Sonde geotermale

Sonde geotermale, colectoare subterane, piloane de energie –
căldură şi răcoare din adâncuri

Posibilitatile utilizării căldurii geotermale
Există nenumărate posibilităţi de utilizare a căldurii din pământ. Aici ne vom referi la cel mai utilizat sistem sol/apa. În principu deosebim sisteme orizontale şi verticale:

Sisteme orizontale:

• Colector de sol
Colectorul de sol se utilizeaza frecvent în Austria şi Franţa. Ţevi din polietilenă se aşează la o adâncime de circa 1,2 m în formă de bucle.

• Colector sânt
Colectorul de sânt are o structură asemănătoare cu a colectorului de sol, însă într-un sânt se aşaza mai multe ţevi paralele, astfel reducându-se volumul de şăpături.

• Slinky-Coils
Aşa-numitele Slinky-Coils se utilizează în ţările anglo-saxone. Şi aici se şapa doar un sânt, în care se aşează o ţeava spiralata.

Toate sistemele orizontale necesită destul de mult spaţiu. Nu este posibilă construirea ulterioara pe terenul utilizat. Chiar şi utilizarea ca grădina necesită atenţie.
 

Sisteme verticale:

• Sonde geotermale
Sondele geotermale sunt metoda cea mai des utilizată în Elveţia pentru utilizarea căldurii Pământului. Numele de fapt este inexact, deoarece cu o sondă geotermică se poate extrage nu numai căldura, dar şi frig din sol. În Elveţia se folosesc sonde cu adâncimi între 70 si 350 m. Diametrul conductelor variaza între 25 si 40 mm. Despre cum se forează o sondă geotermală vom vorbi mai târziu.

• Pilon de energie
Dacă din cauza solului este necesară aşezarea construcţiei pe piloni, aceştia pot fi transformaţi cu costuri mici în piloni de energie. În cazul pilonilor turnaţi pe şantier, fascicole de ţeava din PE se amplaseaza în armatura înainte de turnarea betonului. În cazul pilonilor bătuţi, ţevile se includ în beton din fabrica. La pilonii turnaţi centrifugal, fascicolul de ţevi poate fi introdus după batere în orificiul pilonului.

Sisteme speciale

• Cos de energie
Cosuri de energie se utilizează acolo unde nu este permisă forarea de sondă geotermică. În acest caz se amplaseaza coşuri cu bucle din ţeava de PE la adâncime de circa 3 m. Primele astfel de instalaţii demonstrează un randament bun.

• Stocare de energie, diferite variante constructive
Mai ales în Germania s-au realizat câteva instalaţii de stocare a energiei. Astfel, în timpul verii se acumulează energia Soarelui în sol, pe timpul iernii aceasta energie se recuperează şi se utilizează pentru încălzirea unui cartier nou. Prima instalaţie de acest fel a fost construită în Neckarsulm-Amorbach. Sondele au fost construite din polibutena (PB-1), deoarece s-au luat în calcul temperaturi de pâna la 95 °C.
Toate sistemele amintite se caracterizează prin construcţia în principiu identică a circuitului de solă.

Sondă geotermală în detalii
În trecut s-au utilizat diferite variante constructive, dintre aceste s-a impus sondă dublu. Aceasta rezistă la solicitările care apar la montaj şi în exploatare, şi la cap sondă poate fi racordată prin elemente standardizate. Pentru coborarea sondei geotermale trebuie folosite greutaţi care să contacareze forţa ascensională a polietilenei în apa sau fluidul de foraj. Pot fi utilizate greutăţi fixate pe talpa sondei sau o tija care apasa pe talpa.
Încalzire
În Elveţia, sondele geotermale servesc cel mai des doar pentru încălzire. Nu este de mirare, deoarece majoritatea acestor instalaţii se foloseşte la case pentru una sau două familii. În Elveţia se utilizează sonde cu lungimi între 70 si 350 m. În funcţie de lungime se utilizează un alt diametru al ţevii, pentru a reduce pierderea de presiune în sistem. Ca regulă orientativă se poate utiliza tabelul.
Pierderea de presiune într-o sondă geotermală trebuie însă privită în ansamblu. Un diametru mai mare înseamnă forarea unei gauri de diametru mai mare, ceea ce înseamnă costuri mai mari şi o durată de amortizare mai lungă. Tocmai la sonde mai lungi (peste 300 m) ar fi de fapt logic să se utilizeze sonde cu diametru de 50 mm. Dar cu tehnica de foraj existenţa, forarea unei gauri ar costa aşa de mult, încât nu ar fi rentabilă. În asemenea cazuri se preferă astăzi reducerea vitezei de circulaţie a apei în sondă, lucrând cu variaţii mai mari de temperatura. Mai multe informaţii despre acest subiect găsiţi în buletinul informativ „Validarea programului de sonde geotermale şi optimizarea lungimii sondei“.
în prezent, 40% din toate sondele geotermale instalate în Elveţia sunt cu diametrul de 40 mm. În alte ţări, aceasta tendinţă nu se manifestă. La case familiale, o sondă mai adânca poate reduce costurile investiţiei: Dacă este nevoie doar de o singură sondă, nu este nevoie de colector-distribuitor. Cele două tururi respectiv retururi se leagă printr-o piesă de bifurcaţie şi se leagă direct la pompă termică. Piesă de bifurcaţie se poate utiliza şi în cazul instalaţiilor cu mai multe sonde, astfel fiind nevoie de colector-distribuitor mai mic şi mai ieftin.
 

Răcire
Instalaţii geotermale folosite numai pentru răcire sunt relativ rare în prezent. Însă potenţialul nu este de neglijat. Pe lângă climatizarea clădirilor, sistemul poate fi utilizat şi pentru răcirea proceselor tehnologice. Instalaţii experimentale pentru utilizarea „răcorii“ Pământului la răcirea proceselor au fost construite deja în anii ’90, şi au fost studiate în decursul anilor. Primele instalaţii industriale de răcire au fost construite în Germania în anul 2002. Geologia joaca un rol important în această utilizare. Straturi de apă în mişcare măresc eficientă, făcând posibil un transfer mai bun de căldură.
în astfel de instalaţii se folosesc în principiu sonde mai scurte, până la 100 m.
 

Încălzire/Răcire
Utilizarea dublă a sondelor geotermale, pentru încălzire şi răcire, deci pentru climatizare, câştigă tot mai mult teren. Tocmai la clădiri care adapostesc birouri, necesarul de încălzire scade datorită marelui număr de calculatoare, copiatoare, imprimante, corpuri de iluminat. În schimb sarcina de răcire este însemnată. Fatadele din sticla mai măresc această sarcina. Prin utilizarea dubla a sondei geotermale se găseşte o soluţie avantajoasa acestei probleme. Încălzirea se realizează printr-o pompă termică. Răcirea se face primordial prin procedeul „freecooling“. Numai dacă acesta nu face faţa, se pune în funcţiune o pompă termică reversibilă. Astfel se reduce la minim consumul de energie primară.
Deja se pregătesc foarte multe obiective care vor fi climatizate utilizând căldura Pământului. Vom prezenta trei din ele. Servicul German de Siguranţa Zborurilor (DFS) în Langen, Centrala Casei de Economii din Donaueschingen şi Centrul de perfecţionare a Băncii naţionale Elveţiene în Gerzensee.
Obiectivul DFS Langen dispune de cea mai mare instalaţie geotermală în Europa Centrală. Cu 154 de sonde cu adâncimea de 70 m fiecare, se obţine o capacitate de încălzire de 340 kW. La o putere de 330 kW, instalaţia de sonde geotermale asigura necesarul de baza pentru încălzire.
Centrala Casei de Economii din Donaueschingen este un obiectiv mult mai mic. Cu 56 de sonde având adâncimea de 100 m, se realizează o capacitate de răcire de 275 kW. Pompă termică acopera şi aici necesarul de bază pentru încălzire, având puterea de 110 kW.
în 2002, la Centrul de Perfecţionare a BNE în Grenzensee, instalaţia de pompă termică aer/apa a fost înlocuită cu sonde geotermale. S-au instalat 33 de sonde de 145 adâncime, racordate la două pompe termice de câte 135 kW. Se încălzeşte o suprafaţa de 4.900 mp. în plus, prin freecooling, se climatizează o sală polivalentă. 

Stocare
În Europa exista deja câteva instalaţii de stocare a energiei termice în pământ. Se stochează energia solară în pământ, şi se foloseşte pentru încălzire în cursul anului. Primul obiectiv s-a executat în Neckarsulm-Amorbach 528 sonde cu adâncimea de 30 m stochează căldură în 630.000 metri cubi de pământ. Alte instalaţii sau construit în Mol (Belgia) cu 144 de sonde şi în Anneberg (Suedia) cu 100 de sonde.
O instalaţie hibrid a fost realizată în Attenkirchen. Partea centrală este un rezervor de apă, înconjurat de 90 de pompe geotermale. Astfel, căldura cedata de rezervor este preluata de sonde. O instalaţie de stocare este în curs de proiectare în Elveţia.
În instalaţiile de stocare pot rezulta temperaturi de peste 90 °C. Cum s-a precizat mai devreme, polietilenă nu se mai poate utiliza la aceasta temperatura, s-ar degrada prea repede. De aceea, sondele în acest caz se confecţionează din polibutena.
Piloane de energie
Piloanele de energie se utilizează ca şi sondele geotermale. Dacă din cauza solului este necesara utilizarea de piloane, nu are nici un sens să se foreze alături pentru sonde. Piloanele însăşi pot fi utilizate direct pentru încălzire şi răcire. În piloane se încorporeaza ţevi din PE. Acesta se realizează la confecţionarea prefabricatului sau la faţa locului pe şantier, depinzând de tipul pilonului:
• Pilonii de bătut se prevad din fabrica cu fascicol de tevi din polietilena. La piloni de diametru mic se va tine seama de raza minima de curbare a ţevii din polietilena.
• Pilonii de bătut turnaţi centrifugal au un orificiu cilindric în mijloc. După baterea pilonului, în acest orificiu poate fi intodus un fascicol de ţevi preconfecţionat. La sfârşit se umple spaţiul cu nisip cuartos.
• în cazul pilonilor turnaţi pe şantier sau foraţi, armătura se prevede cu ţevi din PE înainte de aşezare pe poziţie. Capetele ţevilor la partea de sus a pilonului se protejează printr-un tub de protecţie. Pe lângă piloni, şi palplanşele pot fi utilizate în scop energetic.
La piloni de energie se va acorda atenţie deosebită razelor de încovoiere. O rază prea mică poate duce la ruperea ţevii, deci la scoaterea din funcţiune definitiv a pilonului de energie. La piloni de diametru mic se pot utiliza piese speciale de întoarcere. În acest context se vorbeşte despre fascicol de ţevi pentru piloni de energie.

Distribuitoare/Conducte
O sondă geotermală instalată corect are o durată de funcţionare de 100 de ani. Însă în majoritatea cazurilor, conductele şi distribuitoarele nu se calculează pentru o astfel de durata, deşi ar fi posibil. Adesea se utilizează materiale şi elemente de legătură care nu satisfac în totalitate cerinţele pentru utilizare în circuit de solă.
Şi azi se utilizează frecvent distribuitoare produse pentru sisteme de încălzire, în circuitele de solă. Acestea nu sunt proiectate corespunzător din punct de vedere hidraulic, si nici nu rezista la condensat. Adesea trebuie înlocuite dupa 1015 ani, pentru că nu mai sunt etanşe. Exista piese speciale confecţionate din materiale plastice, elaborate pentru circuite de solă. Acestea au o secţiune destul de mare ca să nu provoace căderi de presiune la debite mari. Sunt confecţionate din polietilena, acelaşi material din care se confecţionează sondele şi conductele de transport.

Distribuitoarele GEROtherm® satisfac cerinţele încercării HR 3.26 ale SKZ (Centrul Sud-German pentru Mase Plastice). Astfel durata de viaţa a acestora se poate calcula la 100 de ani.
Pentru sonde mai mici se utilizează distribuitoare cu diametrul de 53 mm. De la 4 sonde în sus trebuie un diametru de 90 mm. Pentru obiective foarte mari se utilizeaza distribuitoare speciale (in fig. 5 se arata un diametru de 180 mm).