Tepelná čerpadla
 
 

Zemské teplo jako trvalý zdroj energie

V nitru naší Země je zakonzervován obrovský energetický potenciál. Celková tepelná bilance Země nahromaděná od vzniku planety je ochraňována neustále slunečním zářením.

Schéma svrchní části zemské kůry je znázorněna na obrázku.

Výstup tepla využívá preferenčních cest po tektonických liniích, nejintenzivnější je v blízkosti magmatických krbů a jeho výstup je ovlivněn tepelnou vodivostí jednotlivých typů hornin. Zemské teplo je také přenášeno oběhem podzemních vod a může se akumulovat pod méně tepelně vodivými horninami a nebo v podzemní vodě pod vodními izolátory. Teplo je také přenášeno oběhem plynů.

Zemské teplo má v podstatě následující základní energetické zdroje:

  • gravitační energie - teplo zemského tělesa, které je vázáno na vznik planety
  • trvalý rozpad přírodních radioaktivních minerálů, látek a isotopů
  • exogenní reakce při metamorfóze hornin v hloubce zemské kůry
  • projevy magmatické činnosti.

Gravitační energie vzniká stlačováním plynů, prachu a hornin při vzniku planety Země před cca 4,5 miliardami roků. Vlastní tvorba geoidu Země se odhaduje jen na cca 200 milionů roků.

I když je řada nepřesností v různých odhadech, je možné stanovit rozpětí tepla Země při jejím vzniku v rozmezí 15.1030 až 35.1030 Joulů. Toto teplo je jen malý fragment celkové gravitační energie, která je na Zemi k dispozici. Velká část energie je dosud zachována v horninových masách tvořících jednotlivé vrstvy Země. Na povrch Země dopadá sluneční energie, která pomáhá udržet bilanci tepla Země a tím zpomaluje problém chladnutí Země ve vesmírném systému.

Přirozený rozpad radioizotopů s dlouhým poločasem rozpadu v nitru Země, jako uran (U238 a U235), thorium (Th232) a kalium (K40), trvale produkují teplo. Obsah těchto radioizotopů je zvýšený hlavně v zemské kontinentální kůře. Od stvoření Země lze odhadnout radioaktivní produkci tepla 7.1030 Joulů. Potenciál radioaktivních izotopů lze ještě stanovit v řádu na 12.1030 Joulů, neboli 38.1010 terrawattroků (TWa). Tento odhad je ovlivněn z 50% nesouměrným rozložením obsahu radioizotopů v kůře, ale hodnota je tak veliká, že by mohla zajistit energii pro příští generace.

Celkový obsah zemského tepla spojením gravitačního a radioaktivního tepla lze odhadnout až na 12.1030 až 24.1030 Joulů, nebo 38 až 77.1010 terrawattroků (TWa). Toto množství energie si snad ani nejsme schopni představit. Obsah tepla Země představuje několik milionů roků dodávky tepla slunečním zářením.

Nahromaděná tepelná energie ve svrchních 10 km kontinentální kůry je asi 6.1026 Joulů za předpokladu průměrné teploty 150°C a specifického tepla krystalických hornin asi 800Wattsekund/kg/°C a při průměrné hustotě hornin 2700kg/ cm3. Pro ilustraci tato energie je rovna 1 milionu elektráren s výkonem 200 MW po dobu 10000 roků.

Bylo odhadnuto, že 1 km3 teplých hornin ochlazený o 100°C může produkovat 30MW elektrické energie po doku 30–ti roků.

Je však nutné poznamenat, že současné technologie využití tohoto zemského tepla má celou řadu úskalí : cena vrtných prací, špatná tepelná konduktivita hornin a také nutnost vložených investic pro využití této energie.

Tepelná čerpadla využívají alternativní zdroje energie.

Alternativní obnovitelné zdroje energie jsou : geotermální energie, sluneční záření, energie vzdušných vrstev, energie povrchové i podzemní vody a biomasa. Jsou to zdroje energie, které se z pohledu člověka stále obnovují a prakticky nevyčerpávají, na rozdíl od fosilních zdrojů energie – uhlí, nafty, nebo zemního plynu.

Zemské teplo (geotermální energii) je možné využívat jak pro výrobu elektrické energie v případě jeho vysoké tepelné entalpie, nebo pomocí tepelných čerpadel i při nízkoteplotních potenciálech. Celkový potenciál zemského tepla byl odhadnut na 1017 megawatroků, což je prakticky nevyčerpatelný tepelný zdroj. Člověk jej však dosud neumí plně využívat.

Zemské teplo na povrchu země se projevuje výskytem termálních či horkých pramenů vody, horkými gejzíry, výstupem horkých plynů a projevy vulkanické činnosti (výlevy láv). V zemské kůře jsou místa s vyšším tepelným tokem, který stoupá k povrchu Země z jejího nitra, z magmatických center, nebo z hlubších zón zemské kůry, kde již probíhají metamorfní procesy.

Tepelné čerpadlo je stroj na přeměnu tepelné energie

získané z primárního obnovitelného zdroje tepla . Celkový topný výkon tepelného čerpadla je součtem energie získané a energie dodané (příkon). Podíl topného výkonu a příkonu se nazývá topný faktor. Čím větší je tedy teplota nízkopotenciálního primárního zdroje tepla, tím větší je topný faktor. Čím větší je hodnota topného faktoru, tím větší je tepelný zisk a tedy levnější provoz vytápění. V porovnání s přímotopným vytápěním lze náklady na vytápění snížit o 55% a více.

Primární zdroje pro tepelné čerpadlo:

  • zemské teplo získávané z půdy, hornin, mělké i hlubší podzemní vody
  • povrchová voda z rybníků, jezer, potoků a řek
  • vzduch v podzemních prostorách : sklepení, podzemní chodby, doly, tunely, šachty, jeskyně
  • okolní vzduch
  • odpadní teplo z výroby, odpadní vody ap.

Typy tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla se dělí podle typu primárního zdroje tepelné energie na systém:

  1. voda - voda (vzduch)
  2. země - voda (vzduch)
  3. vzduch - voda (vzduch)
 
 

Copyright © ČK Elektro s.r.o www.ckelektro.cz