ENERGIA GEOTERMALNA
advertisement
ENERGIA GEOTERMALNA SPIS TREŚCI I WSTĘP II SZERZEJ O ENERGII GEOTERMALNEJ 1.Czym jest energia geotermalna 2.Zasoby geotermalne 3.Źródła energii geotermalnej 3.1.Gejzery jako źrodla en.geotermalnej 3.2.Sondy ciepła jako odbiorniki en.geotermalnej 3.3.Gorące suche skały-kolejne źródlo en.geotermalnej 4.Energia geotermalna na świecie 5.Energia geotermalna w polsce 6.Złe strony energii geotermalnej 7.Wykorzystanie energii geotermalnej w siłowniach i ciepłowniach Materiały pomocnicze 1.”Rozkład parametrów geotermalnych na obszarze Polski”-STANISŁAW PLEWA 2.”Niekonwekcjonalne źródła energii” CIEŚLIŃSKI 3.”Wymiana ciepła i odnawialne źródła energii”-red WT.NOWAK 4.”Energia odnawialna w ochronie środowiska” materiały konferencyjne 5.”FOCUS” nr 10(37) październik 1998 PRACĘ WYKONALI 1.Magdalena BAŃBURA 2.Krzysztof BIAŁEK 3.Łukasz BIEL 4.Alina GRZYBEK 5.Ewelina KRZANIK 6.Anna ŁAGAN 7.Rafał STRICZEK I. WSTĘP. Energetyka polska i światowa jak na razie wciąż opiera się głównie na pali- wach kopalnych. Jednak coraz częściej odchodzi się od tego typu wytwarzania ener- gii. Podstawowymi powodami tych zmian są powstające przy okazji spalania węgli, ropy i jej pochodnych, ogromne zanieczyszczenia (głównie tlenki siarki, NOx, pyły), jak również malejące zasoby paliw kopalnych. Paliwa te są wydobywane w bardzo dużych ilościach, jednak nie odnawiają się one. Pewnego dnia zasoby węgla, ropy naftowej czy gazu ziemnego wyczerpią się. Dlatego należy poszukać innych możliwości produkcji energii. Dobrym rozwiązaniem mogą okazać się alternatywne źródła energii, do których możemy zaliczyć energię słoneczną, energię wiatru, energię wody, biomasy czy energię geotermalną. W tego typu wytwarzaniu energii nie dochodzi do spalania węgla, a co za tym idzie nie zanieczyszczamy środowiska. Wykorzystujemy tutaj naturalne zjawiska przyrody nie czyniąc ogromnych szkód. Musimy zainstalować tylko urządzenia “wyłapujące” energię z wody, wiatru, rzeki, słońca czy wód podziemnych. Poniższa praca dotyczy jednego ze źródeł alternatywnej energii, a mianowicie energii geotermalnej. II. SZERZEJ O ENERGII GEOTERMALNEJ. 1. Czym w ogóle jest energia geotermalna? Ogólnie jest to energia zakumulowana w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Gdy nośnikiem tej energii są płyny złożowe (para, woda) wtedy mówimy o energii geotermalnej. Energia ta biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna w wyniku jej przenoszenia z wnętrza Ziemi przez przewodzenie i konwekcję. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m. Wody geotermalne zawierają rozpuszczone składniki mineralne NaCl, KCl, CaCl2, SiO2 oraz gazy (najczęściej CO2, N2). Ciepło wydzielane we wnętrzu Ziemi pochodzi z reakcji rozpadu pierwiastków promieniotwórczych 238U, 235U, 232Th oraz 40K. 2. Zasoby geotermalne. Dzielimy je na hydrotermiczne i petrotermiczne. Zasoby hydrotermiczne odno- szą się do wody, pary lub mieszaniny parowo-wodnej, które występują w szczelinach skalnych, żyłach wodnych lub w warstwach wodonośnych. Są one wykorzystywane obecnie. Zasoby petrotermiczne są zmagazynowane w warstwach skalnych i mają znaczenie perspektywiczne. Sposób wykorzystania zasobów geotermalnych zależy od temperatury czynnika grzejnego. Przyjęto, że przy temperaturze powyżej 120-150 C opłaca się go wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Przy niższych temperaturach czynnika grzejnego wchodzi w rachubę wykorzystanie do celów ciepłowniczych, klimatyzacyjnych, wytwarzania ciepłej wody użytkowej w systemach miejskich i prze- mysłowych, do ogrzewania szklarni, hodowli ryb, do celów balneologicznych i re- kreacyjnych. 3. Źródła energii geotermalnej. Według aktualnego stanu wiedzy źródła energii geotermicznej można podzie- lić ze względu na stan skupienia nośnika ciepła, a także wysokość temperatury na następujące grupy: A. grunty i skały do głębokości 2500m, z których ciepło dla celów grzejnych z wykorzystaniem pomp ciepła pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła; B. wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp grzejnych w zastosowaniu do celów grzejnych; C. wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksplo- atacyjnych (w przypadku mineralizacji wody, wtłaczane są z powrotem do złoża po ich wykorzystaniu energetycznym); D. para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych) znajdująca zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej; E. wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy po- mocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu; F. gorące skały, z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą pod wyso- kim ciśnieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych, na dużych głębokościach. Energia ta wykorzystywana jest w elektrowniach goetermalnych do wytwarzania energii elektrycznej oraz do celów grzejnych. Oprócz wyżej wymienionych źródeł istnieją jeszcze sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła powstające w suchych gorących skałach (hot dry rock). Tworzą się one w wyniku utworzenia systemu szczelin podczas eksplozji ładunków wybuchowych o dużej mocy. 3.1. Gejzery jako źródła energii geotermalnej. Jednym ze źródeł energii zamkniętej głęboko w Ziemi są gejzery, czyli wybu- chająca para wodna o wysokiej tempera- turze, którą można wykorzystać do produk- cji energii. Gejzery są spektakularnymi zjawiskami obserwowanymi tylko w kilku rejonach świata. Ich ojczyzną jest Islandia skąd pochodzi nazwa gejzer (z języka islandzkiego “Geysa” znaczy “wylewać się”, “wytryskiwać”). Poza Islandią te gorące “fontanny” możemy zobaczyć również z takich miejscach jak: okolice Rotorua na Nowej Zelandii, Park Narodowy Yellowstone w USA, wulkaniczna Kamczatka, spotkamy je także w Japonii, Indonezji, Ameryce Środkowej i Południowej. Najwyżej położonym regionem wybuchających źródeł jest Płaskowyż El Tation w Chile leżący na wysokości 4300 m n.p.m. Wybuchom gejzerów często towarzyszą niebezpieczne wyziewy trujących gazów zawierających dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, kwas solny, siarkowodór. W jaki sposób dochodzi do wybuchu gejzera? Rozpalona magma z głębi ziemi ogrzewa wodę wsiąkającą z deszczu oraz krążące w niej wody gruntowe. Osiągają one temperaturę 100ºC i więcej. Zalegająca powyżej zimna woda wywiera ciśnienie podwyższające temperaturę wrzenia. 10-me- trowy słup wody podnosi ciśnienie o 1 atmosferę, a temperatura wrzenia do 120ºC. Przy 90 m (ciśnienie 10 atm.) wrze- nie zachodzi przy temp.180ºC. Uwiêziona we wnętrzu ziemi woda jest przegrzana, wystarczy jednak małe zakłócenie by nastąpiła eksplozja. Schemat “działania” gejzera przedstawiony jest na zdjęciu . Gorąca woda z gejzerów jest doskonałym źródłem ciepła. Wykorzystuje się ją już od XIV w. W Polsce nie ma gejzerów, ale znajdują się u nas ciepłe źródła, które również są wykorzystywane, np. w Pyrzycach w województwie zachodniopomorskim wybudowano system rur i pomp, dzięki któremu geotermalne źródła są wykorzystywane do ogrzewania miast. 3.2. Sondy ciepła jako odbiorniki energii geotermalnej. Sondy ciepła jak napisaliśmy powyżej używane są do pobierania ciepła z gruntów i skał do głębokości 2500 m. Sondy ciepła dzielimy ze względu na tempera- turę gruntu, przy której ciepło jest przez czynnik odbierane na: a. przypowierzchniowe sondy ciepła; b. głębokie sondy ciepła. Ad. a) Przypowierzchniowe 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). Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej dzielimy na systemy zamknięte i otwarte. W systemach zamkniętych pobieranie energii przez nośniki ciepła realizowane jest w umieszczonym w głębi otworu odpowiednim wymienniku ciepła, a oddawanie energii odbywa się na powierzchni ziemi. Natomiast w systemach otwartych pobieranie energii związane jest z bezpośrednim wydobywaniem wody z obszaru, gdzie umieszczone są sondy. Czynnikiem obiegowym jest tutaj woda z dodatkiem 25-30% środka przeciwzamarzającego, solanka lub czynnik chłodniczy w przypadku bezpośredniego odparowania. Przypowierzchniowe sondy ciepła używane są w systemach grzewczych podpodłogowych, gdzie temperatura dolotowa po- winna wynosić co najmniej 35ºC, a także wykorzystywane są w innych rodzajach ogrzewania, z temperaturą co najmniej 60 oC75ºC w zale¿ności od stanu izolacji ogrzewanych budynków. Wykorzystanie przypowierzchniowej sondy ciepła przedstawia rysunek. Ad. b) Wyższe temperatury skał na większych głębokościach pozwala- ją na zastosowanie dwóch sposobów pozyskania zakumulowanej w nich energii dla celów grzejnych. Pierwszym z nich jest pozyskanie energii jako źródła ciepła dla pompy grzejnej, pracującej optymalnie przy danej temperaturze źródła albo też maksymalnego wykorzystania sondy ciepła. Drugim sposobem jest uzyskanie energii jako źródło ciepła dla sond (wymienników ciepła) umieszczonych na dużych głębokościach (powyżej 2 km) pozwalających na uzyskanie odpowiedniej temperatury wody dla celów grzejnych. W przypadku głębokich sond ciepła możliwe jest wykorzystanie istniejących otworów np. badawczych lub też wiercenie nowych co wiąże się z większymi kosztami. Istotną rolę przy odprowadzaniu energii odgrywa, oprócz temperatury eksploatowanego złoża, także długość aktywnej części sondy. Dłuższa sonda przy danej średnicy, ze względu na większą powierzchnię pozwala odprowadzić większą ilość ciepła. 3.3. Gorące suche skały- kolejne źródło energii geotermalnej. W tym wypadku wykorzystywana jest energia nagromadzona w skałach na du- żych głębokościach. Na początku lat siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych została opracowana koncepcja wykorzystania tej energii bazująca na sztucznie wytworzonych szczelinach, w wyniku eksplozji ładunków wybuchowych dużej mocy na głębokości kilku tysięcy metrów. Do tak otrzymanych rozległych sieci szczelin w kompleksie skalnym wprowadza się otworem zatłaczającym pod wysokim ciśnieniem wodę, która w wyniku cyrkulacji pobiera energię gorących skał i po uzyskaniu odpowiedniej temperatury wprowadzana jest otworem eksploatacyjnym. Wyprowadzona na powierzchnię ziemi gorąca woda, przy takim ciśnieniu aby nie nastąpiło jej odparowanie, służy do wytwarzania pary wodnej w obiegu wtórnym, gdzie jest odpowiednio niższe ciśnienie albo gdzie czynnikiem cyrkulacyjnym jest ciecz nisko wrząca. Powyższy sposób wytwarzania energii elektrycznej z gorących skał nosi nazwę Technologii HOT DRY ROCK (HDR). Technologia ta jest ekologicznie czysta, wykorzystuje ona praktycznie niewyczerpalne zasoby energii dostępne w dowolnym czasie w każdym miejscu na ziemi. Złoża gorących skał przy zastosowaniu technologii HDR powinny spełniać warunki: a. w celu odebrania dla celów przemysłowych wymaganej ilości ciepła od skał, któ rych przewodność cieplna jest na ogół niska, należy zapewnić odpowiednio roz- ległe złoża o dużej powierzchni wymiany ciepła; b. opory przepływu cieczy w złożu powinny być tak niskie, aby zapotrzebowanie energii do napędu pomp było mniejsze od 10% otrzymywanej energii elektrycznej brutto; c. z badań modelowych oraz eksperymentów w skali naturalnej wynika, że średnia szerokość szczelin w całym złożu powinna wynosić 1-2 mm; d. koszty wiercenia do głębokości, przy której temperatury skał są tak wysokie, że pozwalają na przemysłowe wykorzystanie energii geotermalnej (ogrzewanie, energia elektryczna) po- winny być ekonomicznie opłacalne. Koszty wiercenia rosną z głębokością wykładniczo, a temperatura zmienia się liniowo. Najistotniejszą charakterystyką źródła geotermalnego jest jego temperatura T p., ilość rozpuszczalnych soli określonych moralnością roztworu, zawartość rozpuszczonych gazów oraz ciśnienie na dnie studni geotermalnej Pr. Te parametry fizyczne decydują o porównawczym wskaźniku energetycznej wartości studni geotermalnej. Do porównania potencjalnych możliwości termodynamicznych używa się pojęcia egzergii geopłynu na powierzchni studni. Wielkość ta jest iloczynem strumienia masy m i egzergii właściwej e. E = me gdzie: e = h- ho-To(s- so) Wielkości h i s oznaczają entalpię właściwą i entropię właściwą dla warunków na powierzchni studni. Wielkości opatrzone indeksem (o) odnoszą się do warunków atmosferycznych panujących w obrębie studni, T jest temperaturą. W przypadku produkcji energii elektrycznej, niezależnie od szczególnych rozwiązań siłowni, tylko część egzergii zamienia się w pracę elektryczną Wele = E u gdzie u jest sprawnością wykorzystania źródła geotermalnego (ang. resource utilization efficiency). Jest ona definiowana inaczej niż sprawność termiczna obiegu, ale podobnie jak ta ostatnia zależy głównie od temperatury płynu geotermalnego na powierzchni studni T i wybranego obiegu cieplnego. Przy temperaturze T= 170oC i temperaturze dolnego źródła Tc= 10oC, u wynosi około 50- 60% dla dobrze zaprojektowanej siłowni z turbiną kondensacyjną. Odpowiada to zużyciu pary około 8 kg/kWh. Z danych literaturowych poświęconych energetyce geotermalnej wynika, że powyżej Tr= 120- 150oC opłaca się eksploatacja źródła geotermalnego dla celów produkcji energii elektrycznej. Istnieją również ogólnikowe doniesienia o wykorzystaniu geopłynu o niższych temperaturach, tj. około 80oC w zastosowaniu do binarnych siłowni energetycznych. 4. Energia geotermalna na świecie. Po raz pierwszy energię geotermalną zastosowano do produkcji elektrycz- ności w 1904 r. w Larderello (Włochy). Eksploatację tzw. wodno-dominujących 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. tego 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. Obecnie coraz powszechniej stosowane są pompy cieplne umożliwiające korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa występuje poniżej głębokości 1 do1,5 m. w skałach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne uruchamiane energią elektryczną lub gazową pozwalają na zamianę niskich temperatur uzyskiwanych z ziemi (10oC – 30oC) temperatury przydatnej w ciepłownictwie (45oC – 80oC). Powszechność występowania energii geotermalnej pozwala żywić nadzieję, że w przyszłości stanie się ona głównym źródłem ogrzewania budynków wolnostojących, odległych od scentralizowanych systemów ciepło- wniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w wielu innych rozwiniętych krajach świata. W roku 1986 łączna moc czynnych na świecie elektrowni geotermalnych wynosiła około 5000 MW. Moc poszczególnych elektrownii w różnych państwach przedstawia poniższe zestawienie. L.P. Nazwa kraju Moc [MW] 1. Chiny 7 2. Salwador 95 3. Grecja 3 4. Nowa Zelandia 252 5. Nikaragua 35 6. Filipiny 1100 7. Japonia 400 8. Kenia 30 9. Meksyk 580 10. Turcja 5 11. Islandia 71 12. Rosja 61 13. Indie Zachodnie 5 14. USA 1800 15. Indonezja 60 16. Włochy 500 Według opinii specjalistów moc wszystkich instalacji goetermalnych w świecie wynosi dzisiaj około 25 tys. MW. Prognozy światowe przewidują wytworzenie około 60 tys. MW mocy z energii geotermalnej w roku 2005. Przykładowo można podać tutaj wykorzystanie wód geotermalnych w Tunezji. Tunezja posiada bogate zasoby wód podziemnych. Są to najczęściej wody zmineralizowane o temperaturze zależnej od głębokości i bardzo zróżnicowanych na obszarze kraju wartości gradientu geotermicznego (od 23oC/km do 49oC/km). W zbadanych źródłach wody geotermalne mają najczęściej temperaturę od 35oC do 75oC. Wydobywanej ropie naftowej towarzyszy czasem gorąca solanka o temperaturze powyżej 120oC. Tylko niewielka część wydobywanej wody geotermalnej wykorzystywana jest w balneologii i rekreacji. W kilku przypadkach woda geotermalna służy do ogrzewania szklarni i namiotów foliowych. Wychłodzoną wodę geotermalną o niskiej mineralizacji wykorzystuje się do celów przemysłowych, do picia lub nawadnia pól uprawnych. Przykładem może być instalacja zbudowana w okolicy miejscowości El Hamma. Z 5 studni artezyjskich pobiera się wodę o temperaturze od 60 oC do 70oC i mineralizacji poniżej 3g/dm3. Wodę tę w ilości około 900 dm3/s, schładza się w chłodni kominowej do około 30oC i następnie przesyła rurociągiem do sieci wodociągowej w Gabes. Podczas schładzania traci się na rzecz otoczenia strumień ciepła o mocy powyżej 130 MW oraz pewną ilość kondensatu. Przykład ten wskazuje na ogromne możliwości związane z przyszłym kompleksowym zagospodarowaniem wód geotermalnych 5. Energia geotermalna w Polsce. Terytorium Polski jest szczególnie interesujące z punktu widzenia badań geotermalnych, ponieważ obserwujemy tu bardzo wyraźne zmiany parametrów geotermalnych. Parametry te opisują pole cieplne trzech dużych przyległych rejonów tektonicznych Europy: wschodnioeuropejskiej platformy prekambryjskiej, platformy paleozoicznej ze skonsolidowanym podłożem wieku kaledońskiego i hercyńskiego (paleo- Europa) i stref fałdowań alpejskich, do których należą Tatry, Pieniny i Karpaty fliszowe. Paleozoiczne fałdowania obejmują Sudety i blok przedsudecki, północnosudecki i Góry Świętokrzyskie. Nie wszystkie te rejony tektoniczne są w jednakowym stopniu zbadane geotermalnie. W podziale na jednostki geologiczne, rejon najbardziej perspektywiczny geotermalnie leży w płn.- zach. części wielkiej synklinalnej struktury, nazwanej Niecką Szczecińsko- Mogileńsko- Łódzką. Najbardziej interesujące geotermalnie kolektory dolno- liasowe mają zróżnicowaną głębokość występowania, różną w różnych strukturach tektonicznych drugiego rzędu wahającą się od –1100 m p.p.m. przy zachodniej granicy niecki (Pyrzyce, Chabowo), do powyżej –2500 m. w okolicach Stargardu i Chociwla. To zróżnicowane głębokości ma oczywisty wpływ na temperaturę możliwych do pozyskania wód termalnych, a także na koszt ich pozyskania. Im głębsze podłoże zbiornika tym wyższa temperatura, która np. w wypadku Stargardu może osiągnąć 100oC. Jednocześnie zwiększa się stopień skomplikowania prac wiertniczych i zabiegów technicznych koniecznych do przeprowadzenia w celu ujęcia wód. Trzeba podkreślić, że mimo tego zróżnicowania temperatura wód występujących w warstwach mechowskich nie spada poniżej 40oC, (dla porównania duńska ciepłownia w Tisted, ujmująca również lias, pracuje wykorzystując wody o 42oC), a większość obszaru regionu Szczecińskiego ma wody powyżej 60oC, a najsilniej zurbanizowane obszary w granicach 70oC. Na podstawie dotychczasowych badań geologicznych sporządzono mapę potencjalnych możliwości uzyskania energii z jednego dubletu geotermalnego. Z podanej mapy wynika, że najwyższe jednostkowe wydatki można uzyskać w rejonie Stargardu, Chociwla i Szczecina, a w całym regionie można wykorzystać wody termalne dolno- liasowego poziomu wodonośnego, dlatego bez nadmiernej przesady można uznać ten region za zagłębie geotermalne w skali co najmniej regionalnej. Obszarem o wyjątkowych warunkach geotermalnych jest część Podhala położona między Tatrami a Pienińskim Pasem Skałkowym. I właśnie tam, w Bańskiej- Białym Dunajcu, w latach 1988- 1993, została zbudowana pierwsza w Polsce, pilotowa instalacja geotermalna, która ogrzewa budynek instalacji, szklarnię, suszarnię drewna, basen, w którym są hodowane ryby, oraz sześć domów mieszkalnych oddalonych od doświadczalnego Zakładu Geotermalnego o 750 m. W roku 1994 zaplanowano podłączenie do instalacji dalszych 250 domów. Jak wynika z obliczeń, w rezultacie wpro wadzenia do zakopiańskiego ciepłownictwa tylko w połowie jego potrzeb ciepła geotermalnego i w 1/3 gazu ziemnego, jako uzupełnienia, zredukuje się zanieczyszczenie atmosfery o blisko 2/3. Druga instalacja jest budowana w miejscowości Pyrzyce (woj. zachodniopomorskie), zamieszkałej przez około 16000 mieszkańców. Trwa tam budowa pierwszej w Polsce miejskiej ciepłowni geotermalnej o szczytowej mocy cieplnej około 50 MW. Jej zadaniem będzie zasilanie budowanego równolegle miejskiego systemu ciepłowniczego, zastępującego 68 lokalnych kotłowni opalanych węglem lub koksem. Szczytowa obliczeniowa moc ciepłowni wynosi 49,7 MW. Zgodnie z projektem ciepłowni, wydobyta z dwóch otworów eksploatacyjnych woda termalna o temperaturze początkowej 61oC zostanie wstępnie schłodzona w bezpośrednim wymienniku ciepła I stopnia (woda geotermalna - woda sieciowa) do temperatury 42oC, a następnie w wymienniku II stopnia do końcowej tem- peratury 26oC. Schłodzona woda geotermalna kierowana będzie do odległych o około 1,5 km dwóch otworów chłonnych. Takie rozmieszczenie otworów pozwoli na eksploatację złoża geotermalnego przez około 30 lat, bez wyraźnego spadku temperatury wydobywanej wody. Udział ciepła geotermalnego oddanego do sieci grzejnej będzie się zmieniał w poszczególnych miesiącach i będzie wynosił od około 40% w lutym, do 100% w miesiącach letnich. Energia geotermalna jest coraz częściej stosowana zarówno na świecie jak i w Polsce, co spowodowane jest wzrastającym zainteresowaniem energią niekonwencjalną, która jest bardziej “czysta” od energii węglowej. Jednak energia geotermalna niesie ze sobą pewne zagrożenia, które przedstawiamy poniżej. 6. Złe strony energii geotermalnej. Eksploatacja energii geotermalnej powoduje poważne problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na kłopotach związanych z emisją szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru H2S, który zgodnie z prawem amerykańskim musi być pochłonięty w odpowiednich instalacjach, podrażających oczywiście koszt produkcji energii elektrycznej. Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia powoduje radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na środowisko naturalne stanowi otwarty, nie rozwiązany do tej pory problem techniczny. 7. Wykorzystanie energii geotermalnej w siłowniach i ciepłowniach. Woda geotermalna może być wykorzystywana jako jedyne źródło ciepła grzej- nego lub w skojarzeniu z innymi źródłami energii (kocioł, elektrociepłownia, silnik spalinowy, pompa grzejna itp.) Elektrownie geotermalne mogą pracować jako jedno lub dwu czynnikowe. W przypadku elektrownii dwu czynnikowej woda geotermalna z otworu wydobywczego kierowana jest do wymiennika ciepła, gdzie oddaje ciepło czynnikowi termodynamicznemu właściwego obiegu, dla którego wymiennik ten spełnia rolę kotła. Ochłodzona w wymienniku woda geotermalna otworem zatłaczającym kierowana jest ponownie do złoża gorących skał. Schemat i zasadę działania elektrowni geotermalnej przedstawiają poniższe rysunki. Obecnie w praktyce stosuje się dwie metody konwersji energii z hydrotermicznych wolnodominujących źródeł na energię elektryczną. Pierwsza metoda polega na seperacji fazy parowej z przepływu dwufazowego, który pojawia się na powierzchni eksploatowanej studni geotermalnej lub na połączeniu separacji i dalszym dławieniu płynu geotermalnego (ang. flashing), w wyniku czego powstaje para, kosztem obniżenia ciśnienia mieszaniny dwufazowej. Drugi sposób konwersji energii korzysta z gorącego płynu jako medium grzejnego dla obiegu z czynnikiem niskowrzącym, w którym realizowany jest obieg Rankine’a (siłownia binarna). Pierwsza tego typu siłownia powstała w USA w roku 1979. Geopłyn wydobywa się na powierzchnię przy użyciu pomp umieszczonych poniżej poziomu wrzenia w przypadku studni samowypływająjącej. Dzięki temu na jej powierzchnię wypływa ciecz oddająca ciepło do izobutanu w wymienniku ciepła, który spełnia rolę wytwornicy pary z podgrzewaczem. Przegrzana para izobutanu kierowana jest do turbiny, a następnie w skraplaczu pierwszego obiegu oddaje ciepło wykorzystane dalej na wytworzenie par propanu w drugim obiegu siłowni binarnej. Ta dwustopniowa siłownia zasilana płynem geotermalnym o temperaturze 182oC i stosunkowo wysokiej temperaturze dolnego źródła ciepła 27oC, uzyskuje sprawność wykorzystania źródła u= 52%. Turbina w obiegu izobutanowym osiąga sprawność wewnętrzną i = 77%, natomiast turbina w obiegu propanowym i = 86%. W przypadku elektrowni geotermalnyh wykorzystuje się parę wodną uzyskaną przy rozprężaniu wody geotermalnej o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Schematy takich elektrowni przedstawiamy poniżej. Przy niższej temperaturze wody można zastosować obieg, w którym czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia, np. freon lub amoniak. Woda geotermalna służy wówczas do wytwarzania pary czynnika roboczego kierowanej następnie do turbiny parowej i skraplacza. Schemat takiej elektrownii przedstawiony jest poniżej. Cechą charakterystyczną ciepłowni geotermalnych jest niski koszt eksploatacji, ze względu na niewielkie zużycie paliwa w szczytowym źródle ciepła, niski koszt obsługi (pełna automatyzacja), niewielką opłatę za zanieczyszczenie środowiska itp. Doświadczenia zagraniczne oraz obliczenia wykonane dla warunków polskich wykazują, że jednostkowy koszt pozyskania ciepła geotermalnego jest niższy niż w ciepłowniach konwencjonalnych. Podsumowanie. Wieloletnie międzynarodowe doświadczenia w zakresie pozyskiwania i użytkowania energii wód geotermalnych, pozwalają sformułować następujące ważniejsze wnioski: Ze wszystkich rodzajów nowych źródeł energii, energia geotermalna daje największe efekty ekonomiczne. Ze względu na rosnące wymogi w zakresie ochrony środowiska, efektywność ekonomiczna źródeł geotermalnych będzie wzrastać, nawet w przypadku spadku cen paliw kopalnych. Korzyści ekonomiczne przy eksploatacji systemu grzejnego opartego w całości lub częściowo na energii geotermalnej będą wyższe niż przy systemach konwencjonalnych, a okres amortyzacji krótszy. Systemy geotermalne są efektywne w dużych instalacjach przy współczynniku wykorzystania mocy źródła powyżej 0,5. Jest to związane z dużymi nakładami na budowę i relatywnie niskimi kosztami eksploatacji. Potencjalni odbiorcy energii geotermalnej o zapotrzebowaniu łącznym przekraczającym minimalną opłacalną wydajność systemu (Q 63 x 103GJ/a) powinni być zlokalizowani możliwie blisko otworu (otworów) wydobywczego. Problem korozji instalacji i kolmatacji złoża jest zależny od stopnia mineralizacji oraz składu chemicznego wody i przy obecnym stanie techniki jest praktycznie opanowany. Korozji wymienników ciepła zapobiega się przez stosowanie tytanu, kolmatacji przez preparowanie wody, stosowanie filtrów oraz utrzymanie odpowiedniego ciśnienia w instalacji wody geotermalnej. Ciepłownie geotermalne mogą pracować jako niezależne źródła ciepła lub jako systemy wspomagające istniejące miejskie systemy ciepłownicze zasilane przez konwencjonalne źródła ciepła. Ze wszystkich niekonwencjonalnych (odnawialnych) źródeł energii w ostatnich latach najszybciej rozwija się właśnie geotermia. Wynika to stąd, że jej wzrost liczy się od niskiego poziomu 1750 MW mocy elektrycznej zainstalowanej na świecie w roku 1979 i 5600 MW w roku 1988 i z tego, że jest ona uzależniona od pory dnia i roku. Ocenia się, że na obecnym poziomie techniki, ze znacznych polskich zasobów energii geotermalnej, można eksploatować tylko niewielką ich część odpowiadającą 4 mln ton p.u. Z uwagi na stosunkowo niski poziom energetyczny płynów geotermalnych, mierzony temperaturą złoża (40- 70oC), można ją będzie wykorzystać w ciepłownictwie, w ogrodnictwie, w rekreacji oraz hodowli ryb. Z uwagi na niewielkie doświadczenie eksploatacyjne prognozowanie wykorzystania energii geotermalnej w Polsce, w warunkach wolnorynkowej konkurencji na rynku energetycznym, wydaje się przedwczesne, chociaż podaje się, że w 2020 roku z odnawialnych źródeł energii Polska powinna pokrywać około 15% swoich potrzeb energetycznych.
