ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii
advertisement
www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 OCENA MOŻLIWOŚCI POZYSKIWANIA I WYKORZYSTANIA ENERGII GEOTERMALNEJ W POLSCE DO ZASILANIA CIEPŁOWNI I ELEKTROCIEPŁOWNI prof. dr hab. inż. Władysław NOWAK, dr hab. inż. Aleksander STACHEL Polska ma korzystne warunki do wykorzystania wód geotermalnych do celów energetycznych. Zastosowanie energii geotermalnej dla celów grzewczych jest dość dobrze rozpoznane, o czym mogą świadczyć istniejące i pracujące ciepłownie geotermalne. Obecnie prowadzone badania koncentrują się głównie nad możliwościami wykorzystania energii geotermalnej do produkcji energii elektrycznej. W pracy scharakteryzowano istniejące w Polsce zasoby energii geotermalnej, omówiono sposoby jej pozyskiwania i wykorzystania oraz przedstawiono stan i perspektywy rozwoju instalacji energetycznych wykorzystujących energię geotermalną dla potrzeb ciepłowniczych. Przedstawiono istniejące ciepłownie geotermalne, a także omówiono realizowane obecnie i planowane w przyszłości przedsięwzięcia zmierzające do uruchomienia kolejnych instalacji geotermalnych, w tym elektrowni geotermalnych. I. WPROWADZENIE Wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych wiąże się z licznymi problemami, wynikającymi stąd, że sposoby jej pozyskiwania są nadal technologiami nowatorskimi, nie do końca sprawdzonymi i nastręczającymi szereg trudności technicznych i eksploatacyjnych. Ponadto niektóre źródła charakteryzują się brakiem koherentności z potrzebami odbiorców, czego klasycznym przykładem może być wykorzystanie energii słońca i wiatru. Z kolei część technologii niesie zagrożenia środowiskowe, a ekologiczny charakter innych nie został do końca potwierdzony. Równie ważnym problemem jest współpraca instalacji wykorzystujących odnawialne źródła energii z istniejącymi konwencjonalnymi systemami odbioru i dystrybucji, przede wszystkim ciepła. W Polsce istotną rolę wśród odnawialnych źródeł energii odgrywają zasoby energii geotermicznej i geotermalnej, a także energia wiatru, słońca, wody i biomasa. Część z tych źródeł ma ograniczone znaczenie lokalne o małej skali stosowania (np. fotowoltaika, kolektory słoneczne), a konsumentami wytwarzanej w nich energii są najczęściej odbiorcy indywidualni. Część ma znaczenie w obszarze potrzeb regionu, a nawet kraju, np. siłownie wiatrowe czy też elektrownie wodne. Zainteresowanie energetyki konwencjonalnej odnawialnymi źródłami energii koncentruje się między innymi na energii geotermalnej. Do współpracy z dużymi systemami grzejnymi predysponuje ją zarówno skala źródła, jak i ilość pozyskiwanego ciepła. Interesujące są również możliwości wytwarzania z energii geotermalnej energii elektrycznej. Natomiast wysokie nakłady inwestycyjne, a także osiągane moce, eliminują małych odbiorców, kierując ofertę współpracy do odbiorców o dużym i najlepiej niezmiennym w czasie zapotrzebowaniu na ciepło [6,13,15,17]. 2. ENERGIA GEOTERMALNA I JEJ ZASOBY W POLSCE Różnica temperatury pomiędzy gorącym wnętrzem Ziemi, o temperaturze jądra ocenianej na 4500 - 6200 °C, a chłodną jej powierzchnią, wywołuje przepływ strumienia ciepła o średniej gęstości 63 kW/km2. Jednocześnie ze zmianą głębokości występuje zmiana temperatury skorupy ziemskiej, definiowana jako gradient geotermiczny, decydujący o lokalnej temperaturze skał. Można przyjąć, że do głębokości 10 km temperatura skorupy zmienia się liniowo, z przeciętą wartością 33 K/km [8,13]. Całkowite zasoby energii geotermicznej są bardzo duże, jednak tylko niewielka jej część może być wykorzystana praktycznie, co wynika z możliwości technicznych oraz opłacalności ekonomicznej. Z uwagi na sposób zakumulowania energii, a także sposób jej pozyskiwania, źródła energii geotermicznej można podzielić na kilka rodzajów. Najbardziej interesujące są zasoby energii zgromadzone w gorących wodach podziemnych znajdujących się na dużych głębokościach, które mają temperaturę równą temperaturze otaczających je skał. Wody te nazywane są wodami geotermalnymi, a zawarta w nich energia - energią geotermalną [8,13,15]. © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 66 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 Polska należy do krajów posiadających bogate zasoby wód geotermalnych o niskiej i średniej entalpii. Geologiczne uwarunkowania i obszary ich występowania omówione są, między innymi, w pracach Sokołowskiego, Góreckiego i Neya [4,5,11,18]. Według tych autorów, całkowite zasoby wód termalnych w Polsce szacowane są na około 6500 km3, a znajdująca się w nich woda charakteryzuje się temperaturą od 25 do 120 °C, co predysponuje ją do wykorzystania do celów ogrzewczych, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz celów technologicznych i leczniczych. Zasoby te są dość równomiernie rozmieszczone na znacznej części obszaru Polski, w wydzielonych basenach i subbasenach zaliczanych do określonych prowincji i regionów geotermalnych. Najkorzystniejsze warunki geotermalne występują na Niżu Polskim, Podhalu i w Sudetach. 3. SYSTEMY POZYSKIWANIA ENERGII GEOTERMALNEJ Płyny geotermalne wypełniające zbiorniki podziemne są rzadko wodami słodkimi. Najczęściej są to wody zmineralizowane, a ich temperatura i stopień mineralizacji są różne w różnych basenach i zależą od gradientu geotermalnego i głębokości występowania. Wykorzystanie wody geotermalnej wiąże się z wydobyciem jej na powierzchnię i odebraniem zawartego w niej ciepła. Dostęp do złoża geotermalnego umożliwiają kanały wydobywczo-zatłaczające, które można podzielić na dwa podstawowe systemy eksploatacyjne, to jest na systemy jedno- i dwuotworowe [13,17]. Systemy jednootworowe są stosowane w przypadku wód niezmineralizowanych lub słabo zmineralizowanych, czyli o mineralizacji poniżej 1 g/dm3 (rys. 1a). Wydobyta na powierzchnię woda kierowana jest do wymiennika ciepła, w którym oddaje zawarte w niej ciepło do wody sieciowej. Schłodzona woda zostaje skierowana do zbiornika retencyjnego, przy czym może być ona wykorzystana do różnych celów, np. do nawadniania, hodowli ryb, a niekiedy - do celów pitnych. Część niewykorzystanej wody może być skierowana do naturalnych zbiorników wodnych. Jednootworowy system eksploatacyjny uniezależnia wydobycie wody geotermalnej od chłonności złoża, ale może ograniczać intensywność eksploatacji, ze względu na słabe uzupełnienie złoża przez infiltrację wód gruntowych [13,15,17]. W przypadku wód o wysokiej mineralizacji najczęściej stosowane są systemy dwuotworowe (rys. 2b), w których woda geotermalna jest pobierana ze złoża za pomocą pompy głębinowej, a następnie przesyłana do wymiennika ciepła, w którym podgrzewa wodę sieciową, po czym kierowana jest do otworu chłonnego, którym jest zatłaczana do tej samej warstwy wodonośnej [22]. Rys. 1. Systemy pozyskiwania wody geotermalnej: a - jednootworowy, b – dwuotworowy GWC - wymiennik ciepła, OC - odbiornik ciepła, P – pompa, PG - pompa głębinowa, WW - warstwa wodonośna, ZR - zbiornik retencyjny Oprócz przedstawionych dwóch najbardziej rozpowszechnionych układów wydobywczych wody geotermalnej, możliwy jest szereg innych oryginalnych rozwiązań, których szczegółowe omówienie można znaleźć np. w pracach [6,7,8,13,15,17]. © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 67 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 4. SYSTEMY WYKORZYSTANIA ENERGII GEOTERMALNEJ Najprostszym i jednocześnie najbardziej efektywnym sposobem zagospodarowania energii wód geotermalnych jest ich zastosowanie do ogrzewania w gospodarce komunalnej, w rolnictwie, w procesach technologicznych, jako wspomaganie konwencjonalnych ciepłowni oraz użycie jako źródła energii w siłowniach niskotemperaturowych. Różnorodność możliwych rozwiązań technicznych oraz struktura urządzeń służących do pozyskania ciepła z wnętrza ziemi wynikają z konieczności dostosowania rodzaju i wielkości ujęcia geotermalnego do potrzeb i parametrów instalacji odbioru ciepła, przy uwzględnieniu lokalnych warunków technicznych oraz rachunku ekonomicznego [6,13]. Wiąże się to z tym, że zapotrzebowanie ciepła przez jego odbiorców jest najczęściej zmienne w czasie, a dotyczy to w szczególności zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń, którego ilość zależy od temperatury zewnętrznej. Podstawą określenia ilości ciepła grzejnego jest tzw. wykres uporządkowany, pomocny zwłaszcza przy wyborze systemu do odbioru energii z wód geotermalnych, przy czym możliwe są tutaj trzy podstawowe układy, a mianowicie [6,13]: •• układ monowalentny, w którym całe ciepło grzejne pobierane jest z instalacji geotermalnej, •• układ biwalentny, w którym źródło geotermalne wspomagane jest kotłami, •• układ kombinowany, w którym część zapotrzebowania odbiorców zaspokajana jest przez instalację geotermalną (ciepło niskotemperaturowe), a pozostała część przez kotłownię konwencjonalną (ogrzewanie tradycyjne). W warunkach polskich najbardziej realna jest budowa instalacji, w których ujęcie geotermalne wspomagane jest dodatkowym źródłem ciepła, przy czym w zależności od temperatury wydobywanej wody oraz możliwości zagospodarowania ciepła geotermalnego, niezależnie od sposobu pozyskiwania energii geotermalnej, najczęściej stosowane są dwa rozwiązania, a mianowicie [13,17]: •• z zastosowaniem wymienników ciepła współpracujących z kotłami szczytowymi, •• z zastosowaniem wymienników ciepła współpracujących z pompami grzejnymi i z kotłami szczytowymi. Przedstawiona na rysunku 2 podstawowa koncepcja pozyskania energii geotermalnej, bazuje na dwuotworowym systemie wydobywczym, współpracującym z ciepłownią, w skład której wchodzi przeciwprądowy wymiennik ciepła, w którym energia wody geotermalnej jest przekazywana do wody sieciowej oraz kocioł szczytowy wykorzystywany wówczas, gdy ciepło pobrane przez wodę sieciową w wymienniku nie pokrywa zapotrzebowania odbiorców na ciepło, lub gdy temperatura wody sieciowej za wymiennikiem ciepła jest niższa od wymaganej temperatury wody sieciowej na zasilaniu. Rys. 2. Schemat instalacji geotermalnej z wymiennikiem ciepła i kotłem szczytowym Oprócz przedstawionego podstawowego układu ciepłowni geotermalnej, możliwy jest szereg innych rozwiązań, a ich omówienie można znaleźć np. w pracach [6,8,13,15,17]. Miarą wykorzystania energii wody geotermalnej jest ilość ciepła możliwa do uzyskania w wymienniku geotermalnym. Wielkość ta jest uwarunkowana charakterystyką złoża geotermalnego i charakterystykę przyłączonych odbiorników ciepła. Charakterystykę złoża można przedstawić w formie wykresów ilustrujących możliwości pozyskiwania energii geotermalnej zarówno przy stosowaniu systemów dwu- jak i jednootworowych. Podstawową charakterystykę stanowi wykres ilustrujący wielkość strumienia pozyskiwanej energii w zależności od strumienia wydobywanej wody (rys. 3), jej temperatury oraz stopnia schłodzenia w wymienniku ciepła [13,14]. © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 68 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 Należy zaznaczyć, że wykres ten określa tylko potencjalne możliwości pozyskiwania energii geotermalnej z systemu wydobywczego, co nie jest równoznaczne z jej wykorzystaniem. Wynika to z możliwości zagospodarowania energii w odbiornikach ciepła i zależy od charakterystyki ich pracy, która obejmuje strumień zapotrzebowania na ciepło, temperaturę nośnika na zasilaniu oraz rzeczywisty czas pracy instalacji w ciągu całego roku. Dopiero na podstawie tych wielkości można określić realne możliwości pozyskiwania energii geotermalnej. Należy podkreślić wagę tego problemu, gdyż w znacznej części publikacji omawiających wykorzystanie wód geotermalnych jest on pomijany. Tymczasem o wielkości wykorzystania energii geotermalnej decyduje rzeczywiste zapotrzebowanie oraz możliwości jej odbioru, a nie teoretyczny potencjał źródła [6,13,14,15,17]. Znaczenie dla wykorzystania energii geotermalnej ma temperatura zatłaczanej wody, określana przez temperaturę wody sieciowej powrotnej, przy czym ta ostatnia powinna być jak najniższa. Tradycyjne systemy grzewcze pracują w skrajnych warunkach przy temperaturach wody sieciowej 95/70 oC. W systemach tych wysoka temperatura wody sieciowej powrotnej ogranicza wykorzystanie ciepła zawartego w wodzie geotermalnej o zbliżonej temperaturze. Niewielka różnica temperatury między wodą sieciową a wodą geotermalną, daje niewielkie wykorzystanie zawartej w niej energii. Vg = 50 [m3/h] Strumień ciepła [MW] 10,0 9,0 Vg = 75 [m3/h] 8,0 Vg = 100 [m3/h] 7,0 Vg = 125 [m3/h] 6,0 87600 70080 52560 Vg = 150 [m3/h] 5,0 4,0 35040 3,0 2,0 Ilość ciepła [MWh] 11,0 17520 1,0 0,0 0 0 20 40 60 Różnica temperatur [°C] Rys. 3. Możliwości pozyskiwania energii geotermalnej ze złoża geotermalnego W instalacjach geotermalnych rozwiązaniem jest stosowanie ogrzewania niskotemperaturowego, bądź łączenie instalacji wysokoi niskotemperaturowych, czego przykładem może być np. kaskadowe łączenie odbiorników ciepła wymagających zasilania czynnikiem o coraz niższej temperaturze [15]. 5. INSTALACJE GEOTERMALNE W POLSCE W Polsce do lat 90. ciepłe wody termalne wykorzystywane były tylko w balneologii i rekreacji. Od 1993 r. uruchomiono w kraju sześć geotermalnych instalacji ciepłowniczych, których podstawowe dane omówiono poniżej (rys. 4) [15]. Instalacje geotermalne Rys. 4. Lokalizacja istniejących w Polsce instalacji wykorzystujących wody geotermalne © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 69 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 Pierwszą polską ciepłownię geotermalną oddano do eksploatacji w roku 1994 w Bańskiej koło Zakopanego [3,7,9,15]. Woda o temperaturze 860 C, pobierana jest z głębokości 2000 – 3000 m, z maksymalną wydajnością 120 m3/h i doprowadzana do wymiennika geotermalnego, a następnie po oddaniu w nim ciepła zatłaczana do tej samej warstwy wodonośnej (rys. 5). Podgrzana w wymienniku (rys. 6) woda sieciowa dostarcza ciepło do celów grzewczych i przygotowania ciepłej wody dla około 200 budynków, kościoła i szkoły. W ciepło zasilany jest również doświadczalny system kaskadowy Laboratorium Geotermalnego PAN, złożony z: suszarni drewna, szklarni, budynku hodowli ryb, tuneli foliowych do upraw roślinnych i basenu kąpielowego. Rys. 5. Ujęcie wody (otwór wydobywczy) ciepłowni geotermalnej w Bańskiej Rys. 6. Wymienniki geotermalne w ciepłowni geotermalnej w Bańskiej Uruchomiona w 1996 roku w Pyrzycach gazowo-geotermalna ciepłownia o mocy 50 MW, była pierwszą dużą instalacją w Polsce, wykorzystującą do produkcji ciepła ujęcie geotermalne o mocy maksymalnej 13 MW oraz szczytowe kotły gazowe. W układzie ciepłowni zastosowano absorpcyjne pompy grzejne, napędzane energią cieplną wytworzoną w kotłach wysokotemperaturowych. Woda wydobywana z głębokości 1650 m, za pomocą dwóch dubletów o wydajność pojedynczego otworu 170 m3/h, przepływa przez zespół filtrów trafiając do geotermalnych wymienników ciepła (rys. 7). Rys. 7. Uproszczony schemat ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach W wymienniku głównym ciepło wody geotermalnej przekazywane jest do wody sieciowej, podgrzewając ją do temperatury 60°C. Schłodzona woda geotermalna kierowana jest do drugiego wymiennika, gdzie ulega dalszemu ochłodzeniu do temperatury 26°C, po czym zatłaczana jest do ziemi. W drugim wymienniku geotermalnym podgrzewa się tylko część wody powrotnej z sieci miejskiej, która najpierw ulega schłodzeniu do temperatury 25°C w parowaczach absorpcyjnych pomp grzejnych (rys. 9), a następnie zostaje podgrzana w drugim wymienniku do temperatury 41°C. Do wody sieciowej opuszczającej wymienniki dopływają strumienie wody ogrzanej: w absorberach i skraplaczach pomp ciepła oraz w chłodnicach spalin kotłów szczytowych i wysokotemperaturowych (rys. 8). Całkowity strumień ogrzanej wody sieciowej dopływa do kotłów szczytowych, w których jest dogrzewany do wymaganej temperatury [10,13,15]. © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 70 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 Rys. 8. Nisko- i wysokotemperaturowe kotły w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach Rys. 9. Absorpcyjne pompy ciepła w ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach Kolejną ciepłownię geotermalną oddano do użytku w 2000 roku w Mszczonowie [1,15]. Woda o temperaturze 42°C, pobierana z wydajnością 60 m3/h ze złoża znajdującego się na głębokości 1600 -1700 m, cechuje się niskim stopniem mineralizacji (0,5 g/l), co umożliwia jej docelowe wykorzystanie jako wody pitnej i w efekcie, pozwala na rezygnację z zatłaczania. Woda przepływa przez ekonomizer kotła wysokotemperaturowego, gdzie ogrzewa się do temperatury około 44°C, a następnie przez absorpcyjną pompę grzejną, gdzie ulega schłodzeniu do temperatury około 20–30°C, skąd kierowana jest do chłodnicy wentylatorowej, a następnie do stacji uzdatniania. W ciepłowni zastosowano dwa niskotemperaturowe wodne kotły gazowe o mocy 2,4 MW każdy, pełniące rolę kotłów szczytowych. Źródłem energii napędowej dla pompy ciepła o mocy 2,7 MW jest kocioł wysokotemperaturowy o mocy 1,9 MW. Moc szczytowa instalacji wynosi 12 MW (rys. 10). Rys. 10. Uproszczony schemat ciepłowni geotermalnej w Mszczonowie W 2001 r. została uruchomiona w Uniejowie ciepłownia wykorzystująca wodę o temperaturze 67-70°C, wypływającą z głębokości ponad 2000 m pod ciśnieniem 0,4 MPa (rys. 11; rys. 12). Woda o mineralizacji 6,8 - 8,8 g/m3 posiada właściwości lecznicze, co w przyszłości powinno pozwolić na jej wykorzystanie do celów balneologicznych i rekreacyjnych [15]. Rys. 11. Ujęcie wody (otwór wydobywczy) ciepłowni geotermalnej w Uniejowie Rys. 12. Zespół pomp geotermalnych i filtrów ciepłowni geotermalnej w Uniejowie © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 71 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 W drugiej połowie lat 90. na Podhalu rozpoczęto budowę systemu ciepłowniczego, którego zadaniem ma być zaspokojenie potrzeb cieplnych Zakopanego i Nowego Targu oraz okolicznych miejscowości (rys. 13) [3,9,15]. W systemie tym, podstawowym źródłem energii jest ciepłownia geotermalna wykorzystująca wody o temperaturze około 86°C, wydajności maksymalnej 550 m3/h i ciśnieniu statycznym ~2,7 MPa. Integralną część instalacji stanowi nowoczesna kotłownia szczytowa usytuowana w Zakopanem, wyposażona w dwa gazowe średniotemperaturowe kotły wodne oraz agregaty cieplno-prądowe. Docelowo planowana jest rozbudowa sieci przesyłowej w kierunku Nowego Targu. Po ukończeniu inwestycji będzie to największa w Polsce instalacja geotermalna, o mocy łącznej 125 MW. Rys. 13. Uproszczony schemat systemu ciepłowniczego Podhala Jesienią 2002 roku, w Słomnikach koło Krakowa została uruchomiona kolejna ciepłownia wykorzystująca energię zawartą w wodzie geotermalnej o temperaturze +17 oC, wydobywanej z głębokości 300 m, która stanowi dolne źródło ciepła dla sprężarkowej pompy ciepła umieszczonej w budynku kotłowni szczytowej, wyposażonej w niskotemperaturowe kotły wodne [2,15,19]. Ostatnią inwestycją jest ciepłownia w Stargardzie Szczecińskim, która ze względu na temperaturę wody (86,9oC) wydobywanej głębokość 2672 m, składa się z dubletu geotermalnego oraz geotermalnego wymiennika ciepła o mocy 14 MW. Wydobyta woda geotermalna jest kierowana do wymiennika ciepła, a następnie zatłaczana do tej samej warstwy wodonośnej. Ciepło zawarte w wodzie geotermalnej przekazywane jest do wody sieciowej krążącej w instalacji grzejnej miasta. 6. ELEKTROWNIE GEOTERMALNE W 2005 r. łączna moc elektrowni geotermalnych na świecie wynosiła około 10 GW. Większość z nich wykorzystuje wody o temperaturze powyżej 130°C. W Polsce również prowadzone są prace nad możliwościami wykorzystania energii geotermalnej do wytwarzania energii elektrycznej, co pozwoliłoby na pełną eksploatację istniejących źródeł, także poza sezonem ogrzewczym. Budowa instalacji naziemnej elektrowni geotermalnej nie zależy od systemu pozyskiwania energii, lecz przede wszystkim od temperatury i właściwości wydobywanej wody. Wśród spotykanych systemów naziemnych można wyodrębnić dwa zasadnicze, to jest [13]: •• elektrownie z bezpośrednim odparowaniem wody geotermalnej o wysokim ciśnieniu i temperaturze w rozprężaczuseparatorze (rys. 14). Uzyskana para, po usunięciu kropelek wody i ewentualnym przegrzaniu, kierowana jest do turbiny parowej, gdzie ulega ekspansji. Skroplona para wodna wraz z wodą wydzieloną w separatorze zatłaczana jest z powrotem do złoża geotermalnego. Tego typu rozwiązanie może być stosowane, gdy temperatura wody geotermalnej wynosi co najmniej 120°C. •• elektrownie dwuczynnikowe (rys. 15), w których woda geotermalna jest używana do odparowania i ewentualnie przegrzania właściwego niskowrzącego czynnika roboczego krążącego w obiegu wtórnym instalacji i doprowadzanego do turbiny parowej. W tym przypadku możliwe jest wykorzystanie wody geotermalnej o niższej temperaturze. © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 72 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 Rys. 14. Schemat elektrowni geotermalnej typu Single-Flash z przegrzewaczem pary Rys. 15. Schemat elektrowni geotermalnej dwuczynnikowej z przegrzewaczem pary Zasoby wód geotermalnych w Polsce tylko w głębokich odwiertach mają temperaturę większą od 120°C. W pracujących ciepłowniach geotermalnych temperatura ta w skrajnym przypadku nie przekracza 86°C. Należy więc przyjąć, że realnie możliwym rozwiązaniem przy budowie elektrowni geotermalnej jest zastosowanie siłowni pracującej wg niskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rankina, wykorzystującego niskowrzące czynniki robocze. Potwierdzeniem tych założeń może być elektrownia w Neustadt Glewe (Niemcy), o mocy elektrycznej 210 kW, wykorzystująca wodę o parametrach zbliżonych wody w niektórych złożach geotermalnych w Polsce (Stargard Szczeciński). W elektrowniach bazujących na niskotemperaturowym obiegu Clausiusa-Rankina istotnym jest rodzaj użytego czynnika roboczego oraz jego właściwości. Wszystkie czynniki niskowrzące, biorąc pod uwagę kształt linii nasycenia, można podzielić na dwie grupy. Do grupy pierwszej zaliczone są te czynniki, które cechują się tym, że izentropowa ekspansja zaczynająca się na linii nasycenia pary nasyconej suchej, odbywa się w obszarze pary przegrzanej. Do grupy drugiej zaliczono czynniki, dla których ekspansja rozpoczyna się na linii nasycenia pary nasyconej suchej i odbywa się w obszarze pary nasyconej mokrej. Szczegółowe informacje na temat zasad funkcjonowania siłowni z czynnikami niskowrzącymi podane są w odpowiedniej literaturze. Z prowadzonych przez autorów analiz dotyczących możliwości wytwarzania energii elektrycznej w siłowni z niskowrzącym czynnikiem roboczym, wykorzystującej do tego celu wodę geotermalną o temperaturze 86°C, czyli taką jaką dysponuje ujęcie geotermalne w Stargardzie Szczecińskim, wynika, że przy strumieniu wydobywanej wody 100 m3/h, w siłowni można uzyskać moc teoretyczną rzędu 240 kW. Zwiększenie strumienia wody do 300 m3/h, co odpowiada maksymalnemu wydobyciu z tego ujęcia, pozwoliłoby na trzykrotne zwiększenie mocy. Mając jednak na uwadze istniejące zapotrzebowanie na ciepło na cele centralnego ogrzewania, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie zamiast elektrowni geotermalnej – elektrociepłowni. 7. PODSUMOWANIE W ostatnim okresie zaobserwowano znaczny wzrost zainteresowania wykorzystaniem energii geotermalnej, w wyniku czego powstało kilka instalacji bazujących na energii ciepłych wód, których zadaniem jest wytwarzanie ciepła do celów grzewczych. Pracujące ciepłownie geotermalne różnią się między sobą rozwiązaniami technicznymi, wynikającymi przede wszystkim z odmiennych parametrów wód geotermalnych, wielkości pozyskiwanych mocy cieplnych oraz wielkości i rodzaju odbiorców ciepła. Biorąc pod uwagę duże zasoby wód geotermalnych oraz istniejące opracowania studialne dotyczące możliwości ich wykorzystania w wielu miejscowościach w Polsce, można wyrazić pogląd, że w najbliższych latach liczba ciepłowni geotermalnych powinna wzrosnąć. Jednocześnie w licznych pracach podane zostały warunki sprzyjające wdrażaniu projektów ciepłowni geotermalnych. Budowa takich obiektów jest ekonomicznie uzasadniona przede wszystkim w miejscowościach o dużej liczbie mieszkańców i rozbudowanym przemyśle, którzy to odbiorcy gwarantują możliwie stały i duży odbiór energii cieplnej z ujęć geotermalnych. Należy spodziewać się, że w pobliżu ciepłowni geotermalnych będą powstawać także inne obiekty wykorzystujące energię geotermalną. Mogą to być obiekty o przeznaczeniu rekreacyjnym, np. parki wodne, ale również obiekty o przeznaczeniu typowo rolniczym i przemysłowym – szklarnie, suszarnie produktów rolnych, suszarnie drewna, baseny do hodowli ryb itp. Tworzenie systemu o zróżnicowanych temperaturowo odbiorcach ciepła sprzyja większej efektywności pracy ciepłowni i bardziej efektywnemu wykorzystaniu energii wód geotermalnych. © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 73 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 Na podstawie prowadzonych analiz można również stwierdzić, że realnym przedsięwzięciem są koncepcje wykorzystania energii geotermalnej do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach pracujących z niskotemperaturowymi czynnikami roboczymi (wg tzw. organicznego obiegu C-R), a prototypowe instalacje tego typu powinny powstać w najbliższym czasie. Istniejące prognozy przewidują, że dynamiczny rozwój ciepłowni geotermalnych w Polsce powinien nastąpić w latach 2020 - 2050. BIBLIOGRAFIA [1] Balcer M.: Geotermia w Mszczonowie – rozwiązanie na miarę XXI wieku, Czysta Energia, 3(2001). 2] Bujakowski W.: Nowa geotermia w Słomnikach. GlobEnergy, 1(2003), str. 30-31. [3] Geotermia na Podhalu. Materiały informacyjne PEC Geotermia Podhalańska, Zakopane. [4] Górecki W.: Atlas zasobów energii geotermalnej na Niżu Polskim, Wyd. GEOS, Kraków 1996. [5] Górecki W., Kuźniak T., Kozdra T.: Zasoby wód i energii geotermalnej na Niżu Polskim oraz możliwości ich przemysłowego wykorzystania, Odnawialne Źródła Energii, Warszawa, 10-11.12.2001. [6] Kabat M., Nowak W., Sobański R.: Zasady wykorzystania energii wód geotermalnych do celów ogrzewczych budynków. Projekt KBN Nr 7TO7G-010-10 (materiały nie publikowane), Szczecin 1999. [7] Kępińska B.: Energia geotermalna w Polsce – stan i perspektywy wykorzystania. Odnawialne Źródła Energii, Warszawa, 10-11.12.2001. [8] Lound J.W.: Sposoby bezpośredniego wykorzystania energii geotermalnej, Technika Poszukiwań Geologicznych, Geosynoptyka i Geotermia, 4(2000). [9] Materiały Instytutu Gospodarki Surowcami i Energią PAN, Laboratorium Geotermalne. Kraków. [10] Miejski system ciepłowniczy w Pyrzycach – praktyczne wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce. Międzynarodowe Seminarium Naukowo-Techniczne. Szczecin, 10.02.1996. [11] Ney R., Sokołowski J.: Wody geotermalne Polski i możliwości ich wykorzystania, Nauka Polska, Nr 6, 1987 [12] Nowak W., Borsukiewicz-Gozdur A.: Analysis and assessment of the effectiveness of operation of binary power plant utilising geothermal water with a medium enthalpy, Transaction of IFFM, 114 (2003). [13] Nowak W., Sobański R., Kabat M., Kujawa T.: Systemy pozyskiwania i wykorzystania energii geotermicznej, Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2000. [14] Nowak W, Stachel A.: Stan i perspektywy wykorzystania niektórych odnawialnych źródeł energii w Polsce, Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2004. [15] Porochnicki J., Chodkiewicz R., Krysiński J.: Elektrociepłownia geotermalna. Czysta Energia, 1(2001), str. 11-12. [16] Sobański R., Kabat M., Nowak W.: Jak pozyskać ciepło z Ziemi, COIB, Warszawa 2000. [17] Sokołowski J.: Zarys programu działań w zakresie energii geotermalnej, Instal 10 (2001), 54-57. [18] Zieja T.: Słomniki na wodzie. GlobEnergy, 1(2003), str. 31-33. Od Redakcji Na poniższych fotografiach przedstawione są ATLASY ZASOBÓW GEOTERMALNYCH NA NIŻU POLSKIM wykonane pod redakcją prof. dr hab. inż. Wojciecha Góreckiego przez Akademię Górniczo-Hutniczą w Krakowie i wydane w roku 2006. To opracowanie powinno się znaleźć w każdej gminie w Polsce i winno być uwzględniane przy realizacji planów rozwoju oraz zagospodarowania przestrzennego. a) Format A-3; 484 stron b) Format A-3; 240 stron © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 74 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL www.elektro-innowacje.pl ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 4 TO MIEJSCE CZEKA NA WASZĄ SKUTECZNĄ REKLAMĘ REKLAMA W książce, formatu A-4 na 242 stronach, znajdują artykuły dotyczące odnawialnych źródeł energii, które już dziś mogą być stosowane w polskich warunkach klimatycznych przy obecnym stanie techniki. Wśród tematów między innymi: •• Kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne •• Praktyczne obliczenia w instalacjach słonecznego ogrzewania wody •• Konwersja energii słonecznej na chemiczną w ogniwach fotoelektrochemicznych •• Wykorzystanie zasobników energii w energetyce wiatrowej •• Ogniwa Paliwowe – najbardziej efektywne źródła elektryczności •• Produkcja biogazu •• Pompy ciepła w budownictwie mieszkaniowym •• Kogeneracja rozproszona oparta na OZE – mikrosiłownie parowe Cena opracowania wraz z kosztem wysyłki: 120zł+ 5% VAT Zamówienia kierować na adres: [email protected] © Ocena możliwości pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do zasilania ciepłowni i elektrociepłowni 75 - Władysław NOWAK, Aleksander STACHEL
