszym wieku naszej ery Rzymianie podbili Aquae Sulis w Anglii i wykorzystali tamtejsze gorące źródła do zasilania publicznych łaźni i ogrzewania podłogowego . Opłaty za wstęp do tych łaźni prawdopodobnie stanowią pierwsze komercyjne wykorzystanie energii geotermalnej. 1000-letnia wanna z hydromasażem została zlokalizowana na Islandii , gdzie została zbudowana przez jednego z pierwotnych osadników wyspy. Najstarszy działający system geotermalny na świecie w Chaudes-Aigues we Francji działa od XIV wieku. Najwcześniejsza eksploatacja przemysłowa rozpoczęła się w 1827 roku od użycia pary gejzerowej do ekstrakcji kwasu borowego z błota wulkanicznego w Larderello we Włoszech.

W 1892 roku pierwszy amerykański system ciepłowniczy w Boise w stanie Idaho był zasilany bezpośrednio energią geotermalną i wkrótce został skopiowany w Klamath Falls w stanie Oregon w 1900 roku. Głęboka studnia geotermalna została wykorzystana do ogrzewania szklarni w Boise w 1926 roku, a gejzery zostały użyte do ogrzewania szklarni w Islandii i Toskanii mniej więcej w tym samym czasie. Charlie Lieb opracował pierwszy otworowy wymiennik ciepła w 1930 roku, aby ogrzać swój dom. Para i gorąca woda z gejzerów zaczęły być wykorzystywane do ogrzewania domów na Islandii w 1943 roku.

W tym czasie Lord Kelvin wynalazł pompę ciepła już w 1852 r., a Heinrich Zoelly opatentował pomysł wykorzystania jej do pobierania ciepła z gruntu w 1912 r. Jednak geotermalna pompa ciepła została pomyślnie wdrożona dopiero pod koniec lat czterdziestych XX wieku. . Najwcześniejszym z nich był prawdopodobnie domowy system wymiany bezpośredniej o mocy 2,2 kW Roberta C. Webbera, ale źródła nie zgadzają się co do dokładnego harmonogramu jego wynalazku. J. Donald Kroeker zaprojektował pierwszą komercyjną geotermalną pompę ciepła do ogrzewania Commonwealth Building (Portland, Oregon) i zademonstrował ją w 1946 r. Profesor Carl Nielsen z Ohio State University zbudował w swoim domu pierwszą wersję otwartej pętli mieszkalnej w 1948 r. Technologia stała się popularne w Szwecji w wyniku kryzysu naftowego w 1973 roku i od tego czasu powoli zyskuje na światowej akceptacji. Rozwój polibutylenowych w 1979 r. Znacznie zwiększył opłacalność ekonomiczną pompy ciepła. Od 2004 roku na całym świecie zainstalowano ponad milion geotermalnych pomp ciepła o mocy 12 GW. Każdego roku instaluje się około 80 000 jednostek w USA i 27 000 w Szwecji.

Ekonomia

Wiertarka geotermalna

Energia geotermalna jest rodzajem energii odnawialnej, która zachęca do ochrony zasobów naturalnych. Według Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych systemy wymiany geograficznej oszczędzają właścicielom domów 30–70 procent kosztów ogrzewania i 20–50 procent kosztów chłodzenia w porównaniu z systemami konwencjonalnymi . Systemy wymiany geograficznej również oszczędzają pieniądze, ponieważ wymagają znacznie mniej konserwacji. Oprócz tego, że są wysoce niezawodne, są zbudowane tak, aby działały przez dziesięciolecia.

Niektóre media, takie jak Kansas City Power and Light , oferują specjalne, niższe stawki zimowe dla klientów geotermalnych, oferując jeszcze większe oszczędności.

Ryzyko odwiertów geotermalnych

Pęknięcia w zabytkowym ratuszu w Staufen im Breisgau przypuszczalnie spowodowane uszkodzeniami spowodowanymi odwiertami geotermalnymi

W projektach ogrzewania geotermalnego grunt jest penetrowany przez rowy lub otwory wiertnicze. Podobnie jak w przypadku wszystkich prac podziemnych, projekty mogą powodować problemy, jeśli geologia obszaru jest słabo poznana.

Wiosną 2007 r. przeprowadzono rozpoznawcze odwierty geotermalne w celu dostarczenia ciepła geotermalnego do ratusza w Staufen im Breisgau . Po początkowym zatonięciu o kilka milimetrów, w procesie zwanym osiadaniem , centrum miasta zaczęło się stopniowo podnosić, powodując znaczne uszkodzenia budynków w centrum miasta, wpływając na wiele zabytkowych kamienic, w tym ratusz. Postawiono hipotezę, że wiercenie przedziurawiło anhydrytu , powodując kontakt wody gruntowej pod wysokim ciśnieniem z anhydrytem, ​​który następnie zaczął się rozszerzać. Obecnie nie widać końca procesu wzrostowego. Dane z TerraSAR-X przed i po zmianach potwierdziły lokalny charakter sytuacji:

Potwierdzono, że przyczyną tych wypiętrzeń jest proces geochemiczny zwany pęcznieniem anhydrytu . Jest to przemiana mineralnego anhydrytu (bezwodnego siarczanu wapnia) w gips (wodny siarczan wapnia). Warunkiem wstępnym tej przemiany jest kontakt anhydrytu z wodą, która następnie zostaje zmagazynowana w swojej krystalicznej strukturze. Istnieją inne źródła potencjalnych zagrożeń, tj.: powiększanie się lub pogorszenie warunków stabilności jaskiń, degradacja jakościowa lub ilościowa zasobów wód podziemnych, Pogorszenie szczególnego zagrożenia w przypadku obszarów osuwiskowych, pogorszenie właściwości mechanicznych skał, zanieczyszczenie gleb i wód (tj. ze względu na dodatki zapobiegające zamarzaniu lub zanieczyszczający materiał konstrukcyjny i nudny). Projekt określony na podstawie wiedzy geologicznej, hydrogeologicznej i środowiskowej specyficznej dla danego miejsca zapobiega wszystkim tym potencjalnym zagrożeniom.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Geothermal_heating&oldid=1130415694 ”