Obsah Rejstřík Symboly Přílohy pdf Tisk 8. Využití tepla Země Autor: Jiří Škorpík, skorpik@fme.vutbr.cz: naposledy aktualizováno 2014-06 Energii sdílí povrch Země (myšleno několika kilometrová hloubka) nejen se Sluncem (sluneční energie), i když tato energie je dominantní, ale také s nitrem Země geotermální energie*, slapovými silami (zpomalování rotace Země) a další např. při dopadu meteoritů atd. Ve svém důsledku se tyto energie transformují na teplo povrchu Země. Sluneční energie zahřívá atmosféru a povrch Země (do malé hloubky) včetně vodních ploch a plynného obalu. Toto ohřátí není velké a dosahuje maximálně několika desítek stupňů Celsia. Průměrný tepelný tok z nitra Země je o několik řádů nižší (udává se v mw m -2 ) než je tepelný tok od Slunce. Ovšem tepelný odpor Zemské kůry způsobuje, že přibližně každých 100 m hloubky se zvýší teplota o 3 C. V bezprostředním dosahu člověka je tedy k dispozici velké množství tepla, ale o poměrně nízké teplotě, přesto i toto nízko potenciální teplo lze různými způsoby využít v energetice. *Geotermální energie Za geotermální energii je považováno teplo zemského jádra, které již několik miliard let chládne, energie z náhodných jaderných reakcí v nitru Země, energie pohybu zemských desek a v relativně tenké vrstvě (několik metrů) v místech s většími výkyvy teplot během střídání ročních období se mezi ročně akumuluje sluneční energie. Pro smysluplnou výrobu elektrické energie v tepelném oběhu by teplota zdroje musela být mnohem vyšší [2]. V případě využití sluneční energie je možné teplotu dopadající na určitou plochu zvýšit koncentrací slunečních paprsků pomocí parabolického zrcadla. V případě geotermální energie nedokážeme tuto energii koncentrovat uměle a tak zvýšit teplotu ohřívaného média. Ale na některých místech Země dochází ke koncentraci geologické energie jehož výsledkem mohou být horniny zahřáté na vysokou teplotu (místa blízké vulkanické činnosti či blízkosti tektonických zlomů apod.). Na takových místech lze budovat i elektrárny využívající teplo Země. Na našem území se geotermální energie využívá prakticky pouze pro výrobu nízko-potenciálního tepla často pomocí tepelných čerpadel. Průměrný tepelný tok geotermální energie činí 62,8 mw m -2 [8, str. 68], čemuž odpovídá výkon 4 952,8 MW pro plochu české republiky. Přímé využití geotermální energie Přímé využití geotermální energie je vázáno na lokality s přirozeným výskytem horkých hornin v blízkosti povrchu Země a vyvěrající horké prameny. V České republice je výskyt takových lokalit minimální a známé prameny se využívají pouze k lázeňským účelům (teplota od 30 do 80 C /Karlovy Vary 73 C/) pro jejich malou vydatnost. V některých okolních státech jsou takové prameny mnohem vydatnější a používají se například k vytápění skleníků pomocí geotermálních výtopen. Na Islandu
8-2 jsou dokonce natolik vydatné zdroje horkých pramenů, že se jimi vytápí celé aglomerace (např. hl. město Reykjavík). Geotermální energii je možné využít i k výrobě elektřiny v geotermálních elektrárnách pomocí parního oběhu v místech, kde teploty geologických vrstev dosahují alespoň 200 C (při nižších teplotách je možné použít ještě Kalinův oběh případně další vhodné typy tepelných oběhů). Zdrojem tepla pro parní oběh jsou horké horniny (nejlépe drť) obvykle ve větších hloubkách, ke kterým je pomocí vrtu přiváděna voda o vysokém tlaku. Voda je v podstatě postupně protlačena mezerami mezi jednotlivými kusy horniny a tak se ohřívá na požadovanou teplotu. Protějším vrtem je tato horká voda odváděna k povrchu k dalšímu využití například v parní elektrárně. Tento způsob ohřevu vody se nazývá Hot Dry Rock (HDR). - zl. 32 - Obrázek 1. Schéma zařízení pro realizaci R-C oběhu využívající teplo z nitra Země. 1 Horká voda; 2 uvolňovač páry; 2'' Sytá pára; 3 parní turbína; 4 kondenzátor; 5 kondenzátní čerpadlo; 6 dopravní čerpadlo doplňující vodu zpět do ložiska horké vody (udržování tlaku vody v ložisku); 7 chladící věž. V případě parní elektrárny je horká voda přiváděna do uvolňovače páry a vzniklá pára je využita standardním způsobem v parním oběhu (v případě Kalinova oběhu je uvolňovač páry nahrazen povrchovým tepelným výměníkem pro ohřev roztoku čpavku a vody). Po kondenzaci je voda čerpána zpět do vrtu k dalšímu ohřevu. Tento typ elektráren se ale příliš nevyplácí v místech, kde není zvýšená geologická aktivita. Protože průměrný tepelný tok z jádra Země je příliš malý a proto vyhloubený prostor pro adekvátní výkon by musel být obrovský. Odtud plynou vysoké pořizovací náklady a především velké technické problémy. Tento typ elektráren je experimentálně provozován v několika zemích v četně těch Evropských [5]. V geologicky neaktivních lokalitách se tento systém vyplatí přibližně tam, kde je gradient nárůstu teploty s hloubkou vyšší než 3 C/100 m. Přírodních podzemních lokalit vyplněné dostatečně pórovitou horkou horninou je málo a v praxi se pórovitosti dosahuje pomocí umělých explozí. Po zprovoznění takové elektrárny postupně její výkon klesá, tak jak se ochlazuje původní hornina. Tento výkon klesne (po vyčerpání naakumulovaného tepla v horninách) na hodnotu odpovídají tepelnému toku z nitra Země v dané oblasti.
8-3 Aby se uvedený systém opravdu vyplatil budují se v místech s vyšší geologickou aktivitou popřípadě blízko vulkánů (vulkanické elektrárny). Takové typy elektráren se nacházejí např. v Itálii, USA, Novém Zélandu, Islandu* a v dalších geologicky podobných lokalitách. *Poznámka Oblast Islandu je velmi geologicky aktivní a nachází se tam oblasti s velmi horkým prostředím (teplota 180 až 300 C v hloubkách 1 až 2 km nebo až 700 C v hloubkách 3 až 5 km). Z těchto důvodů se zvažuje ekonomická smysluplnost dodávka Islandské elektřiny pomocí vysokonapěťového stejnosměrného kabelu do Evropy [2]. - zl. 33 - Obrázek 2. Geotermální elektrárna Krafla 2x30 MW (Island) a výměna rotoru turbíny. 1 strojovna; 2 chladící věže; 3 rozvodna elektřiny; 4 parní separátor, 5 parovod; 6 zdroje páry. V tomto případě je zdrojem horké vody vrt v blízkosti vulkánu. Zdroj: [3]. Problémy u takových typů elektráren způsobují nečistoty ve vodě, které si sebou z podzemních vrtů přináší (především rozpuštěné plyny a minerální látky s vysokým podílem především síry a čpavku). Tyto nečistoty způsobují zvýšené opotřebení všech součástí (především turbín) mechanickým i chemickým způsobem. Rozpuštěné plyny zase způsobují problémy v kondenzátoru, kdy zvyšují tlak kondenzace a je proto nutné je odsávat z prostoru kondenzace pomocí vývěv [4]. Z těchto důvodů se místo uvolňovače páry instaluje povrchový výměník (parogenerátor), kde z jedné strany horká voda z vrtu postupně ohřívá až k teplotě varu čistou vodu v okruhu turbíny. Tento způsob, ale významně negativně ovlivňuje celkový výkon a tepelnou účinnost elektrárny. Tepelná čerpadla V geografických podmínkách střídání ročních období je možné využívat nízkopotenciální teplo akumulované v zemi a vodě. Toto teplo získává zemina a povrchová voda ze sluneční energie přijímaná jejich povrchem během slunečných dnů případně horkého produ vzduchu při povrchu. V zimě se naopak postupně ochlazují a své teplo předávají okolí především studenému vzduchu a chladné dopadající vodě z atmosféry (sníh, déšť..). Teplota vody a země je v zimě i tak velmi nízká a médium, které tímto teplem bude ohříváno se ohřeje jen o málo stupňů celsia, ale pomocí chladícího oběhu* lze tuto teplotu zvýšit. Zařízením, které dokáži využít teplo o nízké teplotě ze země, vody popřípadě vzduchu** se nazývá tepelné čerpadlo. Do tepelného čerpadla je pomocí teplo nosné látky přivedeno teplo i nízké teplotě pomocí tepelného výměníku, který teplo okolí odebírá (primární výměník). V tepelném čerpadle se pomocí tepelného
8-4 oběhu tato teplota zvýší a teplo je dále předáno tepelnému výměníku, který ohřívá vytápěný prostor (sekundární výměník). - zl. 34 - Obrázek 3. Princip tepelného čerpadla využívající akumulované teplo v zemi pro vytápění. 1 primární tepelný výměník umístěný v zemi naplněný teplo nosnou látkou; 2 zařízení tepelného čerpadla; 3 sekundární tepelný výměník; P [W] příkon tepelného čerpadla (obvykle elektřina); Q D [W] teplo do oběhu přivedené; Q Od [W] teplo z oběhu odvedené. *Poznámka Existuje více chladících oběhů, ale nejčastěji se používá chladící oběh s kompresorem. V případě chladícího oběhu s kompresorem bývá teplota kondenzace mezi 50 až 60 C. Skupenské teplo kondenzace je odváděno chladící tekutinou (nejčastěji voda). Var probíhá při teplotě nižší než kondenzace i nižší než je 0 C. Více o fungování a typech pracovní tekutiny chladícího oběhu v tepelném čerpadlu např. [6]. **Poznámka Vzduch se prouděním ohřívá/ochlazuje o povrch Země a vodní plochy. Tepelné čerpadlo tedy využívá nízko-potenciální teplo, pro ohřev pracovní tekutiny, které pomocí přivedené mechanické práce zvyšuje teplotu na využitelnou úroveň pro vytápění. Množství takto získané tepla je vyšší než činí přivedená práce, takže je to výhodnější než práci (elektřinu, která se při této práci spotřebuje) pomocí ztrát (třením) přeměňovat na teplo a přímo tímto teplem vytápět. Ovšem kompresor je poháněn elektřinou většinou vyrobenou v tepelných elektrárnách spalující fosilní paliva u hlavně uhlí. Aby se tepelné čerpadlo vyplatilo musí být výtěžek tepla z tepelného čerpadla větší než množství tepla uvolněného po spálení ekvivalentního množství uhlí pro výrobu potřebné elektřiny. K takovému hospodárnému užití tepelného čerpadla dochází jestliže je topný faktor* větší než převrácená hodnota účinnosti výroby elektřiny v tepelné elektrárně (správně by se měla účinnost výroby elektřiny v uhelné elektrárně měla vynásobit ještě účinnosti přenosu elektřiny ke spotřebiteli o čemž píšu v článku Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech [10] ). *Topný faktor Je definován stejně jako chladící faktor. V podmínkách ČR by měl pro smysluplný provoz tepelného čerpadla být vyšší jak 3.
8-5 Z definice chladícího oběhu i topného faktoru je zřejmé, že aby byl topný faktor co nejvyšší je zapotřebí co nejmenšího rozdílu teplot mezi kondenzací a vypařování. Pokud zdrojem tepla bude teplo zeminy je zapotřebí primární tepelný výměník umístit ve vhodné hloubce, kde je dostatečně vysoká teplota i v zimním období. Při instalaci takového výměníku do země je nutné počítat s podchlazením této části pozemku oproti okolní zemině, protože tepelný tok do výměníku je prakticky vždy větší než do zeminy (pro představu průměrný tok geotermální energie o výkonu 5 kw je ekvivalentem 79 618 m 2, přesně takovou plochu by potřeboval tepelný výměník o stejném příkonu, který by zeminu nepodchlazoval). Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo nemusí pocházet ze zeminy, ale může jim být i jiná látka povrchu Země jako například podzemní nebo povrchová voda či vzduch, u kterého se už ale nejedná o geotermální energii. Zde jsou parametry některých řešení: Zemní výměník (plošně rozmístěné) trubky jsou umístěny 1,2 až 1,6 m pod povrch země. Plocha ochlazované země by měla být asi 3x větší než plocha vyhřívaná. 5 až 8 m výkopu na 1 kw tepelného zisku. Získaný tepelný výkon v zimním období je cca 10 až 40 W m -2 (suchá půda menší hodnoty-půda se spodní vodou větší hodnoty). Zemní sondy vrty jedná se o získávání tepla z větších hloubek. Respektive z vrtu. Vrt bývá pro tepelné čerpadlo pro rodinný domek hluboký 50 až 120 m v podmínkách ČR, ve světě 100 až 200 (BHE borehole heat exchangers). Jedním vrtem je vedeno přívodní i odvodní potrubí teplo nosného média. Získaný měrný tepelný tok je opět velice závislý na typu půdy. Suchá půda s nízkou tepelnou vodivostí 30 W m -1 délky vrtu, vlhká půda s podzemní vodou až 100 W m -1 délky vrtu. Spodní voda (studna) princip spočívá v tom, že z vodního vrtu je odčerpávána voda (7 až 12 C). Tato voda je ochlazována respektive je z ní pomocí tepelného čerpadla odňata část tepelné energie. Ochlazená voda je pouštěna do druhého vodního vrtu. jsou tedy nutné dvě studny (vrty). Přičemž na 1 kw tepelného výkonu čerpadla je potřeba cca 180 l h -1 vody. Vzduch je to nejjednodušší systém s tepelným čerpadlem. Teplo je odebíráno okolnímu vzduchu. Problémy jsou pouze při velmi nízké teplotě vzduchu, kdy se snižuje topný faktor tepelného čerpadla. Primární výměník může fungovat přímo i jako výparník tepelného čerpadla záleží na typu tepelného čerpadla a pracovní tekutině. Ostatní primární tepelný výměník může být umístěn také v řece, jezeru-rybníku či může odebírat teplo ze solární kolektoru atd. Tepelné čerpadlo by mělo být navrženo a provozováno tak, aby se v období mimo topnou sezónu okolní zemina/hornina ohřála na původní teplotu. V opačném případě by docházelo postupně ke snižování teploty okolí primárního výměníku a tím by se snížil topný faktor a výkon tepelného čerpadla. Také umístění primárního výměníku se musí vybírat citlivě s ohledem na okolí, především v případě zemědělského využití plochy nad výměníkem. Zrychlit zvyšování nebo i zvýšit teplotu okolní zeminy v letní sezóně je možné speciálním typem tepelných čerpadel, která jsou schopna vytápěné místnosti v zimě vytápět a v létě ochlazovat. Takové čerpadlo funguje v zimě i v létě stejně, ale prohodí okruhy mezi primárním a sekundárním (ten co teplo normálně vyzařuje) výměníkem
8-6 z Obrázku 3. Jestliže v létě bude tepelné čerpadlo zeminu ochlazovat a místnost ohřívat tak, po prohození okruhu výměníků se bude teplem z místnosti (bude ochlazována) ohřívat zemina [1]. - zl. 605 - Obrázek 4. Průběh teploty neporušené zeminy (Německo). a leden; b červenec; t [ C] teplota zeminy; h [m] hloubka měření. Zdroj dat: [7]. Odkazy 1. ČÍŽEK, Petr. Jak geologické poměry ovlivňují provoz tepelných čerpadel, Alternativní energie, 2004, č. 4. Praha: CEMC - České ekologické manažerské centrum. 2. TŮMA, Jan. Island nabízí Evropě elektřinu, Technický týdeník, č. 5, 2013. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064. 3. Landsvirkjun, [2010]. Elektrárenská společnost, Island. Dostupné z http://www.landsvirkjun.com. 4. NIELSEN, Gunnlaugur, MAACK, Runólfur, GUDMUNDSSON, Ásgrímur, GUNNARSSON Gunnar. Proceedings World Geothermal Congress 2000, Completion of Krafla geothermal power plant, 2000, May 28...June 10. Kyushu-Tohoku, Japan, Dostupné z http://www.geothermal-energy.org/pdf/igastandard/wgc/2000/r0689.pdf. 5. European geothermal project for the construction of a scientific pilot plant based on an Enhanced Geothermal System, [2010]. Projekt na využití geotermální energie pro výrobu elektřiny systémem Hot Dry Rock v oblasti Soultz-sous-Forets (Francie). Dostupné z http://www.soultz.net. 6. ZLATAREVA, Veneta. Tepelná čerpadla, 2001. Praha: ČEA česká energetická agentura, [online]. Dostupné dostupné z http://www.mpoefekt.cz/cz/ekis/publikace/953, [2012]. 7. PAUL, Eberhard. Využití zemních výměníků tepla ve spojení se zařízením pro bytové větrání a rekuperaci tepla, TZB-info, 2005, 10. říjen. Praha: Topinfo s.r.o., ISSN 1801-4399. Dostupné z http://www.tzb-info.cz/2772-vyuziti-zemnich-vymeniku-teplave-spojeni-se-zarizenim-pro-bytove-vetrani-a-rekuperaci-tepla.
8-6 8. KADRNOŽKA, Jaroslav. Globální oteplování země, 2008. Vydání první. Brno: VUTIUM, ISBN 978-80-214-3498-1. Citace tohoto článku ŠKORPÍK, Jiří. Využití tepla Země, Transformační technologie, 2006-11, [last updated 2014-06]. Brno: Jiří Škorpík, [online] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http:///vyuziti-tepla-zeme.html. Jiří Škorpík, LICENCE