Geostruktury energetyczne to konstrukcje pełniące podwójna rolę: wymieniają ciepło z gruntem oraz podtrzymują jego stabilność podczas procesu wymiany ciepła.

Istnieje wiele sposobów wykorzystania ciepła pochodzącego z gruntu. Możliwe jest ogrzewanie i chłodzenie stacji metra, także pobliskich budynków.
Jest to stosunkowo młoda technologia i niestety nie ma na jej temat wielu informacji. Pierwsze zastosowania głębokich fundamentów wyposażonych w wymienniki ciepła datuje się na lata ‘80 XX wieku.

Jakie materiały tworzą geostruktury energetyczne?

Geostruktury energetyczne są zwykle wykonane ze zbrojonego betonu. W tej technologii rury mocowane są wraz z klatką wzmacniającą lub są umieszone w materiale wzmacniającym. Umieszczenie rur wraz z klatką wzmacniającą jest powszechne w przypadku ścian energetycznych lub tuneli.

Tunele energetyczne Stuttgart-Fasanenhof i Jenbach

Są to pierwsze tunele energetyczne powstałe na świecie. Stuttgart Fasanenhof jest podmiejskim, dwutorowym tunelem o długości 380 metrów wykorzystywanym na cele transportu podziemnego. Posiada on długą na 20 metrów sekcję termoaktywną, która została zainstalowana wewnątrz tunelu w roku 2011. Strop tunelu znajduje się niemal 10 metrów pod powierzchnią ziemi! Zawiera dwie sekcje termoaktywne, które są bezpośrednio połączone ze stacją gdzie znajdują się: pompa ciepła, grzałka elektryczna, wymiennik ciepła na cele chłodzenia, pompa cyrkulacyjna. Tunel ten służył wyłącznie jako instalacja testowa od 2011 do 2015 roku.

Schemat tunelu energetycznego, źródło: ehpa.org

Tunel Jenbach został zainstalowany w 2008 roku i stanowi składową tunelu bazowego Brenner. Jest dwutorowym tunelem o długości 3740 metrów, w którego skład wchodzi 54-metrowa sekcja termoaktywna.

Głębokość tunelu to 27 metrów. Tunel energetyczny wspiera gminę Jenbach w pokryciu zapotrzebowania na ciepło. Właściciel tunelu jest odpowiedzialny za utrzymanie instalacji rurowej wewnątrz budynku, a władze miasta odpowiadają za instalację pompy ciepła.

Tunel energetyczny w Turynie

Pierwszy włoski konwerter energii ENERTUN, opatentowany przez Politecnico di Torino, został zainstalowany na linii Lingotto linii 1 w budowanym metrze w Turynie. W ramach projektu badawczego została przetestowana prototypowa wymiana termiczna w galerii energii.

W instalacji wykorzystano dwa pierścienie energetyczne do testowania cykli ogrzewania i chłodzenia. Z pierścieni geotermalnych rury docierają do stacji Bengasi, gdzie znajdują się pompa ciepła, rejestrator systemu monitorowania i klimakonwektor do ogrzewania rozproszonego. Jest to układ podobny do instalacji w Stuttgarcie i Jenbach.

Poprzez budowę tuneli energetycznych, możliwe jest ulepszenie i optymalizacja wymiany ciepła poprzez:

● Redukcję strat ciepła o 20-30%
● Poprawę sprawności cieplnej w przypadku występowania obecności wód gruntowych

Dzięki zastosowaniu odwracalnej pompy ciepła możliwe jest zastosowanie trybu ogrzewania lub chłodzenia tunelu w zależności od panujących warunków atmosferycznych. Możliwe konfiguracje do zastosowania to:

● Tryb ogrzewania z pomocą gruntu
● Tryb chłodzenia z pomocą gruntu
● Tryb chłodzenia tunelu z wykorzystaniem powietrza

Korzyści wynikające z zastosowania tuneli energetycznych w Turynie

Zastosowanie tuneli energetycznych na długości jednego kilometra pozwala na produkcję 1 MW mocy grzewczej, co z kolei przekłada się na ogrzanie w okresie zimowym 23 budynków. Szacowany okres zwrotu takiego tunelu to około 7 lat.

Uproszczony schemat tunelu energetycznego, źródło: ehpa.org

 

Ogrzewanie ciepłem pochodzącym z tuneli energetycznych jest najbardziej wydajne w przypadku zastosowania ogrzewania niskotemperaturowego.

Podsumowanie

● Tunele energetyczne posiadają znaczący potencjał geotermalny
● Kampania badawcza Enertun pozwoliła na ilościowe określenie wydajności systemu (1,1 MW/km)
● Zaprojektowanie i wykonanie takiego tunelu może stanowić wyzwanie, jednak pozwalają one na otwarcie nowych możliwości dla ogrzewania i chłodzenia lokalnych miast

Opracowano na podstawie: Department of Structural, Geotechnical and Building Engineering POLITECNICO DI TORINO www.ehpa.org

 

Redakcja GLOBEnergia