Η γεωθερμική ενέργεια είναι η ενέργεια η οποία υπάρχει στο εσωτερικό της γης και η οποία αξιοποιείται μέσω των γεωθερμικών ρευστών. Ο σημαντικότερος παράγοντας για την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας μιας περιοχής είναι ηθερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών που καθορίζει και το είδος της εφαρμογής της.
Στην Ελλάδα η συνηθέστερη εφαρμογή γεωθερμίας αφορά στη θέρμανση θερμοκηπίων. Άλλες εφαρμογές είναι η τηλεθέρμανση στα Κτίρια, ο συνδυασμός με αντλίες θερμότητας στα κτίρια, οι ιχθυοκαλλιέργειες, η ξήρανση αγροτικών προϊόντων, η αφαλάτωση νερού και άλλες.
Η γεωθερμική ενέργεια, ανάλογα με τη θερμοκρασία των ρευστών, διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες:
χαμηλής ενθαλπίας (25 °C -100 °C)
μέσης ενθαλπίας (100 °C -150 °C)
υψηλής ενθαλπίας (πάνω από 150 °C)
Οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία και περιλαμβάνουν:
ηλεκτροπαραγωγή (θ>90 °C),
θέρμανση χώρων (με καλοριφέρ για θ>60 °C, με αερόθερμα για θ>40 °C, με ενδοδαπέδιο σύστημα (θ>25 °C),
ψύξη και κλιματισμό (με αντλίες θερμότητας απορρόφησης για θ>60 °C, ή με υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας για θ<30 °C),
θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών επειδή τα φυτά αναπτύσσονται γρηγορότερα και γίνονται μεγαλύτερα με τη θερμότητα (θ>25 °C), ή και για αντιπαγετική προστασία,
ιχθυοκαλλιέργειες (θ>15 °C) επειδή τα ψάρια χρειάζονται ορισμένη θερμοκρασία για την ανάπτυξή τους,
βιομηχανικές εφαρμογές όπως αφαλάτωση θαλασσινού νερού (θ>60 °C), ξήρανση αγροτικών προϊόντων, κλπ
θερμά λουτρά για θερμοκρασία μεταξύ 25 °C και 40 °C.
Επιπλέον η σημερινή τεχνολογία επιτρέπει την εκμετάλλευση της θερμότητας πετρωμάτων μικρού βάθους, καθώς και υπόγειων ή και επιφανειακών υδάτων χαμηλής θερμοκρασίας, αλλά και την αξιοποίηση της διαφοράς θερμοκρασίας εδάφους-αέρα περιβάλλοντος (αβαθής γεωθερμία) για θέρμανση και κλιματισμό των κτιρίων. Αβαθής γεωθερμία είναι η μορφή της γεωθερμικής ενέργειας κατά την οποία ενέργεια λαμβάνεται (ή απορρίπτεται) από σχετικά μικρά βάθη με τη χρήση αντλιών θερμότητας. Η αβαθής γεωθερμία, σε συνδυασμό με οριζόντια ή κατακόρυφα τοποθετημένους σωλήνες εναλλάκτες θερμότητας, μπορεί να καλύψει με επάρκεια τόσο τις ενεργειακές ανάγκες θέρμανσης/ψύξης χώρων όσο και την ανάγκη θερμού νερού χρήσεως μέσω της λειτουργίας αντλιών θερμότητας. Υπολογίζεται ότι με την εγκατάσταση συστήματος γεωθερμικών αντλιών θερμότητας η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να φτάσει ακόμη και το 60% σε σχέση με τις κυριαρχούσες τεχνολογίες [Ανδρίτσος, 2011].
Τα κύρια συστήματα με τα οποία λειτουργούν οι ΓΑΘ είναι:
(α) Αντλίες που είναι συνδεδεμένες με το υπέδαφος κλειστού βρόχου. Τα συστήματα ΓΑΘ κλειστού κυκλώματος διαχωρίζονται περαιτέρω σε κατακόρυφα και οριζόντια, ανάλογα με τη γεωμετρία του γεωεναλλάκτη.
Στα οριζόντια συστήματα κλειστού βρόχου οι σωληνώσεις τοποθετούνται στο έδαφος σε ορισμένο βάθος με διάφορες γεωμετρίες. Πολλά γεωμετρικά σχήματα έχουν προταθεί και δοκιμαστεί. Στην Βόρεια Αμερική επικρατεί η σπειροειδής «γεωμετρία», ενώ στην Ευρώπη τα τελευταία χρόνια τοποθετείται ένα είδος πλέγματος. Το δίκτυο των αγωγών τοποθετείται σε βάθος 1 m‐2 m, ή και βαθύτερα, αν το επιτρέπει το κόστος των εκσκαφών. Η εκσκαφή μπορεί να γίνει με τη μορφή ορυγμάτων, συνήθως πλάτους 20 cm‐60 cm, η με την μορφή της ολικής απομάκρυνσης του εδάφους. Μετά την τοποθέτηση του δικτύου των σωληνώσεων, ο χώρος καλύπτεται αρχικά συνήθως με στρώμα άμμου και κατόπιν με το χώμα της εκσκαφής.
Για την εκτίμηση του φορτίου εναλλαγής θερμότητας στον γεωεναλλάκτη απαιτείται η γνώση της ελάχιστης και της μέγιστης θερμοκρασίας του αδιατάρακτου εδάφους. Η θερμοκρασία σε κάποιο βάθος (ή η διακύμανσή της με τις εποχές), μπορεί να εκτιμηθεί από μετρήσεις ή να υπολογιστεί. Το μήκος των σωληνώσεων (ή η επιφάνεια του πλέγματος) εξαρτάται από αρκετές παραμέτρους, όπως είναι η θερμοκρασία, ο τύπος και η υγρασία του εδάφους, το είδος της κάλυψης, το βάθος που τοποθετούνται οι σωληνώσεις, η απόσταση μεταξύ των ορυγμάτων κ.ά.
Τα κατακόρυφα συστήματα αποτελούνται συνήθως από ένα ζεύγος σωληνώσεων μικρής διαμέτρου (20 mm‐40 mm) από πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας, που τοποθετείται σε μία ή περισσότερες κατακόρυφες γεωτρήσεις, το εσωτερικό των οποίων γεμίζεται εν συνεχεία από στερεό υλικό. Το ζεύγος των σωληνώσεων είναι συνδεδεμένο με θερμοκόλληση στο κάτω άκρο σχηματίζοντας αγωγό σχήματος U. Εκτός από αυτό το σχήμα έχουν εφαρμοστεί και άλλες γεωμετρίες, με σκοπό την αύξηση της επιφάνειας του υπόγειου εναλλάκτη, όπως τα διπλά ζεύγη σωληνώσεων και η σπειροειδής τοποθέτηση του πλαστικού αγωγού. Το βάθος των γεωτρήσεων ποικίλλει από 15 m μέχρι και 200 m, ανάλογα με τις συνθήκες, το κόστος διάτρησης και τις ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου.
Οι πιο πάνω παράμετροι ρυθμίζουν και τον αριθμό των γεωτρήσεων. Η οριζόντια απόσταση μεταξύ των γεωτρήσεων είναι μικρή (4 m‐5 m), επειδή η επίδραση της μιας γεώτρησης στην άλλη είναι ελάχιστη. Έτσι μπορούμε να έχουμε μεγάλη πύκνωση των γεωτρήσεων και, επομένως, εξασφάλιση σημαντικών ποσοτήτων θερμότητας σε μικρό χώρο. Η παροχή θερμότητας στον υπόγειο εναλλάκτη προέρχεται από διάφορες πηγές, από τη γεωθερμική ροή θερμότητα, από αγωγή σε οριζόντιο επίπεδο και από την ανοδική πορεία του υπόγειου νερού, αν υπάρχει.
(β) Αντλίες που λειτουργούν με τα υπόγεια νερά ανοικτού βρόχου ή επιφανειακά, σχετικά ψυχρά (10 °C ‐15 °C) ή και κάπως θερμότερα (20 °C ‐35 °C).
Διακρίνονται σε άμεσης επαφής, δηλ. το υπόγειο νερό μεταφέρει ή απάγει θερμότητα από τον εναλλάκτη νερού‐ψυκτικού, και σε έμμεσης επαφής, δηλ. με την ύπαρξη ενός ενδιάμεσου εναλλάκτη και κυκλώματος νερού για την αποφυγή προβλημάτων διάβρωσης και δημιουργίας επικαθίσεων (σωματιδιακών, κρυστάλλωσης, βιολογικών κτλ.).
(γ) Αντλίες που λειτουργούν με επιφανειακά νερά, είτε ανοικτού τύπου (χρήση των επιφανειακών νερών όπως με τα υπόγεια νερά), είτε κλειστού τύπου, δηλαδή το δίκτυο των σωληνώσεων βρίσκεται εμβαπτισμένο στη λίμνη, το ποτάμι ή τη θάλασσα. Τα δεύτερα συστήματα αποτελούν τη μοναδική βιώσιμη επιλογή σε περίπτωση που η θερμοκρασία των επιφανειακών νερών είναι κάτω από τους 7 °C.
(δ) Υβριδικά συστήματα. Τα συστήματα αυτά συνδυάζουν συνήθως μία ή περισσότερες από τις παραπάνω τεχνολογίες ΓΑΘ για την κάλυψη μέρους ή του βασικού φορτίου θέρμανσης‐ψύξης με τη χρήση καυστήρα‐λέβητα κατά τη χειμερινή περίοδο και με τη χρήση πύργου ψύξης κατά τη θερινή. Άλλοι συνδυασμοί μπορούν να γίνουν με ηλιακούς συλλέκτες θερμού νερού ή με την διάθεση θερμότητας σε υγρούς ταμιευτήρες (λίμνη, θάλασσα). Κύριος στόχος αυτών των συστημάτων είναι να μειωθεί το κόστος εγκατάστασης του συστήματος.
Όσον αφορά το κόστος λειτουργίας των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, καταναλώνουν συνήθως γύρω στο 25-30% της ενέργειας που αποδίδουν. Ενδιαφέρον παρουσιάζει ο συνδυασμός τους με εγκατάσταση φωτοβολταϊκών πλαισίων στην οροφή ή στην πρόσοψη, τα οποία παράγουν την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία των αντλιών. Επίσης, σε περίπτωση που υπάρχει εγκατάσταση θερμικών ηλιακών συλλεκτών στο κτίριο, αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για μια θερμοκρασιακή αναβάθμιση του ρευστού που προέρχεται από τον εναλλάκτη στο έδαφος και να αυξηθεί κατά συνέπεια η απόδοση του συστήματος γεωθερμίας