Elektrownie geotermalne – alternatywa w produkcji energii

Joanna Węgrzyk
Politechnika
Częstochowska
Elektrownie geotermalne – alternatywa w produkcji energii elektrycznej
Energia geotermalna
Energię z głębi Ziemi można pozyskiwać na dwa sposoby:
• z zasobów hydrogeotermalnych, gdzie nośnikiem ciepła są wody podziemne
pozyskiwane przez otwory wiertnicze,
• z zasobów petrogeotermalnych, czyli suchych gorących skał zwanych Hot Dry Rocks
lub wysadów solnych, energię pozyskuje się przez wprowadzenie wody otworami
wiertniczymi do nagrzanych formacji skalnych.
Złoża par i wód geotermalnych eksploatowane są głównie z głębokości do czterech tysięcy
metrów, zbudowane są ze skał charakteryzujących się wysokimi parametrami porowatości,
szczelinowatości oraz przepuszczalności.
Tradycyjne produkowanie prądu elektrycznego przez elektrownie konwencjonalne z powodu
na niektóre realizowane w nich procesy technologiczne ma znaczący wpływ na środowisko, a
w szczególności na powietrze atmosferyczne, gleby i wody. Problemy te można eliminować
dzięki elektrowniom geotermalnych, które zalicza się do odnawialnych źródeł energii. W
przeciwieństwie do innych OZE energia geotermalna jest dostępna cały rok, niezależnie od
warunków pogodowych i klimatycznych. Posiada też większe niż OZE współczynniki
wykorzystania mocy i czasu pracy w ciągu roku.
Obecnie na świecie energię geotermalną do produkcji prądu produkuje kilkaset instalacji
znajdujących się w 24 krajach, a ich moc szacowana jest na ponad 10000 MWel.
Największymi elektrowniami geotermalnymi na świecie są:
• Geyers w Kalifornii – 908 MW;
• Landarello we Włoszech – 420 MW.
Kraj
Austria
Francja
Islandia
Niemcy
Portugalia
Rosja
Turcja
Włochy
Moc zainstalowana [MWe]
1
15
202
2,01
16
79
20
790
Całkowita produkcja [GWh/r.]
3,2
102
1406
1,5
90
85
105
5340
Tab. 1 Europa – produkcja prądu elektrycznego w 2004 r.
Całkowita moc wszystkich europejskich elektrowni geotermalnych w 2004 r. wynosiła 1125
MWe, a produkcja 7132,7 GWh, co w skali świata stanowiło odpowiednio 12,6% i 12,5%
udziału.
Schemat działania
elektrowni geotermalnej
1.
2.
3.
4.
Tłoczenie zimnej wody
Ogrzewanie się wody
Powrót na powierzchnię
Oddanie ciepła w
wymienniku
5. Generator prądu
napędzany turbiną
Metody i technologie generacji prądu elektrycznego
Przy wyborze metody pozyskiwania energii elektrycznej wpływ mają przede wszystkim
parametry wody wydobywanej z wnętrza Ziemi, czyli jej temperatura, stan termodynamiczny
i skład chemiczny. Istnieją dwa podstawowe rodzaje elektrowni geotermalnych:
• z bezpośrednim odparowaniem wody geotermalnej w rozprężaczu – systemy tego
typu stosowane są w układzie z rozprężaczem jednostopniowym lub
dwustopniowym; lub kierowaniem pary bezpośrednio do turbiny parowej skąd po
ekspansji płynie do skraplacza – jednak zastosowanie drugiej metody wymaga,
aby woda termalna występowała w stanie pary nasyconej suchej lub pary
przegrzanej. Sprawność cieplna takich elektrowni sięga 30%;
• elektrownie dwuczynnikowe (binarne). Gorąca woda jest kierowana do
wymiennika ciepła (parownika), który spełnia rolę kotła parowego dla obiegu z
czynnikiem roboczym o niskiej temperaturze wrzenia np. freon o temperaturze
wrzenia – 33 stopnie Celcjusza. Sprawność cieplna tych elektrowni mieści się w
granicach 10 – 15%.
Przykładem systemu mieszanego może być zastosowanie przy bardzo wysokim ciśnieniu
źródła czołowej turbiny wodnej i układu binarnego.
W systemach binarnych czynnik roboczy pracuje według obiegu porównawczego ClausiusaRankine’a lub obiegu Kaliny, który często jest uważany za modyfikację obiegu C-R.
Obieg Clausiusa-Rankine’a składa się z procesów izentropowego rozprężania pary w turbinie
parowej, izobarycznego skraplania rozprężonej pary w skraplaczu, izentropowego
pompowania kondensatu w pompie oraz przegrzania w kotle parowym lub wytwornicy pary.
Czynnik organiczny o niższej niż woda temperaturze wrzenia przy ciśnieniu wyższym od
otoczenia pracuje według obiegu C-R w układzie zamkniętym. Pozwala to na pracę przy
niższych temperaturach górnego źródła. Czynniki robocze w obiegu C-R powinny mieć
wyższą lub równą temperaturę krytyczną niż górne źródło ciepła. Natomiast temperatura
punktu potrójnego powinna być niższa od temperatury dolnego źródła ciepła.
W obiegu Kaliny woda geotermalna przekazuje ciepło czynnikowi roboczemu w parowaczu.
Jako czynnik roboczy cykl Kaliny wykorzystuje mieszaninę amoniak-woda, stosunek
zawartości amoniaku do wody jest indywidualny dla każdej elektrowni binarnej. Szacuje się,
że takie rozwiązanie może być sprawniejsze od obiegu C-R nawet o 25%. Cykl Kaliny może
zawierać wewnętrzny system odzysku ciepła.
Sytuacja w Polsce
Polska należy do krajów, które posiadają bogate zasoby wód geotermalnych o niskiej i
średniej entalpii. Wody te nie nadają się do wykorzystania dla produkcji prądu elektrycznego
z powodu niekorzystnych parametrów temperaturowych, gdyż temperatura przydatnych wód
geotermalnych nie przekracza 120 stopni Celcjusza. Dotychczas woda geotermalna
wykorzystywana była tylko w celach ogrzewczych. Używamy wód geotermalnych przede
wszystkim w balneologii i rekreacji oraz mamy ciepłownie geotermalne takie jak np. w
Bańskiej koło Zakopanego. Jedyną możliwością dla kraju byłoby zbudowanie elektrowni,
która opierałaby się na niskotemperaturowym obiegu Clausiusa-Rankine’a.
Problemy
Jednak, energia czerpana z wnętrza Ziemi nie jest nieskończona. Po dłuższym okresie
eksploatacji spada temperatura pobieranej wody, zmniejsza się ciśnienie pary. Dzieje się tak,
ponieważ proces odnawiania złoża jest znacznie wolniejszy niż tempo eksploatacji. W The
Geysers rozpoczęto projekt pompowania pod ziemię ścieków zbieranych rurociągami z
okolicznych miejscowości.
Emisja siarkowodoru znajdującego się w złożach wykorzystywanych geotermicznie wód
powoduje negatywne oddziaływanie na środowisko. Musi on być pochłonięty w
odpowiednich instalacjach, co znacząco zwiększa koszty produkcji energii elektrycznej.
Problemem jest również, negatywnie oddziałujący na zdrowie człowieka, radon – produkt
rozpadu radioaktywnego uranu. Radon wydobywa się ze studni geotermalnej wraz z parą, jest
to jak na razie nie rozwiązany problem techniczny.
Wadą energetyki korzystającej z HDR (Hot Dry Rocks) jest wzrost sejsmiczności.
Szczelinowanie hydrauliczne jest operacją mogącą prowadzić do groźnych incydentów.
Pękające skały generują drgania i jak na razie wydaje się, że nie da się ich uniknąć, można
ograniczyć stosowanie tej metody do obszarów sejsmicznie stabilnych dla eliminacji
niebezpieczeństwa drgań.
Uaktualnione, szczegółowe dane zostały przedstawione podczas IV Światowego Kongresu
Geotermalnego, który odbył się 20.04 – 30.04.2010 r. w Indonezji organizowany przez
Międzynarodowe Zrzeszenie Energii Geotermalnej (IGA) oraz indonezyjskie ministerstwo
energii i zasobów mineralnych.
Bibliografia
[1] Nowak W., Stachel A., Borsukiewicz-Gordur A., Zastosowania odnawialnych źródeł energii, Wyd.
Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 2008,
[2] Pawlik M., Strzelczyk F., Elektrownie, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2009
[3] Gronowicz J., Niekonwencjonalne źródła energii, Wyd. Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom-Poznań,
2008
[4] Kępińska B., Energia geotermalna, w: Czysta energia, nr 9(97)/2009
[5] Kępińska B., Energia geotermalna, w: Czysta energia, nr 10(98)/2009
[6] Kaczmarczyk M., Systemy binarne w geotermii, w: GlobEnergia, nr 4/2009
[7] Rutkowski M., Elektrownie wykorzystujące naturalne ciepło Ziemi, w:
http://www.polityka.pl/nauka/1503532,1,elektrownie-wykorzystujace-naturalne-cieplo-ziemi.read