Potenciál sdílených geotermálních vrtů pro vytápění a chlazení budov
Na rozdíl od individuálního vytápění jde v tomto případě o geotermální vrty napojené na rozvodné potrubí, ke kterému je připojeno více různých odběratelů současně. Toto řešení, dnes využívané hlavně v USA a Velké Británii, umožňuje snížení provozních nákladů i emisí škodlivin a skleníkových plynů.
V porovnání se soustavou centrálního zásobování teplem (CZT) se jedná o nízkoteplotní systém – teplota vody, dodávané koncovým odběratelům se pohybuje obvykle v rozmezí 8 až 12 °C. Jedinou energii, kterou vlastní geotermální systém pro svůj provoz vyžaduje, představuje napájení oběhových čerpadel.
Z pohledu koncových odběratelů je však nutné počítat s instalací a provozem tepelného čerpadla (TČ) – zatímco soustavy CZT zajišťují výrobu a distribuci tepla bez nutnosti dalšího ohřevu, v případě sdílených geotermálních vrtů probíhá potřebné zvýšení teploty pro účely vytápění nebo ohřevu vody až s pomocí TČ, umístěných na straně odběratelů.
Zjednodušené schéma jednoho z možných uspořádání sdílených geotermálních vrtů. Ty bývají v praxi často umísťovány přímo pod silniční komunikace. Zdroj: BGE
Výhodou takového uspořádání je vyšší topný faktor v porovnání s TČ vzduch-voda, a tím i vyšší efektivita, respektive nižší spotřeba elektřiny nutné pro provoz TČ. Uvádí se, že geotermální systém je cca o 30 až 40 procent účinnější než TČ vzduch-voda, především díky tomu, že teplota v podloží je na rozdíl od teploty vzduchu, která během topné sezóny klesá pod 0 °C, relativně konstantní v průběhu celého roku.
V porovnání s lokálními spalovacími zdroji nabízí geotermální systém v kombinaci s TČ nejen přibližně 5krát vyšší účinnost, ale také nulové místní emise škodlivin. Vlastní TČ potom mohou pro svůj provoz využívat elektřiny ze střešních fotovoltaických elektráren vytápěných budov.
Dalším nezanedbatelnou výhodou, která bude v budoucnu nabývat na významu, je možnost využití těchto systémů nejen pro vytápění v průběhu topné sezóny, ale pro i účinné chlazení během letních měsíců.
Zjednodušené schéma výroby chladu s pomocí TČ v průběhu letních měsíců (vlevo), kdy dochází k „nabíjení“ podloží odpadním teplem, a výroby tepla v průběhu zimy (vpravo), kdy takto naakumulované teplo pomáhá s vytápěním. Zdroj: MDPI
Protože samotné vrty představují jednu z nejnákladnějších položek při realizaci geotermálních systémů, je možné díky jejich sdílení dosáhnout nižší ceny pro koncové odběratele v porovnání s individuálním řešením. To je umožněno jednak sdílením fixních nákladů a současně faktem, že při zapojení většího množství odběratelů se statisticky snižuje pravděpodobnost, že všechna zapojená TČ budou ve stejný okamžik provozována na maximální výkon. To následně umožňuje dimenzovat celý geotermální systém na nižší tepelný výkon, než jaký by byl dán prostým součtem maximálního odběru všech připojených TČ.
Odhadovaná životnost vlastního systému geotermálních vrtů je kolem 100 let. To z něj dělá ideální předmět dlouhodobých investic, vhodný například pro financování pomocí dluhopisů nebo ze strany penzijních fondů.
Vlastní sdílené vrty bývají často situovány pod silniční komunikace nebo parkoviště, což jsou obvykle pozemky ve vlastnictví obce. To výrazně usnadňuje řešení souvisejících majetkoprávních vztahů.
Sdílené geotermální vrty mají největší potenciál pro vytápění nebo chlazení řadové zástavby, bytových domů, případně další zástavby se střední hustotou, kde nejsou k dispozici systémy CZT.
Schématické porovnání individuálního vytápění, sdílených geotermálních vrtů a soustav CZT. Zdroj: ScienceDirect
Tento způsob vytápění je možné použít také v oblastech, kde dosud nebyl zaveden zemní plyn. To se týká i nově plánované výstavby, kde je navíc možné dosáhnout vyšší celkové účinnosti díky využití nízkoteplotních otopných soustav.
Infrastrukturní i komunitní projekty
Vlastní realizace sdílených geotermálních vrtů může probíhat na základě různých modelů. Může se jednat například o záměr založený na koordinaci skupiny domů v sousedství, které následně spolupracují s dalšími subjekty na realizaci potřebné infrastruktury. Podobné komunitou iniciované projekty se většinou omezují na dané ulice nebo čtvrti s poměrně malým potenciálem pro budoucí rozšíření.
Opakem tohoto modelu je přístup shora, kdy je nejprve realizována nezbytná infrastruktura zahrnující dostatečné rezervy pro další rozvoj. Jednotliví odběratelé se k ní následně připojují podle vlastního uvážení. Projekty tohoto typu rovněž vycházejí z počátečního zájmu místních odběratelů, ale v mnohem menší míře než v předchozím případě.
V praxi se lze setkat s kombinací obou výše zmíněných přístupů. Bližší detaily jsou popsány např. v tomto přehledu.
Příklady ze zahraničí
Projekty sdílených geotermálních vrtů jsou populární zejména ve Velké Británii. Jako příklad lze uvést realizaci v obci Stithians v anglickém Cornwallu. Projekt zahrnoval vyhloubení a propojení celkem 102 vrtů o průměrné hloubce kolem 110 metrů, náhradu stávajících zdrojů u řadových rodinných domů a sociálního bydlení i zajištění vytápění pro několik desítek novostaveb. Ke geotermálnímu systému je tak připojena necelá stovka odběratelů.
Poplatek za připojení ke sdíleným vrtům se v závislosti na typu odběratele pohybuje už od 8 liber za měsíc, tedy v přepočtu od cca 250 korun (to pro srovnání odpovídá spodní hranici měsíční stálé platby při vytápění zemním plynem v ČR). Emise skleníkových plynů s ohledem na náhradu stávajících zdrojů vytápění poklesly o více než 70 procent. Další detaily ohledně tohoto projektu jsou uvedeny v této publikaci.
Zatímco v předchozím případě byly vrty umístěny přímo pod silniční komunikaci procházející kolem vytápěných objektů, u projektu, který byl realizován ve Spojených státech ve městě Framingham, jde o geotermální systém tvořený trojicí vrtných polí umístěných pod automobilovými parkovišti. Celkem 88 vrtů do hloubky přibližně 180 m zásobuje nízkopotenciálním teplem 37 odběrných míst zahrnujících kromě obytných budov také komerční prostory, školu a místní hasičskou stanici. Domácnosti platí za připojení pravidelný měsíční poplatek 10 dolarů (v přepočtu cca 220 korun). Předpokládané snížení účtů za vytápění se pohybuje na úrovni 15 až 20 procent v porovnání s plynovým kotlem. Uhlíková stopa má klesnout přibližně o 60 procent. Studie proveditelnosti, která projektu předcházela, je k dispozici zde.
Systém sdílených geotermálních vrtů řeší například i anglická obec Calder Vale o 2 tisících obyvatelích nacházející se odlehlé části hrabství Lancashire. Do této obce nebyl nikdy zaveden zemní plyn, proto je zde k vytápění budov využívána kombinace elektrických přímotopů a dovážených fosilních paliv. Obec ve snaze zajistit obyvatelům cenově přijatelné a současně nízkouhlíkové vytápění hodlá tuto situaci řešit právě rozvojem sdílených geotermálních vrtů. Za tímto účelem byly vydány dluhopisy, které mají pomoct celý projekt financovat.
V případě novostaveb mohou zase sdílené vrty fungovat namísto dalšího rozšiřování plynofikace. To se týká například developerského projektu California Meadows v hrabství Cambridgeshire. K vytápění 56 rezidenčních nemovitostí zde slouží systém propojující 36 geotermálních vrtů do průměrné hloubky 100 m.
Pohled na developerský projekt California Meadows vytápěný sdílenými geotermálními vrty. Zdroj: Kensa
Sdílené geotermální vrty mohou současně přispět ke snížení nákladů na vytápění u stávajících budov. V anglické Enfieldu byla tímto způsobem řešena náhrada nevyhovujícího elektrického podlahového vytápění u skupiny 8 vysokopodlažních budov zahrnujících více než 400 bytů. Jako nový zdroj tepla slouží dvě pole s celkem 100 geotermálními vrty o hloubce kolem 200 m v kombinaci s tepelnými čerpadly v jednotlivých bytech. V důsledku toho poklesla průměrná měsíční platba domácností za vytápění přibližně o 60 procent.
Vytápění sdílenými vrty nabývá na popularitě i při vytápění a chlazení univerzitních areálů v USA. Tento systém už roky využívá řada škol. Patří mezi ně například Colorado Mesa University, Weber State University nebo soukromé školy Skidmore College, Carleton College, Bard College a další.
Pohled na strojovnu s oběhovými čerpadly geotermálního systému Colorado Mesa University. Zdroj: Colorado Mesa University
USA obecně vidí v této technologii velký potenciál, proto už osm států přijalo zákony, které umožňují veřejným plynárenským společnostem nejen prodej plynu, ale i prodej geotermálního tepla. V dalších čtyřech státech se na schválení obdobné legislativy zatím čeká. O zmíněnou možnost prodeje geotermálního tepla už projevilo zájem na 30 energetických společností.
Domácí potenciál
Potenciál využití sdílených vrtů v České republice ovlivňuje řada technicko-ekonomických faktorů. Kromě samotného geotermálního potenciálu, který ovlivňuje parametry a ekonomiku vrtů, je to mimo jiné i vysoký podíl CZT na výrobě tepla (s podílem kolem 40 procent jsme vysoko nad průměrem EU) a stejně vysoká míra plynofikace (zemní plyn je u nás zaveden ve více než dvou třetinách obydlených bytů). Oba způsoby vytápění totiž sdíleným vrtům přímo konkurují.
Na druhou stranu je u nás také relativně vysoký podíl řadové zástavby. Velká část z těchto domů dnes spoléhá na individuální vytápění. Především v menších městech a obcích se tak nabízí přechod na vytápění těchto objektů pomocí sdílených geotermálních vrtů, obzvláště v kombinaci s projekty komunitní energetiky.
Sdílené geotermální vrty pak lze vhodně kombinovat i s dalšími zdroji nízkopotenciálního tepla jako je odpadní teplo původem z průmyslových nebo chladírenských provozů, výpočetních procesů nebo odpadních vod, ať už pomocí kanalizačních výměníků nebo na výstupu z ČOV. V praxi se tak nabízí využití obchodního modelu typu Open District Heating, jen s tím rozdílem, že ohřev média na požadovanou teplotu by neprobíhal na straně producentů odpadního tepla, ale až na straně koncových odběratelů.
Další synergie se nabízí v možnosti „nabíjet“ podloží (existují-li k tomu vhodné podmínky) výrobou z intermitentních obnovitelných zdrojů v dobách, kdy pro tuto energii není jiné uplatnění. Jednalo by se tak vpodstatě o formu sezónní akumulace.
Nezanedbatelnou výhodou vytápění a chlazení pomocí sdílených geotermálních vrtů je odklon od importovaného zemního plynu, který je u dnes nás z většiny využíván z právě pro výrobu tepla.
Rozvoj systémů sdílených geotermální vrtů může představovat zajímavé rozšíření portfolia pro teplárenské a plynárenské společnosti, jejichž business bude do budoucna ovlivňovat nejen proces dekarbonizace, ale i postupující klimatická změna a s tím spojený očekávaný pokles poptávky po vytápění a růst poptávky po chlazení.
Současně bude zapotřebí překonat mnohé překážky, jako je například vyšší technická a investiční náročnost tohoto řešení v porovnání s individuálními spalovacími zdroji nebo dosud chybějící zkušenosti s realizací projektů tohoto typu u nás.
