Výzkumný úkolu TA ČR 1020348
Spoluřešitelé: Isatech, ČGS, Arcadis Geotechnika, ÚSMH AV ČR, Technická univerzita v Liberci
2011-2014

V projektu RESEN byla provedena analýza běžných hornin z území České republiky. Na vzorcích ze 41 lokalit byly změřeny geomechanické vlastnosti. Byly vybrány 4 sedimentární horniny, 12 vulkanitů, 9 plutonitů a 16 metamorfovaných hornin. Pro srovnání byl testován i vzorek běžného betonu. Deset vhodných kandidátů bylo vybráno k širšímu zkoumání a k analýze tepelných vlastností. Optimální horninou pro tepelná úložiště byl vyhodnocen granit z lokality Panské Dubenky. Tento granit vykazuje nejvyšší tepelnou kapacitu a nejnižší pokles tepelné vodivosti s rostoucí teplotou. Zároveň byla prokázána jeho stabilita při opakované tepelné zátěži při teplotách 400 °C.

S cílem zlepšení tepelné vodivosti materiálu tepelného úložiště byl vyvíjen vysoce tepelně vodivý materiál založený na směsi geopolymeru s grafitem. Přesněji směsi vodního skla, metakaolinu a vločkového grafitu různých velikostí. Materiál je tepelně odolný a má 6 až 10× vyšší vodivost oproti běžným horninám. Cyklický ohřev TVG prokázal stabilitu do 400 °C za přítomnosti atmosférického kyslíku. Tepelná stabilita základního geopolymeru je více než 800 °C, ale maximální pracovní teplota je limitována vodivými aditivy, které jsou oxidovány při teplotách nad 400 °C. Tepelná vodivost a kapacita vzorků užívaných materiálů byla změřena přístrojem Hot Disk Thermal Constants Analyser. Výsledné hodnoty jsou 19,7–23,3 W∙m⁻¹K⁻¹ a 1,05–1,51 MJ∙m⁻³K⁻¹ v závislosti na rozložení zrnitostních frakcí užitých aditiv. Ostatní parametry tepelně vodivé hmoty jsou: objemová hmotnost 1150 kg∙m⁻³; pórovitost 40 %; pevnost v prostém tlaku 4 MPa.

Experimentální teplené úložiště využívající kombinaci granitových kostek a tepelně vodivého geopolymeru bylo sestaveno na pracovišti ÚSMH a podrobeno opakovaným zátěžovým zkouškám. Získaná data byla využita pro sestavení numerického modelu v sw. COMSOL Multiphysics a porovnáno s objemově totožným úložištěm využívající betonový nebo granitový monoblok.

Černý, M. (2014). Matematické modelování termodynamických úloh. In Sborník příspěvků XIV. hydrogeologického kongresu a II. inženýrskogeologického kongresu, Liberec, ČR, 2.-5.9.2014. Technická univerzita v Liberci. ISBN 978-80-903635-4-0.

Černý, M. (2014). Vysokoteplotní akumulátor tepla s geopolymerem. TZB‑info, roč. 27, č. 16, s. 1-10. ISSN: 1801-4399.

Černý, M., Uhlík, J., Nosek, J., Lachman, V., Hladký, R., Franěk, J., & Broz, M. (2014).  Evaluation of New Thermally Conductive Geopolymer in Thermal Energy Storage. In International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2013). (A. Y. Oral, Z. B. Bahsi, & M. Ozer, Eds.) Springer Proceedings in Physics (Vol. 155). Springer International Publishing. DOI: 10.1007/978-3-319-05521-3_32

Výzkumný úkol MPO FR-TI4/269
Spoluřešitelé: Arcadis Geotechnika, Isatech, GME, Technická univerzita v Liberci
2012-2016

Cílem projektu bylo vyvinout účinný teplosběrný kolektor, který je součástí ostění podzemních liniových staveb. Kolektor současně plní hydroizolační funkci.
Účinnost teplosběrného kolektoru je zvětšena užitím vyvinuté tepelně vodivé hmoty. Vodotěsnost, požadovaná v podzemním stavitelství, je zajištěna užitím hmoty na bázi polyurey.

Matematické modelování transportu tepla přispělo k optimalizaci geometrie tepelného kolektoru, vyhodnocení prováděných experimentů a k výpočtům získaného tepla z liniových podzemních staveb.

Černý, M., Uhlík, J., Nosek, J., Lachman, V., Hladký, R., Franěk, J., & Broz, M. (2014).  Evaluation of New Thermally Conductive Geopolymer in Thermal Energy Storage. In International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2013). (A. Y. Oral, Z. B. Bahsi, & M. Ozer, Eds.) Springer Proceedings in Physics (Vol. 155). Springer International Publishing. DOI: 10.1007/978-3-319-05521-3_32

Černý, M., Uhlík, J., Sosna, K. (2015). Estimating the Geothermal Potential of the Tunnel lining Heat Exchanger Enhancement with Thermally Conductive Matter. The Third Sustainable Earth Sciences Conference and Exhibition, Celle, DE. DOI: 10.3997/2214-4609.201414278

Sosna, K., Černý, M. (2017) Výzkum získávání geotermální energie z tunelových staveb. Geotechnika. Praha, 2017, 20(1), 19-31. ISSN 1211-913X.

Výzkumný úkol FV10511
Spoluřešitelé: SG Geotechnika, Technická univerzita v Liberci, Watrad
2016-2019

Hlavní náplní projektu byl vývoj injekční směsi pro geotermální vrty s uzavřenou smyčkou teplonosné kapaliny a vyhodnocení in-situ experimentů jímání tepla. Během projektu byly analyzovány nově vyvinuté i komerční směsi. Byly zkoumány jejich mechanické a fyzikální vlastnosti, nutné pro injektáž, tak i přenos tepla. Na experimentálním polygonu v Jihlavě byly vyhotoveny dva vrty a jeden plošný kolektor. Všechny tři tepelné výměníky byly realizovány systémem uzavřené jímací smyčky. Během experimentů byly zaznamenávány údaje o průtoku a teplotě až z 60 čidel. Pro prostorově distribuovaný matematický model byl využit software COMSOL Multiphysics.

Černý, M., Sosna, K., Skálová, J., Nosek, J. (2017). Matematické modelování dlouhodobého provozu tepelných čerpadel země-voda. In Sborník příspěvků XV. hydrogeologického kongresu, Brno, ČR, 4.-7.9.2017. Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity. ISBN 978-80-903635-5-7.

Sosna, K., Černý, M., Semíková, H., Pluhař, T. (2019). Monitoring and numerical modeling of long-term geothermal heat pump operation. In Sergio A.B. da Fontoura, Rocca R., J., Mendoza, J. P., eds. (2019). Rock Mechanics for Natural Resources and Infrastruktuře Development – Full Papers: Proceedings of the 14th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering (ISRM 2019), September 13-18, 2019, Foz do Iguassu, Brazil. ISBN 9781000758375. 3750 pp.

Sosna K., Černý M., Semíková H., Pluhař T. (2022): Vývoj injekční směsi, monitoring a model provozu pro geotermální jímání tepla na výzkumném polygonu v Jihlavě. HG-IG kongres 2022, Ústí nad Labem.