Os sistemas geotérmicos são uma tecnologia chave para o aquecimento e arrefecimento ecológicos.

Em tempos de transição energética, os agricultores podem ter um papel completamente novo. Há milhares de anos, eles contribuem para o abastecimento alimentar das pessoas através de culturas, mas agora, com esse trabalho, essa ajuda pode ser ainda mais profunda. Um novo conceito tecnológico para coletores de superfície acoplados ao solo está no bom caminho para reduzir ou substituir a utilização de combustíveis fósseis no setor do aquecimento/arrefecimento. Essa forma de extração de energia geotérmica, em que o calor ou o frio é “colhido” do solo de terras agrícolas a uma profundidade de dois metros, é chamada de energia agrotérmica.

O conceito tecnológico da energia agrotérmica é a dupla utilização de uma mesma área agrícola para energia e produção agrícola. Por meio da criação de valor local, a energia agrotérmica contribui significativamente para a transição térmica e, portanto, para a proteção climática. A cátedra de Tecnologia de Sistemas Agrícolas da TU Dresden reconheceu este potencial juntamente com a Doppelacker GmbH Petershagen como parte do 7º Programa de Pesquisa Energética do Governo Federal, e agora está trabalhando na implementação técnica.

Para desenvolver a energia geotérmica próxima à superfície em áreas agrícolas, um arado especial coloca tubos coletores de terra a uma profundidade de dois metros. A curva de temperatura do solo varia entre cerca de 5 graus no inverno e 15 graus no verão. Os coletores atuam como trocadores de calor e transferem o calor geotérmico extraído para a rede de calor frio, que alimenta bombas de calor ou máquinas de refrigeração através de estações de transferência domésticas. Os coletores também podem ser usados ​​como refrigeradores secos.

400 megawatts-hora de energia geotérmica por hectare e ano

Em comparação com pequenos lotes de habitações unifamiliares, os terrenos agrícolas permitem a construção de sistemas coletores muito maiores e podem contribuir decisivamente para a transição térmica e, portanto, energética. Com uma taxa fixa de extração de calor de 200 quilowatts por hectare e 2 mil horas completas de operação por ano, um hectare fornece 400 mil quilowatts-hora de energia térmica. Isso substitui 40 mil litros de óleo para aquecimento e economiza cerca de 84 toneladas de dióxido de carbono por ano.

O professor Thomas Herlitzius, que trabalha voluntariamente na VDI como chefe do grupo de trabalho de tecnologia de sistemas agrícolas (associação distrital de Dresden), da Sociedade Max Eyth de Tecnologia Agrícola, tem pesquisado e testado a implementação do conceito de tecnologia para energia agrotérmica com seu instituto desde 2008. Como o mercado mundial não oferece arados ou fresadoras adequadas para a colocação de tubos coletores, a Herlitzius decidiu desenvolvê-los internamente e está trabalhando com a Doppelacker GmbH. “O sistema de máquinas atualmente em uso, o chamado tecelão de coletores, insere os coletores de superfície no solo arável de modo que fiquem dois metros abaixo da profundidade das raízes das culturas relevantes. Isso garante que não haja colisões com outras máquinas de lavoura agrícola e que o uso agrícola possa continuar sem impedimentos imediatamente após a instalação”, explica Herlitzius.

O tecelão coletor, que pesa cerca de 25 toneladas, pode ser transportado em caminhões baixos padrão. Graças às suas vibrações direcionadas na direção do deslocamento, integradas na ferramenta de solo, a necessidade de força de tração é reduzida. O assentamento é realizado por meio de cinemática em tempo real e registrado. Soluções para gerenciamento de obstáculos, controle remoto de funções parciais e uso de sensores para avaliação digital completam as possibilidades técnicas do tecelão de coletores.

O comissionamento e testes graduais dos conjuntos funcionais começaram em 2021. Após várias séries de testes em condições de campo, o tecelão coletor está pronto para uso, mas ainda não está pronto para o mercado. Herlitzius e os desenvolvedores do Doppelacker têm um objetivo comum de atingir a maturidade do mercado para a tecnologia de assentamento a partir de 2026.

Monitoramento confiável da operação da planta

Para que o tecelão coletor seja amplamente utilizado, segundo Jens Kluge, diretor administrativo da Doppelacker GmbH, falta um monitoramento operacional qualificado dos sistemas piloto e de referência em Wüstenrot na Suábia e Neumarkt no Alto Palatinado. Também é preciso investigar cientificamente quais as consequências tecnológicas e os impactos ambientais associados a este tipo de utilização de energia geotérmica”.

Olhando para o futuro, ele está otimista. “A procura do mercado continua. Recebemos, constantemente, perguntas de partes interessadas que assumem que a solução já é de última geração”, relata Jens. Mas antes que respostas cientificamente confiáveis ​​para as questões em aberto possam ser encontradas, a operação de plantas piloto deve ser medida profissionalmente em uma escala apropriada para a indústria.

 Distribuição de temperatura no solo

De acordo com o Prof. Thomas Foken, da Universidade de Bayreuth, as bombas de calor são um meio muito eficaz de geração de calor, especialmente quando a fonte de calor é quase inesgotável, como o ar, as águas subterrâneas correntes ou a energia geotérmica. “Os coletores de calor próximos à superfície do solo devem ser vistos de forma mais crítica. Se olharmos para a radiação e os fluxos de energia no sistema climático, tal como estão contidos em todos os livros de meteorologia ou climatologia, perderemos informações sobre o solo. A razão é que o solo aquece nos meses de verão e libera esse calor de volta para o ar ou para a evaporação da água no inverno. Portanto, não há ganho de energia”, relata.

“Durante o dia, o solo aquece entre o nascer e o pôr do sol e depois esfria novamente. Como há até 15 horas de sol em nossas latitudes no verão, o solo aquece de forma particularmente forte. Devido à baixa condução de calor do solo, esse calor só chega a 10 m de profundidade no inverno. No inverno, com apenas um máximo de 7 horas de sol, o solo esfria de forma particularmente forte, especialmente porque o ângulo de incidência do sol é pequeno e muitas vezes está nublado. Isso significa que o solo aquece entre o final de março e o início de setembro e esfria nos meses de inverno. Este fato está documentado em livros especializados relevantes e na literatura especializada há cerca de 100 anos”, argumenta Foken.

Na VDI 4640 Folha 2 “Aproveitamento térmico do subsolo – Sistemas de bomba de calor acoplados à terra” são especificados “os valores máximos da potência de extração específica da área e da energia de extração”. Para atingir esses valores, é importante garantir que o solo esteja bem umedecido, para que a capacidade de calor e a condução de calor estejam particularmente altas.

Em 2024, uma diretriz para medir essas variáveis será desenvolvida por um grupo de trabalho da VDI e DIN e será publicada como VDI 3786 Folha 25 “Meteorologia Ambiental; Medições de temperatura e umidade no solo”. O motivo para a criação da diretriz foi a crescente importância das propriedades do solo nos cálculos de dispersão e na climatologia urbana causada pelas mudanças climáticas.