Для выработки тепловой энергии в приповерхностной геотермии имеются следующие методы использования:
Тепловые насосы, использующие тепло грунтовых вод:
В подходящих местах грунтовые воды можно отбирать через скважину и подводить прямо к тепловому насосу. Однако воду следует снова закачивать в грунт, так что кроме подводящей скважины необходимо устанавливать и так называемую поглощающую скважину.
На глубине около 80-160 см в грунт горизонтально прокладывают пластиковые трубки теплообменника. При помощи циркулирующей жидкости-теплоносителя тепло отбирается из грунта и доводится до необходимого уровня температуры с помощью теплового насоса.
Зонды представляют собой вертикальные, чаще всего, глубиной от 30 до 100 м, а иногда и более глубокие скважины, в которые устанавливаются пластиковые трубки. Они являются наиболее распространенным типом оборудования в Центральной и Северной Европе. Зонды, наполненные жидкостью-теплоносителем, нагревают или охлаждают подключенные к тепловому насосу отдельные жилые дома, офисы и промышленные здания или даже целые жилые комплексы.
Здесь имеются в виду статические необходимые элементы и/ или фундаментные сваи, а также стены в грунте. В новостройках их можно оборудовать трубками теплообменника и вместе с тепловым насосом экономно использовать для отопления и охлаждения здания.
Принцип глубинных геотермальных зондов глубиной более 500 м впервые был испытан в Швейцарии в начале 90-х годов. В то время хотели продолжить использование старых скважин, например, скважин для поиска нефти и природного газа. Начиная с 1994 года также и в г. Пренцлау (Бранденбург) эксплуатируется глубинный геотермальный зонд глубиной почти 3000 м с использованием скважины, существовавшей раньше. Полученная энергия аккумулируется в сети централизованного теплоснабжения городских электростанций. Тепловой насос в виде промежуточного нагревательного элемента включен для повышения уровня геотермальных температур до температуры тепла, подаваемого по сетям централизованного теплоснабжения.
Современные квартиры строятся таким образом, что для них требуется лишь незначительное количество тепловой энергии; отопительные системы выполняются в виде низкотемпературных установок. Поэтому в настоящее время в Северном Рейне-Вестфалии впервые можно пойти немного другим путем: вода, нагретая в глубинном геотермальном зонде, через теплообменник отдает свою энергию в здания, затем в охлажденном виде возвращается обратно в недра для того, чтобы снова там нагреться и повторить свой цикл.
В Германии геотермальные ТЭЦ появлялись сначала там, где в грунте имеются термальные воды. Крупные известные месторождения находятся, например, в Северогерманской низменности, в Южнонемецком молассовом бассейне между Дунаем и Альпами, под Швабским Альбом, в долине Верхнего Рейна либо, к примеру, в районе г. Ахен. Температура воды в них составляет примерно от 40 до 100 °C. В долине Верхнего Рейна и в Баварии имеются также месторождения термальных вод с температурами свыше 100 °C.
Теплая или горячая вода подается на поверхность через глубокую скважину, затем охлаждается и через другую скважину снова отводиться обратно в грунт, притом в тот же пласт, из которого она была отобрана. Таким образом, в грунте сохраняется гидравлический баланс, и не выкачиваются запасы термальных вод. Полученное от воды тепло передается в сеть централизованного теплоснабжения. Такую систему теплоснабжения при помощи двух скважин называют геотермальным дублетом. В Германии их глубина составляет от 800 до 2500 м. Геотермальные ТЭЦ могут иметь инсталлированную мощность свыше 20 мегаватт и обеспечивать теплом многие тысячи квартир.
Геотермические электростанции имеются на всех континентах, в большинстве случаев там, где находятся месторождения пара и горячих вод. С помощью традиционной технологии на электростанциях круглосуточно производится электроэнергия. Освоены пока еще не все соответствующие ресурсы. Новые технологии расширяют возможности.
Область более низких температур, начиная со 100 °C, до сих пор невозможно было использовать для экономичного производства электроэнергии. Община города Альтгейма в Верхней Австрии уже в течение нескольких лет обеспечивается геотермальным теплом; начиная с 2000 года, она стала первым производителем электроэнергии, находящимся севернее Альп. С развитием тепловых турбин, работающих по органическому циклу Рэнкина, в данное время стало возможным использовать горячие термальные воды с температурой 106 °C для производства электроэнергии.
Следующим шагом вперед стали электростанции, работающие по технологии «Hot-Dry-Rock» («горячие сухие горные породы») (HDR-электростанции). Хотя в Центральной Европе и нет месторождений пара или горячей воды, у нас также есть места с достаточно высокой температурой грунта. Для того чтобы натолкнуться на температуры, пригодные для производства электроэнергии, необходимы достаточно глубокие скважины.
Основной принцип действия звучит относительно просто: горячие горные породы, находящиеся на глубине, осваиваются с помощью скважин. С помощью давления воды, то есть гидравлически, между скважинами образуются или расширяются существующие протоки. Так формируются своеобразные подземные теплообменники, в которых может нагреваться вода, закачиваемая с поверхности земли, с тем, чтобы снова доставляться наверх и приводить в действие турбину. Циркуляция в HDR-системах происходит по замкнутому контуру, находящемуся под давлением, которое препятствует закипанию воды. Таким образом, пар образуется только на турбине.
Команда Европейского проекта по исследованию технологии «Hot-Dry-Rock» в Суль-су-Форе во французской части Верхнерейнской низменности (Эльзас) в 1994-1997 годах смогла представить доказательства принципиальной пригодности данного метода. Суль-су-Форе выбрали в качестве центра этого проекта, поскольку данная община находится в центре крупнейшей тепловой аномалии Центральной Европы. Это позволило проводить работы на относительно небольших глубинах примерно от 3500 до 5000 м.
Результаты исследований, в которых приняли участие также ученые из Северного Рейна-Вестфалии, вывели европейских исследователей в мировые лидеры в области развития HDR-технологии.
На основе этого воодушевляющего проекта Федеральное правительство Швейцарии приняло решение о сооружении первой собственной HDR-электростанции в районе г. Базель.
Тепло можно не только извлекать из Земли, но и аккумулировать в Земле.
Летом излишек тепла из зданий можно передавать в грунт через геотермальные зонды или энергетические сваи. Зимой тепло можно обратно забирать из грунта.
Соответствующий показательный объект был сооружен в Северном Рейне-Вестфалии еще в 1992 году. В центре технологий г. Дюссельдорф производится отопление и охлаждение комплекса зданий площадью 6650 м? с использованием геотермальной энергии. В установке геотермальных зондов 77 зондов глубиной по 35 м распределяются в четырех шахтах и производят отбор энергии мощностью 117,5 кВт.
Если в грунте имеется водоносный слой без течения или с незначительным течением воды, то его можно использовать для непосредственного аккумулирования тепла. Такой водоносный резервуар есть, например, у здания Берлинского Рейхстага. Летом через скважины в грунт там отводятся отходы тепла из теплоэлектроцентрали. Позже во время отопительного сезона их можно снова использовать.
Обеспечение защиты от снега и льда для площадей, занятых дорогами, улицами и другими транспортными сооружениями
В 1994 году в Европе была создана первая установка по методу улавливания солнечной энергии с поверхностей дорог – навесной виадук над государственной дорогой недалеко от г. Дерлиген ам Тунерзее (Швейцария). Этот участок дороги выделялся очень высокой аварийностью из-за частого и неожиданного образования гололеда. Под поверхностью дороги, которая нагревается под действием Солнца, находятся змеевики, отдающие собранное тепло в накопитель геотермального тепла. Затем зимой в критических метеорологических условиях тепло снова передается из накопителя и предотвращает образование гололеда.
Аккумулирование тепла позволяет: повысить теплоустойчивость зданий, повысить КПД автономных источников электроэнергии, обеспечить простую схему возврата тепловой энергии стоков, снизить стоимость электрообогрева как производственных площадей, так и отдельных квартир, в которых устанавливаются ТЕПЛОНАКОПИТЕЛИ.
Тепловой аккумулятор в сравнении с другими аккумуляторами обладает следующими преимуществами: простота устройства, относительно низкая себестоимость, эффективные массогабаритные характеристики, долговечность.
Теплоаккумуляторы применяются для:
1. повышения тепловой устойчивости зданий;
2. повышения КПД автономных источников электроэнергии;