Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

8. Využití tepla Země

Autor: Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz

Planeta Země sdílí energii nejen se Sluncem (sluneční energie), ale také s dalšími tělesy ve formě změny kinetické energie způsobený slapovými silami (zpomalování rotace Země) a dopady metroritů apod. Část této energie se transformuje různými cestami na teplo povrchu Země. Navíc sama Země generuje energii vznikající pod jejím povrchem souhrně nazývanou geotermální energie(1). Průměrný tepelný tok z nitra Země je o několik řádů nižší (udává se v mW·m-2), než činí výše zmíněné energetické toky. Ovšem tepelný odpor Zemské kůry způsobuje, že přibližně každých 100 m hloubky se zvýší teplota o 3 °C. V bezprostředním dosahu člověka je tedy k dispozici velké množství tepla, které lze různými způsoby využít v energetice.

(1)Geotermální energie
Za geotermální energii je považováno teplo zemského jádra, které již několik miliard let chládne, energie z náhodných jaderných reakcí v nitru Země, energie pohybu zemských desek. V relativně tenké vrstvě (několik metrů) se mezi ročně akumuluje sluneční energie, ale to už správně geotermální energii není.

Přímé využití geotermální energie je vázáno na lokality s přirozeným výskytem horkých hornin v blízkosti povrchu Země a vyvěrající horké prameny. V České republice je výskyt takových lokalit minimální a známé prameny se využívají pouze k lázeňským účelům (teplota od 30 do 80 °C /Karlovy Vary 73 °C/) pro jejich malou vydatnost(2). V některých okolních státech jsou takové prameny mnohem vydatnější a používají se například k vytápění skleníků pomocí geotermálních výtopen. Ještě dále, na Islandu jsou dokonce natolik vydatné zdroje horkých pramenů, že se jimi vytápí celé aglomerace (např. hl. město Reykjavík) [2].

(2)Poznámka
Průměrný tepelný tok geotermální energie v ČR činí 62,8 mW·m-2 [8, s. 68], čemuž odpovídá výkon 4 952,8 MW.

Přímé využití geotermální energie

Pro výrobu elektrické energie jsou nejvýhodnější lokality, kde dochází ke koncentraci geotermální energie relativně v malé hloubce – místa blízké vulkanické činnosti či blízkosti tektonických zlomů apod. Zvláště vhodné jsou lokality s vysokou teplotou hornin, které lze smysluplně využít při ohřevu pracovních látek v tepelných obězích, které se využívají pro transformaci tepla na práci respektive elektřinu [2].

● 1 ●
● 8. Využití tepla Země ●

Geotermální elektrárny k výrobě elektřiny používají parní oběh v místech, kde teploty geologických vrstev dosahují alespoň 200 °C (při nižších teplotách je možné použít ještě Kalinův oběh případně další vhodné typy tepelných oběhů). Zdrojem tepla pro parní oběh jsou horké horniny (nejlépe drť– přírodních podzemních lokalit vyplněné dostatečně pórovitou horkou horninou je málo a tak se pórovitosti dosahuje pomocí umělých explozí) obvykle ve větších hloubkách, ke kterým je pomocí vrtu přiváděna voda o vysokém tlaku. Voda je v podstatě postupně protlačena mezerami mezi jednotlivými kusy horniny a tak se ohřívá na požadovanou teplotu. Protějším vrtem je tato horká voda odváděna k povrchu do elektrárny. Tento způsob ohřevu vody se nazývá Hot–Dry–Rock (HDR).

Schéma zařízení pro realizaci R-C oběhu využívající teplo z nitra Země. 1.1114 Schéma zařízení pro realizaci R-C oběhu využívající teplo z nitra Země.
1 Horká voda; 2 uvolňovač páry; 2'' Sytá pára; 3 parní turbína; 4 kondenzátor; 5 kondenzátní čerpadlo; 6 dopravní čerpadlo doplňující vodu zpět do ložiska horké vody (udržování tlaku vody v ložisku); 7 chladící věž.

V případě parní elektrárny je horká voda přiváděna do uvolňovače páry a vzniklá pára je využita standardním způsobem v parním oběhu (v případě Kalinova oběhu je uvolňovač páry nahrazen povrchovým tepelným výměníkem pro ohřev roztoku čpavku a vody). Po kondenzaci je voda čerpána zpět do vrtu k dalšímu ohřevu. Tento typ elektráren se ale příliš nevyplácí v místech, kde není zvýšená geologická aktivita. Průměrný tepelný tok z jádra Země je totiž příliš malý, a proto vyhloubený prostor pro adekvátní výkon by musel být obrovský. Odtud plynou vysoké pořizovací náklady a především velké technické problémy. Tento typ elektráren je experimentálně provozován v několika zemích v četně těch Evropských [5]. V geologicky neaktivních lokalitách se tento systém vyplatí přibližně tam, kde je gradient nárůstu teploty s hloubkou vyšší než 3 °C/100 m.

Po zprovoznění takové elektrárny postupně její výkon klesá, tak jak se ochlazuje původní hornina. Tento výkon klesne (po vyčerpání naakumulovaného tepla v horninách) na hodnotu odpovídají tepelnému toku z nitra Země v dané oblasti. Aby se uvedený systém opravdu vyplatil, budují se v místech s vyšší geologickou aktivitou popřípadě blízko vulkánů (vulkanické elektrárny). Takové typy elektráren se nacházejí např. v Itálii, USA, Novém Zélandu, Islandu(3) a v dalších geologicky podobných lokalitách.

● 2 ●
● 8. Využití tepla Země ●
(3)Poznámka
Oblast Islandu je velmi geologicky aktivní a nachází se tam oblasti s velmi horkým prostředím (teplota 180300 °C v hloubkách 1 až 2 km nebo až 700 °C v hloubkách 3 až 5 km). Z těchto důvodů se zvažuje ekonomická smysluplnost dodávka Islandské elektřiny pomocí vysokonapěťového stejnosměrného kabelu do Evropy [2].
Geotermální elektrárna Krafla 2x30 MW (Island) a výměna rotoru turbíny.
2.1115 Geotermální elektrárna Krafla 2x30 MW (Island) a výměna rotoru turbíny.
1 strojovna; 2 chladící věže; 3 rozvodna elektřiny; 4 parní separátor, 5 parovod; 6 zdroje páry.
V tomto případě je zdrojem horké vody vrt v blízkosti vulkánu. Zdroj: [3].

Problémy u takových typů elektráren způsobují nečistoty ve vodě, které si sebou z podzemních vrtů přináší (především rozpuštěné plyny a minerální látky s vysokým podílem síry a čpavku). Tyto nečistoty způsobují zvýšené opotřebení všech součástí (především turbín) mechanickým i chemickým způsobem. Rozpuštěné plyny zase způsobují problémy v kondenzátoru, kdy zvyšují tlak kondenzace, a je proto nutné je odsávat z prostoru kondenzace pomocí vývěv [4]. Z těchto důvodů se místo uvolňovače páry instaluje povrchový výměník (parogenerátor), kde z jedné strany horká voda z vrtu postupně ohřívá až k teplotě varu čistou vodu v okruhu turbíny. Tento způsob, ale negativně ovlivňuje celkový výkon a tepelnou účinnost elektrárny.

Tepelná čerpadla

V geografických podmínkách střídání ročních období je možné využívat nízkopotenciální teplo akumulované v zemi a vodě. Toto teplo získává zemina a povrchová voda během slunečných dnů případně ji ohřívá horký proud vzduchu při povrchu země – technicky vzato se nejdaná o geotermální energii, ale akumulovanou sluneční energii. V zimě se naopak postupně ochlazují a své teplo předávají okolí především studenému vzduchu a chladné dopadající vodě z atmosféry (sníh, déšť..). Teplota vody a země je v zimě i tak velmi nízká a médium, které tímto teplem bude ohříváno se ohřeje jen o málo stupňů celsia, ale pomocí chladícího oběhu(4) lze tuto teplotu zvýšit. Zařízením, které dokáži využít teplo o nízké teplotě ze země, vody popřípadě vzduchu(5) se nazývá tepelné čerpadlo. Do tepelného čerpadla je pomocí teplonosné látky (vzduch, voda..) převedeno teplo o nízké teplotě v tepelném výměníku (primární výměník). Uvnitř tepelného čerpadla je pracovní látka, která se nejprve ohřeje přibližně na teplotu teplonosné látky, a pak pomocí tepelného oběhu se tato teplota zvýší na požadovanou teplotu. Pracovní látka o požadované teplotě ohřívá v sekundárním výměníku vzduch nebo vodu určenou pro vytápění:

● 3 ●
● 8. Využití tepla Země ●
Princip tepelného čerpadla využívající akumulované teplo v zemi pro vytápění. 3.1116 Princip tepelného čerpadla využívající akumulované teplo v zemi pro vytápění.
1 primární tepelný výměník umístěný v zemi naplněný teplonosnou látkou; 2 zařízení tepelného čerpadla; 3 sekundární tepelný výměník; P [W] příkon tepelného čerpadla (obvykle elektřina); Q·D [W] teplo do oběhu přivedené; Q·Od [W] teplo z oběhu odvedené.
(4)Poznámka
Existuje více chladících oběhů, ale nejčastěji se používá chladící oběh s kompresorem, u kterého bývá teplota kondenzace pracovní látky mezi 5060 °C. Skupenské teplo kondenzace je odváděno chladící tekutinou (nejčastěji voda). Var pracovní látky probíhá při tlaku a tedy i teplotě teplotě nižší než kondenzace, i nižší než je 0 °C. Více o fungování a typech pracovní tekutiny chladícího oběhu v tepelném čerpadlu např. v [6].
(5)Poznámka
Vzduch se prouděním ohřívá/ochlazuje o povrch Země a vodní plochy.

Tepelné čerpadlo pomocí přivedené vnější práci zvyšuje teplotu pracovní tekutiny na úroveň využitelnou pro vytápění. Množství získaného tepla je vyšší než činí přivedená práce, takže je to výhodnější, než práci (elektřinu, která se při této práci spotřebuje) pomocí ztrát (třením) přeměňovat na teplo a přímo tímto teplem vytápět. Na druhou stranu výroba tepla tímto způsobem nemusí být vždy výhodná, protože kompresor je poháněn elektřinou většinou vyrobenou v tepelných elektrárnách spalující fosilní paliva. V takových případech se vytápění tepelným čerpadlem vyplatí, jestliže vyrobeného tepla je více, než množství tepla uvolněného po spálení ekvivalentního množství fos. paliva pro výrobu spotřebované elektřiny. K takovému hospodárnému užití dochází, pokud je topný faktor(6) větší než převrácená hodnota účinnosti výroby elektřiny v tepelné elektrárně (přesněji by se měla účinnost výroby elektřiny ve fos. elektrárně ještě vynásobit účinnosti přenosu elektřiny ke spotřebiteli, o čemž píšu v článku 10. Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech).

(6)Topný faktor
Je definován stejně jako chladící faktor. V podmínkách ČR by měl pro smysluplný provoz tepelného čerpadla být vyšší jak 3.

Z definice chladícího oběhu i topného faktoru je zřejmé, že topný faktor roste s rozdílem teplot mezi kondenzací a vypařováním.

● 4 ●
● 8. Využití tepla Země ●

Pokud zdrojem tepla bude teplo zeminy je zapotřebí primární tepelný výměník umístit ve vhodné hloubce, kde je dostatečně vysoká teplota i v zimním období. Při instalaci takového výměníku do země je nutné počítat s podchlazením této části pozemku oproti okolní zemině, protože tepelný tok do výměníku je prakticky vždy větší než z okolí do ovlivněné zeminy (pro představu průměrný tok geotermální energie o výkonu 5 kW je ekvivalentem 79 618 m2, přesně takovou plochu by potřeboval tepelný výměník o stejném příkonu, který by zeminu nepodchlazoval).

Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo nemusí pocházet ze zeminy, ale může jim být i jiná látka povrchu Země, jako například podzemní nebo povrchová voda či vzduch, u kterého se už ale nejedná o geotermální energii. Zde jsou parametry některých řešení(7, 8, 9, 10, 11):

(7)Zemní výměník
Teplosměnné plochy primárního výměníku (trubky) jsou umístěny 1,21,6 m pod povrch země. Plocha ochlazované země by měla být asi 3x větší než plocha vyhřívaná. 58 m výkopu na 1 kW tepelného zisku. Získaný tepelný výkon v zimním období je cca 1040 W·m-2 (suchá půda menší hodnoty; půda se spodní vodou větší hodnoty).
(8)Zemní sondy – vrty
Jedná se o získávání tepla z větších hloubek respektive z vrtů. Vrt pro tepelné čerpadlo rodinného domu mívá hluboku od 50120 m v podmínkách ČR, ve světě 100200 (BHE – borehole heat exchangers). Jedním vrtem je vedeno přívodní i odvodní potrubí teplonosného média. Získaný měrný tepelný tok je opět velice závislý na typu půdy. Suchá půda s nízkou tepelnou vodivostí 30 W m-1 délky vrtu, vlhká půda s podzemní vodou až 100 W m-1 délky vrtu.
(9)Spodní voda (studna)
Princip spočívá v tom, že z vodního vrtu je odčerpávána voda (712 °C). Tato voda je ochlazována respektive je z ní pomocí tepelného čerpadla odňata část tepelné energie. Ochlazená voda je pouštěna do druhého vodního vrtu. Jsou tedy nutné dvě studny (vrty). Přičemž na 1 kW tepelného výkonu čerpadla je potřeba cca 180 l·h-1 vody.
(10)Vzduch
Jedná se o nejjednodušší systém s tepelným čerpadlem. Teplo je odebíráno okolnímu vzduchu. Problémy jsou pouze při velmi nízké teplotě vzduchu, kdy se snižuje topný faktor tepelného čerpadla. Primární výměník může fungovat přímo i jako výparník tepelného čerpadla – záleží na typu tepelného čerpadla a pracovní látce. Teplo ve vzduchu ovlivňuje především okamžité množství zachyceného slunečního záření v okolí výmeníku a nejen teplo akumulované v zemské mase.
(11)Ostatní
Primární tepelný výměník může být umístěn také v řece, jezeru-rybníku či může odebírat teplo ze solární kolektoru atd.
● 5 ●
● 8. Využití tepla Země ●

Tepelné čerpadlo by mělo být navrženo a provozováno tak, aby se v období mimo topnou sezónu okolní zemina/hornina ohřála na původní teplotu. V opačném případě by docházelo postupně ke snižování teploty okolí primárního výměníku, a tím by se snížil topný faktor a výkon tepelného čerpadla. Také umístění primárního výměníku se musí vybírat citlivě s ohledem na okolí, především v případě zemědělského využití plochy nad výměníkem, protože na jaře vydrží tato plocha delší dobu chladnější než okolní plochy.

Zrychlit zvyšování nebo i zvýšit teplotu okolní zeminy primárního výměníku v letní sezóně je možné speciálním typem tepelných čerpadel, která jsou schopna vytápěné místnosti v zimě vytápět a v létě ochlazovat. Takové čerpadlo funguje v zimě i v létě stejně, ale prohodí okruhy mezi primárním a sekundárním výměníkem z Obrázku 3. Jestliže v létě bude tepelné čerpadlo zeminu ochlazovat a místnost ohřívat tak, po prohození okruhu výměníků se bude teplem z místnosti (bude ochlazována) ohřívat zemina [1].

Průběh teploty neporušené zeminy (Německo). 4.605 Průběh teploty neporušené zeminy (Německo).
a leden; b červenec; t [°C] teplota zeminy; h [m] hloubka měření. Zdroj dat: [7].

Odkazy

  1. ČÍŽEK, Petr. Jak geologické poměry ovlivňují provoz tepelných čerpadel, Alternativní energie, 2004, č. 4. Praha: CEMC - České ekologické manažerské centrum.
  2. TŮMA, Jan. Island nabízí Evropě elektřinu, Technický týdeník, č. 5, 2013. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064.
  3. Landsvirkjun, [2010]. Elektrárenská společnost, Island. Dostupné z http://www.landsvirkjun.com.
  4. NIELSEN, Gunnlaugur, MAACK, Runólfur, GUDMUNDSSON, Ásgrímur, GUNNARSSON Gunnar. Proceedings World Geothermal Congress 2000, Completion of Krafla geothermal power plant, 2000, May 28...June 10. Kyushu-Tohoku, Japan, Dostupné z http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2000/R0689.pdf.
  5. European geothermal project for the construction of a scientific pilot plant based on an Enhanced Geothermal System, [2010]. Projekt na využití geotermální energie pro výrobu elektřiny systémem Hot – Dry – Rock v oblasti Soultz-sous-Forets (Francie). Dostupné z http://www.soultz.net.
● 6 ●
● 8. Využití tepla Země ●
  1. ZLATAREVA, Veneta. Tepelná čerpadla, 2001. Praha: ČEA–česká energetická agentura, [on-line]. Dostupné dostupné z http://www.mpo-efekt.cz/cz/ekis/publikace/953, [2012].
  2. PAUL, Eberhard. Využití zemních výměníků tepla ve spojení se zařízením pro bytové větrání a rekuperaci tepla, TZB-info, 2005, 10. říjen. Praha: Topinfo s.r.o., ISSN 1801-4399. Dostupné z http://www.tzb-info.cz/2772-vyuziti-zemnich-vymeniku-tepla-ve-spojeni-se-zarizenim-pro-bytove-vetrani-a-rekuperaci-tepla.
  3. KADRNOŽKA, Jaroslav. Globální oteplování země, 2008. Vydání první. Brno: VUTIUM, ISBN 978-80-214-3498-1.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Využití tepla Země, Transformační technologie, 2006-11, [last updated 2014-06]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/08.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
● 7 ●

Úplná verze článku

Celý článek lze zakoupit ve formátu PDF:

1. Historie transformačních technologií. 8. Využití tepla Země
7 stran textu.

Náhledy: Titulní strana.
Formát: PDF, velikost A4.

Cena: 35 Kč




Koupit

Soubor všech e-knih tématu Zdroje a přeměna energie lze koupit s množstevní slevou zde.