Využívání odpadního tepla z geotermálního energetického systému
Zařazením monitorovacího a řídicího systému otevřeného geotermálního energetického systému se dosáhne šetrného odběru geotermální vody a podstatně se zvyšuje životnost celého díla.
1. Úvod
Obr. č. 1 Perspektívne oblasti výskytu geotermálnych vôd na Slovensku
| Inštalovaná kapacita | Ročná potreba energie [TJ/rok] | ||
|---|---|---|---|
| [MWt] | [%] | ||
| Centrálne vykurovanie | 31,6 | 16,8 | 576,9 |
| Vykurovanie skleníkov | 31,8 | 16,9 | 502,3 |
| Chov rýb | 4,6 | 2,5 | 72,4 |
| Rekreačné účely – bazény | 118,3 | 63,0 | 1 870,3 |
| Geotermálne tepelné čerpadlá | 1,4 | 0,7 | 12,1 |
| Spolu | 187,7 | 100 | 3 034,0 |
Slovensko má veľmi dobré podmienky na využívanie energie z geotermálnych zdrojov. Celkovo je v evidencii 154 vrtov, ktoré sú na celom území Slovenska. Na území Slovenska je 30 perspektívnych oblastí, kde je potvrdený výskyt geotermálnych vôd (GTV) ako je to zrejmé z obr. č. 1.
Využívanie GE závisí od daností zdroja, teda geotermálneho vrtu. Pričom samotné využívanie je rôznorodé od využívania pre zabezpečenia potreby tepla na vykurovanie stavebných objektov, prípravu teplej vody, vykurovanie skleníkov a fóliovníkov (v poľnohospodárstve) a areáloch rekreačných zariadení, ale aj pre rôzne technológie. V tab. č. 1 je zachytený prehľad využívania GE, pričom sa vo veľkej väčšine jedná o otvorené geotermálne energetické systémy (OGES). [1]
Z tab. č. 1 je zrejmé, že využívanie GE pre rekreačné účely je dominantné a predstavuje takmer dve tretiny resp. 63 % z celkového energetického potenciálu.
2. Otvorené geotermálne energetické systémy
Ak hovoríme o OGES môže sa jednať o priame využívanie napr. na plnenie prietočného bazéna obr. 2, v závislosti od daností zdroja je možné dosiahnuť teplotu bazénovej vody riedení teda miešaním GTV a studenej vody. Jedná sa o najjednoduchší systém ekonomicky najvýhodnejší, ale z energetického hľadiska nevyhovujúci. Odpadová bazénová voda má ešte vysoký energetický obsah, v prípade sedacích bazénov sa jedná o teploty bazéna 35 až 38 °C.
Obr. č. 2 Prietočný bazén napúšťaný GTV a studenou vodou
1 – prívod GTV, 2 – prívod studenej vody, 3 – zmiešavacia komora, 4 – bazénová voda, 5 – bazén, 6 – prepadové žľaby, 7 – vypúšťanie bazéna
Ak nemáme k dispozícii výdatný zdroj, je vhodnejšie aplikovať zapojenie resp. využitie ktoré je zobrazené na obr. 3. Jedná sa o cirkulačný systém, ktorý vyžaduje menšie množstvo doplňovanej GTV a studenej vody. Doplňovaná voda je cca 5 až 10 % z objemu bazéna za deň, čo je podstatne menej ako v predchádzajúcom riešení na obr. 2.
Obr. č. 3 Schéma zapojenia cirkulačného bazéna bez výmenníka tepla
Nevýhodou oboch týchto systémov je, že z ekologického hľadiska sú nevýhodné, lebo odchádzajúca bazénová voda v oboch prípadoch má teplotu nad 25 °C a teda nepriaznivo vplýva na životné prostredie. Takmer všade sa to rieši sankciami, ktoré zaťažujú hlavne prevádzkovateľov termálnych kúpalísk. [2]
3. Možnosti využitia odpadového tepla
V rámci úsporných opatrení sa naskytajú viaceré možné riešenia, ktoré by mohli prispieť k zvýšeniu efektívnosti využívania energie a zároveň by boli vhodné aj z ekologického hľadiska:
- zaradenie výmenníka tepla do odtokového potrubia odpadovej bazénovej vody,
- zaradenie dvoch výmenníkov tepla: výmenníka tepla v okruhu cirkulačnej bazénovej vody a okruhu odtokového potrubia odpadovej bazénovej vody,
- aplikácia tepelného čerpadla.
3.1 Výmenník tepla do odtokového potrubia odpadovej bazénovej vody
Zaradením výmenníka tepla do odtokového potrubia sa dosiahne, že sa bazénová voda vychladí minimálne na teplotu +25 °C, čo je z hľadiska ekológie prijateľná teplota. Zároveň sa ohrieva doplňovaná studená voda, čím sa znížia nároky na množstvo doplňovanej GTV. Schéma zapojenia takejto OGES je zobrazená na obr. 4. Veľkosť výmenníka tepla je nadimenzovaná podľa prietočných množstvách na primárnej ako aj sekundárnej strane. Sledovaná teplota je teplota vychladenia odpadovej bazénovej vody. Zaradením výmenníka tepla do systému sa zároveň aj výši životnosť celého OGES.
Obr. č. 4 Schéma zapojenia cirkulačného bazéna s výmenníkom tepla v odpadovom potrubí
3.2 Výmenník tepla v okruhu cirkulácie bazénovej vody a odtoku bazénovej vody
Pri tomto zapojení podľa obr. 5 sa v okruhu cirkulácie bazénovej vody zaradí menší výmenník tepla, ktorého úlohou je dohrievať cirkulujúcu bazénovú vodu. GTV sa vo výmenníku ochladí na teplotu bazénovej vody a dopĺňa sa do vyrovnávacej nádrže. Na druhej strane odtokovej resp. odpadovej stále táto voda má teplotu 38 °C a jej vychladenie zabezpečí druhý výmenník tepla. Výstupná teplota ochladenej bazénovej vody bude sledovaná kvôli ochrane okolitého životného prostredia a nebude presahovať teplotu 25 °C. Ak porovnáme schémy na obr. 4 a 5 celkový výkon oboch výmenníkov je len 161 kW, čo predstavuje necelých 42 % tepelného výkonu na obr. 4.
Obr. č. 5 Schéma zapojenia cirkulačného bazéna s výmenníkom tepla v okruhu cirkulácie a v odpadovom potrubí
3.3 Aplikácia tepelného čerpadla
Obr. č. 6 Schéma zapojenia tepelného čerpadla využívajúce odpadové teplo z vychladzovacieho jazierka
Časté sú prípady, hlavne pri jestvujúcich prevádzkach termálnych kúpalísk, napr. v Dunajskej Strede alebo Štúrove, kde sa bazénové vody vypúšťajú do vychladzovacieho jazierka. Takéto jazierka sú charakteristické tým, že ani v najtuhších zimách ich povrch nezamŕza a môžu byť vhodným zdrojom tepla pre aplikáciu tepelných čerpadiel.
Primárny okruh tepelného čerpadla je chránený cez oddeľovací výmenník tepla, tak aby bol chránený výparník tepelného čerpadla.
Sekundárna strana je tvorená vykurovacím okruhom, resp. okruhom ohrevu teplej vody prípadne bazénovej vody. Vykurovacia sústava je najvhodnejšia nízkoteplotná veľkoplošná podlahová, stenová alebo stropná. Obeh teplonosnej látky spravidla zabezpečuje obehové čerpadlo do potrubia.
Tepelný výkon tepelného čerpadla sa volí 50 až 70 % potreby tepla a zvyšná potreba tepla sa zabezpečí doplnkovým alebo špičkovým zdrojom tepla na ušľachtilé palivo (zemný plyn) alebo elektrokotol. Schéma zapojenia takejto prevádzky je zobrazená na obr. č. 6. [2, 3].
4. Záver
Pri využívaní GE a jej zaradení do sústavy CZT sa musia dodržať niektoré skúsenosti a odporúčania, ktoré by sme mohli zhrnúť do nasledovných bodov:
- Vychádza sa z daností zdroja GE, (geotermálneho vrtu), podstatné parametre sú množstvo GTV alebo výdatnosť v l/s, teplota na hlave vrtu a chemické zloženie.
- Využívanie GE by malo byť v základnom zaťažení (príprava TV, vykurovanie, VZT, prípadne technológia). Špičková energia je dodávaná z doplnkového tzv. špičkového zdroja tepla na ušľachtilé palivo.
- Vypracuje sa podrobná tepelná bilancia zásobovaných objektov a navrhne sa trasa zásobovania. Stanovia sa prípojné hodnoty v kW a príslušné teplotné spády.
- Pre navrhnutý GES sa použije monitorovací a riadiaci systém, ktorý bude sledovať okamžité potreby energie a bude riadi odber a využívanie GE.
- Zaradením monitorovacieho a riadiaceho systému do OGES sa docieli maximálne šetrný odber GTV, čím sa podstatne môže zvýšiť životnosť celého diela.
- Využité odpadové geotermálne vody budú zneškodňované tak, aby v maximálnej miere nepriaznivo nevplývali na okolité životné prostredie (výmenníky tepla a tepelné čerpadlá).
- Využívaním GE sa ušetrí nemalé množstvo klasických energetických zdrojov, uhlia a hlavne zemného plynu. Do okolia sa nevypustia škodliviny, ktoré by vznikali spaľovaním klasických primárnych energetických zdrojov.
Tento príspevok bol vypracovaný v rámci projektu VEGA 1/1052/11.
Literatúra
- [1] FENDEK, M. – FENDEKOVA, M.: Country Update of the Slovak Republic. Proceedings World Geothermal Congress 2005 Antalya, Turkey, STR. 24–29 April 2005
- [2] PETRÁŠ, D. – LULKOVIČOVÁ, O. - FÜRI, B. – TAKÁCS, J.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Jaga, Bratislava 2009, 221 s. ISBN 978-80-8076-075-5.
- [3] KONTRA J.: Hévízhasznosítás. Műegyetemi könyvkiadó, Budapest 2004
Z prednášky autora na 9. konferencii Facility managementu v r. 2011 na Slovensku
The use of GE depends on the predisposition source, namely geothermal boreholes. The use itself is different when using the heat for heating, hot water, heating greenhouses and plastic greenhouses (agricultural), recreation facilities, but also for various technologies. The inclusion of monitoring and control system for an open geothermal energy system is achieved by taking friendly geothermal water and substantially increases the life of the whole work.