Energia słoneczna i cieplna biosfery Energia geotermalna

Dr inż. Mariusz Szewczyk
Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Termodynamiki
35-959 Rzeszów, ul. W. Pola 2
Energia słoneczna i cieplna biosfery
Energia geotermalna
mechanizm generacji
natura źródeł geotermalnych
wykorzystanie energii geotermalnej
polskie zasoby geotermalne
instalacje geotermalne w Polsce
organizacja odbioru ciepła
charakterystyka nośnika ciepła
elektrownie i ciepłownie geotermalne
BMi
L
w
1951
Mechanizm generacji
Temperatura jądra wewnętrznego Ziemi jest
szacowana na 5400 ± 500 °C (3500  6600
°C).
Pierwotna energia termiczna zgromadzona
przez kulę ziemską w trakcie jej tworzenia
(energia kolapsu grawitacyjnego i energia
wydzielona w trakcie pierwotnego
bombardowania) została już rozproszona.
Strumień geotermalny (odpływ ciepła w
kierunku powierzchni Ziemi) jest wywoływany
przez energię rozpadu promieniotwórczego
238U, 235U, 232Th, 40K.
Stężenie pierwiastków radioaktywnych w
wnętrzu Ziemi systematycznie spada –
zmniejsza się temperatura wnętrza Ziemi i
strumień geotermalny.
Istnieje hipoteza o na tyle dużym rozdzieleniu grawitacyjnym w epoce tworzenia się
Ziemi że w jądrze Ziemi stężenie uranu jest wystarczające do podtrzymania reakcji
rozszczepienia.
BMi
L
w
1951
Gradient geotermalny
Średni gradient geotermalny – gradient temperatury wywołujący strumień
geotermalny - wynosi około 25 K/km.
Lokalna wartość gradientu może się wahać od kilku do ponad 200 K/km:
• gradient normalny < 40 K/km,
• gradient semitermiczny 40  80 K/km,
• gradient hipertermiczny > 80 K/km.
Średni strumień geotermalny wynosi 0,063 W/m2 (5•103 razy mniej niż strumień
EPS) – wykorzystanie tej energii jest możliwe tylko w w szczególnie korzystnych
miejscach.
Sumarycznie przez powierzchnię Ziemi przechodzi 4•1017 kJ/a (20 x więcej niż
produkcja energii elektrycznej).
Zasoby energii cieplnej pochodzenia geotermalnego teoretycznie możliwe do
wykorzystania do celów ciepłowniczych są ogromne i szacowane na około 3x106
EJ, co przekracza ponad 9000 razy wielkość rocznej konsumpcji energii na
świecie.
BMi
L
w
1951
Natura źródeł geotermalnych
Rejony hipertermiczne zapewniające najlepsze warunki do pozyskiwania energii
geotermalnej to przede wszystkim:
• rejony aktywne geologicznie – rejony subdukcji, ryftów kontynentalnych i
oceanicznych, młodych gór fałdowych, płytkich intruzji magmowych,
• rejony radiogeniczne – obszary występowania skał o wysokiej zawartości
pierwiastków promieniotwórczych w skorupie Ziemi,
• rejony o małej grubości skorupy ziemskiej,
• wysady solne.
Zasoby (złoża) geotermalne występują w dwóch formach:
• zasobów petrotermicznych (petrogeotermalnych) – energia termiczna czerpana jest
z suchych gorących skał lub wsadów solnych,
• zasobów hydrotermicznych (hydrogeotermalnych, hydrotermalnych) - energia
termiczna czerpana jest z basenów geotermalnych w postaci:
- wód niskotemperaturowych - 20  35 °C,
- wód średniotemperaturowych - 35  80 °C,
- wód wysokotemperaturowych - 80  100 °C,
- wód przegrzanych >100 °C,
- mieszaniny pary wodnej i wody, rzadziej czystej pary - 100  300 °C.
BMi
L
w
1951
Złoża hydrotermalne
Złoża hydrotermalne rozmieszczone są w głębi Ziemi w postaci basenów i
subbasenów (zbiorników) wchodzących w skład okręgów i prowincji geotermalnych.
Zbiorniki geotermalne stanowią pokłady skał porowatych takich jak piaskowce,
wapienie zamknięte pomiędzy warstwami skał nieprzepuszczalnych lub
uszczelniających takich jak: iłowce, margle, sole, anhydryty, skały magmowe.
Woda w zbiornikach geotermalnych jest przeważnie mieszaniną wód różnego
pochodzenia:
• magmowe – uwolnione w wyniku metamorfizmu termicznego minerałów
uwodnionych,
• chomogeniczne – powstałe w wyniku reakcji chemicznych,
• sydymentacyjne morskie i kontynentalne – nasączające osady w trakcie
sydymentacji,
• infiltracyjne dawne i współczesne – przesączające się z powierzchni do zbiornika.
Baseny geotermalne mogą być połączone z powierzchnia Ziemi i uzupełniane
przez wody gruntowe lub mogą być całkowicie odseparowane od powierzchni i
innych pokładów skał porowatych warstwami nieprzepuszczalnymi.
BMi
L
w
1951
Możliwe zastosowania energii geotermalnej
Sposób wykorzystania ciepła geotermalnego w zależności od jego temperatury
według diagramu Lindal'a przedstawia się następująco:
• 20°C - hodowla ryb;
• 30°C - wylęgarnie i hodowla ryb, odladzanie, ogrzewanie gleby;
• 40°C - baseny kąpielowe, ogrzewanie podłogowe, suszenie gleby;
• 50°C - balneologia, hydroterapia, uprawa grzybów, rozkład biomasy;
• 60°C - hodowla zwierząt, ogrzewanie szklarni, suszenie płodów rolnych;
• 70°C - przygotowanie c.w.u., przemysł mięsny i spożywczy;
• 80°C - ogrzewanie mieszkań;
• 90°C - suszenie ryb, intensywne rozmrażanie;
• 100°C - suszenie jarzyn, dehydracja materiałów ogrodniczych;
• 110°C - suszenie lekkich struktur betonowych;
• 120°C - produkcja wody pitnej przez destylację;
• 130°C - rafinacja cukru, konserwacja pożywienia;
• 140°C - suszenie produktów rolnych, produkcja rolna i przemysłowa;
• 150°C - produkcja aluminium w procesie Bayer'a;
• 160°C - suszenie drewna budowlanego, suszenie mączki rybnej;
• 170°C - suszenie wodorostów, produkcja ciężkiej wody;
• 180°C - odparowanie wysokoskoncentrowanych roztworów;
• 190°C - procesy przy produkcji papieru;
• 200°C - konwencjonalna produkcja energii elektrycznej.
BMi
L
w
Wykorzystanie energii geotermalnej
Źródła o temperaturze 40  90°C znajdują zastosowanie w produkcji ciepła
użytkowego, natomiast ze źródeł o temperaturze 120°C i wyższej, możliwa staje się
produkcja energii elektrycznej. Zdecydowana większość zasobów wód geotermalnych
posiada temperatury nieprzekraczające 100°C.
1951
Ogólna moc instalacji geotermalnych w 58 krajach świata wykorzystujących energię
geotermalną osiąga wielkość ponad 11 GWe i ponad 28 GWt.
Największy udział w
produkcji energii
geotermalnej posiadają
USA, Filipiny, Indonezja,
Meksyk, Włochy, Islandia,
Japonia, Nowa Zelandia.
Największym udziałem
energii geotermalnej w
bilansie energii pierwotnej
sięgającym 30 %
charakteryzują się Islandia,
Filipiny i Salwador.
BMi
L
w
1951
Światowe zasoby geotermalne
BMi
L
w
1951
Polskie zasoby geotermalne – mapa strumienia geotermalnego
BMi
L
w
1951
Polskie zasoby geotermalne – mapa okręgów geotermalnych
Szkic tektoniczny Europy Centralnej przedstawiający główne elementy tektoniczne tej części
Europy, tworzone przez trzy megajednostki: platformę wschodnioeuropejską, platformę
Centralnej i Zachodniej Europy oraz Karpaty - trzy główne systemy tektoniczne kontynentu
europejskiego stykają się na obszarze południowo-wschodniej Polski; przykład modelu struktury
skorupy ziemskiej dla profilu refrakcyjnego CEL05 - objaśnienia: czarne trójkąty na poziomej osi
modelu oznaczają punkty generowania fal sejsmicznych; ciągłe linie oznaczają granice
sejsmiczne w skorupie ziemskiej; 6.30, 7.00, 8.20 i in. oznaczają prędkości fal sejsmicznych w
km/s dla wyznaczonych granic i pięter skorupy ziemskiej.(Źródło: IGF PAN).
BMi
L
w
1951
Polskie zasoby geotermalne – mapa okręgów geotermalnych
BMi
Polskie zasoby geotermalne
L
w
1951
Lp.
Nazwa okręgu
1.
grudziącko-warszawski
3.
przedsudeckopółnocnoświętokrzyski
5.
lubelski
2.
6.
4.
7.
8.
9.
szczecińsko-łódzki
przybałtycki
pomorski
[tys. km2]
70
67
Razem:
[km3]
6 200
5 708
155
12
30
15
7
przedkarpacki
Objętość wód
geotermalnych
39
12
podlaski
karpacki
Obszar
44,1
42,3
3,9
[mln tpu]
23 902
[tys. tpu /km2]
37 624
995
168
246
26
38
2,5
241
16
21
1,6
162
13
17
16
362
251
12 631
13
[mln m3/km2]
Zasoby energii
cieplnej
100
2,5
2,5
22,6
7,7
193
16
113
16
714
55
1 555
65 499
Średnia temperatura wód geotermalnych w wymienionych dziewięciu okręgach
waha się od 45° C w okręgu grudziądzko-warszawskim, do 76° C w okręgu
szczecińsko-łódzkim. Wody te zawierają jednak dużą ilość związków soli, dlatego
też nie mogą być kierowane bezpośrednio do instalacji wewnętrznych.
97
BMi
L
w
1951
Polskie zasoby geotermalne na tle Europy Środkowej
BMi
L
w
1951
Zasoby geotermalne Rzeszowa
BMi
L
w
1951
Instalacje geotermalne w Polsce - mapa
BMi
L
w
1951
Instalacje geotermalne w Polsce - opis
Budową ciepłowni gotermalnych zainteresowane są m.in. Inowrocław, Cieplice
Zdrój, Lądek Zdrój, Konstancin, Ustroń, Iwonicz, Duszniki, Żyrardów, Skierniewice,
Koło, Czarnków, Poddębice, Ślesin, Szczecin, Chociwel, Nowogard, Wągrowiec,
Kraków, Myślenice czy Sucha Beskidzka.
BMi
L
w
Organizacja odbioru ciepła
System pozyskiwania energii geotermalnej jest w pewnym zakresie powiązany z
technologią wykorzystania energii.
Systemy pozyskiwania płynu geotermalnego
oraz odbioru ciepła:
1951
• otwarte – tylko otwór eksploatacyjny;
• zamknięte:
- jednootworowe jednorurowe i dwururowe –
otwór eksploatacyjny wykorzystywany jest
również jako zatłaczający (chłonny) –
zatłaczanie odbywa się do spągowych warstw
poziomu wodonośnego z którego odbywa się
eksploatacja lub do innego poziomu
wodonośnego (wyższego) z tego samego
zbiornika hydrotermalnego,
- dwuotworowe (dubletowe) – pobór i
zatłaczanie zazwyczaj do tego samego
poziomu wodonośnego a odległość pomiędzy
otworami wynosząca od 700 do 1500 m
pozwala na 25  30 lat eksploatacji bez
pogarszania właściwości termicznych.
BMi
L
w
1951
Charakterystyka nośnika ciepła
Większość basenów hydrotermalnych zawiera
rozpuszczone związki mineralne ciecze i gazy w ilości od
1 do kilkuset g/dm3.
Substancje rozpuszczone to przede wszystkim:
• sól NaCl, weglany, krzemiany, aminiak NH3,
• siarkowodór H2S, metan CH4, azot N2, tlen O2, radon Rn.
Składniki te czynią nośnik agresywnym zarówno w
stosunku do urządzeń technologicznych jak i środowiska.
Niektóre z tych składników solanki np. kwas borny,
metan po oddzieleniu można wykorzystywać
gospodarczo.
BMi
L
w
1951
Technologie geotermalne
Technologie wytwarzania energii cieplnej.
Technologie wytwarzania energii elektrycznej:
• układy jednobiegowe wodne,
• układy jednobiegowe na czynnikach niskowrzących,
• układy dwuobiegowe.
BMi
L
w
1951
Ciepłownie geotermalne – schematy technologiczne
BMi
L
w
1951
Pole temperatur w rejonach aktywnych geologicznie (Islandia)
BMi
L
w
1951
Elektrownie geotermalne – schematy technologiczne
BMi
L
w
1951
Elektrownie geotermalne - widok
Bibliografia
• „Wykorzystanie energii geotermalnej”, prof. dr hab. inż.
Janusz Piechocki
• „Ciepłownie geotermalne w Polsce – stan obecny i
planowany” , prof. dr hab. inż. Władysław Nowak, dr
inż. Aleksander Stachel