Ośrodek SKZ Plastics Center realizuje projekt badawczy EWS.MWCNT, którego celem jest opracowanie wysokoefektywnych sond geotermalnych z wykorzystaniem nanotechnologii. Kluczowym elementem prac jest rozwój systemu geotermalnego opartego na rurach z polietylenu PE100-RC modyfikowanych wielościennymi nanorurkami węglowymi. Dodatek multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) ma prowadzić do istotnego zwiększenia przewodności cieplnej tworzywa, przy jednoczesnym zachowaniu zgodności z obowiązującymi normami i wymaganiami bezpieczeństwa. Wzrost przewodności cieplnej materiału rur ma bezpośrednio przełożyć się na wyższą sprawność pozyskiwania ciepła z płytkiej geotermii, ograniczenie zużycia surowców oraz poprawę wskaźników ekonomicznych instalacji. Projekt realizowany jest w ramach sieci NanoGeoTherm klastra Nanoinitiative Bayern GmbH we współpracy z firmą Gerodur MPM Kunststoffverarbeitung, Uniwersytetem Fryderyka Aleksandra w Erlangen-Norymberdze oraz Laus. Oprócz zagadnień materiałowych i procesowych duży nacisk położono na opracowanie uproszczonej metody badania przewodności cieplnej, a także na kompleksową ocenę kompatybilności środowiskowej i ekotoksykologicznej nowego materiału. Zespół projektowy podkreśla znaczenie przejrzystych procedur testowych dla budowania akceptacji rynku dla innowacyjnych rozwiązań w zakresie sond geotermalnych.
Założenia projektu EWS.MWCNT i zakres współpracy
Projekt EWS.MWCNT jest realizowany w ramach sieci NanoGeoTherm, funkcjonującej w klastrze Nanoinitiative Bayern GmbH. SKZ współpracuje z partnerami: Gerodur MPM Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG, Uniwersytetem Fryderyka Aleksandra w Erlangen-Norymberdze oraz Laus GmbH. Wspólnym celem jest opracowanie wysokoefektywnego systemu geotermalnego opartego na tworzywach modyfikowanych wielościennymi nanorurkami węglowymi, przeznaczonych do wytwarzania rur PE100-RC o znacząco podwyższonej przewodności cieplnej.
Zakres projektu obejmuje zarówno opracowanie odpowiedniego procesu wytwarzania rur PE-CNT, jak i przygotowanie metodyki badań właściwości cieplnych oraz aspektów środowiskowych nowego materiału. Istotnym założeniem jest pełna zgodność z odpowiednimi normami technicznymi i wymaganiami bezpieczeństwa odnoszącymi się do komponentów instalacji geotermalnych.
Rozwój procesu wytwarzania i metodyki badań
Jednym z głównych zadań projektu jest opracowanie technologii przetwórstwa, która pozwoli na równomierne zdyspergowanie nanorurek węglowych w matrycy polietylenu PE100-RC i stabilne uzyskiwanie wymaganych właściwości przewodzenia ciepła. Równolegle zespół pracuje nad uproszczoną procedurą badawczą do wyznaczania przewodności cieplnej materiału rur.
Nowa metoda ma umożliwić szybszą i mniej złożoną ocenę parametrów cieplnych, co jest istotne zarówno w fazie rozwoju materiału, jak i w kontroli jakości w przyszłej produkcji. Opracowywana procedura pomiarowa jest uzupełniana badaniami kompatybilności środowiskowej i ekotoksyczności, obejmującymi m.in. ocenę potencjalnego oddziaływania nanonapełniacza na środowisko.
– Nie tylko chcemy zwiększyć efektywność, ale także podnieść akceptację nowych materiałów poprzez przejrzyste metody badawcze. To decydujący krok dla rynkowej penetracji innowacyjnych technologii geotermalnych – podkreśla Felix Berthold, kierownik projektu w SKZ Plastics Center.
Efektywność sond i wpływ na koszty instalacji
Zgodnie z założeniami projektu zwiększona przewodność cieplna rur PE-CNT ma przełożyć się na redukcję głębokości wierceń oraz całkowitej ilości materiału potrzebnego do wykonania sond geotermalnych nawet o 20 procent. Pomimo wyższych kosztów materiałowych samych rur PE-CNT, ogólne koszty systemu mają być niższe dzięki ograniczeniu kosztów wiercenia i zmniejszonemu zużyciu zasobów.
Ekonomiczna atrakcyjność płytkiej geotermii ma zostać poprawiona dzięki korzystniejszej relacji nakładów inwestycyjnych do uzyskanej mocy cieplnej. Jednocześnie zmniejszenie zużycia surowców i energii związanej z wykonywaniem odwiertów wspiera cele zrównoważonego rozwoju. – Tym projektem kładziemy podwaliny pod bardziej efektywne i opłacalne systemy geotermalne oraz wnosimy istotny wkład w dekarbonizację i osiąganie celów klimatycznych w Niemczech – ocenia Berthold.
Nowe możliwości zastosowań dzięki mniejszej głębokości wierceń
Redukcja wymaganej głębokości odwiertów otwiera nowe możliwości lokalizacji instalacji geotermalnych w regionach, które dotychczas były uznawane za mniej odpowiednie ze względów geologicznych. Krótsze sondy i mniejsze ingerencje w podłoże mogą ułatwić planowanie oraz uzyskiwanie pozwoleń, a także obniżyć bariery techniczne i ekonomiczne dla inwestorów.
Szersze wykorzystanie geotermii jako stabilnego odnawialnego źródła energii ma w tym kontekście znaczenie systemowe. Poprawa charakterystyk materiałowych rur, a tym samym sond geotermalnych, może przyczynić się do zwiększenia udziału technologii gruntowych pomp ciepła w miksie energetycznym, zwłaszcza na obszarach zurbanizowanych i w modernizowanych systemach grzewczych.
The “EWS.MWCNT” research project is developing PE-CNT pipes with improved thermal conductivity. (Photo: SKZ)
Ocena toksykologiczna i możliwości dalszych zastosowań
Aby zapewnić bezpieczne użytkowanie, nowe rury są od początku projektu poddawane ocenie toksykologicznej. Analizowane są potencjalne oddziaływania nanokompozytu na zdrowie ludzi i środowisko w całym cyklu życia produktu. W dłuższej perspektywie pozytywne wyniki takich badań mogą umożliwić zastosowanie rozwijanego materiału również w innych obszarach, w tym w systemach zaopatrzenia w wodę pitną.
Opracowywana w ramach projektu metodologia oceny toksyczności ma mieć charakter możliwy do przeniesienia na inne nanokompozyty, co w ujęciu ogólnym może zwiększyć poziom bezpieczeństwa nowoczesnych nanomateriałów w różnych zastosowaniach przemysłowych. Dodatkowo, możliwość celowej regulacji przewodności cieplnej materiału stwarza podstawy do projektowania sond geotermalnych dostosowanych do lokalnych warunków geologicznych i specyficznych wymagań instalacji.
Takie podejście ma umożliwić lepszą optymalizację systemów geotermalnych pod kątem efektywności energetycznej i trwałości eksploatacyjnej. Elastyczność w doborze parametrów materiału tworzywowego, przy zachowaniu rygorystycznych wymagań bezpieczeństwa, może stać się istotnym elementem dalszego rozwoju technologii płytkiej geotermii.
Finansowanie i horyzont czasowy projektu
Projekt EWS.MWCNT jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii Niemiec (BMWi) w ramach Centralnego Programu Innowacji dla MŚP (ZIM). Został on objęty dofinansowaniem pod numerem 16KN102921 na okres od 1 grudnia 2024 r. do 31 maja 2027 r. Środki te umożliwiają realizację kompleksowego programu badawczo-rozwojowego obejmującego zarówno opracowanie materiału i technologii przetwórstwa, jak i metody oceny właściwości cieplnych oraz bezpieczeństwa środowiskowego nowego rozwiązania.
Wyniki projektu mają przyczynić się do rozwoju bardziej efektywnych i zrównoważonych systemów geotermalnych, wspierając realizację celów transformacji energetycznej i redukcji emisji gazów cieplarnianych.
