Prezentacja programu PowerPointnfosigw.gov.pl/download/gfx/nfosigw/pl/... · oszczędności...
Transcript of Prezentacja programu PowerPointnfosigw.gov.pl/download/gfx/nfosigw/pl/... · oszczędności...
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