Επιστημονικό τριήμερο «Κτίριο & Ενέργεια» Λάρισα, 20 22 Οκτωβρίου 2011 Η παρούσα κατάσταση των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας στην Ελλάδα και τον Κόσμο Αρχές λειτουργίας Νίκος Ανδρίτσος, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, πανεπιστήμιο Θεσσαλίας 1. Εισαγωγή Ο οικιακός εμπορικός τομέας σήμερα καταναλώνει περισσότερο από το 1/3 της παγκόσμιας πρωτογενούς παραγωγής ενέργειας (π.χ. Σχήμα 1). Σύμφωνα με τη Διακυβερνητική Επιτροπή για την Αλλαγή του Κλίματος (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC), ο τομέας αυτός επιδέχεται σημαντικές βελτιώσεις για τη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Μια τέτοια τεχνολογία είναι η αξιοποίηση της αβαθούς γεωθερμίας ή αλλιώς οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας (ΓΑΘ), οι οποίες μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιοδήποτε μέρος της χώρας μας. Αβαθής γεωθερμία είναι η μορφή της γεωθερμικής ενέργειας κατά την οποία ενέργεια λαμβάνεται (ή απορρίπτεται) από σχετικά μικρά βάθη με τη χρήση αντλιών θερμότητας. Κύριος λόγος για την εγκατάσταση συστήματος ΓΑΘ είναι η εξοικονόμηση ενέργειας που μπορεί να φτάσει ακόμη και το 60% σε σχέση με τις κυριαρχούσες τεχνολογίες. Στη διεθνή βιβλιογραφία απαντούν με τους όρους «geothermal heat pumps», «geo exchange systems», «ground source heat pumps». Σε βάθη 0 100 m η αποθηκευμένη θερμική ενέργεια προέρχεται και ανανεώνεται συνεχώς από δύο πηγές : (α) την ηλιακή ακτινοβολία κυρίως και (β) τη ροή θερμότητας από το εσωτερικό της γης (50 100 mw/m s). Αυτή η θερμική ενέργεια απαντάταιι με θερμοκρασίες των 15 20 C, που είναι ιδιαίτερα ευνοϊκές για την απόδοση των γεωθερμικών αντλιών και δίνουν τη δυνατότητα εκμετάλλευσης πολύ μεγαλύτερων ποσοτήτων γεωθερμικής ενέργειας. Αγροτικός τομέας 2,4% Οικιακός τομέας και υπηρεσίες 37,1% Βιομηχανία 27,9% Μεταφορές 32,6% Σχήμα 1. Κατανομή της κατανάλωσης ενέργειας ανά τομέα χρήσης στον κόσμο το 2007 (Πηγή: EU energy and transport in figures Statistical pocketbook 2010).
2. Βασικές Αρχές των Γεωθερμικών Αντλιών Θερμότητας Γενικά, η αντλία θερμότητας (heat pump) είναι μια συσκευή που έχει την ικανότητα να μεταφέρει θερμότητα από ένα μέσο με χαμηλή θερμοκρασία σε ένα άλλο μέσο με υψηλότερη θερμοκρασία. Αυτό πραγματοποιείται με απορρόφηση θερμότητας από μια πηγή χαμηλής σχετικά θερμοκρασίας (όπως είναι το υπόγειο ή επιφανειακό νερό, ο εξωτερικός αέρας κτλ.) και προμηθεύοντας τη θερμότητα αυτή σε ένα θερμότερο μέσο, όπως είναι το νερό ή ο αέρας, τα οποία και χρησιμοποιούνται για παράδειγμα για τη θέρμανση ενός κτιρίου ή ενός θερμοκηπίου. Τα βασικά εξαρτήματα μιας αντλίας θερμότητας περιλαμβάνουν τον συμπιεστή, τον συμπυκνωτή, τον εξατμιστήρα, τη βαλβίδα εκτόνωσης και βέβαια την πηγή ενέργειας. Σε ορισμένες περιπτώσεις η αντλία θερμότητας είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να αντιστρέφει την ψυκτική και θερμαντική λειτουργία, επιτρέποντας τη χρήση της ίδιας συσκευής τόσο για ψύξη, όσο και θέρμανση. Στην αντλία θερμότητας, θερμότητα από ένα «ψυχρό» μέσο τροφοδοτείται σε χαμηλή θερμοκρασία Τ c (Σχήμα 2) και προσφέρεται μηχανικό έργο W για τη μεταφορά της θερμότητας σε υψηλότερη θερμοκρασία T Η. Ισχύει λοιπόν Q H = Q L + W net (1) Οικία Θερμοκήπιο Q H = επιθυμητή έξοδος T H Αντλία Θερμότητας HP W net, in = απαιτούμενη είσοδος Q L, T C Ψυχρό μέσο Σχήμα 2. Γενική αρχή της αντλίας θερμότητας. Η σωστή λειτουργία της αντλίας θερμότητας (στην περίπτωση που μας ενδιαφέρει η θερμική ικανότητα της συσκευής) εκφράζεται από το συντελεστή απόδοσης ή επιτευξιμότητας (COP, coefficient of performance), ο οποίος ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: Επιθυμητή έξοδος Θερμό αποτέλεσμα QH QH TH COPheating (2) Απαιτούμενη είσοδος Έργο εισόδου Wnet QH QC TH TC H απόδοση δηλαδή μιας αντλίας θερμότητας αυξάνει καθώς η Τ C αυξάνει και η Τ Η μειώνεται. Στις εμπορικές αντλίες θερμότητας το COP κυμαίνεται από 1,5 μέχρι και περισσότερο από 7 και, προφανώς, όσο μεγαλύτερη η τιμή του τόσο περισσότερο οικονομική γίνεται η χρήση της αντλίας. Σημειώνεται ότι το COP αναφέρεται για συγκεκριμένες συνθήκες εισόδου και εξόδου, π.χ. Β0/W35 (θερμοκρασία νερού στον εξατμιστή 0 C, θερμοκρασία εξόδου νερού από το συμπυκνωτή 35 C). Αντίστοιχα μπορεί να οριστεί και ο COP για την ψυκτική ικανότητα της συσκευής:
COP cooling TC T T H C οπότε και COPheating COPcooling 1 (3) Επειδή κατά τη διάρκεια της λειτουργίας ενός συστήματος ΓΑΘ οι συνθήκες μεταβάλλονται οπότε και το COP μεταβάλλεται, ορίζεται ως παράγοντας μέσης εποχιακής απόδοσης SPF (seasonal performance factor) ο λόγος της χρήσιμης ενέργειας που «παράγεται» από ένα σύστημα ΓΑΘ ως προς την ενέργεια που καταναλώνεται σε όλη την περίοδο θέρμανσης. Σημειώνεται ότι όσο μεγαλύτερο το COP (ή καλύτερα ο SPF) και όσο το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από ΑΠΕ αυξάνει, τόσο περισσότερο αειφορική γίνεται η τεχνολογία ΓΑΘ. Η πιο συνηθισμένη πηγή ενέργειας για τις αντλίες θερμότητας είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας (συστήματα αέρα αέρα, τα κοινά κλιματιστικά), με σοβαρό μειονέκτημα όπως ότι δεν μπορούν να λειτουργήσουν αποδοτικά σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος μικρότερες περίπου από 5 C. Τα τελευταία 30 χρόνια βρίσκουν όλο και περισσότερες εφαρμογές οι αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούν ως πηγή θερμότητας το έδαφος και το νερό, οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας. Οι αντλίες αυτές έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα κοινά κλιματιστικά και δεν παρουσιάζουν προβλήματα ακόμη και σε χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες. Τα κύρια σχήματα με τα οποία λειτουργούν οι ΓΑΘ είναι: (α) Αντλίες που είναι συνδεδεμένες με το υπέδαφος (ground coupled) κλειστού βρόχου (closed loop). Τα συστήματα ΓΑΘ κλειστού κυκλώματος διαχωρίζονται περαιτέρω σε κατακόρυφα και οριζόντια, ανάλογα με τη γεωμετρία του γεωεναλλάκτη. Στα οριζόντια συστήματα κλειστού βρόχου οι σωληνώσεις HDPE (ή PP) τοποθετούνται στο έδαφος σε ορισμένο βάθος με διάφορες «γεωμετρίες» (Σχήμα 3). Πολλά γεωμετρικά σχήματα έχουν προταθεί και δοκιμαστεί. Στην Βόρεια Αμερική επικρατεί η σπειροειδής «γεωμετρία», ενώ στην Ευρώπη τα τελευταία χρόνια τοποθετείται ένα είδος πλέγματος. Το δίκτυο των αγωγών τοποθετείται σε βάθος 1 2 m, ή και βαθύτερα, αν το επιτρέπει το κόστος των εκσκαφών. Η εκσκαφή μπορεί να γίνει με τη μορφή ορυγμάτων, συνήθως πλάτους 20 60 cm, η με την μορφή της ολικής απομάκρυνσης του εδάφους. Μετά την τοποθέτηση του δικτύου των σωληνώσεων, ο χώρος καλύπτεται αρχικά συνήθως με στρώμα άμμου και κατόπιν με το χώμα της εκσκαφής. Ψύξη Δεξαμενή θερμού νερού Αντλία θερμότητας Ενδοδαπέδια θέρμανση Δίκτυο οριζόντιων αγωγών Σχήμα 3. Αρχή του συστήματος ΓΑΘ με χρήση οριζόντιου κυκλώματος αγωγών. Για την εκτίμηση του φορτίου εναλλαγής θερμότητας στον γεωεναλλάκτη απαιτείται η γνώση της ελάχιστης και της μέγιστης θερμοκρασίας του αδιατάρακτου εδάφους. Η θερμοκρασία σε κάποιο βάθος (ή η διακύμανσή της με τις εποχές), Τ g, μπορεί να εκτιμηθεί από μετρήσεις ή να υπολογιστεί από κατάλληλες σχέσεις (π.χ. [1 3]). Το μήκος των σωληνώσεων (ή η επιφάνεια του
πλέγματος) εξαρτάται από αρκετές παραμέτρους, όπως είναι η θερμοκρασία, ο τύπος και η υγρασία του εδάφους, το είδος της κάλυψης, το βάθος που τοποθετούνται οι σωληνώσεις, η απόσταση μεταξύ των ορυγμάτων κ.ά. Τα κατακόρυφα συστήματα αποτελούνται συνήθως από ένα ζεύγος σωληνώσεων μικρής διαμέτρου (20 40 mm) από πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE), που τοποθετείται συνήθως σε μία ή περισσότερες κατακόρυφες γεωτρήσεις (Σχήμα 4), το εσωτερικό των οποίων γεμίζεται εν συνεχεία από στερεό υλικό. Το ζεύγος των σωληνώσεων είναι συνδεδεμένο με θερμοκόλληση στο κάτω άκρο σχηματίζοντας αγωγό σχήματος U. Εκτός από αυτό το σχήμα έχουν εφαρμοστεί και άλλες γεωμετρίες, με σκοπό την αύξηση της επιφάνειας του υπόγειου εναλλάκτη, όπως τα διπλά ζεύγη σωληνώσεων και η σπειροειδής τοποθέτηση του πλαστικού αγωγού. Το βάθος των γεωτρήσεων ποικίλλει από 15 μέχρι και 200 m, ανάλογα με τις συνθήκες, το κόστος διάτρησης και τις ενεργειακές ανάγκες του κτηρίου. Οι πιο πάνω παράμετροι ρυθμίζουν και τον αριθμό των γεωτρήσεων. Η οριζόντια απόσταση μεταξύ των γεωτρήσεων είναι μικρή (4 5 m), επειδή η επίδραση της μιας γεώτρησης στην άλλη είναι ελάχιστη. Έτσι μπορούμε να έχουμε μεγάλη πύκνωση των γεωτρήσεων και, επομένως, εξασφάλιση σημαντικών ποσοτήτων θερμότητας σε μικρό χώρο. Η παροχή θερμότητας στον υπόγειο εναλλάκτη προέρχεται από διάφορες πηγές, από τη γεωθερμική ροή θερμότητα, από αγωγή σε οριζόντιο επίπεδο και από την ανοδική πορεία του υπόγειου νερού, αν υπάρχει. Ζεστό νερό Ενδοδαπέδια θέρμανση Αντλία θερμότητας Υπόγειος εναλλάκτης θερμότητας Σχήμα 4. Αρχή λειτουργίας κατακόρυφου συστήματος ΓΑΘ κλειστού βρόχου. (β) Αντλίες που λειτουργούν με τα υπόγεια νερά ανοικτού βρόχου (ground water openloop) ή επιφανειακά, σχετικά ψυχρά (10 15 C) ή και κάπως θερμότερα (20 35 C). Σχηματική παράσταση παρουσιάζεται στο Σχήμα 5 και περισσότερες λεπτομέρειες δίνονται σε επόμενο κεφάλαιο. Διακρίνονται σε άμεσης επαφής, δηλ. το υπόγειο νερό μεταφέρει ή απάγει θερμότητα από τον εναλλάκτη νερού ψυκτικού, και σε έμμεσης επαφής, δηλ. με την ύπαρξη ενός ενδιάμεσου εναλλάκτη και κυκλώματος νερού για την αποφυγή προβλημάτων διάβρωσης και δημιουργίας επικαθίσεων (σωματιδιακών, κρυστάλλωσης, βιολογικών κτλ.).
ΓΕΩΤΡΗΣΗ ΕΠΑΝΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΓΕΩΤΡΗΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΦΟΡΟΣ Σχήμα 2. Γενική αρχή συστήματος ΓΑΘ ανοικτού βρόχου. (γ) Αντλίες που λειτουργούν με επιφανειακά νερά (surface water) είτε ανοικτού τύπου (χρήση των επιφανειακών νερών όπως με τα υπόγεια νερά), είτε κλειστού τύπου, δηλαδή το δίκτυο των σωληνώσεων βρίσκεται εμβαπτισμένο στη λίμνη, το ποτάμι ή τη θάλασσα. Τα δεύτερα συστήματα αποτελούν τη μοναδική βιώσιμη επιλογή σε περίπτωση που η θερμοκρασία των επιφανειακών νερών πέφτει κάτω από τους 7 C. (δ) Υβριδικά συστήματα. Τα συστήματα αυτά συνδυάζουν συνήθως μία ή περισσότερες από τις παραπάνω τεχνολογίες ΓΑΘ για την κάλυψη μέρους ή του βασικού φορτίου θέρμανσης ψύξης με τη χρήση καυστήρα λέβητα κατά τη χειμερινή περίοδο και με τη χρήση πύργου ψύξης κατά τη θερινή. Άλλοι συνδυασμοί μπορούν να γίνουν με ηλιακούς συλλέκτες θερμού νερού ή με την διάθεση θερμότητας σε υγρούς ταμιευτήρες (λίμνη, θάλασσα). Κύριος στόχος αυτών των συστημάτων είναι να μειωθεί το κόστος εγκατάστασης του συστήματος. Η επιλογή του ψυκτικού μέσου που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από τη θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας της συσκευής. Τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του ψυκτικού μέσου είναι να μην είναι τοξικό, διαβρωτικό ή εύφλεκτο υγρό, να είναι σταθερό στις θερμοκρασίες εφαρμογής και να διατίθεται σε χαμηλό κόστος. Τα χαρακτηριστικά αυτά τα πληρούσαν ιδανικά οι χλωροφθοράνθρακες, των οποίων όμως ή χρήση έχει απαγορευτεί με το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ. Ψυκτικά που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι το R134a, R407c (για οικίες), R410Α, R404A, προπάνιο, CO 2 κ.ά. Οι ΓΑΘ δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τα κοινά σώματα των καλοριφέρ, καθώς αυτά απαιτούν αρκετά υψηλές θερμοκρασίες νερού (>60 C), αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σώματα καλοριφέρ που μπορεί να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες μικρότερες από 55 C. Γενικά χρησιμοποιούνται «Fan Coils» (μονάδες ανεμιστήρα στοιχείου), κανάλια αέρα ή ενδοδαπέδια και επιτοίχια θέρμανση. Τα υπόγεια νερά, ως πηγή θερμότητας, υπερτερούν σημαντικά σε σχέση με τον αέρα, επειδή έχουν σχεδόν καθ' όλη τη διάρκεια του έτους σταθερή θερμοκρασία (10 20 C). Μειονέκτημά τους είναι ότι η διαθεσιμότητά των νερών αυτών είναι συνήθως περιορισμένη. Οι ΓΑΘ παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις κοινές κλιματιστικές μονάδες αέρα αέρα: (α) Καταναλώνουν μικρότερη ηλεκτρική ενέργεια και επομένως έχουμε μικρότερη εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου. (β) Αξιοποιούν την γήινη θερμότητα σε σχετικά μικρά βάθη, συστήματα που είναι
περισσότερο αξιόπιστα και σταθερά σε σχέση με τον ατμοσφαιρικό αέρα. (γ) Δεν απαιτούν επιπλέον θερμότητα σε περίπτωση πολύ χαμηλής εξωτερικής θερμοκρασίας. (δ) Έχουν απλούστερο σχεδιασμό με χαμηλότερο κόστος συντήρησης. (ε) Επειδή δεν έχουν καμία εξωτερική μονάδα (όπως τα κλιματιστικά) η λειτουργίας προκαλεί πολύ μικρότερο θόρυβο. Σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους θέρμανσης τα κυριότερα πλεονεκτήματα των συστημάτων αυτών είναι ότι για τη λειτουργία τους εκπέμπονται πολύ λιγότερα αέρια του θερμοκηπίου, έχουν μικρότερο κόστος λειτουργίας, δεν επηρεάζονται από τις μεταβολές της τιμής των συμβατικών καυσίμων και δεν χρησιμοποιείται η διεργασία της καύσης με αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση του κινδύνου πυρκαγιάς. Το κυριότερο μειονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι το μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης. Το κόστος ενός συστήματος ΓΑΘ ανοικτού βρόχου σχετίζεται ασφαλώς με το απαιτούμενο θερμικό ή/και ψυκτικό φορτίο, το είδος του εδάφους και των πετρωμάτων, την υπάρξη υδροφορίας, την ποιότητα και τη θερμοκρασία του υπόγειου νερού, την ύπαρξη ενδιάμεσου εναλλάκτη, την πτώση πίεσης στον εναλλάκτη και με τη θερμοκρασία του νερού (ή του αέρα) που εξέρχεται από το συμπυκνωτή της αντλίας θερμότητας. Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του εξερχόμενου νερού, τόσο μικρότερο είναι το COP που επιτυγχάνεται, με συνέπεια μεγαλύτερο κόστος της μονάδας. Ένα άλλο μειονέκτημα που αντιμετωπίζει αυτή η τεχνολογία είναι ότι είναι «νέα» τεχνολογία (σε αντίθεση με τις αντλίες θερμότητας αέρα αέρα) και ότι πρέπει να συνδυαστεί με την ανόρυξη μίας η περισσότερων γεωτρήσεων. 3. Οι ΓΑΘ στην Ελλάδα και τον Κόσμο Οι αντλίες θερμότητας γνωρίζουν πραγματική άνθηση τα τελευταία χρόνια σημειώνοντας ετήσια αύξηση της τάξης του 25% και αυτή τη στιγμή αντιπροσωπεύουν μερίδιο μεγαλύτερο από το 75% στις άμεσες χρήσεις της γεωθερμίας ως προς την εγκατεστημένη ισχύ και 50% ως προς την τελική χρήση ενέργειας (Σχήμα 6). Σήμερα (2010) απαντώνται στο κόσμο περισσότερα από 3.000.000 τέτοια συστήματα σε περισσότερες από 45 χώρες). Η ονομαστική ισχύς αυτών των συστημάτων είναι στην περιοχή 5,5 kw 150 kw [4]. Για τις μεσογειακές χώρες όπως στην πατρίδα μας, τα συστήματα ΓΑΘ αποδεικνύεται ότι είναι περισσότερο οικονομικά στον κύκλο της ψύξης, με βελτίωση κατά 40 60% σε σχέση με τις συμβατικές αντλίες αέρα αέρα ή αέρα νερού. Η εγκατεστημένη ισχύς των συστημάτων ΓΑΘ που έχουν καταγραφεί στη χώρα μας είναι περίπου 70 MWt, αν και η πραγματική εγκατεστημένη ισχύς θα πρέπει να είναι τουλάχιστον υπερδιπλάσια. Τα συστήματα αυτά γνωρίζουν σημαντική ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια (Σχήμα 7). Με τα σημερινά δεδομένα του κόστους του πετρελαίου θέρμανσης και της τιμής της ηλεκτρικής κιλοβατώρας, ο χρόνος απόσβεσης μιας εγκατάστασης ΓΑΘ εκτιμάται στο 6 10 χρόνια. Η σημαντική των συστημάτων ΓΑΘ στη χώρα μας τα τελευταία χρόνια οφείλεται σε πολλούς λόγους, μερικοί των οποίων είναι: (α) Η ευκολία στη λήψη άδειας για την ανόρυξη κλειστής γεώτρησης ή για τη χρήση υπόγειου νερού, (β) Η μεγάλη αύξηση στις τιμές του πετρελαίου και του φυσικού αερίου το 2008 αλλά και στις μέρες μας με ταυτόχρονη σταθεροποίηση των τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας, (γ) Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον των εταιριών κλιματισμού θέρμανσης κτλ.
Βιομ. Χρήσεις 3% Λιώσιμο πάγων -1% Ιχθυοκαλλιέργειες 4% Λουτρά-πισίνες 25% Άλλες 1% Αντλίες θερμότητας 49% Θερμοκήπια 5% Θέρμανση χώρων 14% Σχήμα 6. Κατανομή των άμεσων χρήσεων σε παγκόσμιο επίπεδο ως προς την τελική χρήση ενέργειας κατά το έτος 2010 [4]. Εγκατεστημένη Ισχύς (MWt) 180 160 140 Geothermal Heat Pumps Direct uses 120 100 80 60 40 20 0 1994 1999 2004 2009 Έτος Σχήμα 7. Εξέλιξη των γεωθερμικών εφαρμογών στην Ελλάδα [5]. Βιβλιογραφία [1] IGSHPA, Closed Loop/Ground Source Heat Pump Systems Installation Guide, International Ground source Heat Pump Association, Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma, USA, 1988. [2] Anonymous, Ret Screen International, Ground source heat pump project analysis chapter, Canada, [www.retscreen.net] [3] ASHRAE 2007, Chapter 32, Geothermal energy. [4] Lund, J.W., Freeston, D.H. and Boyd, T.L. Direct utilization of geothermal energy 2010 worldwide [5] Andritsos, N., Dalabakis, P., Karydakis, G., Kolios, N. and Fytikas, M. Characteristics of Low Enthalpy Geothermal Applications in Greece. Renewable Energy 36, 1298 1305, 2011.