Energia geotermalna - Politechnika Częstochowska
advertisement
TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ENERGY ENGINEERING LABORATORY ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WPROWADZENIE Ziemia jest podzielona na warstwy: zewnętrzną zwaną skorupą ziemską lub litosferą środkową zwaną płaszczem Ziemi oraz wewnętrzną zwaną jądrem Ziemi. Litosfera i płaszcz tworzą oddzielne płyty, które przemieszczają się wzajemnie. Strumienie materiału poniżej płaszcza powodują, że płyty te są przesuwane od siebie lub do siebie. Kiedy płyty oddalają się od siebie magma wypływa ku górze kształtując nowy materiał w skorupie ziemskiej, gęstniejąca magma i poruszające się razem płyty formułują fałdy górskie. Jeżeli jedna płyta wchodzi pod drugą kształtowany jest rów głębinowy. TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY CYKL HYDROLOGICZNY Geotermalna woda podobnie jak woda zimna przemieszcza się. Po wpadnięciu do Ziemi formułuje wody podziemne. Gorące podłoża i magma ogrzewają wody podziemne, które wskutek tego podnoszą się w kierunku powierzchni Ziemi. Zimniejsza woda gruntowa przepływając z góry przenika do podłoża. To tworzy podstawę cyklu wodnego. W ten sposób ciepło jest przenoszone z gorącego podłoża w Ziemi do wyższych warstw i kształtowane są obszary geotermiczne. Kiedy woda jest podgrzewana pod ziemią to ulegają rozkładowi różne minerały, które nadają jej charakterystyczny zapach. Substancje rozłożone w geotermicznej gorącej wodzie są wykorzystywane w badaniach nad energią geotermalną. Poprzez mierzenie koncentracji materiałów w wodzie, otrzymujemy informacje o temperaturze wody w Ziemi, na podstawie badań możemy oszacować potencjalne wykorzystanie tego obszaru Istnieją dwa typy geotermicznych obszarów: nisko – temperaturowe i wysoko – temperaturowe obszary. Ten podział oparty jest na geologicznych cechach obszarów. TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Nisko- i wysoko- temperaturowe obszary Ogólna definicja niskotemperaturowych obszarów jest taka, że temperatura tych obszarów jest niższa niż 150oC przy głębokości ok.. 1000 m.Temperatura najwyższa na obszarach nisko- temperaturowych leży najbliżej pasa wulkanicznego i obniża się oddalając się od tego obszaru. Z powodu niskiej koncentracji minerałów w wodzie na obszarach nisko- temperaturowych woda może być bezpośrednio wykorzystywana do dostarczania ciepłej wody wodociągowej zaakceptowanej do picia. Związki mineralne nadają wodzie szczególne właściwości. Wysoko- temperaturowe obszary znajdują się tylko na czynnych wulkanicznych pasach albo wzdłuż ich obrzeży. Temperatura wody nie jest mniejsza niż 200oC przy głębokości 1000m. Działalność tych obszarów jest dużo bardziej zróżnicowana od obszarów nisko- temperaturowych. Woda na obszarach wysoko- temperaturowych podgrzewa się na skutek kontaktu z gorącą podstawą, która jest ogrzewana przez magmę. Z powodu wysokiej temperatury znacznie więcej minerałów i gazów rozkładane jest w wodach na obszarach wysokotemperaturowych. Z tego powodu woda ta nie jest wykorzystywana bezpośrednio. Wysokie ciśnienie pary i potężna siła termiczna są dobrze dopasowane do podgrzewania wody w sieci wodociągowej i do wytwarzania elektryczności. TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY W poprzednich stuleciach użytkowanie ciepła geotermicznego było ograniczone głównie do kąpania i prania TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Pod pojęciem energii geotermicznej rozumiemy energię cieplną zawartą w skałach, wodach i parach geotermalnych. EKOPROFIT grudzień 2001 Energię cieplną zawartą w wodach i parach występujących w skałach nazywamy energią geotermalną. TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Coraz więcej krajów świata zainteresowanych jest wykorzystaniem u siebie energii pochodzącej z czystych zasobów odnawialnych. PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ I ZASTOSOWANIE BEZPOŚREDNIE ENERGII GEOTERMALNEJ NA ŚWIECIE W 1999 R. wg J. Lunda i D.H. Frestona (2000) Produkcja energii elektrycznej Zainstalowana moc Zastosowanie bezpośrednie Produkcja całkowita Zainstalowana moc Produkcja całkowita MWe GWh/rok % MWt GWh/rok % Afryka 54 379 1 121 492 1 Ameryka 3 390 23 342 47 5 954 7 266 14 Azja 3 095 17 509 35 5 151 22 532 44 Europa 998 5 745 12 5 630 19 090 37 Oceania 473 2 269 5 318 2 049 4 razem 7 974 49 269 100 17 174 51 429 100 EKOPROFIT grudzień 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ZASOBY ENERGII GEOTERMALNEJ W POLSCE Obszar Polski cechuje się umiarkowanymi wartościami głównych parametrów geotermalnych. Są one zbliżone jak w większości innych krajów europejskich. Naturalny strumień cieplny Ziemi waha się w zakresie 20-90M/m2, natomiast gradienty geotermalne wynoszą 1-4°C/100 m (Plewa 1994). Wyróżniono trzy prowincje geotermalne, w skład, których wchodzą rozległe geologiczne baseny sedymentacyjne zawierające liczne zbiorniki wód geotermalnych. Łączna ich powierzchnia wynosi ok. 250000 km2, to jest ok. 80% powierzchni kraju (Ney i Sokołowski 1987). • Prowincja Niżu Polskiego. Zajmuje powierzchnię 222 000 km2 i zawiera siedem regionów geotermalnych (zbudowanych ze skał wieku od paleozoiku do kredy). Temperatury złożowe wynoszą od 30 do 130°C (głębokości 1 - 3 km). Mineralizacja ogólna wód waha się w szerokim zakresie od 1 do 300 g/I. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 6 225 km3 wód zawierających energię cieplną równoważną 32 458 mln toe. • Prowincja przedkarpacka. Zajmuje powierzchnię 17 000 km2. Wody geotermalne występują w skałach mezozoiku i trzeciorzędu. Temperatury złożowe wynoszą od 25 do 50°C. Mineralizacja ogólna wód jest zmienna, wahając się w zakresie od 1 do 100 g/I, Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 361 km3 wód zawierających energię cieplną równoważną 1 555 mln toe. • Prowincja karpacka. Zajmuje powierzchnię 12 000 km2. Wody geotermalne występują w skałach mezozoiku i trzeciorzędu. Mineralizacja ogólna wód zmienia się od 0,1 do 100 g/I. Zasoby geotermalne oszacowano na ponad 100 km3 wód zawierających energię cieplną równoważną 714 mln toe. Mapa okręgów i subbasenów geotermalnych Polski wg. J. Sokołowskiego ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 ZASOBY ENERGII GEOTERMALNEJ W POLSCE ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 Przekrój geologiczny przez Polskę ilustrujący występowanie zbiorników geotermalnych wg J. Sokołowskiego (1992) Trzeciorzęd i czwartorzęd kreda jura trias EKOPROFIT grudzień 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Klasyfikacja zasobów energii geotermalnej Zasoby statyczne energii geotermalnej na Niżu Polskim. Zasoby statyczne energii geotermalnej dla mezozoicznych zbiorników: dolnokredowego, jurajskiego, górno- i dolno triasowego na Niżu Polskim wynoszą 5,9x1012 J.Rozkład zasobów statycznych obejmuje wszystkie klasy temperaturowe wód geotermalnych z wartością 3,7x1012 J dla klasy do 60 oC; 1,3x1021 J dla wód o temperaturach w przedziale 60-80°C i 0,9x1021 J dla wód o temperaturze powyżej 80°C. Zasoby statyczne wydobywalne energii geotermalnej na Niżu Polskim. Zasoby statyczne wydobywalne energii geotermalnej dla mezozoicznych zbiorników: dolnokredowego, jurajskiego, górno- i dolno triasowego na Niżu Polskim wynoszą 10,2x1020 J. Rozkład zasobów statycznych wydobywalnych w poszczególnych przedziałach temperaturowych dla mezozoicznych wód geotermalnych jest następujący: do 60°C - 47,9x1019 J; 60-80°C 29,8x1019 J i powyżej 80°C - 24,9x1019 J. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Klasyfikacja zasobów energii geotermalnej Zasoby dyspozycyjne energii geotermalnej na Niżu Polskim. Zasoby dyspozycyjne formacji dolnokredowej i dolnojurajskiej na Niżu Polskim wynoszą 2,1x1018 J/rok, co odpowiada wielkości 48 mln TOE/rok. Całkowite zasoby dyspozycyjne energii geotermalnej zbiornika górnojurajskiego wynoszą 2,23x1017 J/rok, co odpowiada 5,08x106 TOE/rok. Najwyższy udział w całkowitych zasobach dyspozycyjnych mają wody w klasie temperatur 60-80 oC (ok.50,0%) oraz 80100°C (ok. 38,0%). Zasoby dyspozycyjne energii geotermalnej zbiornika środkowojurajskiego wynoszą 9,99x1017 J/rok, co odpowiada 2,27x107 TOE/rok. Całkowite zasoby dyspozycyjne energii geotermalnej zbiornika górnotriasowego osiągają wielkość 7,61x1017 J/rok, co odpowiada 1,73x107 TOE/rok. Maksymalna wielkość zasobów 3,22x1017 J/rok dotyczy wód z przedziału 80-100°C. Wyliczona wielkość całkowitych zasobów dyspozycyjnych energii geotermalnej zbiornika dolnotriasowego wynosi 25,86x1017 J/rok, co odpowiada 5,88x107 TOE/rok. Zasoby dyspozycyjne obejmują wody w klasie temperatur od 40oC do 160°C; z maksymalną wielkością zasobów. Notowane tu skrajne klasy (tj. wody do 60°C i powyżej 160°C) stanowią do 6% całości wyliczonych zasobów. Całkowita wielkość zasobów dyspozycyjnych energii geotermalnej w zbiornikach mezozoicznych na Niżu Polskim wynosi 66,8x1017 J/rok, co jest równowartością około 152x106 TOE/rok. Wielkość obliczonych zasobów dyspozycyjnych energii geotermalnej w zbiornikach mezozoicznych na Niżu Polskim można korelować z wartością zasobów energii geotermalnej obliczoną dla obszaru Europy. Szacuje się, że wielkość eksploatacyjnych zasobów energii geotermalnej na około 6x1019 J/rok (co odpowiada 1430x106 TOE/rok). ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Klasyfikacja zasobów energii geotermalnej Zasoby eksploatacyjne energii geotermalnej. Wielkość zasobów eksploatacyjnych wód geotermalnych sprowadza się do udokumentowania realnej i racjonalnej możliwości eksploatacji wód z określoną wydajnością w ustalonym lub nieograniczonym przedziale czasowym z oceną ilości zasobów odzyskanej energii. Przy ocenie wielkości zasobów eksploatacyjnych i możliwości budowy instalacji geotermalnych należy wziąć pod uwagę następujące uwarunkowania: • energia uzyskana z wód geotermalnych może być wykorzystywana w miejscach wydobywania wód. Zasoby eksploatacyjne będą, więc ograniczone do rejonów miast i miejscowości, rejonów przemysłowych, rolniczych i rekreacyjno-wypoczynkowych. • ze względu na znaczną kapitałochłonność inwestycji geotermalnych, lokalny rynek ciepłowniczy powinien być bardzo atrakcyjny, zdolny do przyciągnięcia inwestorów • budowa instalacji geotermalnych w naturalny sposób ograniczona jest do obszarów, gdzie występują wody geotermalne o optymalnych własnościach. Przy założeniu, że wykorzystane zostanie od 1,5 do 2,5% zasobów dyspozycyjnych z geotermalnych zbiorników mezozoicznych, to wielkość zasobów eksploatacyjnych wyniosłaby 2,3-3,8 mln TOE/rok. Stanowi to równowartość zasobów energii dla 200-330 instalacji geotermalnych, z których każda produkuje rocznie 500 TJ ciepła. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY OGÓLNE ZASADY ZAGOSPODAROWANIA ENERGII WÓD GEOTERMALNYCH Zapotrzebowanie ciepła przez odbiorców jest zmienne w czasie. Dotyczy to w szczególności zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń, którego ilość zależy od temperatury zewnętrznej. Podstawą określenia ilości ciepła grzejnego jest wykres uporządkowany. Przy sporządzaniu uporządkowanego wykresu zapotrzebowania ciepła należy, uwzględnić pobór ciepła technologicznego przez zakłady przemysłowe, rolnictwo, rzemiosło i innych odbiorców. Wykres ten jest bardzo pomocny przy ustalaniu koncepcji i projektowaniu struktury źródła ciepła, zwłaszcza przy wyborze systemów do odbioru energii z wód geotermalnych. Systemy te zależą od parametrów wykorzystywanej wody geotermalnej i potrzeb użytkowników wynikających z przebiegu krzywej uporządkowanej. Możliwe są tutaj 3 podstawowe układy. -układ monowalentny, w którym całe ciepło grzejne jest pobierane z instalacji geotermalnej. Moc zainstalowana w źródle jest dostosowana do maksymalnego zapotrzebowania na moc cieplną, określoną dla obliczeniowej temperatury zewnętrznej. Wadą tego systemu jest niska wartość rocznego współczynnika wykorzystania mocy dyspozycyjnej źródła, co prowadzi do wzrostu kosztu pozyskiwanego ciepła. Układ ten można stosować przy wysokiej temperaturze wody geotermalnej (około 100 °C) lub kaskadowym wykorzystaniu entalpii wody w różnych urządzeniach grzejnych i technologicznych. cd..... ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY OGÓLNE ZASADY ZAGOSPODAROWANIA ENERGII WÓD GEOTERMALNYCH -układ biwalentny, w którym źródło geotermalne wspomagane jest kotłami konwencjonalnymi. W układzie tym możliwe jest pełniejsze wykorzystanie mocy dyspozycyjnej źródła geotermalnego przez cały okres grzewczy. Jedynie w okresie szczytowego zapotrzebowania, uzupełniającą ilość ciepła grzejnego dostarcza kotłownia. Poza sezonem ogrzewczym źródło geotermalne dostarcza ciepło jedynie dla przygotowania ciepłej wody użytkowej lub technologicznej, w ilości zależnej od zapotrzebowania. Układ ten umożliwia uzyskanie wysokich wartości współczynnika wykorzystania ujęcia geotermalnego i dlatego jest często stosowany. Jako szczytowe źródło ciepła można wykorzystać istniejące kotłownie. Przy konieczności budowy nowego szczytowego źródła ciepła rosną nakłady inwestycyjne. -układ kombinowany, w którym część zapotrzebowania odbiorców ciepła zaspokajana jest przez instalację geotermalną (ogrzewanie niskotemperaturowe) a pozostała część przez kotłownię konwencjonalną (ogrzewanie tradycyjne). Przez powiązanie obu systemów możliwe jest znaczne zwiększenie stopnia wykorzystania mocy źródła geotermalnego, które poza sezonem ogrzewczym, po wygaszeniu kotłów, przejmuje na siebie przygotowanie ciepłej wody użytkowej lub technologicznej dla wszystkich odbiorców. Można wówczas uzyskać prawie pełne wykorzystanie mocy dyspozycyjnej instalacji geotermalnej, co wpływa na obniżenie kosztów pozyskiwania ciepła. Przedstawione w ogólnym zarysie schematy stanowią podstawowe sposoby zagospodarowania ciepła geotermalnego. Szczegółowe rozwiązania i wynikające stąd efekty techniczno - eksploatacyjne i ekonomiczne uzależnione są ściśle od lokalnych warunków geotermalnych oraz możliwości zagospodarowania okresowych nadwyżek ciepła geotermalnego, występujących zwłaszcza poza sezonem ogrzewczym. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 WYKORZYSTANIE ENERGII GEOTERMALNEJ Maksymalne wykorzystanie Miejscowość Wydajność Sposób wody wykorzystania geotermalnej [kg/s] Roczne wykorzystanie Temperatura [OC] wejście Średnia wydajność wody wyjście geotermalnej [kg/s] Zużycie Współczynnik energii1) wykorzystania [TJ/r] Bańska-B. Dunajec D+G+F+Aa) 16 82 58 11 21,0 0,4 Zakopane B 36 26-36 25 18 14 0,6 Pyrzyce D 103 61 25 51 100 0,3 Cieplice Zdr. B 7,5 36-39b) 26 6,0 10 0,8 Lądek Zdr. B 11 20-28s 44w 20 10,8 16,8 0,8 Duszniki Zdr. Oc) 5,5 19-21 19-20 5,5 0,3 0,5 Ciechocinek B 56,8 27-29 20 4,2 2,8 0,1 Konstancin B 2,5 29 12 0,1 0,2 0,1 Ustroń B 0,9 28 11 0,4 0,58 0,3 Iwonicz Zdr. Od) 3 21 10 0,4 0,58 0,2 Mszczonów D 11 40 15 11 5,0 0,5 C- klimatyzacja, A- suszenie produktów rolnych, F- hodowla ryb i innych zwierząt, D- ciepłownictwo, B- kąpieliska, pływalnie, balneologia, G- szklarnie, o-inne; 1)Zużycie energii (TJ/r)=średnia roczna wydajność wody (kg/ś)*[Temp. Na wejściu (oC)-Temp. Na wyjściu (oC)]*0,1319 a) Zakład Bańska-Biały Dunajec pracuje w systemie kaskadowym: centralne ogrzewanie (D) stosuje ciepło odzyskiwane bezpośrednio z wody geotermalnej (17TJ/r), podczas gdy inne sposoby (A,F,G) bazują na cieple zawartym w wodzie powrotnej z sieci c,o, (4TJ/r); b)mieszanina wód o temp. 20-62oC ze źródeł i otworów; c)odzysk CO2 z ciepłej solanki; d)produkcja soli jodowo-bromowych i kosmetycznych; s-źródła w-otwór wiertniczy ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Sposoby bezpośredniego wykorzystania energii geotermalnej w Polsce (na podstawie: Kępińska i in. 2000) Sposób wykorzystania Zainstalowana moc cieplna1) MWt Zużycie energii2) TJ/r 1 Ciepłownictwo 23,0 122,0 2 Kąpieliska/balneologia 20,0 44,4 3 A+G+F (kaskadowe) 1,0 4,0 4 Inne a) 0,3 1,0 RAZEM(1-4) 44,3 171,4 Pompy ciepła 26,2 108,3 RAZEM (1-5) 70,5 279,7 5 1) Zainstalowana moc cieplna (MWt) = Maksymalna wydajność wody (kg/s)*[Temp. na wejściu (oC)- Temp. na wyjściu (oC)]*0,004184; 2)Zużycie energii (TJ/r)= średnia roczna wydajność wody (kg/s)*[Temp. na wejściu (oC)- Temp. na wyjściu (oC)]*0,1319; a)- odzysk CO2 i soli z solanek geotermalnych ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY Kąpielisko w Laugardalur wykorzystujące energii geotermalną TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ISTNIEJĄCE INSTALACJE GEOTERMALNE Do października 2001 w Polsce zbudowano i uruchomiono trzy duże instalacje geotermalne. Najstarszą polską instalacją geotermalną jest instalacja w Bańskiej Niżnej na Podhalu. Instalację tę budowano i uruchamiano w latach 1989-1994 w pobliżu istniejącego od roku 1981 odwiertu Bańska IG-1. Otwór ten pełni obecnie rolę otworu wydobywczego współpracującego z otworem zatłaczającym Biały Dunajec PAN-1 wykonanym w roku 1990. Schemat tej instalacji przedstawia rys. 3. Zbiornikiem wód geotermalnych są wapienie i zlepieńce eoceńskie, dolomity i piaskowce jurajskie zalegające na głębokości 2000-3000 m. Skały te tworzą zbiornik artezyjski. Samoistny wypływ wody geotermalnej eliminuje konieczność stosowania w ciepłowni pomp głębinowych. Od roku 1993 najpierw Doświadczalny Zakład Geotermalny, a następnie spółka akcyjna PEC Geotermia Podhalańska, wykorzystują tę instalację do ogrzewania zespołu około 200 budynków, kościoła i szkoły w Bańskiej Niżnej. Woda geotermalna z tej instalacji zasila także doświadczalny system kaskadowy złożony z: suszarni drewna, szklarni, budynku hodowli ryb, tuneli foliowych i basenu. Ta eksperymentalna część instalacji pozwala prowadzić badania nad efektywnym wykorzystaniem energii geotermalnej. Moc cieplna eksploatowanej ciepłowni wynosi około 9 MWt ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 Schemat ciepłowni geotermalnej w Bańskiej Niżnej. Rys. 3. 4 5 6 3 7 8 1 2 1–otwór wydobywczy; 2–otwór zatłaczający; 3–wymiennik geotermalny; 4–budynki w Bańskiej Niżnej; 5– suszarnia drewna; 6–szklarnia parapetowa; 7–budynek hodowli ryb i zbiornik technologiczny; 8–tunele foliowe. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ISTNIEJĄCE INSTALACJE GEOTERMALNE W związku z realizacją planu uciepłowniania Podhala, w drugiej połowie lat 90. rozpoczęto prace przy budowie nowego geotermalnego systemu ciepłowniczego, zdolnego zaspokoić potrzeby cieplne Zakopanego, Nowego Targu oraz okolicznych miejscowości. W latach 1996-1998 wykonano dwa nowe otwory stanowiące dublet: Bańska PGP-1 i Biały Dunajec PGP-2, oraz wybudowano nowoczesną ciepłownię geotermalną wyposażoną w geotermalne wymienniki ciepła (rys.4).Obecnie trwają końcowe prace nad połączeniem ujęcia geotermalnego w Bańskiej Niżnej z centralną kotłownią w Zakopanem. Budowana przesyłowa sieć ciepłownicza jest pionierskim przedsięwzięciem zważywszy na to, że skrajna różnica poziomów pomiędzy źródłem ciepła a położonymi wyżej odbiorcami ma wynosić około 260 m. Równolegle trwają prace obejmujące budowę ciepłowniczych sieci dystrybucyjnych w Białym Dunajcu i Zakopanem oraz podłączenie do nich odbiorców w obu tych miejscowościach. W dalszej perspektywie planowane jest wykonanie kolejnych odwiertów oraz dalsza rozbudowa sieci rozprowadzającej w Zakopanem. Ostatni etap realizacji inwestycji przewiduje wykonanie nowych ujęć geotermalnych i rozbudowę sieci ciepłowniczej w kierunku Nowego Targu. W Nowym Targu planowane jest także zbudowanie kotłowni szczytowej. Po zakończeniu inwestycji instalacja ta będzie największą w Polsce instalacją geotermalną, o łącznej mocy 125 MWt. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 Widok budynku głównego ciepłowni geotermalnej w Bańskiej Niżnej oraz odwiertu Bańska PGP-1 (rys. 4) ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WYKORZYSTANIE LIKWIDOWANYCH KOPALŃ WĘGLA KAMIENNEGO W POLSCE JAKO ANTROPOGENICZNYCH ZBIORNIKÓW WÓD TERMALNYCH • Energia geotermalna zgromadzona w wodach kopalnianych może być przy stosunkowo niskich nakładach inwestycyjnych komercyjnie wykorzystana zwłaszcza w odniesieniu do kopalń, gdzie istnieje możliwość zagospodarowania istniejących kotłowni i sieci ciepłowniczych. • Najkorzystniejsze warunki dla pozyskania ciepła z wód termalnych zmagazynowanych w antropogenicznych zbiornikach likwidowanych kopalń węgla kamiennego występują w południowej części GZW, gdzie stwierdzono obecność wysokich wartości strumienia cieplnego Ziemi (80-90 mW/m2) oraz wysokie temperatury geotermiczne wynoszące na poziomach wydobywczych 1000 m około 40-45°C. • Czynnikami utrudniającymi pozyskanie energii geotermalnej jest obserwowany generalnie wzrost mineralizacji wód z głębokością w związku ze zwiększonym udziałem w tych wodach wód sczerpywanych z zasobów statycznych (wody reliktowe) oraz podwyższona ich radioaktywność związana z obecnością radu. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 Uproszczony ideowy schemat eksploatacji energii geotermalnej z kopalń węgla kamiennego (Małolepszy 1999b) wymiennik ciepła powietrze - woda A Pompa ciepła szyb wentylacyjny ciepłe powietrze wentylacyjne KOPALNIA CZYNNA Pompa ciepła zrzut schłodzonej wody do osadnika system odwadniania kopalni wypływ ciepłej wody kopalnianej zw pozi ierciadł omu o wód B Pompa ciepła Pompa ciepła pętlowy wymiennik ciepła zrzut wody schłodzonej zwierciadło poziomu wód wypływ ciepłej wody geotermalnej zasypany szyb KOPALNIA PO ZALANIU TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WYKORZYSTANIE ODWIERTÓW PRZEZNACZONYCH DO LIKWIDACJI DO CELÓW GEOTERMALNYCH PODSTAWOWE KRYTERIA DLA WYKORZYSTANIA OTWORÓW WIERTNICZYCH DO CELÓW GRZEWCZYCH W zakresie wykorzystania energii wód termalnych można wyróżnić szereg kryteriów związanych pośrednio z ekonomiką. Są to: 1/ odległość do źródła zbytu, 2/ dostępność do zbiornika wód termalnych do temperatury większej od 60°C, 3/ odpowiednie własności hydrogeologiczne tych zbiorników. Inne, dodatkowe kryteria to: 1/ właściwości korozyjne wód, 2/ stan techniczny otworów, 3/ potencjał wytrącania się osadów mineralnych. Zastosowanie pomp ciepła pozwala na użycie wody termalnej o niższej temperaturze (np.. 40oC) ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WYKORZYSTANIE ODWIERTÓW PRZEZNACZONYCH DO LIKWIDACJI DO CELÓW GEOTERMALNYCH • Pierwszym wskaźnikiem do oceny przydatności otworu (niezależnie od przyjętych kryteriów geotermalnych) do zastosowania dla potrzeb eksploatacji geotermalnej jest spełnienie przez niego kryterium ekonomicznego związanego z koniecznością budowy infrastruktury powierzchniowej łączącej istniejące otwory z pobliskimi odbiorcami energii oraz oszacowaniem zapotrzebowania na ciepło. • Z uwagi na duże koszty inwestycyjne należy rozważać wyłącznie dostawę ciepła dla dużych odbiorców - np. ciepłownie miejskie (miasto o wielkości, co najmniej 10 tys. mieszkańców). To z kolei implikuje konieczność lokalizacji, co najmniej dwóch otworów w rejonie o dobrych własnościach hydrogeologicznych na głębokościach powyżej 2000m, ppt (lub o temperaturze wyżej niż 60 oC) w bliskiej odległości od takich miast. • Wydajność otworu rzędu 150-180 m3/h jest górną możliwą granicą wydobycia dla dubletu z uwagi na wzrastające zapotrzebowanie pompy w otworze eksploatacyjnym na moc elektryczną, a także z uwagi na ograniczenia związane z procesem zatłaczania ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WYKORZYSTANIE ODWIERTÓW PRZEZNACZONYCH DO LIKWIDACJI DO CELÓW GEOTERMALNYCH • W trakcie zatłaczania wód do otworu chłonnego specjalną uwagę należy zwrócić na problemy depozycji minerałów w otworze i w złożu. Zjawiska te mogą mieć silny wpływ na techniczną i ekonomiczną sprawność systemu eksploatacyjno-chłonnego. • Zatłaczanie wód silnie korozyjnych do istniejącego wyposażenia wgłębnego może okazać się źródłem wielu kłopotów technicznych (m.in. utratą chłonności), dlatego należy zwrócić dużą uwagę na procedury minimalizacji procesu korozji. • Zastosowanie otworów wiertnicznych jako wymienników ciepła pozwala uzyskać od 100 kW do 250 kW ciepła (w połączeniu z wykorzystaniem pomp ciepła) do ogrzewania pojedynczych budynków (szkoły, hotele, itp.) ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 Schemat instalacji powierzchniowej do zagospodarowania dubletu Sochaczew – 1/Sochaczew - 3 Zbiornik z azotem System filtrujący Zbiornik z azotem DN150 Wymiennik ciepła DN150 Pompa wgłębna Odwiert eksploatacyjny Sochaczew -1 ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ENERGIA GEOTERMALNA W POLITYCE ENERGETYCZNEJ KRAJU Według oficjalnych prognoz zawartych w Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce udział wszystkich odnawialnych źródeł energii łącznie z geotermalną w produkcji energii ma osiągnąć 7,5% do 2010 r. i 14% w 2020 r. W wielu miejscach zastosowanie energii geotermalnej w ciepłownictwie powinno osiągnąć spore rozmiary, mając istotne znaczenie dla ochrony środowiska naturalnego i lokalnego rynku energii. Geotermia powinna znaleźć lepsze warunki rozwoju dzięki wprowadzeniu nowego Prawa Energetycznego, zgodnie z którym lokalna administracja jest odpowiedzialna za zarządzanie rynkiem ciepłowniczym na swoim terenie. W Polsce energia geotermalna oferuje dobre warunki i wielowariantowość (systemy skojarzone, zintegrowane, pompy ciepła) do rozwoju sektora ciepłowniczego w jego różnej skali: zarówno w ciepłownictwie systemowym, jak i rozproszonym. Ten rodzaj energii powinien być również preferowany i promowany w perspektywie przystąpienia do Unii Europejskiej, gdyż Polska będzie zobligowana do stosowania energii odnawialnych na znacznie większą niż obecnie skalę, a także do redukcji poziomu emisji gazów i pyłów. Energia geotermalna jest już w niektórych rejonach kraju traktowana jako ważny element strategii rozwoju. Uważana jest za istotny czynnik efektywnej ochrony środowiska naturalnego, stymulator nowych kierunków w ogrodnictwie, agroturystyce, rekreacji i w lokalnym rynku pracy. Przykładów w tym zakresie dostarczają strategie rozwoju województwa Małopolskiego, powiatu tatrzańskiego. Perspektywy rozwoju geotermii w Polsce związane są szczególnie z budową nie tylko dużych systemów ciepłowniczych (np. na Podhalu), ale także niewielkich instalacji i zakładów, które będą bazować na już istniejących otworach (przystosowanych do eksploatacji energii geotermalnej), funkcjonujących jako systemy kaskadowe i/lub zintegrowane, nierzadko z wykorzystaniem pomp ciepła i otworowych wymienników ciepła. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ENERGIA GEOTERMALNA W POLITYCE ENERGETYCZNEJ KRAJU W rządowej strategii rozwoju energetyki odnawialnej opracowanej w 2000 r., a w 2001 r. przyjętej przez parlament zakłada się, że udział energii geotermalnej do 2020 roku stanowić będzie tylko 1 proc. energii pozyskiwanej z odnawialnych zasobów. EKOPROFIT grudzień 2001 PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ W ŚWIECIE Z CZTERECH ŹRÓDEŁ ENERGII W 1996 R. Wg I.B. Fridleifssona (2000) Produkcja energii elektrycznej Zastosowanie bezpośrednie Moc zainstalowana Procentowy udział Moc zainstalowana Procentowy udział MWs % MWe % Energia geotermalna 7 049 52,0 42 053 79,6 Wiatr 6 050 44,7 9 933 18,8 Słońce 175 1,3 229 0,4 Pływy 264 2,0 602 1,2 Razem 13 538 100,0 52 817 100,0 SCENARIUSZE ROZWOJU GEOENERGETYKI W POLSCE DO 2020 ROKU 1 Scenariusze 2005 2010 2015 2020 Scenariusz przetrwania Mtoe* 106,2 110,7 110,7 112,2 Liczba dubletów 40 85 135 190 Ilość energii w Mtoe 0,6 1,3 2,0 2,9 Koszt obiektów w mdl zł 0,8 1,7 2,7 3,8 0,6 1,2 1,8 2,5 Scenariusz odniesienia Mtoe* 106,4 109,1 112,4 116,2 Liczba dubletów 50 105 165 230 Ilość energii w Mtoe 0,7 1,6 2,5 3,5 Koszt obiektów w mld zł 1,0 2,1 3,3 4,6 0,6 1,5 2,2 3,0 Scenariusz postępu – plus Mtoe* 103,7 109,7 114,7 121,3 Liczba dubletów 60 125 195 270 Ilość energii w Mtoe 0,9 1,9 2,9 4,1 Koszt obiektów w mld zł 1,2 2,5 3,9 5,4 0,8 1,7 2,6 3,3 % udział energii geotermalnej 2 % udział energii geotermalnej 3 % udział energii geotermalnej *Według Ministerstwa Gospodarki (2000), pozostałe dane zawarte w tabeli wg J. Sokołowskiego, K. Kempkiewicza i J. Kotyzy (2001). TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ZALETY ENERGII GEOTERMICZNEJ I GEOTERMALNEJ •Powszechne występowanie na kuli ziemskiej z tym, ze ciepłota i intensywność strumienia są bardzo zróżnicowane w zależności od wieku i miąższości skorupy ziemskiej oraz jej składu litologicznego; •Można ją wykorzystywać w sposób bezpośredni bez przetwarzania na inną energię, gdy zawarta jest w wodach wgłębnych, a w przypadku pochodzenia energii wprost ze skał konieczne jest zastosowanie jako nośnika wody powierzchniowej lub innych płynów; •Można ją wykorzystać w sposób ciągły, bez względu na pogodę, porę dnia i roku; •Nie powoduje ona zanieczyszczeń atmosfery, hydrosfery, litosfery i biosfery; EKOPROFIT grudzień 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY ZALETY ENERGII GEOTERMICZNEJ I GEOTERMALNEJ •Nie może być ona transportowana na duże odległości, co zapobiega monopolizacji rozwiązań energetycznych; •Jest ona tańsza od wszystkich innych energii z kopalin dlatego, że gorące wody wypływają samoczynnie na powierzchnię przy pomocy zamkniętego systemu rurowego i po oddaniu określonej ilości ciepła samoczynnie się zatłaczają z powrotem do złoża. EKOPROFIT grudzień 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WNIOSKI • narastające problemy energetyczne i ekologiczne świata warunkują wykorzystanie i rozwój odnawialnych źródeł energii, • Polska należy do krajów posiadających bogate zasoby wód geotermalnych o niskiej i średniej entalpii, których łączna objętość wynosi około 6600 km3. • Ze względu na stosunkowo niską temperaturę wody geotermalnej (25-150°C) jest i będzie ona wykorzystywana przede wszystkim jako źródło energii do celów: ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej, technologicznych i leczniczych. • szczegółowe rozwiązania i wynikające stąd efekty wykorzystania energii geotermalnej są ściśle uzależnione od lokalnych warunków geotermalnych i możliwości zagospodarowania pozyskiwanego ciepła, • możliwa do pozyskania ilość ciepła określona na podstawie parametrów źródła geotermalnego jest wielkością teoretyczną, • rzeczywista ilość ciepła geotermalnego jaką można odebrać w wymienniku geotermalnym wynika z parametrów pracy instalacji geotermalnej, • ilość ciepła odebranego w wymienniku geotermalnym rośnie ze wzrostem temperatury wydobywanej wody i obniżeniem temperatury wody sieciowej powrotnej, • korzystnym rozwiązaniem jest przechodzenie z ogrzewania wysokotemperaturowego na ogrzewanie niskotemperaturowe, szczególnie przy niższych temperaturach wody geotermalnej, ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WNIOSKI – cd.... • energię geotermalną można wykorzystać w największym stopniu w przypadku ogrzewania podłogowego przy maksymalnej temperaturze wydobywanej wody i najniższej temperaturze wody sieciowej powrotnej. Najmniejsze wykorzystanie zasobów geotermalnych jest w przypadku, gdy woda geotermalna posiada niska temperaturę a odbiór ciepła jest mało efektywny (wysoka temperatura wody powrotnej), • rozwiązaniem korzystnym jest sytuacja, gdy ciepłownia geotermalna posiada rozdzieloną sieć cieplna dla ogrzewania nisko i wysokotemperaturowego. • z analizy efektywności pracy ciepłowni zasilającej dwie grupy odbiorników ciepła, najbardziej korzystnie przedstawia się wariant w którym udział ogrzewania podłogowego w całkowitym zapotrzebowaniu ciepło jest jak największy. Ogrzewanie podłogowe ze względu na niskie temperatury powracającej wody, w znaczący sposób poprawia efektywność ciepłowni geotermalnej. • w obszarze niskich temperatur wody geotermalnej duży wpływ na ilość pozyskanej energii posiadają odbiorcy ciepła. Niewielka różnica temperatur pomiędzy woda sieciowa a wodą geotermalna pozwala w niewielkim stopniu wykorzystać potencjał źródła, • przy wysokich temperaturach wody geotermalnej, parametry powracającej wody sieciowej nie mają praktycznie żadnego wpływu na zmiany ilości pozyskanego ciepła, ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 TECHNICAL UNIVERSITY OF CZĘSTOCHOWA ROZDZIAŁ IV Potencjał energii geotermalnej i kierunki jej wykorzystania ENERGY ENGINEERING LABORATORY WNIOSKI – cd.... • Eksploatacja dotychczas zbudowanych ciepłowni geotermalnych pozwoliła zebrać bogaty zbiór informacji o ich pracy. Pozwala to lepiej projektować i przygotowywać pod względem technicznoekonomicznym przyszłe inwestycje. • Planowanie budowy instalacji energetycznej z wykorzystaniem energii geotermalnej wymaga każdorazowo dogłębnej analizy techniczno-ekonomicznej uwzględniającej lokalne uwarunkowania oraz aktualne i przyszłe zapotrzebowanie na energię cieplną. • Budowa ciepłowni geotermalnej wymaga równocześnie modernizacji istniejącej sieci ciepłowniczej oraz przystosowania do współpracy z siecią cieplną wewnętrznych instalacji grzejnych u odbiorców (niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe, ścienne lub ogrzewanie powietrzem). • Stosowanie kaskadowego odbioru ciepła zwiększa efektywność całego systemu ciepłowniczego. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII U PROGU XXI WIEKU Warszawa, 10-11 grudnia 2001 ENERGIA GEOTERMALNA Musialik Anna Merdzik Paweł Rok 3 Historia • • Człowiek wykorzystywał energię wnętrza Ziemi od zarania dziejów. Np rdzenni mieszkańcy obu Ameryk eksploatowali niektóre źródła geotermalne już ponad 10 000 lat temu, używając gorącej wody do gotowania i w celach leczniczych. Do gotowania, mycia się, a nawet do ogrzewania służyła woda termalna Maorysom – autochtonicznej ludności Nowej Zelandii. Starożytni Grecy wykorzystywali gorące źródła w Pamukkale (dziś Turcja), zaś starożytni Rzymianie, w Abano Terme, w Baden pod Wiedniem i w Pompejach (do ogrzewania domów). W starożytnych Pompejach gorące źródła służyły ogrzewaniu domów. W Polsce już z górą tysiąc lat temu wykorzystywano zasoby geotermalne Sudetów (Cieplice, Lądek - Zdrój). Jednak zastosowanie energii wnętrza Ziemi na skalę przemysłową to sprawa dopiero ostatniego stulecia. W roku 1904 w Larderello we Włoszech otwarto pierwszą na świecie elektrownię geotermalną i choć przez następnych 50 lat wykorzystanie geotermii do produkcji energii elektrycznej ograniczało się do terenu Włoch, dziś zakłady takie pracują także w Islandii, w Nowej Zelandii, w Japonii, na Filipinach, w Stanach Zjednoczonych i w Rosji. Krajem, który w największym stopniu wykorzystuje energię geotermalną jest niewątpliwie Islandia, gdzie w ten sposób ogrzewanych jest prawie 87% budynków (Islandczycy wykorzystują energię wnętrza Ziemi do celów grzewczych od roku 1888), a około 99% gospodarstw domowych zaopatrywanych jest w gorąca wodę termalną. W 1981 islandzka produkcja całkowita energii z zasobów geotermalnych wyniosła 8 mln kJ, co odpowiada 300 tys. ton ropy naftowej. Energia geotermalna • Jest to energia zgromadzona w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. O energii geotermalnej mówi się przede wszystkim, gdy nośnikiem tej energii jest woda i para wodna. Energia geotermalna polega na wykorzystywaniu energii pochodzącej z wnętrza ziemi. Wody opadowe wnikają w głąb ziemi gdzie podgrzewają się do znacznych temperatur od pokładów magmy. Ogrzana woda wydostaje się na powierzchnię ziemi jako gorąca woda lub para wodna. Ogrzaną wodę wykorzystuje w sposób bezpośredni tłocząc ją do systemów ciepłowniczych lub w sposób pośredni odbierając ciepło w wymiennikach ciepłowni geotermalnej. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m. Energię tę zaliczamy do kategorii energii odnawialnej, bo jej źródło - gorące wnętrze kuli ziemskiej - jest praktycznie niewyczerpalne. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m. Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 O ATRAKCYJNOŚCI TYCH ŹRÓDEŁ ŚWIADCZĄ: dostępność, źródła ich nie podlegają wahaniom warunków pogodowych i klimatycznych są to źródła nie ulegające wyczerpaniu, obojętność dla środowiska – geotermia nie powoduje wydzielania jakichkolwiek szkodliwych substancji urządzenia techniki geotermalnej nie zajmują wiele miejsca i nie wpływają prawie wcale na wygląd krajobrazu Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Budowa Ziemi Warstwa Głębokość (km) Temperatura (stopnie C) Skorupa i litosfera 0-100 930 Płaszcz 100-2886 2730 Jądro zewnętrzne 2886-5156 4200 Jądro wewnętrzne 5156-6371 4500 Źródło danych www.mos.gov.pl Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Charakterystyka • Im dalej w głąb Ziemi, tym goręcej. Począwszy od skorupy ziemskiej z każdym kilometrem w głąb temperatura wzrasta o około 30 stopni C. W głębi Ziemi znajduje się magma, będąca gorącą stopioną masą krzemianów i glinokrzemianów. A ponieważ ciepło zawsze wędruje od stref cieplejszych ku chłodniejszym, płynna magma, lżejsza i gorętsza od otaczających ją skał, wydostaje się niekiedy na powierzchnię ziemi w postaci lawy wulkanicznej. O wiele częściej niż lawa, z głębi ziemi wydobywa się jednak ogrzana przez magmę woda, występująca w formie gorących źródeł i gejzerów. W jądrze Ziemi zachodzi rozpad pierwiastków promieniotwórczych, którego efektem jest wysoka temperatura dochodząca do ok. 4500°C. Temperatura ta maleje w miarę zbliżania się do powierzchni Ziemi o 15-80°C na jeden kilometr, w zależności od rodzaju skał i warunków geologicznych. Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Przeciętnie przyjmuje się, że gradient temperatury skorupy ziemskiej wynosi 30°C/km. Z punktu widzenia możliwości praktycznego wykorzystania tego gradienty rozróżniamy następujące rejony geotermalne REJONY GEOTERMALNE HIPERTERMICZNY (gradient temp większy niż 80°C/km ) SEMITERMICZNY (od 40 do 80°C/km ) Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 NORMALNY (gradient do 40°C/km) Temperatura pod skorupą ziemską osiąga wartość do 1000°C. Zachodzi nieustający przepływ ciepła od wnętrza Ziemi do górnych warstw skorupy i na powierzchnię Ziemi. Rozróżniamy dwa rodzaje zasobów energii geotermalnej: 9 Hydrotermiczne odnoszą się do wody, pary lub mieszaniny parowo-wodnej, które to czynniki występują w szczelinach skalnych, żyłach wodnych lub w warstwach wodonośnych i są wykorzystywane obecnie. 9 Petrotermiczne to energia cieplna zgromadzona w suchych, ogrzanych i porowatych skałach, ma ona znaczenie perspektywiczne. Istnieją bowiem możliwości wykonania odwiertów i wykorzystania energii petrotermicznej zgromadzonej na głębokości 5000 m, jednak praktycznie opłacalne jest dokonywanie odwiertów jedynie do głębokości 2000 metrów. Na świecie wykorzystuje się różne źródła energii geotermalnej. W skorupie ziemskiej można wyróżnić kilka rodzajów energii pochodzącej z wnętrza Ziemi. Są to: • • • • • • • • Grunty i skały do głębokości 2500 m, z których ciepło pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła; Wody gruntowe; Wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych; Para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych); Wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy pomocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu; Gorące suche skały, z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą pod wysokim ciśnieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych na dużych głębokościach; Sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła powstające w suchych gorących skałach, które tworzą się w wyniku utworzenia systemu szczelin podczas eksplozji ładunków wybuchowych o dużej mocy; Gorąca magma Złoża wód geotermalnych dzieli się: 9 W zależności od temperatury na: – zimne (do 20°C), – ciepłe /niskotemperaturowe (20-35°C), – gorące /średniotemperaturowe (35-80°C), – bardzo gorące /wysokotemperaturowe (80-100°C), – przegrzane (ponad 100°C) 9 W zależności od ciśnień, kształtów zbiornika i morfologii powierzchni na: - artezyjskie, z których woda poprzez otwór wiertniczy samoczynnie wypływa na powierzchnię lub ponad powierzchnię terenu - sub-artezyjskie, z których woda przez otwór wiertniczy podnosi się na duże wysokości , ale nie osiąga powierzchni terenu - grawitacyjne, z których wodę można tylko pompować z głębokości zbliżonych do głębokości złoża. Źródła energii geotermalnej: 9 Gejzery-gorące źródło wyrzucające gwałtownie, w regularnych odstępach czasu, wodę i parę wodną o temperaturze ok. 100° C. Woda z gejzerów ogrzewana jest zalegającą kilka kilometrów pod ziemią magmą w procesie hydrotermalnym. Wybuchy gejzerów są dość regularne, ale dla każdego źródła odstępy pomiędzy kolejnymi wybuchami są inne. Woda może być wyrzucana na wysokość nawet 30-70 m. Gejzer w Parku Narodowym Yellowstone Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 9 Gorące suche skałyskały na dużych głębokościach, w których także zgromadzona jest energia wnętrza Ziemi. Amerykańscy naukowcy opracowali metodę zastosowania tej energii, która polega na wykorzystaniu naturalnych bądź sztucznie wytworzonych szczelin. Do tak otrzymanych rozległych sieci szczelin w kompleksie skalnym wprowadza się otworem wtłaczającym pod wysokim ciśnieniem wodę, aby nie nastąpiło jej odparowanie. W toku cyrkulacji pobiera energię gorących skał. Powyższy sposób wytwarzania energii elektrycznej z gorących skał nosi nazwę Technologii HOT DRY ROCK (HDR). Technologia ta jest ekologicznie czysta, bowiem wykorzystuje niewyczerpalne zasoby energii dostępne w dowolnym czasie w wielu miejscach na Ziemi. Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Sondy ciepła jako odbiorniki energii geotermalnej • Do pobierania ciepła z wnętrza Ziemi do głębokości 2500 m służą specjalne urządzenia tzw. sondy ciepła. Ze względu na temperaturę gruntu, przy której ciepło jest odbierane wyróżniamy powierzchniowe i głębinowe sondy ciepła. Powierzchniowe sondy ciepła mogą być umieszczone w ziemi poziomo na niedużych głębokościach (do ok. 2 m). Nazywamy je wtedy kolektorami ziemnymi. Sondy te mogą być również umieszczone pionowo (do ok. 150-200 m). Wykorzystanie przypowierzchniowej sondy ciepła Przypowierzchniowe sondy ciepła używane są w systemach grzewczych podpodłogowych, gdzie temperatura powinna wynosić co najmniej 35ºC, a także wykorzystywane są w innych rodzajach ogrzewania, z temperaturą, co najmniej 60ºC- 75ºC w zależności od stanu izolacji ogrzewanych budynków. ZALETY energii geotermalnej: • • • • • • • • • • Niski koszt produkcji energii cieplnej; Koszty eksploatacji niezależne od cen nośników energii; Brak szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne; Niezależność od dostaw paliw kopalnych; Jednostkowy koszt pozyskania ciepła geotermalnego jest niższy niż w ciepłowniach konwencjonalnych, Nie zanieczyszcza środowiska naturalnego; Opiera się na surowcu odnawialnym; Powszechność występowania surowca; Możliwość decentralizacji, czyli pozyskiwania w pobliżu użytkownika, co zmniejsza straty związane z przesyłaniem energii na odległość oraz uniezależnieniem od małych regionów i populacji lokalnych; Niezależność od zmiennych warunków klimatycznych i pogodowych; WADY energii geotermalnej: • • • • • Eksploatacja energii geotermalnej może powodować poważne problemy ekologiczne, jeśli z geopłynu zaczną uwalniać się szkodliwe gazy tj. siarkowodór H2S, który powinny być pochłaniane w odpowiednich instalacjach, oraz radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, mogący wydobywać się wraz z parą ze studni geotermalnej; Wysokie początkowe nakłady inwestycyjne; Silna zależność wyników ekonomicznych od skali sprzedaży ciepła; Problem korozji instalacji i kolmatacji złoża; Ograniczenie do obszarów, gdzie występują wody geotermalne; Energia geotermalna w Polsce • Polska, pomimo że leży poza obszarami wulkanicznymi posiada bogate złoża energii geotermalnej. Ponad 80% powierzchni naszego kraju zajmują baseny geostrukturalne z licznymi zbiornikami wód geotermalnych. Największe zasoby wód podziemnych występują w basenach: szczecińsko-łódzkim i grudziądzko-warszawskim. Temperatura wód na terenie Polski waha się od 25°C do 150°C, jednak na ogół nie przekracza ona 100°C. Szacuje się, że energia zawarta w wodach geotermalnych na terenie Polski wynosi 34724 mln ton ekwiwalentów oleju, czyli ponad 300 razy więcej niż roczne zapotrzebowanie na energię w kraju! Pomimo tak potężnego potencjału teoretycznego eksploatacja wód geotermalnych nie jest łatwa, przeszkodą są zarówno warunki wydobycia, jak i na razie ekonomiczna strona tego typu przedsięwzięcia. Okręgi geotermalne Polski Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Okręgi geotermalne Polski • Z opracowanych dotychczas badań i analiz wynika jednoznacznie, iż na obszarze Polski znajduje się co najmniej 6600 km2 wód geotermalnych o temperaturach rzędu 27 - 12,5 °C Zasoby te są dość równomiernie rozmieszczone na znacznej części obszaru Polski, w wydzielonych basenach, subbasenach geotermalnych, zaliczanych do określonych prowincji i okręgów geotermalnych. Jak wynika z danych hydrogeologicznych znaczna część zasobów wód geotermalnych zalega na obszarze Niżu Polskiego. Istnieje tam realna możliwość pozyskiwania wody geotermalnej o temperaturze 58 - 82 °C z głębokości 1630 - 2250 m. Również na Podhalu istnieją znaczne udokumentowane zasoby wód geotermalnych o temp rzędu 80 - 96 °C, a głębokość ich zalegania zawiera się w granicach 2300 - 3560 m. Istnieją już projekty budowy szeregu instalacji geotermicznych na Podhalu (Bielsko-Biała, Andrychów, Wadowice, Skoczów, Sucha Beskidzka, Maków Podhalański), jak również na Niżu Polskim (Warszawa, Łódź, Inowrocław, Ciechanów, Bydgoszcz). Bogate zasoby wód geotermalnych istnieją również na Pomorzu Zachodnim. Na głębokościach rzędu 1600 - 2200 m zalegają tam wody geotermalne o temperaturach: 50 - 90 °C Na terenie Polski funkcjonuje osiem geotermalnych zakładów ciepłowniczych: • • • • • • • • Bańska Niżna (4,5 MJ/s, docelowo 70 MJ/s), Pyrzyce (15 MJ/s, docelowo 50 MJ/s), Stargard Szczeciński (14 MJ/s) Mszczonów (7,3 MJ/s), Uniejów (2,6 MJ/s), Słomniki (1 MJ/s). Lasek (2,6 MJ/s) Klikuszowa (1 MJ/h) Inne przykłady miast, w których można zastosować energię ze źródeł geotermalnych: Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Energia geotermalna na świecie: • • • Po raz pierwszy energię geotermalną zastosowano do produkcji energii elektrycznej w 1904 r. w Lardarello (Włochy). Eksploatację tzw. wodnodominujących studni geotermalnych rozpoczęto uruchomieniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Większość obecnie pracujących studni geotermalnych pochodzi z lat 70 i 80 ubiegłego stulecia, kiedy to rozwój metod poszukiwań geologicznych oraz technik wiertniczych wpłynął na obniżenie kosztów kapitałowych, a kryzysy energetyczne spowodowały wzrost cen paliwa konwencjonalnego. Jednym ze źródeł energii geotermalnej są suche i gorące skały. Najbardziej znanym miejscem wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), utworzony w skałach o temperaturze 200oC, na głębokości 2000 m. (Kappelmeyer 1987). Francja i Niemcy zawarły umowę (dla celów energetyki) na ekstrakcję energii suchych gorących skał o temperaturze 150oC, występujących w rejonie anomalii geotermicznej wschodniej Bawarii, na głębokości 1800 do 2000 m. Powszechność występowania energii geotermalnej pozwala żywić nadzieję, że w przyszłości stanie się ona głównym źródłem ogrzewania budynków wolnostojących, odległych od scentralizowanych systemów ciepłowniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w wielu innych rozwiniętych krajach świata. Zastosowanie: • Do produkcji elektryczności nadają się tylko bardzo gorące wody, których temperatura przekracza 150 st. C. Wody o niższych temperaturach znajdują zastosowanie w ciepłownictwie, w balneologii, w rolnictwie i ogrodnictwie (do upraw szklarniowych), w hodowli ryb. Stosuje się je również przemysłowo, na przykład pasteryzując mleko czy też susząc drewno. Inny rodzaj wykorzystania energii wnętrza Ziemi to ogrzewanie bądź też ochładzanie za pomocą pomp ciepła - podziemnych rur wypełnionych cieczą, które ogrzewają się pod wpływem naturalnego ciepła Ziemi lub też, podczas upałów, „przechwytują” nadmiar ciepła z otoczenia i odprowadzają je pod ziemię. Wykorzystanie: • Pierwszą ciepłownię geotermalną uruchomiono w 1850 r. w Lardarello w Toskanii, ogrzewając cyrkulującą wodą grzewczą budynki sąsiadujących osiedli niskociśnieniową parą wodną, wyprowadzaną z Ziemi. W tym też mieście uruchomiono w 1904 r. geotermalną elektrownię, która z konkurencyjną efektywnością pracuje do dziś. W oparciu o te doświadczenia inne kraje zaczęły budowę u siebie ciepłowni, elektrowni oraz elektrociepłowni na bazie energii geotermalnej. W 2003 r. moc elektrowni geotermalnych w świecie osiągnęła moc 8400 MW. Są one zlokalizowane głównie w USA (2020 MW), Filipinach (1931 MW), Indonezji (807 MW), Włoszech (791 MW) oraz Islandii (230 MW). Elektrownie bądź elektrociepłownie pracują zarówno z klasycznymi turbinami wodno-parowymi, sprzężonymi z elektrogeneratorami, jak i z organiczną substancją w obiegu. Te ostatnie, znane pod określeniem ORC (Organic Rankine Cycle), stosują w obiegu nie układ wodno-parowy, a lekkie węglowodory. Ich ciepło parowania wynosi zaledwie 17% ciepła parowania wody i tu tkwi efektywność ekonomiczna elektrowni oraz elektrociepłowni ORC (wtedy skraplanie oparów organicznych po turbinie dokonuje się obiegiem wody ogrzewającej budynki sąsiadujących osiedli). Schemat elektrowni typu ORC (Organic Rankine Cycle) Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Charakterystyka schematu • Są w niej dwa obiegi ciepła: pierwszy obejmuje dopływ wody geotermalnej do rurowego wymiennika ciepła, skąd pompą inżektorową oziębiona woda wraca drugim odwiertem do złoża geotermalnego. Tymczasem w drugim obiegu cyrkuluje organiczny nośnik ciepła, którym jest lekki węglowodór – w opisanym schemacie jest to izobutan lub izopentan. Pierwszy bywa stosowany w elektrowni, a drugi w elektrociepłowni. Ten typ elektrowni z uwagi na cyrkulację organicznego czynnika roboczego w drugim obiegu – określa się nazwą Organic Rankine Cycle (ORC). Temperatura oraz wielkość dopływającej wody geotermalnej wyznaczają wartości brzegowe w projektowym rozpracowaniu procesu dla określonej elektrowni lub elektrociepłowni. W optymalizacji procesowej korzysta się oczywiście z doświadczeń klasycznych elektrowni czy elektrociepłowni z typowym obiegiem wodno-parowym. Umożliwia to racjonalne zaprojektowanie tak aparatów, jak i systemów regulacyjno-przepływowych. Musialik Anna, Merdzik Paweł, Politechnika Częstochowska, 2007 Potencjał energii geotermalnej: • Roczny światowy potencjał energii geotermalnej odpowiada około 35 mld ton węgla kamiennego, jednak na powierzchnię ziemi wydostaje się zaledwie 1% tych wszystkich zasobów. To tyle, ile teoretycznie mogłoby zaspokoić najwyżej 3% światowego zapotrzebowania na energię. W przyszłości liczba ta może się jednak nieco zwiększyć dzięki rozwojowi nowych technologii, pozwalających wykorzystywać energię gorących podziemnych warstw skalnych. Podsumowanie 9 Energia geotermalna jest energią wnętrza Ziemi. 9 Ciepło we wnętrzu Ziemi powstało w wyniku tworzenia się planety oraz wskutek rozpadu pierwiastków promieniotwórczych 9 Energia geotermalna występuje na całej kuli ziemskiej. 9 Najwyższe temperatury występują na obszarach aktywnych geologicznie i wulkanicznie
