Geotermalno grijanje

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Geotermalno grijanje se bazira na izravnoj upotrebi geotermalne energije, a takav način grijanja se upotreblja još od doba paleolitika. U 2004. godini je otprilike sedamdeset država svijeta izravno koristilo 270 PJ geotermalne topline, a ta brojka je u konstantnom porastu. Od 2007. godine instaliralo još 28 GW geotermalnog toplinskog kapaciteta diljem svijeta, zadovoljavajući time 0,07 % potrošnje globalne primarne energije.[1] Geotermalno grijanje ima visoki stupanj termodinamičke iskoristivosti jer nema potrebe za pretvorbom energije, ali je efikasnost niska, te iznosi oko 20 %. To je posljedica sezonske upotrebe topline za grijanje (većinom zimi).

Geotermalna energija potječe iz topline sadržane u Zemlji. Ta toplina nastaje kao posljedica radioaktivnog raspadanja minerala i od solarne energije koja se apsorbirala na površini Zemlje.[2] Većina visoko temperaturne geotermalne topline nastaje na mjestima spajanja tektonskih ploča, jer je tamo vulkanska aktivnost bliža površini Zemlje. Na tim mjestima temperature zemlje i podzemnih voda mogu biti veće od temperature koja je potrebna u sustavima za grijanje. Toplina je također pohranjena i u hladnijim predjelima Zemlje. Već na šest metara ispod Zemljine površine je temperatura konstantna, te je po iznosu jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka.[3] Ta se toplina može izvući pomoću toplinskih pumpi.


Povijest[uredi - уреди | uredi izvor]

Najstariji bazen grijan termalnim izvorom, sagrađen u 3 st. prije Krista za vrijeme dinastije Qin

Još od doba Paleolitika su se termalni izvori koristili u toplicama.[4] Prve poznate toplice koje su izgrađene tokom Qin dinastije u trećem stoljeću prije Krista su bili kameni bazeni na planini Li u Kini. Na istome mjestu je kasnije bila izgrađena Huaqing Chi palača. U prvom stoljeću poslije Krista Rimljani su osvojili Aquae Sulis i iskoristili tamošnje termalne izvore za javna kupališta te podno grijanje.[5] Ulaznice za ovo kupalište vjerojatno predstavljaju prvu komercijalnu upotrebu geotermalne topline. Tisuću godina stara termalna kada je pronađena na Islandu koju je izgradio jedan od najstarijih islandskih naseljenika.[6] Najstariji svjetski područni geotermalni toplinski sustav je u Francuskoj u Chaudes-Aiguesu koji je u upotrebi od četrnaestog stoljeća.[7] Najranija industrijska eksploatacija je počela 1827. godine korištenjem gejzirskih para za ekstrakciju borne kiseline iz vulkanskog blata u Larderellu u Italiji.

Prvi Američki područni toplinski sustav grijanja koji se je izravno opskrbljivao geotermalnom energijom je napravljen 1982. godine u glavnom gradu Idahoa, Boiseu. Takav sustav je ubrzo primijenjen 1900. godine i u Klamath Fallsu (Oregon). U Boiseu je 1926. godine korišten duboki geotermalni bunar za grijanje staklenika, dok su se istovremeno gejziri upotrebljavali za grijanje staklenika na Islandu i u Toskani.[8]

Lord Kelvin je 1852. godine izumio toplinsku pumpu, dok je 1912. Heinrich Zoelly patentirao ideju o korištenju toplinskih pumpi za izvlačenje topline iz zemlje.[9] Tek u 1940-im je geotermalna toplinska pumpa uspješno implementirana. Vjerojatno prva geotermalna toplinska pumpa je bila Roberta C. Webbera od 2,2 kW, no neki se izvori ne slažu s time u pogledu točnog vremena izuma.[9] J. Donald Kroeker projektirao je prvu komercijalnu geotermalnu pumpu za grijanje javnih ustanova u Portlandu, u Oregonu, koja je prvi put primijenjena 1946. godine.[10][11] Profesor na sveučilištu u Ohiou, Carl Nielsen, 1948. godine je u sklopu svog doma konstruirao prvu geotermalnu toplinsku pumpu koja je preuzimala toplinu iz podzemnih voda.[12] Zbog naftne krize 1973. ova tehnologija je postala veoma popularna u Švedskoj, te je od tada sve popularnija diljem svijeta. Razvoj cijevi od polibutena je 1979. godine znatno povećao ekonomsku održivost toplinskih pumpi.[10] Od 2004. godine postoji više od milijun geotermalnih toplinskih pumpi diljem svijeta koje imaju sveukupno 12 GW toplinskog kapaciteta.[13]

Primjena[uredi - уреди | uredi izvor]

Države koje su koristile najviše geotermalnog grijanja u 2005. godini[7]
Država Proizvodnja
PJ/godini
Kapacitet
GW
Efikasnost
 %
Primarna
Svrha
Kina 45.38 3.69 39% kupanje
Švedska 43.2 4.2 33% toplinske pumpe
SAD 31.24 7.82 13% toplinske pumpe
Turska 24.84 1.5 53% područno grijanje
Island 24.5 1.84 42% područno grijanje
Japan 10.3 0.82 40% kupanje
Mađarska 7.94 0.69 36% toplice/staklenici
Italija 7.55 0.61 39% toplice/prostorno grijanje
Novi Zeland 7.09 0.31 73% industrijske potrebe
63 ostalih država 71 6.8
Suma 273 28 31% prostorno grijanje


Postoji mnogo raznovrsnih primjena jeftine geotermalne topline. U 2004. godini se je više od pola geotermalne topline koristilo za prostorno grijanje, dok se trećina koristila za toplice i lječilišta.[1] Ostatak geotermalne topline se koristilo za razne industrijske procese, desalinizaciju, potrošnu toplu vodu, te u poljoprivredi. Gradovi kao Reykjavik i Akureyri dovode toplu vodu za topljenje snijega putem podzemnih cjevovoda iz geotermalnih postrojenja.

Geotermalni sustavi su vrlo ekonomični jer se toplinska energija korištena za područno grijanje često dovodi toplovodima. Na taj se način može opskrbljivati veliki broj zgrada, pa čak i cijela naselja. Ova se tehnologija dugo koristi diljem svijeta u mjestima kao što su: Reykjavik (Island),[14] Boise (Idaho),[15] Klamath Falls (Oregon).[16]

Ekstrakcija[uredi - уреди | uredi izvor]

U nekim dijelovima svijeta, uključujući i značajne dijelove zapadnog SAD-a, postoje relativno plitki geotermalni resursi.[17] Slični uvjeti postoje i na Islandu, dijelovima Japana, te u ostalim geotermalno bogatim regijama svijeta. Na ovim prostorima voda ili vodena para je preuzeta iz prirodnih termalnih izvora te transportirana putem cijevi u radijatore ili izmjenjivače topline. U alternativnim slučajevima, može se koristiti i otpadna toplina iz kogeneracijskih geotermalnih elektrana. Grijanje pomoću geotermalno topline je daleko efikasnije nego proizvodnja električne energije putem geotermalnih elektrana jer se u sustavima za grianje koristi voda daleko nižih temperatura. Samim time ovaj pristup je održiviji diljem svijeta. Ako je plitko tlo toplo i suho, zrak i voda mogu cirkulirati kroz podzemne izmjenjivače topline te tako preuzeti toplinu sadržanu u zemlji.

U područjima gdje je plitko tlo prehladno da pruži dovoljnu količinu topline za grijane prostora, ono je još uvijek toplije od zimskog zraka. Plitko tlo tokom cijele godine sadrži u sebi pohranjenu solarnu energiju akumuliranu tokom ljeta, a sezonske temperaturne varijacije tla potpuno iščezavaju na dubini većoj od 10 m. Ta toplina se može putem geotermalne toplinske pumpe efikasnije izlučiti, nego što se može proizvesti u konvencionalnim ložištima.[18] Geotermalne toplinske pumpe su ekonomično održive svugdje diljem svijeta.

Dizalice topline koje koriste tlo kao toplinski spremnik (GSHP)[uredi - уреди | uredi izvor]

Ova je tehnologija učinila geotermalno grijanje ekonomičnim u apsolutno svim lokacijama na zemlji. Procjenjuje se da je u 2004. godini bilo u pogonu oko milijun dizalica topline s ukupnim kapacitetom od oko 15 GW. Na globalnoj razini se udio dizalica toplina za grijanje sve više povećava, te je porast u kapacitetima oko 10 % godišnje.[1]

Također, okretanjem smjera protoka transportnog fluida iz ljevokretnog u desnokretni proces, isti se sustav može koristiti za hlađenje prostora tokom ljetnih mjeseci. Toplina se ispušta u relativno hladno tlo ili podzemnu vodu, za razliku od jedinica klima uređaja koje tu toplinu ispuštaju u okoliš koji je na relativno visokoj temperaturi tokom ljetnih mjeseci.[19] Na taj način se treba svladati manja temperaturna razlika i time se ostavaruje viši stupanj djelovanja, a i veće uštede.

GSHP ne koristi geotermalne izvore topline kao što su gejziri već je GSHP uređaj koji nam omogućava da transportiramo toplinu pohranjenu u tlu ili stijenama. Korištenjem pumpe za ostvarivanje cirkulacije transportnog fluida (najčešće smjese vode i antifriza) kroz podzemne sustave cijevi kojima toplinski spremnik predaje toplinu. U kućanstvima se koriste dvije varijante uređaja; s cijevima u okomitim bušotinama na dubinama između 15-120 m,[20] te druga varijanta, ukoliko postoji mogućnost postavljanja takvog sustava cijevi jer istiskuje izradu opsežnih rovova, s horiznotalno postavljenim cijevima na otprilike 2 m ispod površine. Nakon što se iz toplinskog spremnika (tla, stijene, podzemnih voda) preda toplina transportnom fluidu, sustavom cijevi se taj fluid trasportira do kućanstava gdje on onda predaje toplinu za zagrijavanje prostora. Nakon toga se ohlađeni fluid vraća nazad sustavom cijevi u tlo i tako se zatvara ciklus. Ovaj sustav grijanja kućanstava uporabom električne energije za pogon dizalica toplina je daleko ekonomičniji od grijanja pomoću elektrotpornih grijača.

Čak i u regijama u kojima tlo nema visoko temperaturni geotermalni potencijal, GSHP se može koristiti za zagrijavanje ili hlađenje prostora. Kao što hladnjak ili klima koriste ljevokretne kružne procese za ostvarivanje rashladnog učina tako i ovi uređaji koriste pumpe da bi ostvarili prijenos topline iz tla (podzemlja) do stambenog objekta. U teoriji bi se toplina mogla prenijeti iz bilo kakvog toplinskog spremnika i to neovisno o njegovoj temperaturi, ali naravno, što je temperatura niža to će se morati uložiti više rada za ostvarivanje jednakog učina grijanja, a samim time će se smanjivati i korisnost uređaja. GSHP za izvor topline koristi toplinski spremnik koji može biti tlo ili podzemne vode; koje su uobičajeno na temperaturi između 10–12 °C.[19] Na taj način se iskorištava prednost umjerenih temperatura toplisnkog spremnika tokom cijele godine, jer je temperatura u tlu konstantna, za razliku od dizalica topline koje koriste zrak kao toplinski spremnik čija temperatura poprilično varira na godišnjoj bazi.

Ekonomičnost[uredi - уреди | uredi izvor]

Geotermalna energija je vrsta obnovljivih izvora energije, koja pomaže u očuvanju Zemljinih prirodnih resursa. Po mišljenju Američkog EPA-a (Environmental Protection Agency), geotermalni sustavi u kućanstvima smanjuju troškove grijanja za 30 do 70%, te hlađenja za 20 do 50% u odnosu na konvencionalne sustave.[21] Geotermalne sustave je potrebno puno manje održavati što pridonosi uštedama novca. Isto tako oni su veoma pouzdani te traju desetljećima.

Neke ustanove, kao Kansas City Power and Light, nude niže zimske cijene za korisnike geotermalne energije što daje priliku korisnicima za još veće uštede novca.[19]

Izvori[uredi - уреди | uredi izvor]

  1. 1,0 1,1 1,2 Fridleifsson,, Ingvar B.; Bertani, Ruggero; Huenges, Ernst; Lund, John W.; Ragnarsson, Arni; Rybach, Ladislaus (2009-04-06). O. Hohmeyer and T. Trittin. ur (pdf). The possible role and contribution of geothermal energy to the mitigation of climate change. Luebeck, Germany. str. 59–80. http://iga.igg.cnr.it/documenti/IGA/Fridleifsson_et_al_IPCC_Geothermal_paper_2008.pdf. pristupljeno 15. siječnja 2014.. 
  2. Heat Pumps, Energy Management and Conservation Handbook, 2008. str. 9–3. 
  3. Mean Annual Air Temperature
  4. Cataldi, Raffaele (2009-11-01). "Review of historiographic aspects of geothermal energy in the Mediterranean and Mesoamerican areas prior to the Modern Age" (PDF). Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology) 15 (1): 13–16. ISSN 0276-1084. Pristupljeno 2014-01-15. 
  5. "A History of Geothermal Energy in the United States". U.S. Department of Energy, Geothermal Technologies Program. 2007-09-10. http://www1.eere.energy.gov/geothermal/history.html. pristupljeno 15. siječnja 2014.. 
  6. http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=iceland-geothermal-power
  7. 7,0 7,1 Lund, John W. (2009-04-16). Characteristics, Development and utilization of geothermal resources. 28. Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology. str. 1–9. ISSN 0276-1084. http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull28-2/art1.pdf. pristupljeno 15. siječnja 2014.. 
  8. Dickson, Mary H.; Fanelli, Mario (2009-10-13). "What is Geothermal Energy?". Pisa, Italy: Istituto di Geoscienze e Georisorse. http://iga.igg.cnr.it/index.php. pristupljeno 15. siječnja 2014.. 
  9. 9,0 9,1 Zogg, M. (20–22 May 2008). History of Heat Pumps Swiss Contributions and International Milestones. Zürich, Switzerland: 9th International IEA Heat Pump Conference. http://www.zogg-engineering.ch/Publi/IEA_HPC08_Zogg.pdf. 
  10. 10,0 10,1 Bloomquist, R. Gordon (2009-03-21). "Geothermal Heat Pumps, Four Plus Decades of Experience" (PDF). Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin 20 (4): 13–18. ISSN 0276-1084. Pristupljeno 2014-01-15. 
  11. Kroeker, J. Donald; Chewning, Ray C. (February 1948). "A Heat Pump in an Office Building". ASHVE Transactions 54: 221–238. 
  12. Gannon, Robert (2009-11-01). "Ground-Water Heat Pumps - Home Heating and Cooling from Your Own Well". Popular Science 212 (2): 78–82. ISSN 0161-7370. Pristupljeno 2014-01-15. 
  13. Lund, J.; Sanner, B.; Rybach, L.; Curtis, R.; Hellström, G. (2009-03-21). "Geothermal (Ground Source) Heat Pumps, A World Overview" (PDF). Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin 25 (3): 1–10. ISSN 0276-1084. Pristupljeno 2014-01-15. 
  14. University of Rochester - History of the utilization of geothermal sources of energy in Iceland, http://www.energy.rochester.edu/is/reyk/history.htm.
  15. District Heating Systems in Idaho, http://www.idwr.state.id.us/energy/alternative_fuels/geothermal/detailed_district.htm.
  16. Klamath Falls Geothermal District Heating Systems
  17. What is Geothermal?
  18. "Geothermal Basics Overview". Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. 2008-10-01. http://www1.eere.energy.gov/geothermal/geothermal_basics.html. pristupljeno 15. siječnja 2014.. 
  19. 19,0 19,1 19,2 Goswami, Yogi D., Kreith, Frank, Johnson, Katherine (2008), p. 9-4. Greška kod citiranja: nevaljala <ref> oznaka; ime "heatpumps9-4" definirano više puta s različitim sadržajem Greška kod citiranja: nevaljala <ref> oznaka; ime "heatpumps9-4" definirano više puta s različitim sadržajem
  20. http://www.health.state.mn.us/divs/eh/wells/geothermal.html
  21. "Geothermal Heat Pump Consortium, Inc.". 2007-06-20. http://geoexchange.us/about/how.htm. pristupljeno 15. siječnja 2014.. 

Vanjski linkovi[uredi - уреди | uredi izvor]