Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/1039/-1/79/

Geotermalne grzanie... dróg
Informacje Numery Numer 08-09/2007

Autor: prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski

Data publikacji: 18.09.2007 17:13

Podczas każdej zimy lód oraz śnieg nie tylko utrudniają ruch drogowy wszelkim pojazdom, ale w dodatku czynią go wysoce niebezpiecznym. Tylko w zimie roku 2002 na terenie Niemiec ogólne straty w wypadkach drogowych wyniosły 33,8 mld €.

Już nie jest utopią marzenie ogrzewania dróg i mostów ciepłem geotermalnym, zapewniającym roztapianie będących na nich śniegu i lodu.

Od wielu lat stosują go służby drogowe w USA, Szwajcarii czy Holandii, a ostatnio wdraża się tę technologię na terenie Nadrenii Północnej - Westfalii, RFN (W. Kolks, G. Marzachn, J. Porwollik, P. Sprinke; Deutsches IngenieurBlatt, 26, 3, 2007 r.).

Ciepło wnętrza naszej ziemi w części jest pozostałością z okresu jej tworzenia się sprzed około 4,5 miliardów lat, a w niemałym stopniu wydziela się nieustannie podczas samorzutnego, radioaktywnego rozpadu najcięższych pierwiastków.

Nasza przestrzeń życia na powierzchni ziemi jest oddzielona od jej wnętrza cienką skorupą o grubości 65 km, pod którą znajduje się relatywnie gruby – na 2900 km –płaszcz. Pod nim jest zewnętrzny pierścień jądra, wypełniony płynnym żelazem, a w samym środku naszej planety znajduje się wewnętrzny rdzeń z zestalonego, powyższego pierwiastka. Ich wspólny promień osiąga wielkość 3400 km. Tu panuje temperatura w granicach 4500–6500 st. C. Aż 99% naszej planety osiąga temperaturę powyżej 1000 st. C, natomiast jej reszta w 99% bywa nagrzana do ponad 100 st. C. Na głębokości 1 km skorupy naszej planety (patrz rys. 1) panuje temperatura 35-45 st. C. Jak widać z tych danych, we wnętrzu naszej ziemi jest ogromna ilość ciepła geotermalnego, będącego do dyspozycji kolejnych pokoleń. Rozliczne wulkany oraz gejzery, głównie w Islandii, są tego dowodem.

Energia geotermalna w minimalnej wciąż jeszcze skali jest wykorzystywana przez ludzkość od tysiącleci – głównie w postaci gorącej wody – dla celów gospodarczych. Tymczasem wyżej wymienione kraje wysoko rozwinięte, a ostatnio Niemcy stosują energię geotermalną – i to przy relatywnie niewielkich kosztach – do ogrzewania wybranych, najbardziej niebezpiecznych odcinków dróg i mostów, by utrzymać je w zimie w stanie wolnym od śniegu oraz lodu. Teraz wykorzystuje się nawet te instalacje do chłodzenia nawierzchni dróg i mostów latem, by uchronić ich warstwy bitumiczne od deformacji pod kołami aut.

W Nadrenii Północnej-Westfalii, RFN, stosowne działania badawczo-wdrożeniowe zostały zrealizowane przez następujące firmy:



W szczegółowych analizach procesowo-ekonomicznych wykazano, że koszty inwestycyjne dla najbardziej niebezpiecznych odcinków dróg i mostów okazują się niższe od ponoszonych strat w wypadkach samochodowych w zimie. Dziś wdrożoną technologię wykorzystuje się również podczas letnich upałów, chłodząc nawierzchnie bitumiczne. Stąd globalne, syntetyczne określenie tych działań skrótem „GeoVersi” (Geothermie sorgt fur Verkehrssicherheit – co w naszym języku brzmi: Geotermia dba o bezpieczeństwo ruchu drogowego).

W niniejszej rozprawie wykaże się możliwości oraz szanse określonych działań, zapewniających utrzymanie drogowych szlaków komunikacyjnych z ich mostami w stanie wolnym od śniegu i lodu w okresach zimowych.

Prezentowane poniżej działania procesowo-techniczne umożliwiają ponadto chłodzenie asfaltowych nawierzchni drogowych w okresie letnich upałów dla eliminowania tworzenia się kolein w warstwie bitumicznej.

Absorbowane w tej technologii ciepło promieniowania słonecznego zostaje zmagazynowane w podziemnych zasobnikach, co uefektywnia topnienie lodu oraz śniegu na nawierzchniach drogowych zimą.

Cała instalacja ogrzewania zimą i chłodzenia latem nawierzchni dróg komunikacyjnych składa się z czterech następujących systemów:



W omawianej technologii źródłem ciepła jest energia geotermalna. Część tego ciepła pochodzi z promieniowania słonecznego, gromadzonego w podziemnym zasobniku.

Aby skorzystać z ciepła ziemi stosuje się liczne sondy, wykonane ze stalowych rur współśrodkowych, instalowanych pionowo w ziemi na głębokości około 65 metrów, co prezentuje rys. 2. Sonda składa się z dwóch rur współśrodkowych: wewnętrzną dopływa nośnik ciepła, a pierścieniem między rurą środkową oraz rurą zewnętrzną odpływa roztwór wodno-glikolowy. Ich kolektory dopływu oraz odpływu nośnika ciepła układa się współpierścieniowo. Najczęściej są to cztery pierścienie (rys. 2).

Jak już wspomniano wyżej, nośnikiem ciepła jest roztwór wodno-glikolowy, którego właściwości fizyko-chemiczne są identyczne z płynem, stosowanym do chłodzenia silników samochodowych. Schemat całej instalacji grzewczo-chłodniczej nawierzchni dróg z podziemnym zasobnikiem energii geotermalnej ilustruje rys. 3.

Obieg nośnika ciepła między rurami grzewczo-chłodniczymi pod warstwą bitumiczną, ale na izolacji drogi z betonowym podkładem (patrz rys. 4), poprzez pompownię w budynku gospodarczym i przez sondy w zasobniku podziemnym energii geotermalnej jest układem zamkniętym – bez zbiornika buforowego.

Jeżeli jednak zrezygnuje się z letniego chłodzenia nawierzchni dróg i mostów – a zatem nie będzie gromadzenia ciepła słonecznego w podziemnym zasobniku energii geotermalnej – to może wystąpić konieczność dobudowy pompy ciepła, co ilustruje rys. 5. Systemy grzewczo-chłodnicze nawierzchni dróg oraz mostów wykonuje się w układzie wężownicy z rur ze stali szlachetnej, lub z tworzyw sztucznych (rys. 4).

Omawianym systemem grzewczo-chłodzącym objęto między innymi nawierzchnię mostu autostrady A-8 w Darligen, co ilustruje rys. 6. Tu nawierzchnia grzewczo-chłodząca wynosi 1300 m2, a rury tego systemu wykonano ze stali szlachetnej. Rurociągi grzewczo-chłodzące znajdują się 7 cm poniżej powierzchni warstwy bitumicznej, co uwidacznia rys. 4.

Kolektory tej sieci grzewczo-chłodzącej przeprowadzono oczywiście przez budynek gospodarczy i jego pompy obiegu roztworu wodno-glikolowego wraz z aparaturą kontrolno-pomiarową. Budynek ten jest ponadto połączony kolektorem dopływowym i identycznym odpływowym z podziemnym zasobnikiem ciepła geotermalnego. Jego powierzchnię z czterema pierścieniowymi kolektorami dopływu i odpływu nośnika ciepła z sond, każdej o długości 65 metrów, uwidacznia rys. 2. Objętość ziemi tego zasobnika ciepła wynosi 55000 m3. Dzięki systemowi grzewczo-chłodniczemu w okresach zimy oraz lata nie potrzeba tu pompy ciepła, lub innego źródła zewnętrznego dogrzewania cyrkulującego roztworu wodno-glikolowego.

W okresie letnim temperatura w omawianym zasobniku ciepła jest o 3 st. C wyższa od otaczającego podłoża, ale nie przewyższa 20 st. C. W przeciętnym okresie letnim magazynuje się w tym podziemnym zasobniku ciepła w ilości aż 140 megawatogodzin. Z tego 1/3 traci się do gruntu, otaczającego podziemny zasobnik energii geotermalnej.

Tak latem, jak i zimą instalacja grzewczo-chłodnicza włącza się automatycznie, a natężenie cyrkulującego roztworu wodno-glikolowego jest sterowane komputerem w zależności od temperatury i zawilgocenia powietrza nad powierzchnią drogi oraz temperatury jej warstwy bitumicznej. W najostrzejszych zimach ogrzewanie nawierzchni omawianego mostu nie przewyższało dotychczas (od 1994 roku) 110 megawatogodzin ciepła rocznie.

Dotychczasowa praktyka wykazała, że racjonalny odzysk ciepła z letniego chłodzenia wybranych odcinków dróg oraz mostów zabezpiecza potrzeby zimowego ich ogrzewania poprzez podziemny zasobnik.

Globalna analiza omawianego przedsięwzięcia, tak w zakresie techniczno-ekonomicznym, jak i poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego wraz z efektami ekologicznymi (odpada posypywanie solą zalodzonych i zaśnieżonych dróg, itp.) przynosi wszechstronne korzyści. W nakładach inwestycyjno-eksploatacyjnych są również wyniki dodatnie w stosunku do wyeliminowanych strat w następstwie kraks samochodowych z powodów klimatycznych.

To wszystko winno skłonić krajowe służby drogowe do skorzystania z zaprezentowanych doświadczeń w niniejszym artykule, z pilnym zastosowaniem tych rozwiązań na najbardziej niebezpiecznych odcinkach drogowych i mostach.




| Powrót |

Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/1039/-1/79/

Copyright (C) Gigawat Energia 2002