Odnawialne źródła energii Energia geotermalna

Energia geotermalna
W-7a
Co to jest energia geotermalna
Nadwyżka energii cieplnej w stosunku do energii odpowiadającej średniej
temperaturze powierzchni Ziemi. (ok.8.1030 J)
Wewnętrzne ciepło Ziemi nagromadzone w skałach oraz wodach wypełniających
wody i szczeliny skalne
http://www.ekologiczne.info.pl
Budowa Ziemi
Skorupa Ziemi
Mezosfera –Płaszcz Ziemi
Barysfera – Jądro Ziemi
Budowa Ziemi – skorupa ziemska
- najbardziej zewnętrzna sfera
- od powierzchni Ziemi do powierzchni nieciągłości Moho (Mohorovicica)
- głębokość: 7-10 km pod oceanami oraz 30-80 pod kontynentami
Skorupa Ziemska składa się z dwóch części:
-Warstwa granitowa – w obrębie kontynentów, glin i krzem (SiAl)
-Warstwa bazaltowa – dno oceanów, pod kontynentami; krzemiany magnezu
Powierzchnia nieciągłości Conrada
Budowa Ziemi – Płaszcz Ziemi
Płaszcz górny (CrOFeSiMa)
Płaszcz dolny (NiFeSiMa)
2900 km
Powierzchnia nieciągłości
Moho
Powierzchnia nieciągłości
Wiecherta-Gutenberga
Budowa Ziemi –płaszcz ziemski
Płaszcz górny (CrOFeSiMa)
chrom, tlen, żelazo, krzem, magnez
od pow. nieciągłości Moho do 1000km
Warstwa perydotytowa – zewnętrza część płaszcza, graniczy ze skorupą ziemską
warstwa sztywna
Astenosfera – 70-120 km pod oceanami i 350km pod kontynentami;
- prądy konwekcyjne
- właściwości półplastyczne i sprężyste
- zjawiska wulkaniczne, plutoniczne, ruchy poziome płyt,
powstawanie gór, ruchy sejsmiczne
Budowa Ziemi – Płaszcz Ziemi
Płaszcz dolny (NiFeSiMa)
Nikiel, żelazo, krzem, magnez
od 1000-2900 km
Gęstość 6 g/cm3
Budowa Ziemi – jądro Ziemi
Barysfera – jądro Ziemi - NIFE (nikiel i żelazo)
Jądro zewnętrzne
(2900 - 5100)
Jądro wewnętrzne
(5100 – 6371 km)
Strefa przejściowa Lehman (140km)
2900 km
6371 km
Jądro zewnętrzne – grubość ok. 2200 km, oddzielone od płaszcza pow. nieciągłości
Gutenberga; płynne o temperaturze ok.4000-5000oC ;
prądy konwekcyjne
Jądro wewnętrzne – promień ok. 1270 km, wykazuje charakter ciała stałego o dużej
sztywności; temperatury ok. 6000 oC, duża gęstość
Właściwości wnętrza Ziemi
1. Wzrost temperatury wraz z głębokością.
Stopień geotermiczny –
głębokość liczona w metrach, o jaką temperatura wrośnie o 1oC
Neapol 1,6 m
SGav=33m
Wyspy Bahama 180 m
2. Wzrost gęstości skał wraz z głębokością
od 2.2.7 g/cm3 do 20 g/cm3
3. Wzrost cieśnienia wraz z głębokością
1 atm co 3.7m
Energia geotermalna
Przyjmuje się, że średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi 15 oC.
Temperatura zależy od: szerokości geograficznej, pory roku i dnia.
Wartość temperatury jest wynikiem ustalenia się równowagi cieplnej między
najważniejszymi trzema strumieniami ciepła:
• doprowadzonego przez promieniowanie ze Słońca
• doprowadzonego przez przewodzenie lub konwekcję
z jądra Ziemi,
• wypromieniowanego do przestrzeni kosmicznej.
Zasoby energii geotermalnej
T0  15 C
o
T j  6000o C
Mz  5.6 10 23 kg
cp  0.8 J
kgK
Cwp  4.5 10 J
27
Prognozowane zużycie 2.1021 J
Natura źródeł ciepła
Rejony o normalnym gradiencie temperatury
Rejony radiogeniczne
Obszary o dużym strumieniu ciepła
q  T
Źródła geociśnieniowe
Rejony geotermalne
Ze względu na możliwość wykorzystania gradientu temperatury rozróżnia się
rejony geotermalne:
Hipertermiczny (>80 K/km)
Semitermiczny (od 40 K/km do 80 K/km)
Normalny (< 40 K/km)
Zasoby energii geotermalnej
HYDROTERMICZNE
Wysokotemperaturowe warstwy ogrzanej mieszaniny dwuskładnikowej
wody i pary wodnej o temperaturze 200 ÷ 300 oC lub pokładów gorącej wody o
temperaturze 50 ÷ 70 oC.
PETROTERMICZNE
Energia termiczna zgromadzona w suchych ,ogrzanych i porowatych skałach
Zasoby hydrotermalne
Złoża par geotermalnych – złoża o wysokiej entalpii, do produkcji energii elektrycznej.
temperatury powyżej 150 oC
Złoża wód geotermalnych – złoża o niskiej entalpii, wykorzystywane bezpośrednio.
Temperatury do 140 oC.
Zalety złóż geotermalnych
•
teoretyczna nieograniczoność i odnawialność;
•
powszechność występowania wód geotermalnych;
•
niezależność od zmiennych warunków klimatycznych i pogodowych;
•
możliwość użytkowania bez powodowania zakłóceń w środowisku
naturalnym;
•
jako lokalne źródło energii - konkurencyjność cenowa i mała wrażliwość na
zmiany cen tradycyjnych nośników energii na rynkach światowych;
•
możliwość wykorzystania wód i energii termalnej do celów grzewczych
•
możliwość generacji prądu w elektrowniach geotermicznych a także w
ostatnich latach w instalacjach binarnych.
Górecki, Hajto 2006; Kępińska 2006
Wady złóż geotermalnych
Podczas eksploatacji elektrowni wytwarzane są zanieczyszczenia takie jak,
dwutlenek węgla, tlenki siarki, siarkowodór oraz metan.
Może powodować osuwanie się ziemi
Produkcja energii geotermalnej jest powiązana ze wzrostem aktywności
sejsmicznej na danym terenie, jednakże jest to temat dyskusyjny, gdyż
elektrownie są usytuowane na terenach gdzie jest możliwe trzęsienie ziemi.
Budowa elektrowni zwiększa hałas na danym terenie jednakże podczas
samej eksploatacji hałas jest minimalny
Możliwości techniczne
Bariery techniczne
temperatura
ciśnienie
Pod względem technicznym możliwe jest wykonanie odwiertów i wykorzystanie
energii hydrotermicznej lub petrotermicznej do głębokości 5 km.
Ekonomicznie opłacalne jest dokonywanie odwiertów jedynie do głębokości 2 km,
ale nie w każdym rejonie do tej głębokości zalegają złoża geotermalne o
odpowiednio wysokiej temperaturze
Najgłębszym odwiert na świecie, SG-3 – gębokość 12 262 m, (Rosja, obwód
murmański, Półwysep Kolski) 1970-1989 planowano 15 000 m
Polska - Kuźmina k. Przemyśla. Głębokość otworu badawczego ponad 7 500 m
Rodzaje złóż
• artezyjskie, które jest pod ciśnieniem hydrostatycznym, stąd wody
geotermalne po wykonaniu odwiertu wypływają samoczynnie,
•subartezyjskie, o niższym ciśnieniu hydrostatycznym niż złoża artezyjskie,
dlatego wodę geotermalną
eksploatuje się przy zastosowaniu
agregatów pompowych
zapuszczonych do odwiertu.
Gejzer w Parku Yellowstone; http://picasaweb.google.com/lh
Wykorzystanie
ciepła geotermalnego
W energetyce cieplnej, ogólnie przyjmuje się, że wody o temperaturze 40–90°C
znajdują zastosowanie w produkcji ciepła użytkowego, natomiast z wód o
temperaturze 120°C i wyższej, opłacalna staje się produkcja energii elektrycznej
Diagram Lindalla pokazujący możliwości wykorzystania wody geotermalnej w zależności od temperatury
Rodzaje energii geotermalnej
ENERGIA MAGMY
ENERGIA GEOCIŚNIEŃ
ENERGIA GORĄCYCH SUCHYCH SKAŁ
ENERGIA NAGROMADZONA W WODACH PODZIEMNYCH
ENERGIA magmy
Magma
Magma lub stopione skały są największym z
geotermalnych źródeł. Jednakże dostęp do
niego jest ograniczony z powodu dużych
głębokości znajdowania się tego zasobu - 3
km do 10 km i głębiej. Temperatura wynosi
od 700 do 1200oC. Złoże to nie zostało do
tej pory odpowiednio zbadane pod
względem możliwości pobierania z niego
ciepła.
W astenosferze istnieją komórki konwekcyjne z krążącą magmą
ENERGIA geociśnień
Składają się z gorącej solanki nasyconej metanem znajdującej się we wnętrzu
ziemi. Znajdują się one w dużych i głęboko położonych warstwach wodonośnych
gdzie ciśnienie jest ogromne. Metan oraz woda jest uwięziona w warstwie
osadów na głębokości od 4 km do 6 km.
Temperatura wody jest w przedziale od 90 oC do 200oC.
Głównym miejscem występowania zasobów geopresyjnych jest Zatoka
meksykańska.
ENERGIA gorących suchych skał
Formacja geologiczna nie zawierająca w ogóle wody. Zasób ten jest praktycznie
nieograniczony i jest najbardziej dostępny. Potencjał do pozyskiwania energii z
tego rodzaju źródła jest bardzo duży.
HRP
Energia wód podziemnych
Jednootworowe
Odwiert produkcyjny
Wody słabo zmineralizowane
lub zasolone
Dwuotworowe
Odwiert produkcyjny i zatłaczający
Wielootworowe
Odwiert produkcyjny i kilka zatłaczających
Układy z obiegiem
Clausiusa-Rankine’a
85–150oC
izobutanu, propanu, toluenu
Obieg Kaliny
temperatura źródła ciepła nie przekracza 200oC
Pompy ciepła
Cykl Carnota
Pompa ciepła
Odwrotny cykl Carnot
Obieg termodynamiczny pomp ciepła odbywa się w odwrotnym cyklu Carnota,
współczynnik efektywności –COP (ang. Coefficient of Performance)
określa oddaną moc grzewczą w stosunku do zastosowanej mocy napędowej.
T

T
gdzie:
COP - współczynnik efektywności wg Carnota,
Tu - temperatura dolnego źródła ciepła,
T - temperatura górnego źródła ciepła,
ΔT - różnica temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła.
Dla różnych warunków stosowania nowoczesnych pomp ciepła wynoszą one
szacunkowo ok. 4-5, co znaczy, że 1 kWh energii elektrycznej pozwala uzyskać
4-5 kWh energii cieplnej
Kolektory poziome
Literatura
(Kępińska, Łowczowska, 2002).
http://www.planetaziemia.pan.pl