Energia geotermalna pozyskiwana zarówno z głębszych, jak i płytszych warstw Ziemi zyskuje coraz większą popularność. Odnawialne źródła energii przyczyniają się do zmniejszenia emisji CO2 oraz pyłów i szkodliwych gazów przeciwdziałając tym samym negatywnym skutkom zmian klimatu oraz zanieczyszczeniu powietrza.
Zasoby ciepła bądź chłodu, którą możemy pozyskać z płytkich warstw skorupy ziemskiej nazywamy geotermią niskotemperaturową.
Państwowy Instytut Geologiczny aktywnie wspiera rozwój tej technologii.
Geotermia niskotemperaturowa jest dostępna wszędzie, i może być z powodzeniem wykorzystywana do ogrzewania i chłodzenia zarówno domów jednorodzinnych, jak i dużych obiektów publicznych i przemysłowych. Przykładem najlepiej obrazującym zastosowania tej technologii jest Muzeum Józefa Piłsudskiego w Sulejówku koło Warszawy.
Robert Supeł, były dyrektor Muzeum Józefa Piłsudskiego w Sulejówku mówi: “Myślenie o Muzeum Józefa Piłsudskiego w Sulejówku właściwie od początku jego projektowania zakładało, że to będzie muzeum korzystające z zielonej energii. Dwie trzecie jego bryły znajduje się pod ziemią. Ziemia daje otulinę termiczną, a dysponując 4 hektarowym terenem mogliśmy rozmieścić sondy do pomp ciepła. Pompy ciepła są wykorzystywane albo do ogrzewania powietrza albo do jego chłodzenia albo też do ogrzewania wody ciepłej”.
Na terenie parku Muzeum Józefa Piłsudskiego wykonano ponad 110 odwiertów, każdy o głębokości 100 metrów. Dzięki temu pozyskano z gruntu ponad 500 kilowatów mocy grzewczej oraz ponad 600 kilowatów mocy chłodniczej.
Dr Tomasz Walczak, projektant systemu gruntowych pomp ciepła w Muzeum Józefa Piłsudskiego wspomina: “Jednym z największych wyzwań, które tutaj mieliśmy to ustalenie profilu zapotrzebowania na energię. Jest to budynek muzealny, nietypowy. Jeżeli nikogo w nim nie ma to jego potrzeby chłodnicze są niewielkie. Jeżeli wejdzie 1000 osób zwiedzających wtedy potrzeby są dosyć duże. W okresie zimowym odbieramy energię z gruntu, która jest transportowana dzięki pompom ciepła na wyższy poziom temperaturowy do ogrzewania budynku. Gdy zakończymy okres grzewczy przechodzimy w okres chłodniczy. Wykorzystujemy chłodzenie aktywne i pasywne”.
Dzięki zastosowaniu technologii gruntowych pomp ciepła ponad 3/4 energii cieplnej można pozyskać bezpłatnie z otoczenia – podłoża gruntowo-skalnego. W celu zoptymalizowania wydajności i kosztów wykonania instalacji geotermalnej projektanci wykorzystują dostępne rozpoznanie warunków geologicznych w podłożu projektowanych inwestycji.
Dr Tomasz Walczak zauważa: “We współpracy z Państwowym Instytutem Geologicznym wykonujemy testy reakcji termicznej, które pozwalają nam określić czy początkowe założenia są zgodne z rzeczywistością”.
Dzięki geotermii w muzealnym obiekcie udało się zredukować koszty eksploatacyjne, zaś emisję CO2 zredukowano o około 90%.
Grzegorz Ryżyński z Państwowego Instytutu Geologicznego – Państwowego Instytutu Badawczego mówi: “Prowadzimy prace związane z przygotowywaniem map potencjału geotermii niskotemperaturowej. Mapy, które sporządzamy są to mapy służące do przeprowadzenia prognozy ilości energii cieplnej bądź chłodu, którą możemy pozyskać z płytkich warstw skorupy ziemskiej. To są zasoby tak zwanej geotermii niskotemperaturowej. W Polsce temperatury do głębokości 100, 200 metrów w skali roku wynoszą średnio od 10 do 12 stopni Celsjusza. Jest to temperatura, która w zależności od pory roku w naszym klimacie umiarkowanym jest zarówno magazynem chłodu jak i ciepła”.
Dzięki opracowanym przez Państwowy Instytut Geologiczny mapom potencjału geotermii niskotemperaturowej możemy szybko określić przewidywaną wydajność systemu geotermalnego. Wykorzystanie tych map w wspomaga proces wstępnego planowania instalacji gruntowych pomp ciepła.
Konstrukcja odwiertów będących gruntowymi wymiennikami ciepła powinna zawsze uwzględniać budowę geologiczną. Identycznie zaprojektowany system, zlokalizowany na terenach charakteryzujących się odmiennym układem warstw geologicznych, będzie pracował z różną wydajnością. Brak lub słabe rozpoznanie budowy geologicznej będzie skutkowało niewystarczająca mocą cieplną instalacji lub zbyt wysokimi kosztami jej wykonania. Do wykonywania map potencjału geotermii niskotemperaturowej konieczna jest znajomość właściwości termicznych gruntów i skał.
Próbka, która już jest przesuszona – powinna być odpowiednio uformowana. Mateusz Żeruń z Pracowni Geotermii Niskotemperaturowej PIG-PIB tłumaczy: “Do tego służą cylindry, w których ubijamy grunt warstwa po warstwie. Aby przebadać tą próbkę pod względem właściwości termicznych używamy dedykowanej do tego igły, którą aplikujemy do próbki. To urządzenie – wysyła – emituje ciepło poprzez igłę, która jest jednocześnie emiterem ciepła i czujnikiem. Rejestruje zmianę temperatury, na tej podstawie określa właściwości termiczne gruntu”.
Do wyznaczania przewodności cieplnej skał twardych stosujemy innego typu czujnik – tzw. dysk termiczny. Do wykonywania map potencjału geotermii niskotemperaturowej konieczna jest również znajomość podstawowych właściwości fizycznych skał i gruntów.
Aleksandra Ilska z Centrum Badań Gruntów i Skał PIG-PIB mówi: “Badamy między innymi piaski, gliny, iły, pyły, grunty organiczne, torfy, namuły, gytie, skały; między innymi granitoidy, bazalty. Badamy zawartość substancji organicznej, węglanu wapnia, granice plastyczności, spójność, konsystencję, gęstość właściwą, gęstość objętościową”.
Grzegorz Ryżyński dodaje: “Z tych danych, które następnie syntezujemy w postaci bazy i modelu 3D sporządzamy produkt finalny czyli mapy potencjału geotermii niskotemperaturowej, które prezentujemy w postaci warstw informacyjnych GIS w internecie. Widzimy wyraźnie zróżnicowanie obszarów. Obszary czerwone – warunki są dobre”.
Wpływ budowy geologicznej na wydajność gruntowych pomp ciepła jest bardzo istotny. Znajomość warunków gruntowo-wodnych jest podstawą obliczeń projektowych systemu geotermalnego i optymalizacji kosztów jego instalacji.
Autor: Science Media
