Geotermálna energia

1. Geotermálna energia v budovách

Teplo uložené vo vnútri zeme sa nazýva geotermálna energia a dá sa využiť niekoľkými spôsobmi. Rozlišujeme teda využitie geotermálnych zdrojov (pramene horúcej vody a pary), chladenie horúcich vrstiev zeme a energetické využitie. Geotermálna energia sa využíva rôznymi spôsobmi. Je možné použiť ju na výrobu elektriny, vykurovanie (priamo alebo pomocou tepelných čerpadiel) a v balneológii (je to súbor metód liečby a rehabilitácie pomocou prírodných liečivých prameňov alebo termálnych, minerálnych a akratotermálnych vôd).

1.1. Geotermálna energia pre tepelné čerpadlá

Geotermálna energia je zdroj energie, ktorý je využívaný tepelnými čerpadlami. Používanie tepelných čerpadiel narastá vo všetkých európskych krajinách vrátane našej krajiny. Hlavné dôvody sú dva. Prvým je, že tepelné čerpadlá poskytujú energiu efektívnym využívaním primárnych zdrojov s úsporou asi 30 – 70 % v porovnaní s olejovými a plynovými kotlami. Druhým dôvodom je, že tepelné čerpadlá, na rozdiel od olejových a plynových kotlov, neprodukujú žiadne primárne emisie. Z tohto dôvodu významne prispievajú k znižovaniu emisií škodlivých látok v husto osídlených oblastiach.

2. Geotermálne sondy

2.1. Geotermálna energia a geotermálna sonda

Existuje niekoľko systémov, ktoré využívajú geotermálnu energiu, ale najbežnejší je systém s geotermálnou sondou alebo vertikálnym zemným kolektorom, ktorý tvorí vrt s vloženou geotermálnou sondou a tepelným čerpadlom. Použitie tepelného čerpadla na vykurovanie umožňuje aj chladenie priestorov a ohrev úžitkovej vody. Na odoberanie tepla z vrstiev pôdy a hornín pre tepelné čerpadlá do 100 kW môžeme použiť zvislé zemné kolektory – geotermálne sondy. Vertikálny zemný kolektor je vlastne výmenník tepla pozostávajúci z rúrky, zvisle vložený do vrtu. V kolektore cirkuluje médium, ktoré ochladzuje okolité vrstvy zeme a hornín. V týchto vrstvách sa médium zahrieva a vracia sa na povrch rovnobežnou rúrkou.

2.2. Ako sa inštaluje geotermálna sonda?

Geotermálne sondy sa inštalujú do zeme do hĺbky 30 až 150 m, možno až 300 m, ale potom je prierez  potrubia (rúr) geotermálnej sondy väčší ako 32 mm (40 mm). Na výrobu rúr sa používa  polyetylén (PE), ktorý poskytuje dobrú výmenu tepla a je odolný voči tlaku, vlhkosti, hlodavcom a mikroorganizmom. Všetky duté priestory medzi potrubím a zemou musia byť vyplnené dobre vodivým materiálom, suspenziou vody a cementu. Hĺbka a priemer jednej alebo viacerých geotermálnych sond závisí od tepelných potrieb budovy a výkonu inštalovaného tepelného čerpadla. Sondy sa najčastejšie vkladajú do vrtov v dvoch základných verziách:

• ako sonda s dvojitou trubicou U (chladené pracovné médium vstupuje cez jedno rameno, ohriate pracovné médium sa vracia k tepelnému čerpadlu cez druhé rameno) a
• ako koaxiálna trubica (vnútorná rúrka je vyrobená z PE, ňou preteká studené pracovné médium, zatiaľ čo vonkajšia rúrka je vyrobená z ocele a ohrievané pracovné médium ňou preteká k tepelnému čerpadlu).

2.3. Základné vlastnosti a inštalácia geotermálnej sondy

Geotermálna sonda nezaberá veľa miesta, teplota zdroja je po celý rok vysoká, možné je aj priame chladenie. V závislosti od kvality pôdy potrebujeme asi 10 – 20 m hlboký vrt na 1 kW tepelného čerpadla. Minimálna vzdialenosť medzi vrtmi by mala byť 5 až 6 m, minimálna vzdialenosť od základov budovy 2 m. Vždy je potrebné vziať do úvahy kvalitu alebo druh pôdy, pretože hĺbka vrtu závisí od kvality pôdy.

3. Geotermálna energia zo zemských vrstiev

V závislosti od vlastností pôdy je tepelný zisk na bežný meter v priemere od 50 do 100 W/m dĺžky sondy, resp. hĺbky vrtu. Tam, kde je pôda pórovitá, sú možné vyššie hodnoty. Množstvo vody a pórovitosť pôdy majú veľký vplyv na tepelnú vodivosť; priemerné tepelné zisky sú:

• suchá piesočnatá pôda: 20 W/m,
• vlhká piesočnatá pôda: 40 W/m,
• vlhká skalnatá pôda: 60 W/m,
• pôda s podzemnými vodami: 80 – 100 W/m.

Teplota zeme v hĺbke 15 m sa neustále pohybuje okolo 10 °C, približne na každých 33 m hĺbky teplota zeme vzrastá o 1 °C.  

4. Geotermálna energia pre tepelné čerpadlá

Použitie tepelného čerpadla je najekologickejším a najrozšírenejším spôsobom získavania geotermálnej energie na vykurovanie alebo chladenie, pretože nemá žiadne negatívne vplyvy na životné prostredie. Takýto vykurovací systém prenáša teplo zo zeme a do zeme s minimálnou spotrebou energie, neznečisťuje životné prostredie a patrí k najúčinnejším systémom vykurovania a chladenia. Geotermálny systém prenáša slnečnú energiu a energiu zo zeme do budovy systémom potrubí inštalovaných do zeme. Geotermálne tepelné čerpadlá môžu na vykurovanie používať minimálne teploty 5 °C a vyššie. V prípade vykurovacieho systému s tepelným čerpadlom minimálne 75 % energie sa spotrebuje na vykurovanie a ohrev  úžitkovej vody zo zdroja tepla, ku ktorému je tepelné čerpadlo pripojené. Pri použití zdroja tepla a 25 % elektrickej energie vyrába tepelné čerpadlo 100 % energiu na vykurovanie.

4.1. Výkon tepelného čerpadla

Postupy a opatrenia na zlepšenie energetickej hospodárnosti budov a pôsobnosť orgánov verejnej správy ustanovuje zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov. Energetický certifikát je doklad, ktorý obsahuje energetické hodnotenie pre jednotlivé kategórie budov (kvalitatívne energetické vlastnosti budovy), určuje do akej miery je konkrétny dom energeticky hospodárny. Obsahuje číselné hodnotenie stavebných konštrukcií, výpočet, ktorý vyjadruje množstvo energie potrebné na splnenie všetkých energetických potrieb súvisiacich s užívaním domu, v rámci toho množstvo energie, ktoré je potrebné na vykurovanie a prípravu teplej vody.  Výsledná energetická trieda budovy je súčtom číselných ukazovateľov jednotlivých potrieb a vyjadruje celkovú potrebu energie budovy v kWh/(m2.a). Na základe zistených hodnôt (z hľadiska energetickej hospodárnosti) sú budovy zatrieďované do energetických tried (A = mimoriadne úsporná budova, G = mimoriadne nehospodárna budova), čo umožňuje ich vzájomné porovnanie v rámci jednotlivých kategórií budov. Keď ide o celkovú potrebu energie rodinného domu za rok,  tá je A ≤54 a G >330.

Pri určovaní výkonu tepelného čerpadla na základe vyhrievaného povrchu sa berú do úvahy nasledujúce hodnoty špecifických tepelných strát:

• existujúci dom s primeranou tepelnou izoláciou 70 W/m²,
• nová budova s ​​dobrou tepelnou izoláciou 50 W/m²,
• nízkoenergetický dom 40 W/m² a
• pasívny dom 10 W/m2.

4.2. Systém zem-voda (geotermálna sonda)

Geotermálna sonda je uzavretý typ geotermálneho vrtu, cez ktorý sa využíva geotermálna energia. Ak nie je dostatok podzemnej vody, použite systém zem-voda. V tomto prípade potrebujeme jeden alebo viac vrtov do hĺbky 80 – 150 m, do ktorých sú nainštalované 4 rúrky, z ktorých dve a dve sú spojené v slučke U. Tepelné čerpadlá zem-voda využívajú tepelnú energiu uloženú v horninách alebo v zemi, kde je uložené veľké množstvo slnečnej energie, ktorú je možné pomocou tepelného čerpadla použiť na vykurovanie domu alebo ohrev úžitkovej vody. Na odoberanie tepla sa používa vertikálna geotermálna sonda alebo horizontálny zemný kolektor. Voda alebo médium, do ktorého sa pridáva nemrznúca zmes, cirkuluje v uzavretom potrubnom systéme. Voda alebo médium v ​​potrubiach odovzdáva teplo tepelnému čerpadlu, ktoré ho pomocou dodatočnej elektrickej energie ohrieva na vyšší stupeň (až 65 °C) a vracia ochladenú približne o 5 °C.

4.3. Systém voda-voda (vrt)

Je to geotermálny vrt otvoreného typu a je najefektívnejším systémom na využitie obnoviteľných zdrojov energie pomocou tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo voda-voda je vhodné na vykurovanie obytných a komerčných budov a na ohrev úžitkovej vody. Ako zdroj tepla sa používa podzemná voda. Proces prebieha tak, že podzemná voda sa čerpá z prvej čerpacej studne do tepelného čerpadla pomocou ponorného čerpadla, kde sa odoberá časť tepla (ochladí sa o asi 5 °C) a po ochladení sa vracia do druhej vsakovacej studne. Vzdialenosť medzi jednou a druhou studňou je minimálne 12 m a je veľmi dôležité, ako sú tieto dve studne otočené, vzhľadom na to, aký je smer prúdenia podzemnej vody. Podzemná voda má približne 12 °C  bez ohľadu na poveternostné podmienky alebo vonkajšiu teplotu.