Wykorzystanie ciepła z wnętrza Ziemi w celu zaopatrzenia historycznych budynków w energię
Płytkie geotermalne systemy ogrzewania i chłodzenia zaczynają coraz bardziej jawić się jako atrakcyjni pretendenci do modernizacji starzejących się budynków w Europie. Na czele tych zmian stoją inicjatywy UE, w tym fala renowacji, oraz środki polityczne, takie jak rewizja dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Budynki historyczne mają jednak swoje własne ograniczenia, które uniemożliwiają wykorzystanie w nich tego całkowicie odnawialnego źródła energii. W ramach finansowanego ze środków UE projektu GEO4CIVHIC opracowano i zmodyfikowano istniejące technologie, aby przyspieszyć wdrożenie systemów ogrzewania i chłodzenia wykorzystujących płytką energię geotermalną w takich budynkach zlokalizowanych na obszarach zabudowanych. „Przeciętny system geotermalny może dostarczyć do budynku 4 kW energii cieplnej, przy wykorzystaniu 1 kW energii elektrycznej i wydobyciu 3 kW darmowej energii spod ziemi”, zauważa Adriana Bernardi, koordynatorka projektu, fizyczka, dyrektorka ds. badań i szefowa Instytutu Nauk Atmosferycznych i Klimatu Krajowej Rady Badań Naukowych w Padwie we Włoszech.
Wiercenie i prace w ograniczonej przestrzeni
Odwiertowy wymiennik ciepła połączony z pompą ciepła pobiera niewyczerpane pokłady ciepła z wnętrza Ziemi i dostarcza je do jednostek emisji lub grzejników. Wymienniki ciepła pobierają energię z gleby o temperaturze do 8 °C, a pompa ciepła zwiększa tę energię do temperatury 60–70 °C w celu zasilenia systemu grzewczego. W lecie pompa ciepła odwraca kierunek pracy i pobiera ciepło z budynku, odprowadzając je do gleby. „Radykalnie nowe sposoby wykonywania otworów wiertniczych zwiększają wydajność pomp ciepła w wysokich temperaturach i nakładają wymóg użycia nowych rodzajów czynników chłodniczych”, wyjaśnia Bernardi. Historyczne miasto Mechelen w Belgii może poszczycić się około 300 zabytkowymi budynkami. Zespół projektu GEO4CIVHIC opracował kompaktową i lekką wiertnicę o bardzo małej powierzchni, którą można było przenosić do ogrodów za pomocą dźwigu z jego wąskich uliczek. W ramach projektu GEO4CIVHIC zoptymalizowano i zainstalowano kilka współosiowych stalowych wymienników ciepła o 20–30 % wyższym współczynniku pozyskiwania energii, zmniejszając całkowitą długość potrzebnych wymienników ciepła. Wymienniki ciepła opatentowano w ramach projektu Cheap-GSHPs inicjatywy Horyzont 2020.
Różnice między stanowiskami demonstracyjnymi w całej Europie
Na trzech stanowiskach pilotażowych i czterech demonstracyjnych wykazano pomyślne zastosowanie rozwiązania projektu GEO4CIVHIC w różnych skałach skorupy ziemskiej i budynkach o różnej konstrukcji. Z myślą o wysokotemperaturowych systemach emisyjnych opracowano trzy pompy ciepła wykorzystujące CO2 jako bardziej przyjazny dla środowiska czynnik chłodniczy. W Ferrarze (Włochy), Greystones (Irlandia) i Mechelen (Belgia) wykazały one współczynniki wydajności sięgające 3,3 przy temperaturach 60–70 °C. W historycznym obiekcie na Malcie do zastosowań w ciepłym klimacie zainstalowano jedną pompę ciepła o podwójnym źródle (powietrze/grunt). Ponadto w ośrodkach badawczych na Uniwersytecie w Padwie we Włoszech oraz w Tecnalia w Bilbao w Hiszpanii zainstalowano cztery kompaktowe pompy ciepła typu plug-and-play w celu stworzenia aplikacji do zarządzania energią i zbadania nowych czynników chłodniczych o niskim współczynniku globalnego ocieplenia. Bernardi podkreśla: „Rozwiązania te obejmują wykorzystanie nowych czynników chłodniczych o niskim współczynniku globalnego ocieplenia, aby spełnić wymagania nadchodzących przepisów”. Na potrzeby wiercenia w twardych skałach zespół projektu GEO4CIVHIC opracował wydajną, kompaktową rotacyjno-wibracyjną głowicę wiertniczą. Prace demonstracyjne w irlandzkim Greystones odbywają się w zbitej skale, więc zespół jako płynu wiertniczego użył sprężonego powietrza. Stopień zużycia sprężonego powietrza i wiertła był znacznie niższy w porównaniu z konwencjonalną metodą wiercenia. W bardziej miękkich skałach na Malcie, w zabytkowym ogrodzie Msida Bastion, w roli płynu wiertniczego zastosowano wodę, a samo wiercenie przebiegało bardzo szybko, choć z prędkością poniżej 1 m/min.
Przyszłość energii geotermalnej
Kompleksowe mapy możliwości wiertniczych opracowane w ramach projektu GEO4CIVHIC pozwolą scharakteryzować lokalizacje według właściwości geologicznych, dostarczając informacji na temat szybkości i kosztu wiercenia. „W celu integracji elektrowni geotermalnych z innymi źródłami odnawialnymi opracowujemy system wspomagania decyzji. Pomoże to użytkownikom poprawić ogólną efektywność energetyczną i przyspieszyć zwrot z inwestycji”, podkreśla Bernardi. Wizja Bernardiego dotycząca historycznych zasobów budowlanych Europy obejmuje „zademonstrowanie wszystkim interesariuszom długoterminowych korzyści ekonomicznych płynących z wykorzystania do celów ogrzewania i chłodzenia płytkich zasobów energii geotermalnej. Planowane przez nas działania w zakresie szkoleń, wytycznych i warsztatów przyczynią się do zwiększenia świadomości i zaufania do tej technologii wśród interesariuszy”, podsumowuje.
Słowa kluczowe
GEO4CIVHIC, pompa ciepła, budynek historyczny, czynnik chłodniczy, płytka energia geotermalna, ogrzewanie i chłodzenie, wiercenie, odwiert, źródła odnawialne
