Grzegorz RyżyńskiWiesław Kozdrój

Geotermia

niskotemperaturowa - stan i perspektywy rozwoju

w kraju i na świecie

Program Bezpieczna Infrastruktura

i Środowisko

Program Bezpieczeństwo Energetyczne

spotkanie pn.

Zasoby i możliwości techniczne rozwoju technologii geotermalnych w PolsceWarszawa 17 V 2016 r.

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Europejska Platforma

Instytutów Geotechnicznych

Cooperation In Science and Technology

Action TU1206 SUB-URBAN - A European network to improve understanding and use of the ground beneath our cities

Action TU1405 GABIEuropean network for shallow geothermal energy applications in buildings and infrastructures

ŹRÓDŁA INFORMACJI:

Cele strategiczne dyrektywy – realizacja „pakietu klimatycznego” 3x20%•20% redukcji emisji CO2•20% zmniejszenia zużycia energii•20% wzrost zużycia energii ze źródeł odnawialnych (OZE), z 8,5 do 20% w 2020 r.

Polska jako kraj członkowski UE zobowiązany jest do wdrażania Dyrektywy 2009/28/WE. Głównym celem dla Polski jest doprowadzenie do wzrostu wykorzystania energii z OZE w finalnym zużyciu energii do 15% w 2020 r. Prognozy wskazują, że znaczącą rolę w wypełnianiu wymagań Dyrektywy może odegrać geotermia, w tym zwłaszcza geotermia niskotemperaturowa wykorzystująca pompy ciepła.

wg. opracowania Geotermia niskotemperaturowa w Polsce i na świecie, Warszawa 2010, NFOŚiGW

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Art. 2. DefinicjeStosuje się również następujące definicje:

a) „energia ze źródeł odnawialnych” oznacza energię z odnawialnych źródeł niekopalnych, a mianowicie energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię aerotermalną, geotermalną i hydrotermalną i energię oceanów, hydroenergię, energię pozyskiwaną z biomasy, gazu pochodzącego z wysypisk śmieci, oczyszczalni ścieków i ze źródeł biologicznych (biogaz);

b) […]c) „energia geotermalna” oznacza energię składowaną w

postaci ciepła pod powierzchnią ziemi;

ENERGIA GEOTERMALNA = OZE

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Konieczna będzie certyfikacja instalatorów

Za geotermię niskotemperaturową uznaje się te źródła energii geotermalnej, których temperatura nie jest wystarczająca, aby dokonać jej odzysku (bezpośredniego zastosowania do celów ogrzewania i chłodzenia obiektów) bez zastosowania technologii pomp ciepła.

Geotermia = OZE

PŁYTKA GEOTERMIA W EUROPIE:

330 MW

Zainstalowana moc cieplna z systemów płytkiej geotermii w Europie (dane na rok 2012)wg materiałów z Europejskiego Kongresu Geotermalnego (Piza, Włochy 2013 r.)

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Geotermia niskotemperaturowa - ogrzewanie i chłodzenie kW

h/m

3 /

mie

siąc

Średnia temperatura powietrza zewnętrznego

Średnia temperatura

gruntu

Tem

per

atu

ra [

st.C

]

XII II III V VII VIII X XII

Zużycie energii elektrycznej

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Δ=14o

Δ=10o

GEOTERMIA NISKOTEMPERATUROWA

DLA ZRÓWNOWAŻONEGO ROZWOJU MIAST

• Wzrost zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania i chłodzenia związany z dynamicznym rozwojem miast

• Kierunek rozwoju w stronę samowystarczalności miast

• Planowanie przestrzenne powinno uwzględniać zapotrzebowanie na energię

• → Konieczne jest kompleksowe podejście do tematu –od skali pojedynczego budynku do skali całego miasta

ZALETY GEOTERMII NISKOTEMPERATUROWEJ:• energia dostępna 24 h / 365 dni (stabilne źródło ciepła i chłodu)

• dostępna wszędzie (płytka geotermia), niskoemisyjna

• doskonała do ogrzewania i chłodzenia budowli

• atrakcyjna rynkowo (krótki czas zwrotu inwestycji)

• komponenty technologii są sprawdzone i przetestowane

• można je łączyć z innymi źródłami energii (np. kolektorami słonecznymi, ogniwami fotowoltaicznymi, turbinami wiatrowymi etc..)

• oferuje możliwość magazynowania energii w gruncie (UTES/ATES)Source: RHC (ETP)

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Pompa ciepła

Dolne źródło ciepła = gruntowy wymiennik ciepła

Górne źródło ciepła = system grzewczo-chłodzący + c.w.u

Geotermalne systemy niskotemperaturowe, potocznie zwane gruntowymi pompami ciepła składają się z trzech zasadniczych elementów:- dolne źródło ciepła (wymiennik, dzięki któremu pobierane jest ciepło

ziemi)

- pompa ciepła (rozumianą jako urządzenie, które umożliwia wykorzystanie niskich temperatur ze środowiska gruntowo-skalnego i podniesienie pobranej energii na wyższy poziom termodynamiczny)

- górne źródło ciepła, będące systemem rozprowadzania ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach (np. ogrzewanie podłogowe, klimakonwektory, etc.).

wg mat.

GRUNTOWE POMPY CIEPŁA – ZASADA DZIAŁANIA

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Zasada działania pompy ciepła (żródło EHPA/ Alpha Innotec)

Wg Kapusciński, Rodzoch 2010

ATES (Aquifer thermal energy storage)

UTES (Underground thermal energy storage)

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

POMPY CIEPŁA – IDEA SMART CITY

GEOTERMIA NISKOTEMPERATUROWA – KIERUNKI ROZWOJU

• Standaryzacja technologii• Akceptacja społeczna• Zwiększenie efektywności

systemówCel: redukcja kosztów instalacji o 25% do 2020 r. oraz zwiększenie wydajności systemów GPC o 25%

GEOTERMIA NISKOTEMPERATUROWA – KIERUNKI ROZWOJU

Nowe techniki wierceń, iniekcji oraz instalacji GWC

Termoaktywne elementy posadowienia budowli

Nowe materiały do konstrukcji GWC

Do

lne

źró

dła

cie

pła

Mapy potencjału płytkiej geotermii, bazy danych (do gł. 100 m), narzędzia planistyczne „geothermalsmart cities” (interakcja między systemami, zagrożenia wód gruntowych)

Nowe, nieinwazyjne metody oznaczania efektywnej przewodności cieplnej (geofizyka, nowe techniki TRT)

Technologie implementacji GPC do istniejących budynków (retro-fiting)

Wykorzystanie GPC do chłodzenia w warunkach ciepłego klimatu

Niskotemperaturowe hybrydowe systemy geotermalne o dużej mocy wykorzystujące UTES oraz sprzężone z innymi OZE

Certyfikacja instalatorów, standaryzacja, rozwiązania prawne

No

we

ro

zwią

zan

ia, i

nte

grac

ja z

inn

ymi O

ZE,

śro

do

wis

ko, s

tan

dar

yzac

ja

Innowacyjne zastosowania - TERMOAKTYWNE TUNELE

• Czynnik roboczy jest przenoszony w rurach PE osadzonych w prefabrykowanych segmentach okładzinowych tunelu

• Znacznie większa objętość gruntu i powierzchnia wymiany cieplnej niż w przypadku elementów posadowienia

• Wykorzystanie do chłodzenia tunelu

• Ogrzewanie i chłodzenie stacji metra oraz sąsiednich obiektów.

→ Projektowanie takich instalacji musi być połączone z planowaniem przestrzennym i analizą efektywności energetycznej.

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

• 300 termopali o dł. 30 m• ~75% pokrycie zapotrzebowania na

ciepło w sezonie grzewczym (1100 MWh)

• i na chłodzenie w sezonie letnim (470 MWh)

Budynek Terminalu

Midfield lotniska w

Zurychu

Źródło: Katzenbach R. 2012

Termopale – potencjał i perspektywy

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

PalaisQuartier,

Frakfurt nad Menem

• Posadowienie: 262 pale energetyczne o dł. 27 m• Ściana oporowa: 130 pali energetycznych o dł. do

38m• pokrycie zapotrzebowania na ciepło w sezonie

grzewczym (2.530 MWh) i na chłodzenie w sezonie letnim (2.410 MWh)

• Moc instalacji: 913 kW

Calculated heat extraction rates [MW]

M2 and M3 Metro Lines

(planned) Underground car-

parks

Qcar-park

(13 sites)

High rise buildings

Qbuildings QTOTAL

(with prognosis

for high-rise

buidlings):

Qstations

(21 sites)

Qtunnels

(22 km)

Planned

(10

projects)

Prognosis (36 projects

untill 2025)

3,56 16,59 21,52 3,55 6,61 48,29

48,29 MW możliwe do uzyskania z termoaktywnych elementów posadowienia w Warszawie odpowiada 42% celu jaki zakłada w perspektywie do 2020 roku dla pomp ciepła Plan działań na rzeczzrównoważonego zużycia energii dla Warszawy (205 000 MWh/rok.)

Schemat obliczeniowego modelu dla budynków wysokościowych wyposażonych w termoaktywne elementy posadowienia

Uproszczony model geologiczny bazujący na warstwach z Atlasu Geologicznio-Inżynierskiego Warszawy

Termopale – potencjał i perspektywy (Polska)

Ryżyński G, Bogusz W, 2015, w publikacji

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Gruntowe pompy ciepła – przykładowe realizacje (Polska)

oszczędności eksploatacyjne

ponad 100 tys. zł rocznie

(pond 66% względem ciepła z sieci)

110 sond o średniej głębokości 83m

Europejskie Centrum Solidarności w Gdańsku

dzięki zastosowaniu pomp ciepła ponadtrzy czwarte produkowanego przez nieciepła i chłodu pochodzi ze źródełodnawialnych.

Ogrzewanie - 575kW, Chłodzenie - 370kW

7 odwiertów w gruncie, każdy po 100m

Dworzec PKP w Ciechanowie

Oszacowano, że dzięki zastosowanym pompom ciepła, koszty eksploatacyjne mają być niższe aż o 50%.

do ogrzewania budynku wykorzystano gruntową pompę ciepła o mocy 30 kW

http://portpc.pl/referencje/

Koszt budowy szkoły wraz z infrastrukturą wyniósł 20 mln zł i został sfinansowany z budżetu gminy Jabłonna oraz Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska w Warszawie.

Wyniki badań TRT pokazały, że w celu zapewnienia poprawnego działania systemu ogrzewania i chłodzenia należy zwiększyć metraż pionowych wymienników ciepła (3 dodatkowe otwory)

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Szwecja – ok. 104 systemów ATES w 2012 o łącznej mocy 110 MW.Holandia – >1200 systemów ATES w 2010 o łącznej mocy 1103 MW.

• ATES – Aquifer Thermal Energy Storage

• Dublet otworów

– Pobór i zrzut wód gruntowych

– Wymagana dobrze przepuszczalna warstwa wodonośna

– Praca w cyklu sezonowym (ogrzewanie/chłodzenie)

wg Mike Woning, 2014

•Głębokość ~20 – 250m p.p.t.•Odległości między otworami ~50 – 100m•Warunek ‘równowagi’ nie można przechładzać/przegrzewać wody gruntowej(zapisy prawne)•Moc >1MW (apartamentowce, biurowce, szpitale, centra handlowe, etc..)

SYSTEMY OTWARTE: MAGAZYNOWANIE ENERGII (ATES)

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

HOLANDIA ATES – ryzyko interakcji systemów

wg Mike Woning

Planowanie Przestrzenne(wyznaczanie stref poboru i zrzutu wód gruntowych)

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

MPPG służą oszacowaniu warunków podłoża skalnego pod kątem ich

technicznej przydatności dla montażu GPC jak również w celu

identyfikacji barier i ograniczeń wynikających np. z istniejącej

infrastruktury lub przepisów formalno-prawnych.

MPPG stanową istotną pomoc dla :

o podmiotów gospodarczych i inwestorów indywidualnych

wstępnie szacujących efektywność GPC,

o dla organów administracji geologicznej w podejmowaniu decyzji

urzędowych dotyczących projektów geologicznych

sporządzonych w celu wykorzystania ciepła Ziemi oraz

o dla władz samorządowych w tworzeniu lokalnych strategii

rozwoju odnawialnych źródeł energii bądź planów ograniczania

niskiej emisji.

Cele opracowania map potencjału płytkiej geotermii ?

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Najważniejszy powód dla upowszechnienia wiedzy o płytkiej geotermii i promocji instalacji gruntowych pomp ciepła:

zanieczyszczone powietrze wskutek masowego stosowania pieców węglowych do celów grzewczych !!!!!!!!!

26

Można znacznie poprawić sytuacjępoprzez informowanie społeczeństwa o możliwościach

zastosowania gruntowych pomp ciepła i zwiększenie finansowego wsparcia przez państwo ich instalacji

(również wsparcie dla administracji geologicznej)

Przykłady map „opisowych” potencjału płytkiej

geotermii

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Kraj Saary (Niemcy): Uproszczona mapa klasyfikacji obszarów pod względem przydatności dla instalacji GPC

obszary korzystne

obszary zabronionedla GPC

obszary niekorzystne

osiedla wody

Kraj Nadrenia - Palatynat: Mapa klasyfikacji obszarów pod względem przydatności dla instalacji GPC systemów zamkniętych z określeniem specyfikacji formalnych wymogów i ograniczeń

GPC mogą zostać zatwierdzone zgodnie z wymaganiami norm bez żadnych ograniczeń

GPC mogą zostać zatwierdzone jedynie w wyjątkowych przypadkach

Kraj Hesja: Mapa klasyfikacji obszarów pod względem przydatności dla instalacji GPC oparta na danych hydrogeologicznych i gospodarki wodnej

Warunki hydrogeologiczne i gospodarki wodnej korzystne

Warunki gospodarki wodnej stosowne dla GPC

Warunki gospodarki wodnej niedopuszczalne dla GPC (strefy ochrony wód)

Przykłady map „ilościowych” potencjału płytkiej

geotermii

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

wartości

in W/m

Cas pracy pompy ciepła

w h/ na rok

Kraj Saksonia: Mapa potencjału płytkiej geotermii oparta na modelu geologicznym 3D i wartościach współczynnika mocy ciepła [W/m],

dla głębokości do 40, 70, 100 i 103m; oraz dla 1800 lub 2400 h pracy pompy ciepła w roku

Jak opracowano mapy geotermalne

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Trzon bazy danych składa się z opisów profili litologicznych 5146 wybranych

otworów wiertniczych i 5168 otworów wirtualnych (pomocniczych);

profile litologiczne pogrupowane są w 75 jednostek hydrogeologiczno -

geotermalnych (HGE)

D PL

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Otwory z zakodowanymi profilami litologicznymi (zgodnie z listą HGE) i

wyznaczone przekroje geologiczne posłużyły jako osnowa do konstrukcji

modelu numerycznego 3D do głębokości do 200 metrów (lokalnie do 340 m)

przetworzonego w oprogramowaniu GOCAD,

area of Radomierzyce model

area of Berzdorf model

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

36

Odczyt wskaźnika mocy cieplnej

Legenda:

Wskaźnik mocy cieplnej w watach na metr [W/m] do głębokości

130 metrów i 1800 roboczogodzin rocznie pracy pompy ciepła

Legende

Entzugsleistung in W/m für 1800 Bietriebsstunden - 40 m Tiefe

<VALUE>

<=40

40,0 - 42,5

42,5 - 45,0

45,0 - 47,5

47,5 - 50,0

50,0 - 52,5

52,5 - 55,0

55,0 - 57,5

57,5 - 60,0

>60,0

<

X 130 m = 6500 ... 6825 W

=

6,5 ... 6,8 kW

12 kW÷6,5 kW =

1,8 Wynik: do wykonania 2 wiercenia

na głębokość 130 m

Przykład zastosowania:Dom jednorodzinny, 12 kW zapotrzebowania mocy, tylko do ogrzewania

www.transgeotherm.eu

130 metrów

Wykorzystanie mapy geotermalnej w „wersji publicznej”

Kalkulacja ilości i głębokości otworów wiertniczych dla instalacji gruntowej pompy ciepła

opracowała: Karina Hofmann

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

37

Legenda

Średnia przewodność

cieplna w watach na metr

i kelwin (W/m·K) do

głębokości 40 m

Legenda

Średnia przewodność

cieplna w watach na metr

i kelwin (W/m·K) do

głębokości 130 m

λ w W/m·K40 m

130 m

Wykorzystanie mapy geotermalnej w „wersji dla profesjonalistów”

opracowała: Karina Hofmann

38

Wariant: wybór wiercenia o głębokości do 130 m odczyt λ = 2,1 W/m·K

Prawidłowe wymiarowanie instalacji geotermalnej na okres eksploatacji minimum 25 lat

Dane wejściowe np.:- Dane pompy cieplnej

- Miesięczny bilans energetyczny

- Dane materiałowe odnośnie sondy geotermicznej i

wypełniacza otworu

- Informacje o danej lokalizacji:

- Średnia temperatura roczna

- Pojemność cieplna podłoża

- Przewodność cieplna λ podłoża skalnego

Wymiarowanie instalacji np. za pomocą programu Earth Energy Designer EED

Wykorzystanie mapy geotermalnej w „wersji dla profesjonalistów”

- Dane wyjściowe np.:- Obliczenie średnich temperatur płynu

- roboczego warunek po 25 latach ≥ 0 °C

- Obliczenie niezbędnej głębokości odwiertu

i liczby wymienników ciepła

opracowała: Karina Hofmann

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

BAZY DANYCH I MAPY

MAPY

ZH

ZF

ZKZO

Uwarunkowania formalno-prawne

są różne dla wykonywanych instalacji

dolnego źródła ciepła.

GRUNTOWE POMPY CIEPŁA -UWARUNKOWANIA PRAWNE

wykonywanie otworowych wymienników ciepła o

głębokości > 30 m (poza obszarami górniczymi) jest robotą

geologiczną i jest regulowane przez Ustawę Pgig.

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

PODSUMOWANIE:

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

• Geotermia niskotemperaturowa rozwija się dynamicznie na świecie.• Trzeba korzystać z doświadczeń zagranicznych i przenosić na grunt

krajowy dobre praktyki.• W Polsce w ostatnich latach mamy dynamiczny rozwój zastosowań

gruntowych pomp ciepła w systemach zamkniętych.

• Konieczne są programy wsparcia w postaci dofinansowań (NFOŚiGW, WFOŚiGW, etc..)

• Certyfikacja instalatorów i projektantów.

• Duża rola geologów oraz PSH i PSG w rozwoju GPC• Mapy potencjału geotermii niskotemperaturowe• Mapy obszarów z ograniczeniami dla instalacji GWC

• Zagadnienie interdyscyplinarne – współpraca PIG-PIB z PORTPC

DZIĘKUJĘ!

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

GRUNTOWE POMPY CIEPŁA – ZAGROŻENIA DLA ŚRODOWISKA

Główne zagrożenia dla środowiska związane z wykonywaniem i eksploatacją otworowych wymienników ciepła obejmują:

- wycieki czynnika roboczego (należy stosować substancje nieszkodliwe dla środowiska, np. glikol propylenowy)

- łączenie poziomów wodonośnych (kluczowe zagadnienie wykonywania i szczelności wypełnienia przestrzeni pierścieniowej)

- wykonywanie wierceń w warunkach artezyjskich (podobne problemy mogą również wystąpić przy wierceniuz poziomu dna odwadnianego wykopu fundamentowego (np. parkingi podziemne centrów handlowych)

- oddziaływania termiczne (wzajemna interakcja systemów oraz wpływ na warunki mikrobiologiczne)

- interakcja z iłami pęczniejącymi, warstwami anhydrytu, etc...

- zanieczyszczenie gruntu wyciekami substancji szkodliwych związanych z procesem wiercenia wg mat.

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

Zagrożenia hydrogeologiczne dla środowiska mogą obejmować sytuacje, gdy:• roboty zostały zaprojektowane w obrębie obszaru

zasobowego ujęcia wód podziemnych i istnieje zagrożenie, że może to negatywnie oddziaływać na jakość ujmowanych wód

• roboty geologiczne zostały zaprojektowane na obszarze górniczym wyznaczonym na koncesji na wydobywanie wód leczniczych współwystępujących z wodami podziemnymi

• roboty zostały zaprojektowane w obrębie koncesji na wydobywanie torfów leczniczych

• roboty mogą negatywnie oddziaływać na główne zbiorniki wód podziemnych

GRUNTOWE POMPY CIEPŁA – ZAGROŻENIA DLA ŚRODOWISKA

Państwowy Instytut GeologicznyPaństwowy Instytut Badawczy

wg mat.Przyszłość ZADANIE PSH – mapy obszarów z ograniczeniami dla instalacji gruntowych pomp ciepła