InnoGeoPot

Uz stalno povećanje broja instaliranih sustava bušotinskih izmjenjivača topline (BHE) u Europi, prepoznata je potreba i iskorištavanje toplinske energije sadržane u dubljim horizontima podzemnih slojeva tla i stijena. U odabranim pilot područjima još nije provedeno istraživanje geotermalnog potencijala na dubinama između 200 i 500 m koristeći bušotinske izmjenjivače topline. Ovim projektom namjerava se uspostaviti geološko-hidrogeološko-termodinamički model korištenjem podataka prikupljenih tijekom bušenja dubokih bušotina u odabranim područjima (neobrađeni geološki i hidrogeološki podaci) kao i praćenjem stvarnih podataka iz polja plitkih geotermalnih izmjenjivača u radu te određivanjem toplinskih prinosa sustava. Nadalje, iskorištavanje plitkog i srednje dubokog geotermalnog potencijala može se proširiti i na primjenu skladištenja toplinske energije u stijeni bušotinskim izmjenjivačima (BTES), kao i na mogućnost iskorištavanja geotermalnog potencijala revitalizacijom napuštenih bušotina. Razvijeni geološko-hidrogeološko-geotermalni model će biti važan jer će osigurati bolji uvid u plitki i srednje duboki geotermalni potencijal područja, te definiranje područja gdje je moguće koristiti podzemlje za BTES/ATES. Također će se razmotriti procjena geotermalnog potencijala kroz revitalizaciju napuštenih bušotina. Područje istraživanja u Hrvatskoj obuhvaća šire područje grada Zagreba, grada Ljubljane i pograničnog područja između SI Slovenije i JI Hrvatske. Trilateralna suradnja Hrvatske, Švicarske i Slovenije na ovom projektu dovest će do formiranja međunarodne istraživačke skupine koja će se baviti karakterizacijom podzemlja i razvojem tehnologije u području geotermalne energije. Za odabrana pilot područja pravovremeni DSS za plitko i srednje duboko korištenje geotermalne energije bit će vrlo koristan alat koji će osigurati učinkovitije i održivije korištenje geotermalne energije.

Klimatske promjene zahtijevaju promjenu potražnje za izvorima energije od trenutno prevladavajućih fosilnih goriva. U traženju rješenja treba više razmišljati o češćem korištenju toplinske energije iz tla i stijena. Bilo da se to radi u maloj mjeri (stambena jedinica) ili u većoj mjeri (centralno grijanje), karakterizacija regionalnog i lokalnog podzemlja i klime neophodna je za procjenu potencijala toplinske energije sadržane u tlu i stijenama. Očekivani rezultat projekta je uspostava DSS-a, temeljenog na rezultatima geoloških, hidrauličkih i termodinamičkih modela, kao alata za upravljanje usmjerenih na primjenu koji omogućuju procjenu BHE u različitim uvjetima i određivanje potencijala geotermalne energije za odabrana područja. Time će se unaprijediti znanje o iskorištavanju geotermalnih resursa. Razvijeni alati pružaju specifične informacije u vezi s potencijalom za buduću upotrebu geotermalne energije, ali također pomažu u provedbi procjene međusobnog utjecaja; pitanja vezana uz zaštitu voda i praksu izdavanja dozvola. Alati također omogućuju projektantima i planerima da kvantitativno integriraju geotermalne potencijale u urbane energetske planove. Na temelju geoloških, hidrogeoloških i geotermalnih 3D modela i toplinskih potencijala izvedenih iz njih, buduće namjene mogu se procijeniti u smislu dostupnosti podzemne vode i raspona temperature (razlika između temperature polaza i povrata). Očekivani rezultati pružit će osnovu za realizaciju inovativnih i učinkovitih sustava za održivo korištenje geotermalnih izvora. Razvijeni metodološki pristup i izrađeni alati mogu se, uz prilagodbe specifične za lokaciju, primijeniti i prenijeti na druge lokacije sa sličnim postavkama.

Jedan od fokusa ovog projekta je stvaranje temelja za postupke orijentirane na primjenu, s kojima je moguće osigurati alat za procjenu za provedbu, kao i za razvoj dugoročnih i razvojnih strategija za održivo korištenje geotermalne energije. Ishod projekta je i povećanje znanja kod projektiranja BHE i GSHP sustava, što će rezultirati povećanjem broja novih plitkih i srednje dubokih geotermalnih projekata budući da će DSS alat smanjiti nesigurnost (na primjer, nepoznavanje točnih vrijednosti prinosa BHE, bušotinske interferencije, bušotinski otpor, itd.).

C1 Geološka baza podataka & DSS (GeoZS voditelj)

Geološka baza podataka

Izrada geološke baze podataka temelji se na iskustvima slovenskog partnera. Geološki zavod Slovenije je središnja institucija odgovorna za prikupljanje, obradu, pohranjivanje i dijeljenje geoloških podataka u Sloveniji te aktivno sudjeluje u razvoju EuroGeoSurveysove europske infrastrukture geoloških podataka. Razvoj geološke baze podataka uključuje (A) kompilaciju, pregled i ocjenu novih mjerenja i postojećih dokumenata o geologiji i hidrogeologiji kao i (B) upravljanje podacima i vizualizaciju te razvoj GIS-a za projekt.

Istraživanje podataka usmjereno je na bušotine izrađene unutar zagrebačkog geotermalnog vodonosnika, koji pokriva Grad Zagreb i njegovo šire područje, te također prekogranično područje koje se najvećim dijelom nalazi u Međimurskoj županiji. Prema dostupnim podacima bušenja dubokih istražnih bušotina u RH, koji se nalaze u Agenciji za ugljikovodike u vidu bušotinske baze, na razmatranom području istraživanja prikupit će se geološki podaci, termogeološki, tehnički i drugi podaci od važnosti za istraživanje, za dubine od interesa. Ostali ulazni podaci prikupljaju se iz postojećih i diseminiranih rezultata istraživanja koji se odnose na geologiju, hidrogeologiju i korištenje bušotinskih izmjenjivača, kao i rezultati istražnih bušotinskih izmjenjivača te praćenja postojećih polja izmjenjivača trenutno u radu.

U Sloveniji se javno dostupni podaci o bušotinama mogu preuzeti putem web preglednika (https://e-vrtina.si/). Pilot područja su detaljnije istražena u sklopu različitih istraživačkih projekata. Predložena baza podataka bit će izgrađena na rezultatima prethodnih projekata koji su osigurali geološki i strukturni okvir za 3D modeliranje podzemlja u prekograničnom pilot području između Hrvatske i Slovenije (GeoConnect3d, DARLINGe, GeoMol, TransEnergy), pilot području Ljubljana (GeoPLASMA-CE, MUSE) i zagrebačko pilot područje (MUSE).

Razvoj DSS - Alat za upravljanje podzemnim izvorima toplinske energije

Razvijena baza podataka (WP II) organizira različite geološke, klimatske i bušotinske geometrijske parametre, a rezultirajući DSS bit će alat s javnim pristupom na zahtjev, koji će pomoći u projektiranju odgovarajućeg sustava izmjenjivača topline u odabranim područjima istraživanja. Rezultirajući alat moći će se koristiti lokalno i za procjenu rada budućih geotermalnih sustava. Modeli na regionalnoj razini (WP III) pružit će geološki, hidrogeološki i geotermalni okvir ili ograničenja koja se koriste u modeliranju prijenosa topline iz bušotine (WP II). DSS će koristiti model prijenosa toplinske energije iz bušotine za simulaciju učinaka različitih dizajna bušotinskih izmjenjivača topline na performanse geotermalnog sustava. Na temelju korisnički definiranih prioriteta (npr. smanjenje početnih investicijskih troškova, potrošnja električne energije) bit će definirane funkcije cilja. Zajedno s identificiranim ograničenjima (povezana s pravnim okvirom, tehničkim ograničenjima, geološkim postavkama) ona će se implementirati u postupak optimizacije temeljen na evolucijskom algoritmu. Rezultat optimizacije bit će optimalan dizajn bušotinskog izmjenjivača za specifičnu lokaciju.

C2 Terensko istraživanje i model prijenosa topline iz bušotine (UNIZG – RGNF voditelj)

Terensko istraživanje

Za provedbu istraživanja sustavi praćenja će se implementirani na postojeće BHE sustave u urbanim i prekograničnim pilot područjima. Praćenjem postojećih sustava s više bušotina dobit će se temperaturni profili temperature geotermalnog izvora na godišnjoj razini, tijekom sezone grijanja i hlađenja. Za odabrane pilot lokacije u Sloveniji i Hrvatskoj, ispitivanje toplinskog odaziva omogućit će definiranje termogeoloških i hidrogeoloških ulaznih parametara za primjenu modela. Dobivanje stvarnih podataka o radu GES i godišnjih BHE temperaturnih profila ključno je za validaciju razvijenih modela za implementaciju dubljih geotermalnih sustava. BHE praćenje uključuje analizu hidrauličkih parametara (npr. pada tlaka) uobičajeno korištenih BHE postavki (jednostruki U (1U), dvostruki U (2U), koaksijalni (CX)), budući da učinkovitost sustava ovisi o korištenoj električnoj energiji za cirkulaciju radne tekućine unutar cijevi i toplinski učinak. Kada se, s hidrauličkog gledišta, odaberu optimalne postavke za BHE, SCOP (sezonski stupanj iskorištenja) će se odrediti i potvrditi stvarnim podacima dobivenim s pilot lokacija, što daje bolje vrijednosti osiguravajući učinkovitiji sustav.

Odabrani BHE sustavi će se opremiti sustavima za praćenje, kao što su temperaturni logeri unutar BHE sabirnog sustava šahtova. Ovo će osigurati kontrolu temperaturnog ponašanja BHE, koji će se koristiti za postavljanje osnovnih modela i tijekom procesa validacije modela. Također će se provoditi kontinuirano praćenje temperature zraka kako bi se odredile potrebne potrebe za grijanjem i hlađenjem za odabranu lokaciju. Pomoću TRT mjerenja odredit će se prinosi toplinske energije za modeliranje. Rezultati praćenja poslužit će kao ulazni parametri za različite pristupe modeliranju i za potvrdu modela. Također, podaci TRT iz bušotine za praćenje uspoređivat će se s podacima prikupljenim iz sličnih, već postojećih BHE u različitim postavkama i različitim načinima rada, dubinama i geometrijom BHE cijevi.

Slovenski partner će provoditi operativni monitoring na odabranom BHE sustavu u prekograničnom pilot području i mjerenja toplinskih svojstava glavnih litoloških jedinica u svim pilot područjima. Uzorci stijena će se prikupljati na terenu (izdanci) i iz dostupnih jezgri bušotina. Mjerenja toplinske vodljivosti i toplinske difuznosti na uzorcima stijena provode se u laboratoriju pomoću uređaja za mjerenje toplinske vodljivosti. Mjerenja toplinskih parametara sedimenata provodit će se na terenu i u laboratoriju analizatorom toplinskih svojstava KD2 Pro thermal. Planirano je ukupno 300 mjerenja toplinskih svojstava stijena i sedimenata. Uključivanje mjerenja specifičnih za lokaciju osigurat će pouzdanije modeliranje geotermalnih uvjeta u pilot područjima (WP III).

Model prijenosa topline iz bušotine

Učinkovitost GSHP sustava ovisi o odabranim geometrijskim parametrima BHE. Prilikom projektiranja BHE važno je osigurati da prijenos toplinske energije bude što je moguće veći, tj. da toplinski otpor bušotine bude što manji. To se može ostvariti osiguravanjem turbulentnog protoka u BHE cijevima, odnosno osiguravanjem dovoljno visokog Reynoldsovog broja. Također, pad tlaka u BHE može biti od značajnog utjecaja pri odabiru između BHE sustava. S većom dubinom pad tlaka je veći, samim time je i potrošnja električne energije cirkulacijske pumpe veća, što rezultira nižim SCOP-om GSHP sustava. Stoga će procjena performansi BHE sustava ovisiti o stupnju prinosa toplinske energije i potrošnji električne energije cirkulacijske pumpe. Model će se temeljiti na analizi osjetljivosti različitih parametara.

Model će uključivati parametrizaciju opterećenja grijanja i hlađenja, na temelju tipičnog prostora stambenih i poslovnih zgrada u području istraživanja. Različiti zahtjevi za grijanje/hlađenje koristit će se za procjenu broja potrebnih BHE za svaku iteraciju postavki tipa BHE, dubine i geometrije cijevi u skladu s energetskim zahtjevima. Nadalje, svojstva radne tekućine razmatrat će se promjenom omjera smjesa glikol-voda. Brzina protoka radne tekućine bit će postavljena na takav način da je protok poželjno u turbulentnom režimu. Nakon što se odredi protok tekućine za određeni slučaj, izračunat će se pad tlaka. Vrijednostima pada tlaka određuje se potrošnja cirkulacijske crpke. Stope prinosa toplinske energije odredit će se za svaki slučaj i provesti analiza osjetljivosti kako bi se procijenio plitki i srednje duboki geotermalni potencijal unutar područja od interesa.

C3 Regionalni model (UNIBAS voditelj)

U nekim slučajevima, posebno u aluvijalnim naslagama, tijekom bušenja BHE prolaze kroz vodonosnike različitih debljina. Većina numeričkih modela trenutno razmatra samo kondukciju kao primarni proces prijenosa topline od matične stijene do radnog fluida. Međutim, u slučajevima gdje je prisutan vodonosnik moraju se uzeti u obzir konvektivni procesi prijenosa topline koji se odnose na protok podzemne vode, koji ovisi o debljini vodonosnika i brzini protoka u poroznom mediju, s obzirom da navedeno ima važan utjecaj na performanse BHE.

Pomoću regionalnih geoloških, hidrauličkih i termalnih modela koji razmatraju različite regionalne geološke postavke, razvit će se alat kojim će se pristupiti različitim scenarijima za optimizaciju korištenja geotermalne energije. 3D modeli na regionalnoj razini omogućuju izračunavanje energetskih potencijala te kvantificiranje i vizualizaciju promjena cirkulacije podzemne vode i opskrbe podzemnom vodom različitih sustava vodonosnika dodatnim BHE.

Razvoj strukturno geološkog 3D modela predviđa se u sljedećim koracima: (a) Ocrtavanje granica modela za odabrane lokacije; (b) Priprema relevantnih geoloških podataka koji su potrebni za izradu geoloških 3D modela, uključujući procjenu podataka i konverziju postojećih podataka; (c) 3D geološko modeliranje i priprema geometrije modela i relevantnih geoloških struktura (litološke jedinice i sustavi pukotina); složene geološke strukture su prikazane sažeto s obzirom na hidrogeološka svojstva ili homogeno razmatrane pomoću kontinualnog pristupa.

U sljedećem koraku geološke strukture integriraju se u numeričke hidrauličke i termalne regionalne 3D modele (THM) kako bi se simulirala dinamika regionalnog protjecanja podzemne vode i izračun bilance vode i toplinske energije. Razvoj THM-a uključuje: (a) Kvalitativnu provjeru geometrije modela (iterativni pristup); (b) Postavljanje računske mreže; parametrizacija geoloških jedinica; postavljanje hidrauličkih i termodinamičkih rubnih uvjeta; (c) kalibraciju i validaciju THM-a; (c) Analiza osjetljivosti: izračun utjecaja različitih parametara (npr. propusnosti različitih geoloških jedinica i regionalnih procesa prihranjivanja podzemne vode); (d) Izračuni/scenariji modela; (e) Vizualizacija 3D protjecanja podzemne vode na regionalnoj razini; izvođenje protočnih ćelija (konvergencija protjecanja; lokaliteti povećane izdašnosti podzemne vode i toplinski potencijali); bilance podzemnih voda i toplinske bilance po definiranim presjecima ili bilančnim područjima i procjena potencijala toplinskog iskorištenja (f) priprema GIS karata (geotermalni potencijal, vodonosnik distribucije tlaka, itd.; link na DSS). Postojeće informacije iz bušotina, ispitivanja crpljenja kao i hidrokemijski i fizički podaci o podzemnoj vodi (WP I & II) koristit će se za kalibraciju i validaciju modela.

Daljnji razvoj geološkog 3D modela za prostorni prikaz geoloških struktura u kontekstu odgovarajućih hidrauličkih svojstava (litoloških jedinica i sustava pukotina) će uključivati istraživanja sustava pukotina. Čak i ako su sustavi pukotina ključni za protjecanje podzemne vode, ne može se napraviti točno mapiranje pravog sustava pukotina i često se primjenjuje generalizirani shematski ili u najboljem slučaju statistički prikaz pukotina. Ovaj pristup može biti opravdan kada se razmatraju dovoljno velika mjerila (npr. regionalni slivovi i mjerilo kojem se obično pristupa za podzemlje). Na ovaj način može se prikazati integralni utjecaj sustava pukotina na protjecanje podzemne vode.

UNIZG-RNGF:
prof. dr. sc. Tomislav Kurevija, voditelj projekta za UNIZG-RGNF
dr. sc. Marija Macenić, suradnica
izv. prof. dr. sc. Luka Perković, suradnik
prof. dr. sc. Kristijan Posavec, suradnik

UNIBAS:
PD Dr. Jannis Epting, voditelj projekta za UNIBAS
Stefan Scheidler Dipl. Hyd., suradnik
Horst Dresmann, PhD, suradnik
Michel Alain Walde, suradnik

GeoZS:
Mitja Janža, PhD, voditelj projekta za GeoZS
Nina Rman, PhD, suradnica
Luka Serianz, PhD, suradnik
Simona Adrinek, suradnica

1. https://www.rgn.unizg.hr/hr/izdvojeno/3755-javnosti-predstavljen-projekt-innogeopot-na-uvodnoj-kick-off-radionici-na-rudarsko-geolosko-naftnom-fakultetu
2. https://www.rgn.unizg.hr/hr/izdvojeno/3756-partneri-na-projektu-innogeopot-u-strucnoj-posjeti-lokacijama-geotermalnih-sustava-unutar-istraznog-transboundary-podrucja-sjeveroistocne-slovenije
3. https://www.rgn.unizg.hr/hr/oglasna-ploca/3694-predstavljeni-pocetni-rezultati-projekta-innogeopot-na-konferenciji-geothermal-heat-pump-days-2024