Adaptacja technologii wykorzystywanych w geotermii dla potrzeb energetyki zawodowej. Leszek Pająk PAN Kraków

Transkrypt

1 Adaptacja technologii wykorzystywanych w geotermii dla potrzeb energetyki zawodowej Leszek Pająk PAN Kraków III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

2 46 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012

3 Adaptacja technologii wykorzystywanych w geotermii dla potrzeb energetyki zawodowej Leszek Pająk Pracownia Odnawialnych Źródeł Energii Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk ul. Wybickiego 7, Kraków pajak@meeri.pl W skali światowej wykorzystanie zasobów energii geotermalnej prowadzi się na dwa sposoby: poprzez wykorzystanie bezpośrednie i pośrednie. Eksploatacja pośrednia polega na konwersji energii geotermalnej w energię elektryczną. Eksploatacja bezpośrednia polega na wykorzystaniu zasobów energii geotermalnej w ciepłownictwie, rolnictwie, balneologii - wszędzie tam gdzie wykorzystuje się energię cieplną lub właściwości płynów geotermalnych. Eksploatacja energii geotermalnej w Polsce, według przyjętej nomenklatury, ogranicza się do wykorzystania bezpośredniego. Na rys. 1 przedstawiono lokalizację działających w Polsce instalacji wykorzystujących zasoby energii geotermalnej, w tabeli 1 podano natomiast najistotniejsze parametry tych instalacji. Od roku 2009, dla którego aktualne są dane przedstawione na rys. i w tabeli 1, uruchomiono nowe instalacje. Skupiają się one na wykorzystaniu energii i wód geotermalnych w balneologii i rekreacji. Parametry robocze nowouruchomionych instalacji zawierają się w zestawionym w tabeli 1 przedziale zmienności (nie przekraczając wydajności i temperatur zestawionych w tabeli 1). Wykorzystanie zasobów energii geotermalnej w sposób pośredni wymaga odpowiednio wysokiej temperatury płynu na głowicy otworów produkcyjnych lub zastosowania odpowiednich technologii - będących w stanie wytwarzać energię elektryczną ze stosunkowo niskich temperatur. Wytwarzanie energii elektrycznej przez turbiny wodne wymaga temperatury powyżej 150 C. Temperaturę przy której wytwarzać można energię elektryczną znacząco można obniżyć wykorzystując siłownie binarne. Siłownia binarna to system produkujący energię elektryczną, działający dzięki wykorzystaniu dwóch różnych płynów oddzielonych od siebie hydraulicznie (nie mieszających się). Płyn dostarczający energię cechuje się wyższą temperaturą parowania (przy określonym ciśnieniu) niż płyn roboczy napędzający turbinę. Turbina napędza wał generatora produkującego energię elektryczną. Podobną definicję siłowni binarnej podaje również literatura, np.: (Cleveland i Morris 2006). III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

4 Rys. 1. Wykorzystanie zasobów energii geotermalnej w Polsce, stan na rok 2009 (Bujakowski 2010) Termin siłownia binarna często wiązany jest z energią geotermalną, wynika to ze stosowania jako medium grzewczego płynów geotermalnych o temperaturze za niskiej by napędzać klasyczną turbinę parową. Wyobrazić sobie można również układ pracujący na bazie schematu siłowni binarnej, a wykorzystujący inne niż geotermia źródła energii (Obrenberger i inni 2002 i 2003) - w tym energię pochodzącą z paliw konwencjonalnych lub biomasy (rys. 2) (Baradziej i Pająk 2004a i 2004b). 48 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

5 Tabela 1. Główne parametry energetyczne instalacji geotermalnych, balneologicznych i pomp ciepła w Polsce (Bujakowski 2010) Lokalizacja instalacji Zasoby eksploatacyjne Temperatura o C Moc zainstalowana całkowita /z geotermii (wartości oszacowane) MW t Pobór wód m 3 /rok / m 3 /godz Grupa I - Instalacje ciepłownicze - wykorzystujące wody termalne (o temp. >25 o C) 1. Mszczonów / / / Podhale Bańska Niżna / / / Podhale Zakopane Antałówka ,5 2.6 / / / 21 Produkcja energii Całkowita /z geotermii (wartości TJ/rok) 4. Podhale Zakopane Szymoszkowa / 1.2 b.d 8 / 8 5. Podhale Bukowina Tatrzańska 40 64,5 2.41/ / / Pyrzyce / / / Stargard Szczeciński / / / Uniejów / / / 8.5 Razem / / Grupa II - Instalacje geotermalne w zakładach balneologicznych 1. Ciechocinek / / / Cieplice 56, / / / Duszniki 107, / / / Grudziądz-Marusza / / / Lądek 59, / / / Lubatówka / / / Rabka Zdrój / / / Ustroń 2, / / / 0.1 Razem / / 38.5 Grupa III Instalacje pomp ciepła wykorzystujące ciepło wód gruntowych i gruntu (o temp. <25 o C) Pompy ciepła (ok ) 7-25 >100 / >68 >625 / > 450 Razem >100 / >68 >625 / > 450 SUMA WSZYSTKICH INSTALACJI > / > > / > Światowe doświadczenia dotyczące wykorzystania siłowni binarnych są już dość duże. W publikacji (Kaczmarczyk 2009) dokonano przeglądu wybranych instalacji siłowni binarnych wykorzystujących jako źródło energii wody geotermalne o temperaturze poniżej 150 C. Z publikacji wynika, że instalacją produkującą energię elektryczną z wód o najniższej III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

6 Rys. 2. Schemat elektrociepłowni binarnej współpracującej ze źródłem energii w postaci kotła (Baradziej i Pająk 2004a) temperaturze jest instalacja zlokalizowana w Chena Hot Springs na Alasce. Produkuje ona energię elektryczną z wód o temperaturze 74 C, przy wydajności 32 m 3 /h. Osiąga ona moc elektryczną brutto 400 kw. Literatura (Erkan 2008) wspomina o możliwości produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu siłowni binarnej z płynów geotermalnych o temperaturze 57 C, informacja ta nie dotyczy jednak instalacji działającej lecz inwestycji znajdującej się w sferze rozważań projektowych. Tabela 2 zestawia najbardziej istotne parametry eksploatacyjne siłowni binarnych. Z danych zestawionych w tabeli 2 wynika, że jeżeli chodzi o geotermalne elektrownie binarne to w rozwiązaniach praktycznych, stosowane są dwie technologie: ORC (ang. Organic Rankine Cycle) i Kalina. Technologia ORC jest zdecydowanie bardziej rozpowszechniona. Z dostępnych materiałów literaturowych wynika, że obecnie na Świecie działają tylko dwie słownie geotermalne wykorzystujące system Kalina (Sirko Ogriseck 2009) - reszta to siłownie ORC. Ogólna liczba działających siłowni wykorzystujących system Kalina szacowana jest na 5 sztuk (Ogriseck 2009). Wymagany poziom nakładów inwestycyjnych dla instalacji o mocy elektrycznej poniżej 500 kw szacowany jest na ok. 2 do 3 tys Euro/kW el (Ogriseck 2009) (wskaźnik dotyczy tylko instalacji powierzchniowej z wyłączeniem części geotermalnej). Według danych 50 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

7 Rys. 3. Zdjęcie archiwalne pierwszej binarnej siłowni geotermalnej uruchomionej w miejscowości Paratunka na Kamczatce w 1967 roku (Lund 2004) literaturowych (Ogriseck 2009) nakłady inwestycyjne na realizację siłowni binarnej pracującej w obiegu Kalina mniej więcej zrównują się z nakładami ponoszonymi na siłownię konwencjonalną jeżeli moc elektryczna instalacji przekracza 6 MW. Pierwszą siłownię binarną (rys. 3) uruchomili Rosjanie na Kamczatce w 1967 roku (Lund 2004), miała ona moc elektryczną 680 kw i produkowała energię z wód o temperaturze 81 C. Pracowała ona w oparciu o technologię ORC (Orgranic Rankine Cycle) wykorzystując czynnik roboczy R-12 (freon o nazwie dichlorodifluorometan). Tabela 2. Zestawienie parametrów wybranych geotermalnych instalacji binarnych działających na Świecie (na podstawie Kaczmarczyk 2009) Parametr Jednostka miary Altheim Bad- Blumau Lokalizacja elektrowni Hussavik Neustad- Glewe Unterhaching Chena Hot Springs, Alaska Temperatura wody geotermalnej C Strumień wody geotermalnej m 3 /h Moc elektryczna MW 0,5 0,18 1,6 0,21 3,36 0,4 Moc cieplna MW 9 5, Stosowana technologia Rodzaj niskotemperaturoweg o źródła energii Temperatura niskotemperaturoweg o źródła energii C ORC ORC Kalina ORC Kalina ORC woda z górskieg o potoku 10 (podgrzew do 18 C) Chłodnie wentylato rowe woda z górskiego potoku Chłodnie wentylatoro we Chłodnie wentylato rowe Woda z rzeki ~10 5 ~10 ~10 4 Podstawowa praktyczna różnica pomiędzy technologiami polega na sposobie realizacji procesów generujących siłę napędową dla wytwarzania energii elektrycznej - czyli wytworzenia różnicy ciśnień, która powoduje przepływ czynnika roboczego napędzającego III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

8 turbinę. W przypadku technologii ORC parowanie i skraplanie czynnika roboczego przebiega izotermicznie i izobarycznie. Cykl Kalina wykorzystuje mieszaninę dwóch substancji: wody i amoniaku. Dzięki własnościom tego roztworu możliwe jest nieizotermiczne parowanie i skraplanie, a co dla siłowni geotermalnej ważniejsze możliwe jest znaczne obniżenie temperatury parowania czynnika roboczego i zbliżenie jej do temperatury czynnika napędowego na wyjściu z parowacza.. Siłownie binarne mogą być uzupełnieniem konwencjonalnych siłowni parowych, rozwiązanie takie stosowane jest już dzisiaj w siłowniach geotermalnych pracujących na wysokotemperaturowych złożach geotermalnych. Pozwala to podnieść sprawność siłowni parowych o rząd kilku procent. Przykładem takiego rozwiązania jest siłownia Svartsengi na Islandii - schemat jej działania przedstawia rys. 4. Rys 4. Schemat działania siłowni geotermalnej Svartsengi na Islandii (Thorolfsson 2005) Powszechniej w Polce znane jest wykorzystanie energii geotermalnej w ciepłownictwie, z tabeli 1 wynika, że w 2009 roku działało 5 instalacji wykorzystujących właśnie w ten sposób zasoby energii geotermalnej: Zakopane, Pyrzyce, Stargard Szczeciński, Mszczonów i Uniejów. Z punktu widzenia możliwości współpracy ciepłowni geotermalnej z istniejącą siecią i podłączonymi do niej odbiorcami niekorzystne jest łączenie jej z siecią dystrybucyjną zaprojektowaną dla wysokich parametrów. Znacząco redukuje to możliwość pracy geotermalnego źródła energii, któro ma ściśle określoną maksymalną temperaturę roboczą 52 III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

9 (wynikającą z parametrów złożowych). Wpływ temperatur projektowych na możliwość współpracy źródła z siecią i instalacjami odbiorcy zaprezentowano na rys. 5 Rys. 5. Wydzielenie możliwych trybów pracy źródła energii współpracującego z odbiorcą (lub systemem dystrybucji energii) charakteryzującym się wymaganą temperaturą zasilania i osiąganą temperaturę powrotu Wymagana temperatura zasilania i osiągana temperatura powrotu systemu dystrybucji energii powinna być możliwie niska jeżeli chcemy wykorzystać geotermalne źródło energii efektywnie. Oczywiście kluczem do odpowiedniego jej określenia winny być pełne obliczenia ekonomiczne uwzględniające: poziom nakładów inwestycyjnych, redukcję opłat za gospodarcze korzystanie ze środowiska, redukcję kosztów zakupu nośników energii i ewentualne przychody z tytułu sprzedaży energii objętej certyfikacją (na dzień dzisiejszy dotyczy to raczej energii elektrycznej). Podsumowanie Zaprezentowane doświadczenia oraz przegląd instalacji i technologii stosowanych w geotermii pozwala zauważyć, że geotermia zaadaptowała dla praktycznego wykorzystania dostępne technologie z dziedziny elektroenergetyki i ciepłownictwa charakterystyczne dla III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

10 niskich temperatur roboczych. Wykorzystanie tych technologii zazwyczaj wiąże się z niższą sprawnością energetyczną i podwyższonymi nakładami inwestycyjnymi ale bazuje na źródle energii nie wymagającym konsumpcji nośników energii, albo konsumpcję znacząco redukuje. Niektóre z omawianych technologii rozwinęły się intensywniej osiągając wysoki poziom zawansowania i obniżyły wymagany poziom nakładów inwestycyjnych właśnie dzięki geotermii - przykładem są chociażby omówione siłownie binarne. Geotermia ma swój wkład w rozwój technologii pomp ciepła. Adaptacja urządzeń i technologii stosowanych w geotermii jest możliwa również w energetyce zawodowej. Wymaga to jednak pewnych technicznych zabiegów adaptacyjnych. W przypadku ciepłownictwa zabiegi te winny zmierzać głównie do obniżenia wymaganej temperatury zasilania. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej wymagana jest rozbudowa istniejących układów, dzięki temu można liczyć na wzrost sprawności konwersji energii chemicznej paliwa w finalną energię elektryczną rzędu kilku procent. Opłacalność adaptacji konkretnych rozwiązań wymaga, zarówno w ciepłownictwie jaki i wytwarzaniu energii elektrycznej, rzetelnych analiz obejmujących wszystkie aspekty techniczne i ekonomiczne w długoterminowym przedziale czasu (uwzględniając stały wzrost cen konwencjonalnych nośników energii). Literatura: 1. Baradziej T., Pająk L., 2004a. Nowe technologie do skojarzonego wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej z wykorzystaniem biomasy dla potrzeb energetyki rozproszonej. Technika Poszukiwań Geologicznych Geosynoptyka i Geotermia nr 1-2/2004. strony: Baradziej T., Pająk L., 2004b. Wstępna analiza ekonomiczna opłacalności wykorzystania instalacji do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z wykorzystaniem biomasy. Technika Poszukiwań Geologicznych Geosynoptyka i Geotermia nr 4/2004. strony: Bujakowski W., Wykorzystanie wód termalnych w Polsce (stan na rok 2009). Przegląd geologiczny tom 58, nr 7 (lipiec)/2010, strony Cleveland C.J., Morris Ch., Dictionary of Energy. Elsevier 5. Erkan K., Holdmann G., Benoit W., Blackwell D. Understanding the Chena Hot Springs, Alaska, geothermal system using temperature and pressure data from exploration boreholes. Geothermics 37 (2008). Strony III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina

11 6. Kaczmarczyk M. Przegląd instalacji binarnych na świecie wykorzystujących wody geotermalne o temperaturze poniżej 150 C. Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia, Zrównoważony Rozwój nr 2/2009. Strona Lund J., years of geothermal power production. Geo-Heat Center Biulletin september dostęp Stron 9 8. Obrenberger I. i inni: Description and evaluation of the new 1000 kwel Organic Ranikne Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria, Euroheat & Power, volume 10/ Obrenberger I. i inni: State-of-the-art and future developments regarding small-scale CHP with a special focus on ORC and Stirling engine technologies, International Nordic Bioenergy 2003 conference 10. Ogriseck S., Integration of Kalina cyclce in a combined heat and power plant, a case study. Applied Thermal Engineering 29/2009. strony Thorolfsson G., Sudurnes Regional Heating Corporation, Svartsengi Iceland. dostęp III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina