Krajowe i zagraniczne perspektywy rozwoju wodnych i gruntowych/geotermalnych pomp ciepła

Na rynku instalacyjnym stosuje się obecnie różne nazwy w odniesieniu do pomp ciepła typu woda/woda, glikol/woda czy solanka/woda. Różnicują one te urządzenia ze względu na rodzaj medium w dolnym oraz górnym źródle ciepła. Wodne/solankowe/glikolowe pompy ciepła to urządzenia pobierające ciepło z dolnego źródła i transportujące je do odbiorników w budynku przy wykorzystaniu wody lub nośników niezamarzających. W przypadku gdy dolne źródło składa się z pionowego lub poziomego wymiennika ciepła, obieg zamknięty dolnego źródła wypełnia się najczęściej roztworem glikolu, alkoholu lub solanki. Jeśli dolnym źródłem ciepła są wody gruntowe lub powierzchniowe płynące w systemie otwartym, mówimy o pompach ciepła woda/woda. Istnieje możliwość napełniania wodą dolnych źródeł w układach zamkniętych, jest to jednak ryzykowne i wymaga znaczącego przewymiarowania wymienników ciepła. Wszystkie te urządzenia mogą pobierać ciepło z różnych rezerwuarów, jednak w zależności od jego pochodzenia stosuje się następujący podział:

1. Geotermalne pompy ciepła – to urządzenia pobierające ciepło geotermalne. Zgodnie z polskimi przepisami wodę można określić jako geotermalną, gdy jej temperatura zmierzona na głowicy otworu osiąga co najmniej 20˚C. Jednocześnie większość stosowanych w Polsce pomp ciepła wykorzystuje otworowe wymienniki ciepła (pionowe, ukośne i horyzontalne) i nie korzysta bezpośrednio z wód geotermalnych. Geotermalnymi pompami ciepła można nazywać te instalacje, które pozyskują wyłącznie ciepło geotermalne. Ten rodzaj ciepła można spotkać na średniej głębokości poniżej ok. 20 m p.p.t. w skali kraju. Jest to ciepło geotermalne, które pochodzi z procesu rozpadu pierwiastków promieniotwórczych oraz ciepła rezydualnego z czasów tworzenia się planety. Takimi pompami ciepła są te, które nie pracują w trybie rewersyjnym, tzn. nie wprowadzają ciepła innego pochodzenia do górotworu w celu jego magazynowania. Inaczej pisząc: nie zrzucają ciepła odpadowego do górotworu.

2. Gruntowe pompy ciepła – to pojęcie szersze od poprzedniego. Odnosi się do instalacji pobierających ciepło z dolnego źródła w postaci gruntu (skał). Zalicza się do nich w szczególności pompy ciepła z pionowymi (rys. 1), ukośnymi i poziomymi otworowymi wymiennikami ciepła lub wymiennikami gruntowymi (rys. 2). W szczególności definicja ta obejmuje pompy rewersyjne (sezonowo pracujące na potrzeby pokrycia zapotrzebowania na ciepło i chłód). Procesy ogrzewania i klimatyzacji wnętrz są rewersyjnie procesami magazynowania odpowiednio chłodu i ciepła. Wówczas ciepło w górotworze nie jest ciepłem geotermalnym.

3. Powietrzne pompy ciepła – to pompy ciepła wykorzystujące w dolnym źródle ciecz niezamarzającą, podłączone najczęściej do suchej chłodnicy powietrza. Ich efektywność jest niższa niż urządzeń typu monoblok czy split, co wynika ze sprawności temperaturowej dodatkowego wymiennika ciepła. Stosuje się je w układach kombinowanych grunt + powietrze zewnętrzne.

Można tym samym sklasyfikować wszystkie pompy ciepła ze względu na dolne źródło ciepła:

a) w postaci gazu (najczęściej powietrza, np. zużytego wentylacyjnego, ale mogą to być też gazy odpadowe przenoszące ciepło niskotemperaturowe),

b) w postaci cieczy (najczęściej wody, ale też cieczy odpadowych, np. w oczyszczalniach ścieków),

c) w postaci stałej (najczęściej górotwór, z dodatkowym obiegiem w wymiennikach otworowych lub z bezpośrednim parowaniem).

Jak wykazano wcześniej, pompy ciepła bazujące na cieple niskotemperaturowym z gruntu i skał (naturalnym/geotermalnym lub sztucznym/antropogenicznym) mogą być zarówno gazowe i cieczowe, jak i bazować na ciałach stałych.

Przewaga gruntowych pomp ciepła (GPC) nad pompami powietrze/woda wynika z charakterystyki mocy urządzenia pokrywającej się z charakterystyką obciążenia cieplnego budynku. Gdy stosuje się pompę ciepła powietrze/woda, moc (zjawisko ograniczone w technologii EVI) oraz sprawność urządzenia spadają wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej powietrza atmosferycznego. Jednocześnie zapotrzebowanie budynku na moc wzrasta tym bardziej, im jest chłodniej. W przypadku GPC nie występuje zjawisko tak drastycznego spadku mocy, gdyż temperatura gruntowych wymienników ciepła jest w miarę stała (w zakresie od –3 do 10˚C). Punkt przecięcia się charakterystyki obciążenia cieplnego budynku oraz mocy pompy ciepła nazywamy punktem biwalentnym (rys. 3). Gruntowe pompy ciepła umożliwiają zarówno ogrzewanie, jak i tanie chłodzenie budynku, dlatego ich wpływ na sieć elektroenergetyczną jest mniejszy niż w przypadku pomp powietrznych.

Wpływ gruntowych pomp ciepła na obniżenie kosztów i emisji w USA

Przeprowadzone w USA analizy [1] wskazują, że masowe wprowadzenie gruntowych pomp ciepła, na poziomie 5 mln szt./rok, umożliwi ograniczenie wymaganej energii elektrycznej w sieci o ponad 900 TWh/rok, co odpowiada ok. 13% zapotrzebowania na energię elektryczną wymaganą do dekarbonizacji sieci. Analizowany scenariusz zakłada uzyskanie oszczędności przez klientów końcowych na poziomie 19 mld dolarów rocznie, a także obniżenie emisji CO₂ o ponad 7 milionów ton do 2050 r.

W listopadzie 2023 r. amerykański Departament Energii opublikował raport pod tytułem „Redukcja kosztów sieci i całkowitych emisji poprzez masowe zastosowanie geotermalnych pomp ciepła do elektryfikacji ogrzewania i chłodzenia budynków w Stanach Zjednoczonych” („Grid Cost and Total Emissions Reductions Through Mass Deployment of Geothermal Heat Pumps for Building Heating and Cooling Electrification in the United States”) [1]. W ramach modelu przeanalizowano 3 z 7 scenariuszy dekarbonizacji gospodarki USA. We wszystkich przypadkach wdrożenie ok. 5 mln gruntowych pomp ciepła rocznie przyniosło oszczędności w kosztach budowy sieci przesyłowych i kosztach ponoszonych przez konsumentów dzięki wyeliminowaniu spalania paliwa do ogrzewania pomieszczeń oraz redukcję emisji CO₂ w wyniku uniknięcia spalania paliwa w mikroinstalacjach. Najbardziej wartym uwagi rezultatem tego badania jest wykazanie, że gruntowe pompy ciepła w połączeniu z dociepleniem w małych i średnich budynkach to przede wszystkim narzędzie i technologia służąca redukcji kosztów sieci, która po wdrożeniu na skalę krajową znacznie zmniejsza emisję CO₂ oraz zapotrzebowanie na energię elektryczną, nawet przy braku jakichkolwiek innych działań dekarbonizacyjnych.

Przywoływany raport wskazuje, że gruntowe pompy ciepła charakteryzują się zerową emisją CO₂ w miejscu zainstalowania, a także ograniczaniem obciążenia sieci energetycznej w porównaniu do powietrznych pomp ciepła. Obniżenie zużycia energii elektrycznej oraz emisji dwutlenku węgla do atmosfery to ważne wskaźniki dla gospodarki, zwłaszcza energetyki, i społeczeństwa, a niskie koszty ogrzewania i chłodzenia budynku to wskaźniki najważniejsze dla klientów końcowych. Opłaty hurtowe za usługi sieci elektroenergetycznej zostaną zmniejszone o co najmniej 300 mld dol. do 2050 roku, jeśli zastosowane zostaną gruntowe pompy ciepła.

W modelu wykorzystano siedem scenariuszy dekarbonizacji USA. Trzy przeanalizowane obejmowały: kontynuację eksploatacji sieci w obecnym stanie (scenariusz podstawowy); osiągnięcie 95% redukcji emisji z sieci do 2035 r. i 100% czystej energii elektrycznej do 2050 r. (scenariusz dekarbonizacji sieci) oraz rozszerzenie dekarbonizacji sieci o elektryfikację dużych części gospodarki, w tym ogrzewanie budynków (scenariusz EFS, czyli studium przyszłości elektryfikacji). W modelu tym oceniono całkowite koszty energii elektrycznej, których można uniknąć dzięki wdrożeniu gruntowych pomp ciepła (rys. 4). Oszczędności wynoszą 10% (316 mld dol.) w scenariuszu podstawowym, 13% (557 mld dol.) w scenariuszu dekarbonizacji sieci i 11% (607 mld dol.) w scenariuszu EFS (rys. 5). Podane liczby stanowią bieżącą wartość przyszłych oszczędności (przy stopie dyskontowej 5%). Wdrożenie systemów GPC ma różne skutki w poszczególnych obszarach geograficznych. Znaczące obniżenie rocznego zużycia energii elektrycznej na południu Stanów Zjednoczonych jest możliwe dzięki zastąpieniu powszechnie stosowanych systemów klimatyzacji, które mają duży udział w zużyciu energii elektrycznej latem. W północnych Stanach Zjednoczonych wdrożenie GPC skutkuje radykalną redukcją emisji gazów cieplarnianych na miejscu, ponieważ zastępują one istniejące źródła ogrzewania oparte na spalaniu (gaz, propan i olej opałowy). W wielu regionach zwiększenie wydajności dzięki zastosowaniu GPC w sezonie chłodniczym latem z nadwyżką kompensuje wzrost zimowego obciążenia grzewczego zelektryfikowanymi instalacjami grzewczymi. Co więcej, docieplenie domów jednorodzinnych zmniejsza obciążenie cieplne i zapotrzebowanie na chłód, szczególnie w zimnym klimacie. Masowe wdrożenie GPC połączone z termomodernizacją skutkuje pełną elektryfikacją ogrzewania i chłodzenia budynków przy zmniejszeniu całkowitego rocznego zużycia energii elektrycznej w większości stanów USA. Ograniczenie wymaganej rocznej produkcji energii elektrycznej wynosi 585 TWh w scenariuszu podstawowym i prawie 1000 TWh w scenariuszu EFS.

Główne różnice między efektami wdrożenia GPC w analizowanych trzech scenariuszach wynikają z różnicy w sposobie wytwarzania energii elektrycznej. Tym samym ograniczanie mocy źródeł energii elektrycznej ma inny rezultat w wymiarze finansowym oraz emisji. W scenariuszu podstawowym + GPC ograniczone jest wytwarzanie energii elektrycznej we wszystkich rodzajach technologii (rys. 6), zarówno konwencjonalnych, jak i z odnawialnych źródeł energii (OZE). Natomiast w scenariuszu dekarbonizacji sieci + GPC redukcję netto wytwarzanej energii elektrycznej można przypisać przede wszystkim ograniczeniom wytwarzania zmiennej energii odnawialnej, takiej jak energia wiatrowa i słoneczna, oraz ze spalania wodoru przy niewielkim wzroście produkcji z elektrowni jądrowych. Scenariusz EFS + GPC przewiduje zwiększoną redukcję wytwarzania energii elektrycznej z OZE, w szczególności z farm fotowoltaicznych oraz technologii wiatrowych. Zmiana w produkcji energii elektrycznej z wiatru na lądzie w scenariuszu EFS + GPC wiąże się ze zmniejszeniem zimowego zużycia energii elektrycznej w ramach EFS w wyniku zmiany pomp ciepła powietrze/woda na gruntowe pompy ciepła w połączeniu z termomodernizacją. Zastosowanie GPC umożliwia redukcję powierzchni potrzebnej na budowę elektrowni wiatrowych na lądzie, co pozytywnie wpływa na gospodarkę przestrzenną USA.

Przeczytaj także: Największa w Polsce systemowa pompa ciepła jest już we Wrocławiu >>

Wpływ GPC na moc zainstalowaną i dystrybucję energii

Masowe zastosowanie GPC w scenariuszu dekarbonizacji sieci mogłoby podwoić redukcję zainstalowanej mocy wytwórczej i magazynowania energii elektrycznej osiągniętą w scenariuszu podstawowym (redukcja o 173 GW w scenariuszu bazowym + GPC w porównaniu z redukcją o 345 GW w scenariuszu dekarbonizacji sieci + GPC), jak pokazano na rys. 7. W scenariuszu EFS + GPC zainstalowaną moc wytwórczą i magazynowania można zmniejszyć o 410 GW.

Wielkoskalowe zastosowanie GPC, w połączeniu z termomodernizacją, zmniejsza zapotrzebowanie na moce wytwórcze energii elektrycznej w porównaniu z elektryfikacją sektora budowlanego przy użyciu pomp powietrznych (ASHP). W porównaniu z elektryfikacją przy użyciu powietrznych pomp ciepła założoną w scenariuszu EFS, masowe zastosowanie GPC mogłoby do 2050 r. zmniejszyć wymaganą moc systemu elektroenergetycznego o 410 GW (z 3568 do 3158 GW). „Elektryfikacja” budynków przy użyciu GPC zmniejsza również wymagania w zakresie wystarczalności zasobów w porównaniu do wykorzystania powietrznych pomp ciepła, zwłaszcza w regionach o chłodnym klimacie. Efekt byłby większy, gdyby pierwotny scenariusz EFS zakładał w pełni zelektryfikowane ogrzewanie i chłodzenie. Zastosowanie GPC wskazuje na możliwość zmniejszenia wymagań dotyczących wystarczalności zasobów w szczytowym okresie zimowym, co ma coraz większe znaczenie w scenariuszu EFS, gdzie elektryfikacja ogrzewania za pomocą powietrznych pomp ciepła powoduje, że rośnie liczba regionów przechodzących ze szczytu obciążenia sieci elektroenergetycznej w lecie na szczyt zimowy.

Międzyregionalny przesył energii ma większy udział w scenariuszu EFS w porównaniu ze scenariuszami podstawowymi ze względu na duże wykorzystanie OZE. Po zastosowaniu GPC przesył międzyregionalny zostanie zmniejszony o 65,4 mld TW, co stanowi redukcję mocy nowych inwestycji o 38% (lub 39,5 mld dolarów w wartości bieżącej). Scenariusze EFS bezpośrednio porównały dwa rozwiązania elektryfikacji ogrzewania i chłodzenia budynków. Wyższa efektywność GPC w porównaniu z powietrznymi pompami ciepła skutkuje większym wpływem na redukcję wytwarzania energii elektrycznej i jej transmisji. W porównaniu ze scenariuszami dekarbonizacji sieci następuje zmniejszenie konieczności rozbudowy przesyłu o współczynnik 1,8 oraz wartości obecnej kosztów o współczynnik 1,3. Porównywalnie mniejszy wpływ na koszty w wartości bieżącej wynika z harmonogramu inwestycji przesyłowych EFS, który odbiega od scenariuszy dekarbonizacji sieci po 2035 roku.

Społeczności zasilane gruntowymi pompami ciepła

W raporcie nie uwzględniono zastosowania społeczności ciepłowniczych OZE korzystających z gruntowych pomp ciepła. Są to społeczności, w ramach których wiele domów, a nawet całe miasteczka czy dzielnice dużych miast współdzielą dolne źródło ciepła. Wpływa to pozytywnie na ograniczenie kosztów inwestycyjnych, a także umożliwia niespotykane na polskim rynku bilansowanie obciążeń cieplnych budynków. Wspólne dolne źródła ciepła mogą być realizowane poprzez przeprojektowanie istniejących sieci ciepłowniczych bądź budowę miejskich sieci dolnych źródeł ciepła. Schemat ideowy wspólnoty gruntowych/geotermalnych pomp ciepła (WGPC) przedstawiono na rys. 9. W idealnym układzie do WGPC przyłącza się takie budynki, które potrzebują chłodzenia przez cały rok, co umożliwia przesłanie ciepła odpadowego z tych obiektów do budynków o zapotrzebowaniu na ogrzewanie. Tym samym najlepszym rozwiązaniem jest przyłączenie obiektów dużych, przemysłowych, takich jak centra danych, piekarnie, odlewnie itp., do wspólnego dolnego źródła z domami jednorodzinnymi oraz blokami mieszkalnymi, biurowcami itd. Obecnie wiele centrów danych i serwerowni wyprowadza ciepło odpadowe na zewnątrz budynku, co jest czystym marnotrawieniem energii.

Na rys. 10 pokazano, jak zmieni się zapotrzebowanie na moc w USA przy wykorzystaniu różnych metod dekarbonizacji. W przypadku sieci NetGeo (amerykańska inicjatywa WGPC) pompy ciepła osiągają średni współczynnik efektywności COP = 6. Oznacza to, że do każdej pobranej 1 kWh energii elektrycznej dokładane jest 5 kWh z sieci NetGeo, czyli z 1 kWh energii elektrycznej uzyskuje się 6 kWh energii cieplnej. W zaproponowanej technologii wykorzystano ideę przesyłania ciepła z budynków wymagających chłodzenia cały rok do budynków wymagających ogrzewania. Pokazane na schemacie otworowe wymienniki ciepła pełnią funkcję dodatkowych źródeł ciepła, a także magazynów energii. Ograniczenia emisji oraz zużycia energii mogłyby być w analizowanym raporcie bez wątpienia wyższe, gdyby uwzględniona została inicjatywa NetGeo. Innym typowym przykładem jest całoroczne lodowisko i pływalnia. Górotwór z otworowymi wymiennikami ciepła stanowi w tego typu parach obiektów bufor wyrównujący zapotrzebowanie ciepła i/lub chłodu w czasie. Wielkie ilości energii odpadowej są usuwane do atmosfery z przemysłu, który niejednokrotnie znajduje się w obrębie działania sieci ciepłowniczych [10].

W Polsce ogromny potencjał mają sieci ciepłownicze, które w nadchodzących latach staną przed wyzwaniem dekarbonizacji i transformacji w „zielone sieci”. Modernizacje sieci ciepłowniczych w kierunku dostarczania medium dolnego źródła oraz lokalne przygotowanie ciepła w budynkach umożliwia ich całoroczne ogrzewanie i chłodzenie. W przypadku sieci ciepłowniczych 5. generacji źródłami ciepła mogą być: turbina kondensacyjna, płytkie odwierty geotermalne, budynki o dodatnim bilansie energetycznym, wody powierzchniowe czy ciepło odpadowe ze spalarni śmieci lub inne (rys. 11). Szczególne korzyści wiążące się ze zmianą parametru sieci z 70 czy 90°C na 20°C wynikają z drastycznego obniżenia strat ciepła na rurociągach przesyłowych. Technologie te wymagają dalszych badań, a przewagę technologiczną uzyska firma, która takie systemy zacznie budować jako pierwsza. Aby to osiągnąć, konieczne jest przekonanie inwestorów, a także decydentów o konieczności wsparcia tej technologii i korzyściach z niej płynących. Pierwsze tego typu inwestycje są już w trakcie realizacji na zachodzie Europy [11].

Recykling istniejących otworów wiertniczych jako technologia rozwoju zielonego ciepłownictwa

Geoenergetyka jest stosunkowo nową dziedziną nauki oraz techniki. Łączy w sobie geotermię oraz magazynowanie ciepła w górotworze. Dodatkowo dziedzina ta obejmuje problematykę związaną z magazynowaniem energii elektrycznej w otworach wiertniczych czy magazynowaniem energii w postaci surowców, np. kawernowe magazyny gazu czy wodoru.

Geotermia i geoenergetyka mogą się w Polsce rozwijać jedynie przy wykorzystaniu otworów wiertniczych. Technologia wiertnictwa jest w ostatnich latach intensywnie doskonalona, wykonywane są nowe głębokie otwory geotermalne [4, 5]. Wielki skok w technikach i technologiach wiertniczych dokonał się podczas tzw. boomu łupkowego. Autorzy publikacji naukowych sugerują, że inwestycje z wykorzystaniem głębokich OWC mogą być ekonomicznie uzasadnione jedynie w przypadku już istniejących odwiertów, jednak takich odwiertów mamy w Polsce pokaźną liczbę.

Wykorzystywanie nieczynnych otworów wiertniczych opiera się na zasadzie zmiany sposobu ich użytkowania. Wyeksploatowane lub negatywne otwory geotermalne czy naftowe wyposaża się w kolumnę wymiennika ciepła, podobną do rur w pionowych wymiennikach spotykanych powszechnie na rynku tzw. płytkiej geotermii. Choć technologia wykonania głębokiego wymiennika ciepła różni się od klasycznej U-rurki, idea działania jest taka sama, a wymiana ciepła następuje bez wymiany masy. W głębokich OWC stosowany powinien być centryczny układ rur zamiast U-rurek, przy czym kolumna wewnętrzna powinna izolować cieplnie przeciwbieżne strumienie nośnika ciepła.

Aby otwory geotermalne mogły być użytkowane, konieczne jest osiągnięcie odpowiedniego przypływu wody geotermalnej. Brak przypływu (otwór negatywny), choć uniemożliwia eksploatację wód geotermalnych, nie oznacza braku ciepła w otaczających skałach. Pobór tego ciepła możliwy jest właśnie dzięki wykorzystaniu systemu zamkniętego. Przykładem projektu implementującego tę technologię może być wykorzystanie otworu Sękowa GT-1 [6, 7, 8].

W Polsce od 1980 r. wywiercono ponad 15 tys. otworów, z czego ponad 2800 o głębokości powyżej 2000 m. Wiele z tych otworów można potencjalnie wykorzystać do budowy „zielonych sieci ciepłowniczych”, a także ogrzewania budynków przemysłowych (otwory muszą być zlokalizowane w niedużej odległości od potencjalnych odbiorców). Wadą tego rozwiązania jest ograniczona możliwość zrzutu nadwyżek ciepła do otworów, jednak potencjał grzewczy umożliwia dalszy rozwój chłodziarek adsorpcyjnych.

Raport Forum Energii dotyczący przyszłości geotermii

W marcu br. opublikowano raport pt. „Geotermia – stabilny grunt w ciepłownictwie” [12] wskazujący na potrzebę i realne korzyści płynące z zastosowania geotermii jako źródeł ciepła w polskich sieciach ciepłowniczych. Jego autorzy zwrócili m.in. uwagę na bardzo małą liczbę działających ciepłowni geotermalnych, niewystarczające tempo rozwoju oraz brak zainteresowania inwestorów energetyką geotermalną oraz odzyskiem energii. W raporcie wskazano, że wykorzystanie geotermii mogłoby obniżyć całkowite zużycie energii pierwotnej o nawet 78%. Dodatkową korzyścią płynącą z wykorzystania ciepła Ziemi jest obniżenie obciążenia sieci elektroenergetycznej i emisji CO₂ oraz ograniczenie związanych z tą emisją kosztów. Gruntowe pompy ciepła mają odegrać kluczową rolę w transformacji energetycznej. Zwrócono uwagę, że Choć z perspektywy indywidualnych gospodarstw domowych inwestycje te mogą początkowo wydawać się mniej korzystne, ich rosnąca popularność znacząco zmniejszyłaby obciążenie systemu elektroenergetycznego, co przełożyłoby się na redukcję kosztów eksploatacyjnych na szerszą skalę. Wobec tego warto, aby rząd dostrzegł te korzyści i zapewnił odpowiednie warunki do rozwoju tej technologii.

Wnioski płynące z raportu Forum Energii są analogiczne do opisanych w raporcie DOE USA. Powietrzne pompy ciepła są w niskich temperaturach znacznie mniej efektywne energetycznie od pomp gruntowych, dlatego ich masowe zastosowanie jest dużym obciążeniem dla sieci. Prognozowany w raporcie Forum Energii przyrost liczby gruntowych pomp ciepła w Polsce w latach 2022–2050 przedstawiono na rys. 12.

Rozwój wiertnictwa jako nieodzowna składowa sukcesu dekarbonizacji gospodarki

Laboratorium Geoenergetyki AGH w Krakowie od lat pracuje nad innowacjami w zakresie wierceń geotermalnych i geoenergetycznych. Dysponuje trzema polami ponad 50 OWC i innych otworów. Po raz pierwszy w Polsce zostały tu poziome otworowe wymienniki ciepła, tzn. wykorzystujące metodę HDD, zamiast prac ziemnych realizowanych koparkami. Opracowano wytyczne dla zastosowania ochrony cieplnej w otworach geotermalnych eksploatujących wody, tak aby podczas przepływu w otworze (nieraz ponad 3 tys. m głębokości) nie następowało wychładzanie. Także w przypadku OWC powinno się stosować specjalne konstrukcje wraz z uszczelnianiem rur w otworach. Zadaniem uszczelnienia jest nie tylko ochrona wód podziemnych, ale także intensyfikacja wymiany ciepła pomiędzy nośnikiem w rurach a otaczającym górotworem. Powinno więc mieć możliwie najwyższą przewodność cieplną.

Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH jest unikalny na skalę polską i kształci na kierunkach, które zapewnią absolwentom pracę na wiele dziesięcioleci. W 2024 r. ruszyła VI edycja specjalności „Geoinżynieria i geotermia” na kierunku „Geoinżynieria i górnictwo otworowe”. Niestety ze względu na bardzo dużą chłonność rynku wielu studentów nie kończy studiów pracami magisterskimi. Stale wzrasta liczba firm wiertniczych, które specjalizują się w wykonywaniu otworowych wymienników ciepła. Stosowane są coraz nowsze, innowacyjne rozwiązania. Również możliwości realizacji otworowych wymienników ciepła są coraz większe (rys. 13). Zwiększają się one w odniesieniu nie tylko do obiektów nowych, ale i istniejących. Możliwości wierceń sterowanych będą coraz częściej wykorzystywane (rys. 13c) w geotermii. Górnictwo otworowe jest niezbędne w rozwoju energetyki przyszłości, w szczególności ciepłownictwa i chłodnictwa.

Podsumowanie

Przedstawione w artykule warianty rozwiązań (analiz) dotyczą USA, ale wymierne korzyści ze stosowania GPC odczuwalne będą we wszystkich zimnych i umiarkowanych klimatach. Ważnym aspektem jest również fakt, że gruntowe pompy ciepła są urządzeniami produkowanymi w UE i Ameryce Północnej, nie wymagają zatem importu, co ogranicza ryzyko wprowadzania do obrotu urządzeń o niskiej jakości i efektywności energetycznej (COP).

Choć powietrzne pompy ciepła zdominowały rynek dzięki swojej niskiej cenie, należy pamiętać, że zgodnie z celami klimatycznymi pompy ciepła są jedynie narzędziami służącymi do ograniczania emisji i zużycia energii. W strefach klimatycznych, w których występuje konieczność odszraniana powietrznych pomp ciepła, a temperatury okresowo spadają poniżej –10°C, GPC wykazują się wysoką oszczędnością energii, brakiem emisji hałasu z wentylatora oraz konieczności ulokowania sprężarki na zewnątrz budynku, a także dłuższym cyklem życia.

Jak wskazano w raporcie [1], chłodzenie jest bardzo energochłonnym procesem, mającym potencjał do dalszego ograniczania zużycia energii. W przypadku chłodzenia gruntowe pompy ciepła charakteryzują się oszczędnością na poziomie ponad 95% w porównaniu do powietrznych pomp ciepła, gdyż mogą wykorzystywać chłodzenie pasywne. Natomiast w przypadku chłodzenia aktywnego niższa temperatura skraplania zapewnia oszczędność energii na poziomie ok. 50%.

Literatura

1. Oak Ridge National Laboratory, Grid Cost and Total Emissions Reductions Through Mass Deployment of Geothermal Heat Pumps for Building Heating and Cooling Electrification in the United States, ORNL/TM-2023/2966, November 2023, https://info.ornl.gov/sites/publications/Files/Pub196793.pdf (dostęp: 22.02.2024)

2. Assadi Mohsen, Bugajny Adrian, Buliński Piotr, Ciepielowska Martyna, Drosik Jakub, Dziadzio Piotr, Gonet Andrzej, Jarosz Kinga, Jaszczur Marek, Kalantar Adib, Koczorowski Jakub, Kotyła Stanisław, Kowalski Tomasz, Kucper Marek, Mazur Chrystian, Rerutko Karolina, Seńczuk Krzysztof, Skrzypiec Konrad, Sapińska-Śliwa Aneta, Szczytowski Michał, Śliwa Tomasz, Wolan Marian, Wójcik Michał, Górnictwo otworowe w (r)ewolucji energetycznej, Laboratory of Geoenergetics Book Series No. 5, Śliwa Tomasz (red.), Wydawnictwo Laboratorium Geoenergetyki AGH, Kraków 2023

3. Sapińska-Śliwa Aneta, Wiglusz Tomasz, Kruszewski Michał, Śliwa Tomasz, Kowalski Tomasz, Wiercenia Geotermalne. Doświadczenia techniczne i technologiczne, Laboratory of Geoenergetics Book Series No. 3, Sapińska-Śliwa Aneta (red.), Wydawnictwo Laboratorium Geoenergetyki AGH, Kraków 2017

4. Najgłębszy odwiert geotermalny ma już 2,6 km głębokości. To dopiero jedna trzecia drogi, https://www.money.pl/gospodarka/najglebszy-odwiert-geotermalny-ma-juz-2-6-km-glebokosci-to-dopiero-jedna-trzecia-drogi-6913055988398816a.html (dostęp: 22.02.2024)

5. Konin: Ciepło z konińskiej geotermii coraz bliżej, https://samorzad.pap.pl/klub-samorzadowy/konin/kategoria/aktualnosci/konin-cieplo-z-koninskiej-geotermii-coraz-blizej (dostęp: 22.02.2024)

6. Otwór Sękowa GT-1 jako głęboki wymiennik ciepła – projekt pilotażowy, https://energia-geotermalna.org.pl/otwor-sekowa-gt-1-jako-gleboki-wymiennik-ciepla (dostęp: 22.02.2024)

7. Hybrydowe źródło energii w Sękowej, https://www.gov.pl/web/klimat/hybrydowe-zrodlo-energii-w-sekowej (dostęp: 22.02.2024)

8. W poszukiwaniu alternatyw energetycznych – nowe projekty KN Geowiert, https://www.agh.edu.pl/aktualnosci/info/w-poszukiwaniu-alternatyw-energetycznych-nowe-projekty-kn-geowiert (dostęp: 22.02.2024)

9. Buonocore Jonathan, Salimifard Parichehr, Magavi Zeyneb, Allen Joseph, The Falcon Curve: Implications of Seasonal Building Energy Use and Seasonal Energy Storage for Healthy Decarbonization, 2021, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1054606/v1 (dostęp: 22.02.2024)

10. Śliwa Tomasz, Sapińska-Śliwa Aneta, Jezuit Zbigniew, Koniszewski Adam, Szczytowski Michał, Bandura Kamil, Rejman Radosław, Wstępna koncepcja udostępnienia ciepła Ziemi na potrzeby miasta Czechowice-Dziedzice, wykonana na zlecenie Przedsiębiorstwa Inżynierii Miejskiej Sp. z o.o. w Czechowicach-Dziedzicach pod kierunkiem Tomasza Śliwy, Laboratorium Geoenergetyki AGH, Kraków 2022(praca niepublikowana)

11. Works to cut bills and boost energy efficiency of tower blocks, https://www.thurrock.gov.uk/news/council-tenants-and-leaseholders/works-to-cut-bills-and-boost-energy-efficiency-of-tower-blocks (dostęp: 22.02.2024)

12. Geotermia – stabilny grunt w ciepłownictwie. Rola geotermii w transformacji sektora ciepła, https://www.forum-energii.eu/geotermia (dostęp: 11.03.2024)

13. Fabiś P., Techniczne zagadnienia przekształcania miejskich sieci ciepłowniczych na zasilanie energią geotermalną oraz magazynowanie ciepła w górotworze, praca mgr. pod kier. T. Śliwy, WWNiG AGH, Kraków 2023