Το υπέδαφος μπορεί να αξιοποιηθεί όχι μόνο για άντληση θερμικής ενέργειας αλλά και για αποθήκευση ενέργειας, με διάφορες μεθόδους.
Γράφουν η κ. Μ. Κούκου και ο κ. Μ. Βραχόπουλος*
Ο σύγχρονος άνθρωπος χρησιμοποιεί τεχνολογίες που ρυθμίζουν τις συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας στους χώρους της διαβίωσής του, οι οποίες συνθήκες είναι ιδανικά 20°C την περίοδο του χειμώνα και 26°C την περίοδο του καλοκαιριού, με την υγρασία πάντα στο 50%.
Η κάλυψη των θερμικών αναγκών κατά τη χειμερινή περίοδο επιτυγχάνεται μέσω διαφόρων εγκαταστάσεων θέρμανσης, είτε μεμονωμένα για κάθε κτίριο είτε σε επίπεδο κοινότητας μέσω συστημάτων τηλεθέρμανσης, ενώ η κάλυψη των αναγκών δροσισμού κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου γίνεται πάντα με κλιματιστικές συσκευές.
Τελευταία, και λόγω της ενεργειακής κρίσης, γίνεται χρήση κλιματιστικών συσκευών και αντλιών θερμότητας όλες τις εποχές, με συνέπεια την αύξηση των ενεργειακών αναγκών. Ειδικά την περίοδο του χειμώνα η λειτουργία των κεντρικών θερμάνσεων οδηγεί σε σημαντικές περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις.
Στις περιπτώσεις των κεντρικών δικτύων διανομής θερμότητας (τηλεθερμάνσεις), αν και ελαχιστοποιούνται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις, μερικές φορές εντείνεται η ενεργειακή κατανάλωση, λόγω και των απωλειών θερμότητας των δικτύων μεταφοράς της ενέργειας.
Από την άλλη, η θέρμανση μέσω καύσης ρυπαίνει χημικά το περιβάλλον, ανάλογα με τα υλικά καύσης που χρησιμοποιούνται. Για το λόγο αυτό εξάλλου προτιμώνται οι αντλίες θερμότητας έναντι των κεντρικών θερμάνσεων.
Επίσης, κατά τη θερινή περίοδο η χρήση των κλιματιστικών επιβαρύνει θερμικά τον αέρα του περιβάλλοντος, λόγω της απόρριψης θερμότητας.
Γεωθερμία
Η ανάγκη αντιμετώπισης των παραπάνω προβλημάτων οδήγησε στην ανάπτυξη συστημάτων αξιοποίησης της κανονικής (αβαθούς) γεωθερμίας, όπου το ρόλο του αέρα περιβάλλοντος ανέλαβε το υπέδαφος. Συγκεκριμένα γίνεται εγκατάσταση συστημάτων είτε ανοιχτού κυκλώματος (με χρήση των υπόγειων υδάτων) είτε κλειστών κατακόρυφων ή οριζόντιων κυκλωμάτων που εκμεταλλεύονται την θερμοαποθηκευτική δυνατότητα του υπεδάφους.
Αποθήκευση ενέργειας
Ειδικά η παραπάνω θερμοαποθηκευτική δυνατότητα οδήγησε στην ιδέα να αποθηκεύεται στο υπέδαφος η απορριπτόμενη θερμότητα κατά το θέρος και να χρησιμοποιείται κατά την περίοδο του χειμώνα.
Άρχισαν, λοιπόν, να αναπτύσσονται τα πρώτα συστήματα αποθήκευσης θερμότητας στο υπέδαφος και να αξιοποιούνται διάφορες μέθοδοι, χωρίς να έχουν όλες θετικά αποτελέσματα, ενώ πολλές από αυτές απαιτούν πολύπλοκα συστήματα που παρουσιάζουν συχνά αστοχίες.
Οι μέθοδοι αποθήκευσης ενέργειας (θερμότητας ή ψύξης) στο υπέδαφος οι οποίες παρουσιάζουν θετικά αποτελέσματα είναι οι εξής:
α) Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας σε υδροφορέα (Aquifer Thermal Energy Storage [ATES]).
Η συγκεκριμένη μέθοδος αξιοποιεί στρώματα του υπεδάφους που περιέχουν νερό. Η ενέργεια αποθηκεύεται στο νερό, το οποίο αντλείται όποτε απαιτείται αξιοποίηση της ενέργειας, και κατόπιν επανεισάγεται σε διαφορετικό σημείο του υδροφορέα.
Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι κατάλληλη για μεγάλα έργα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παθητική ψύξη και θέρμανση κτιρίων, καθώς και για ψύξη χώρων, αλλά και για άλλες βιομηχανικές διεργασίες.
β) Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας σε γεωτρήσεις επί στεγνού υπεδάφους (Borehole Thermal Energy Storage [BTES]).
Αυτή η μέθοδος αξιοποιεί γεωτρήσεις, εφαρμόζεται σε περιπτώσεις έλλειψης υπογείων υδάτων και είναι κατάλληλη για ιδιωτικές κατοικίες αλλά και για μεγαλύτερα έργα.
Χρησιμοποιείται ένα κλειστό σύστημα, όπου κυκλοφορεί νερό ή άλλο υγρό, και σπανίως ανοιχτό σύστημα όπου κυκλοφορεί το υπόγειο νερό.
γ) Η αποθήκευση σε υπόγειες κοιλότητες ή υπόγειες σήραγγες (Cavern Thermal Energy Storage [CTES]).
Με τη μέθοδο αυτή γίνεται θερμική αποθήκευση σε υπόγειες κοιλότητες ή υπόγειες σήραγγες οι οποίες συνήθως συγκεντρώνουν υπόγεια ρευστά (υπεδαφικό νερό). Σε αυτές τις κοιλότητες ή σήραγγες οι δυνατότητες αποθήκευσης είναι πολύ μεγάλες και για σχετικά μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Βιώσιμη αξιοποίηση υπεδάφους
Νέες τεχνολογίες και νέες οργανωτικές δομές αξιοποιούν τις παραπάνω μεθόδους και επιτυγχάνουν πιο αποτελεσματική και βιώσιμη αξιοποίηση του υπεδάφους σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές για υπόγεια αποθήκευση θερμικής ή ψυκτικής ενέργειας.
Για την κατασκευή των παραπάνω εγκαταστάσεων αποθήκευσης ενέργειας χρησιμοποιούνται μικρά γεωτρύπανα με διατρητικές κεφαλές περιστροφής – δόνησης, που δεν διαταράσσουν τη δομή ή τα θεμέλια του κτιρίου (βλέπε εικόνα 1).
Βεβαίως, για την εφαρμογή των τεχνολογιών αυτών πρέπει να εξετάζονται προσεκτικά οι παρακάτω παράγοντες:
- Η βέλτιστη αξιοποίηση των γεωθερμικών πόρων για την αποθήκευση θερμικής / ψυκτικής ενέργειας σε αστικές περιοχές.
- Η βιώσιμη υπόγεια θερμική αποθήκευση και χρήση της κανονικής γεωθερμίας στις πόλεις.
- Η δυνατότητα ενσωμάτωσης, σύνδεσης και αλληλεπίδρασης των αντλιών θερμότητας με υποδομές τηλεθέρμανσης, με σκοπό τη δημιουργία ενός ευέλικτου θερμικού και ηλεκτρικού δικτύου.
- Η διαχείριση των ενεργειακών δικτύων σε αστική κλίμακα και η βελτιστοποίηση των συστημάτων μέσω της δημιουργίας ψηφιακών διδύμων, για βελτιωμένη επιχειρησιακή, περιβαλλοντική και οικονομική απόκριση.
Εν κατακλείδι
Οι λύσεις αποθήκευσης θερμικής ενέργειας σε υδροφορείς (ATES) και σε στερεό υπέδαφος (ΒTES) παρέχουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας για τον κλιματισμό κτιρίων σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα.
Για το λόγο αυτό είναι επείγουσα ανάγκη να προσδιοριστεί και να προωθηθεί η βιώσιμη και αποτελεσματική χρήση των αβαθών υδροφορέων ως φυσικών πόρων.
*Η κ. Μαρία Κ. Κούκου είναι δρ. χημικός μηχανικός, αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, καθώς και διευθύντρια του Εργαστηρίου Ενεργειακών και Περιβαλλοντικών Ερευνών. Ο κ. Μιχάλης Βραχόπουλος είναι μηχανολόγος μηχανικός ΕΜΠ, καθηγητής στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, καθώς και μέλος του Εργαστηρίου Ενεργειακών και Περιβαλλοντικών Ερευνών.
