Ciepło pod skrzydła! – geotermalne systemy odladzania płyt lotniskowych

Nowoczesne systemy geotermalne dostarczają nam coraz więcej możliwości ich kreatywnego wykorzystania w miejscach, które jeszcze do niedawna wydawały nie posiadać odpowiednich parametrów pod geotermię. Obecnie przesuwana jest granica tego z jakich punktów możemy czerpać ciepło z wnętrza Ziemi, a także powstaje wiele nowatorskich instalacji pokazujących nowe sposoby na zagospodarowanie tego ciepła. Jednym z nich jest wykorzystywanie ciepła geotermalnego do ogrzewania płyt lotnisk.

• Toksyczne płyny odladzające na bazie glikolu mogą zatruwać grunt oraz wody gruntowe pod lotniskami.
• Ogrzewanie geotermalne pozwala na znaczną redukcję kosztów odladzania i ulgę dla środowiska.
• Pilotażowe instalacje już funkcjonują i dowodzą swojej skuteczności. 

Płyny odladzające – przykra konieczność?

Na świecie istnieją tysiące lotnisk, które od czasu do czasu zmagają się z problemem oblodzenia pasów startowych i dróg kołowania, po których poruszają się samoloty oraz pojazdy lotniskowe. Sprawą oczywistą jest, że śnieg, szron lub lód pokrywający płytę lotniska lub pasy startowe stanowi poważne zagrożenie dla poruszających się po niej maszyn. Szczególną uwagę należy oczywiście poświęcić właśnie pasom startowym, w przypadku których pokrycie lodem może znacznie wydłużać drogę hamowania samolotu, co znacznie podnosi ryzyko katastrofy podczas lądowania. Z tego powodu lotniska na całym świecie stosują sprawdzone już metody odladzania powierzchni, po których poruszają się samoloty i pojazdy lotniskowe. 

Metody te generalnie obejmują stosowanie specjalistycznych płynów odladzających, które zazwyczaj są produkowane na bazie glikolu etylenowego bądź propylenowego. Płyny te usuwają śnieg, szron i lód z spryskanych powierzchni i na jakiś czas ograniczają ich ponowne zamarzanie. Mimo tego duża powierzchnia lotnisk i wymogi bezpieczeństwa prowadzą do tego, że ilość wykorzystywanych płynów odladzających jest ogromna. Co więcej, często spora część wykorzystanych płynów wnika później w głąb ziemi, zanieczyszczając grunt oraz wody gruntowe. W przypadku glikolu etylenowego jest to problem szczególnie istotny, ponieważ jest to związek toksyczny, który nie ulega łatwej biodegradacji, a więc może stanowić poważne zagrożenie. Glikol etylenowy jest pod tym kątem mniej szkodliwy, ale wciąż nadmierne wprowadzanie go do gruntu nie jest korzystne dla środowiska. 

Niestety nie istnieją obecnie neutralne środowiskowo środki odladzające, które można by stosować zamiast tych na bazie glikolu. Wykorzystanie pługów jest z kolei niewystarczające, aby sprostać wymogom bezpieczeństwa. Pozostaje natomiast jeszcze jedna opcja, jaką jest ogrzewanie pasów i płyt lotniskowych. 

Darmowe źródło ciepła to klucz do opłacalności inwestycji

Ogrzewanie powierzchni lotniskowych, choć może brzmieć nieskomplikowanie, tak w rzeczywistości nie jest wcale takie proste. Po pierwsze trzeba uwzględnić ogromną powierzchnię, której ogrzanie będzie wymagało dostarczenia do niej sporych ilości energii, a to oznacza wysokie koszty operacyjne. Lotnisko mogłoby nie udźwignąć kosztów tego typu ogrzewania, gdyby było w pełni elektryczne. Podobnie byłoby z korzystaniem z sieci ciepłowniczej, gdzie już opłata za samą moc zamówioną stanowiłaby duże obciążenie dla budżetu lotniska, nie wspominając o kosztach pobieranej energii. Aby system ogrzewania mógł być opłacalny, koniecznym jest znalezienie darmowego źródła ciepła, którego eksploatacja byłaby możliwie tania. Takim źródłem, jest ciepło z wnętrza Ziemi. 

Geotermalne ogrzewanie lotnisk nie jest koncepcją nową, ale bardzo rzadko stosowaną. Polega ona na wykorzystaniu gruntowej pompy ciepła o dużej mocy, która odbiera ciepło z gruntu pod lotniskiem i przekazuje je systemowi ogrzewania płaszczyznowego wbudowanego w pasy startowe, płytę lotniska, a do tego także budynki lotniskowe, takie jak terminal. W tym miejscu pojawia się drugi problem z ogrzewaniem niektórych powierzchni na lotniskach, a mianowicie nacisk. Ogrzewanie płaszczyznowe to przeważnie delikatne systemy, które mogą ulegać zniszczeniu, jeśli zostaną poddane dużemu naciskowi. Odpowiednie projekty orurowania takiego systemu i zastosowanie wytrzymałych materiałów pozwalają jednak na przeskoczenie bariery destrukcyjnej siły nacisku samolotów i innych maszyn lotniskowych na jego powierzchnię. 

Pozostają więc koszty, które dzięki wykorzystaniu darmowego źródła ciepła są mocno zredukowane. Oczywiście pompa ciepła o dużej mocy wymaga sporych ilości prądu, ale jej wysoka sprawność pozwala na osiągnięcie bardzo korzystnych kosztów eksploatacji. Technologia łączy także w jedno ogrzewanie budynków oraz odladzanie, dzięki czemu w dłuższej perspektywie przynosi lotnisko duże oszczędności. W grę wchodzi do tego oczywiście koszt inwestycji w taki system, który jest naprawdę wysoki, ale ten z czasem zaczyna się zwracać. 

Nowy Jork już testuje ogrzewanie geotermalne

Przykładem inwestycji, która funkcjonuje już od dłuższego czasu, jest badawczy system geotermalnego ogrzewania lotniska Greater Binghamton Airport w Nowym Jorku. W tym przypadku system nie objął całego lotniska, a posłużył jako obiekt testowy, wobec czego został zamontowany na powierzchni około 320m2, na które składała się część płyty lotniska oraz chodnik lotniskowy. Instalacja składa się z 20 pionowych odwiertów o głębokościach 150 m każdy oraz 4 poziomych odwiertów łączących te pionowe. Dzięki nim pompa ciepła jest w stanie podnosić temperaturę powierzchni płyty lotniska o nawet 17 stopni względem temperatury powierzchni nieogrzewanych, co jest wystarczające aby usuwać śnieg i lód w przypadku praktycznie całego sezonu zimowego. Dodatkowo, system jest połączony z instalacją grzewczą lotniska, co w tym przypadku wykorzystywane jest latem do chłodzenia budynku terminala. Takie rozwiązanie nie tylko redukuje koszty chłodzenia, ale także wspomaga regenerację termiczną gruntu. Co ciekawe, system ogrzewania jest automatyczny i uruchamia się, kiedy 20 sensorów montowanych w płycie lotniska wykryje odpowiednio niskie temperatury i wilgotność. 

Różnica temperatur na styku ogrzewanej i nieogrzewanej części płyty lotniska

Źródło: Geothermal System for Airport Pavement Snowmelt and Terminal Cooling 

Raport

Raport z inwestycji lotniska Greater Binghamton Airport wskazuje, że inwestycja warta ponad 1,1 mln dolarów po 20 latach użytkowania przyniesie oszczędności, które zapewnią zwrot w wysokości około 200 tys. dolarów. Konstruktorzy instalacji stwierdzają, że po tym czasie będzie trzeba dokonać wymiany niektórych elementów instalacji, aby mogła ona dalej pracować. Najważniejszym elementem, który będzie wtedy wymagał wymiany jest sama pompa ciepła. 

Odlodzony przez ogrzewanie geotermalne fragment płyty lotniska

Źródło: Geothermal System for Airport Pavement Snowmelt and Terminal Cooling Raport

Skąd mała popularność? – szanse na rozpowszechnienie technologii

Przykład Greater Binghamton Airport to tylko instalacja pilotażowa, badawcza, która pokazuje jednak potencjał tego typu instalacji. Udowadnia ona, że geotermalne ogrzewanie lotnisk z czasem zaczyna przynosić korzyści finansowe. Co więcej, jest ono przede wszystkim nieszkodliwe dla środowiska. Potencjał zaczyna być powoli dostrzegany przez lotniska z różnych stron świata, takich jak na przykład port lotniczy w Zurychu, gdzie dodatkowo ma powstać duży magazyn ciepła. Geotermalne ogrzewanie i chłodzenie lotnisk może także dostarczać wielu ułatwień, ponieważ autonomiczne działanie systemu ogranicza ilość pracy ludzkiej, jaką należy wykonać przy odladzaniu lotnisk. 

Niestety tego typu systemy wciąż są ograniczone przez lokalne warunki geotermalne, które w miejscach takich jak Islandia mogą sprawiać, że czas zwrotu inwestycji wyniesie zaledwie 5 lat, ale z drugiej strony w wielu innych miejscach mogą one wydłużyć ten okres do 40 lat. Nadzieją są jednak stale rozwijane technologie pomp ciepła, które osiągają coraz wyższe moce i sprawności, a także właśnie technologie geotermalne, dzięki którym coraz wydajniej możemy czerpać ciepło w miejscach, w których jeszcze do niedawna wydawało się to nieopłacalne lub nawet niemożliwe. 

Źródła: Geothermal System for Airport Pavement Snowmelt and Terminal Cooling Raport, Long-term thermal analysis of an airfield-runway snow-melting system utilizing heat-pipe technology, Saint Cloud State University Geothermal Heating of Airport Runways