Wykorzystanie energii geotermalnej i geotermicznej: stan istniejący, perspektywy, doświadczenia

Transkrypt

1 Politechnika Szczecińska Katedra Techniki Cieplnej Centrum Energii Odnawialnych PS dr hab. inż. Aleksander A. Stachel, prof. PS Wykorzystanie energii geotermalnej i geotermicznej: stan istniejący, perspektywy, doświadczenia Polityka Energetyczna w Regionie Południowego Bałtyku, Szczecin,

2 2 Tematyka wykładu Wprowadzenie Energia geotermiczna i geotermalna Systemy pozyskiwania energii geotermalnej Systemy wykorzystania energii geotermalnej Zasoby energii geotermalnej w Polsce Instalacje geotermalne w Polsce Dotychczasowe doświadczenia Perspektywy Podsumowanie

3 Polska: prognoza zapotrzebowania na energię Energia pierwotna [Mtoe] Traktatowy Podstawowy węglowy Podstawowy gazowy Efektywności

4 4 Polska: energia pierwotna 15% 1% 5% 6% Pozyskanie energii pierwotnej Zużycie energii pierwotnej 73% Węgiel Kamienny Węgiel Brunatny Ropa Naftowa 13% 3% Gaz Ziemny Pozostałe 19% 52% 13% Wegiel Kamienny Węgiel Brunatny Ropa Naftowa Gaz Ziemny Pozostałe

5 Polska: struktura pozyskania paliw i energii 5 100% 90% 80% 3% 18% 12% 8% 3% 10% 70% 68% 60% 50% 40% 97% 100% 96% 88% 97% 30% 20% 10% 0% Węgiel Kamienny Węgiel Brunatny 1% 4% 32% Ropa Naftowa Gaz Ziemny Produkty ropopochodne Energia elektryczna Pozyskanie/Produkcja krajowa w tym Eksport Import

6 6 Prognoza zmian struktury zapotrzebowania na paliwa i energię 100% 80% 60% 40% 20% Energia odnawialna Pozostałe paliwa Energia jądrowa Ropa naftowa Gaz ziemny Węgiel brunatny Węgiel kamienny Energia jądrowa Pozostałe paliwa Energia odnawialna Ropa naftowa Gaz ziemny Węgiel brunatny 0% Węgiel kamienny

7 7 Odnawialne Źródła Energii Energia wody 43 PJ/a (1,1%) Energia biomasy 895 PJ/a (23,4%) Energia wiatru 36 PJ/a (1,0%) Wykorzystanie energii z OZE w Polsce: 2006 r 6 % 2010 r 12%??? Energia słonecz na 1340 PJ/a (35,0%) Energia geotermalna 1512 PJ/a (39,5%) Potencjał odnawialnych źródeł energii w Polsce (wg G. Wiśniewskiego) Energia geotermiczna/ geotermalna???

8 8 Energia geotermiczna energia rezydualna z okresu tworzenia Ziemi, energia naturalnego rozpadu promieniotwórczego, ciepło krystalizacji substancji tworzących jądro, ciepło dyssypacji pływów w płynnym wnętrzu wywołane działaniem Księżyca i Słońca Skorupa o grubości 5 80 km, temperatura o C Płaszcz do głębokości 2900 km, temperatura do 4500 o C Jądro zewnętrzne głębokość km, temp. do 6000 o C Ziemia Filipiny Średnia gęstości strumienia ciepła geotermicznego - 63 kw/km 2 Jądro wewnętrzne poniżej 5100 km, temp. do 6200 o C

9 9 Gradient geotermiczny Wielkość gradientu temperatury Typowy gradient Anomalie termiczne Temperatura skał złożowych: T = T go +EH [ o C] gdzie: H - głębokość [km] E - gradient geotermiczny [K/km] T go - średnia temperatura na powierzchni [ o C] Temperatura na końcu odwiertu 265 C Anomalie dodatnie obszary wulkaniczne Anomalie ujemne obszary wiecznej zmarzliny Średni gradient geotermiczny ~30 K/km

10 10 Energia geotermiczna Zasoby hydrogeotermalne nośnikiem ciepła są naturalne wolne wody podziemne eksploatowane otworami wiertniczymi tzw. energia geotermalna Zasoby petrogeotermalne energia suchych gorących skał lub wysadów solnych pozyskiwana przez wprowadzenie wody do formacji nagrzanych skał

11 11 Wody geotermalne Wody ciepłe: (niskotemperaturowe) Wody gorące: (średniotemperaturowe) Wody b. gorące: (wysokotemperaturowe): Wody przegrzane: o C o C o C > 100 o C Zbiornik geotermiczny: zasoby gorącej wody i/lub pary znajdującej się w strukturze skał porowatych pomiędzy warstwami nieprzepuszczalnej skały

12 Systemy pozyskiwania energii geotermalnej 12 Zespół elementów pozwalających wydobywać energię z wnętrza Ziemi na jej powierzchnię, za pomocą płynu jako nośnika ciepła: złoże geotermalne, kanały dostępu do złoża, płyn jako nośnik ciepła (najczęściej woda), specjalne oprzyrządowanie (filtry, pompy głębinowe, wymienniki ciepła ).

13 13 Złoże geotermalne Czynniki decydujące o podjęciu eksploatacji wód geotermalnych na skalę przemysłową w sposób ekonomicznie uzasadniony: korzystne warunki naturalne ośrodka skalnego: - wystarczająca miąższość, - dobra przepuszczalność, - wymagana temperatura, odpowiednie właściwości wody geotermalnej - wydajność i wielkość zasobów w założonym okresie eksploatacji, - gęstość strumienia cieplnego, - gradient temperatury wgłębnej.

14 Systemy wydobywcze wód geotermalnych 14 System jednootworowy System dwuotworowy Budapeszt GWC - geotermalny wymiennik ciepła, OC - odbiornik ciepła, P pompa, PG - pompa głębinowa, WW - warstwa wodonośna, S - sprężarka, ZR - zbiornik retencyjny

15 Strumień ciepła [MW] Ilość ciepła [MWh] Potencjalne możliwości pozyskania ciepła geotermalnego Q g = V g ρ c p (T gw -T gz ) V g =150 m 3 /h V g =125 m 3 /h T gw = 75 0 C Q[MW] T g = 95 0 C Wodasieciowapodgrzewanawwymienikuciepła od34 O Cdo93 O C 4 O C- 93 O C 54 O C- 93 O C 64 O C- 93 O C 69 O C- 93 O C Wodasieciowapodgrzewanawkotle szczytowympowyżej temperatury93 O C OC =34 Tsp OC =44 Tsp OC Tsp =54 OC =64 Tsp OC Tsp =69 V g =20m 3 /h T p =var. Q g [MW] 5 4 V g =100 m 3 /h V g =75 m 3 /h T sz [ O C] V g =50 m 3 /h T 80 gz [ O C] V ΔT ΔN V ΔT ΔN V ΔT ΔN [m 3 /h] [K] [kw] [m 3 /h] [K] [kw] [m 3 /h] [K] [kw] ,0 10,0 Vg = 50 [m3/h] ,0 Vg = 75 [m3/h] 8,0 Vg = 100 [m3/h] ,0 Vg = 125 [m3/h] 6,0 Vg = 150 [m3/h] ,0 4, ,0 2, ,0 0, Różnica temperatur [K]

16 Wykorzystanie wód geotermalnych Ogrzewanie 2. Balneologia 3. Suszarnie 4. Szklarnie 5. Farmy rybne 6. Przemysł 7. Odladzanie i chłodzenie 8. Pompy ciepła 9. Energia elektryczna Inne Wykorzystanie energii geotermalnej: - 40 państw do produkcji ciepła, - 35 państw do celów leczniczych i rekreacyjnych.

17 17 Balneologia Indianie - ciepłe źródła, Kalifornia. Bukowina Tatrzańska Larderello, terma XVIII-XIX w. Baseny (Japonia, Stany Zjednoczone, Europa Budapeszt

18 18 Rolnictwo Nowy Meksyk

19 19 Ryby i inne stwory Wylęgarnia, Jeziora Mamucie, Kalifornia Ryby, Dolinia Imperial, Kalifornia Krewetka, Centrum GeoHeat, Oregon Aligatory, Idaho

20 20 Wykorzystanie różne Suszarnia geotermalna Brady, Nevada Larderello zakład chemiczny Reykjavik, Islandia - chodniki i drogi ogrzewane wodą geotermalną Beppu, Japonia - ogrzewanie budynków i fabryk

21 Zasady zagospodarowania energii wód geotermalnych 21 Układ biwalentny Układ monowalentny

22 22 Ciepłownie geotermalne Kocioł szczytowy m k m, T sz Odbiorniki ciepła Wymiennik geotermalny m T w w Tgw 2 Δm w m m w T sp Geotermalny wymiennik ciepła Tgw, V g T, T p gz V g T gz 2 Sieć miejska obejście Pompy sieciowe

23 23 Elektrownie geotermalne napędzane parą suchą napędzane parą mokrą z obiegami binarnymi : ORC, Kalina Pierwsza elektrownia geotermalna Larderello, Włochy, 1904 r. Larderello 1913, 250 kw Piero Ginori Conti Elektrownia geotermalna Larderello, obecnie Otwór produkcyjny Otwór iniekcyjny

24 para wodna Elektrownie geotermalne na parę suchą 24 Elektrownia na parę suchą Turbina Generator Elektryczność turbina ~ generator skraplacz Para Skondensowana para (woda) pompa Pola pary suchej występują bardzo rzadko T Geysers, Kalifornia - pole pary suchej r. - pierwsza geoelektrownia USA, - na obszarze funkcjonuje 20 elektrowni. s

25 Elektrownie geotermalne na parę mokrą 25 Przegrzewacz Osuszacz Turbogenerator G T Separator Pompy Skraplacz s Elektrownia single flash Elektrownia na parę mokrą Separator pary Para Turbina Generator Elektryczność Gorąca woda Kondensat pary (woda) Japonia

26 Elektrownie geotermalne z obiegiem binarnym 26 Przegrzewacz p GRUPA II Turbogenerator G s Parowacz Skraplacz h Pompy Podgrzewacz Binarna czynnika niskowrzącego Elektrownia binarna Turbina Elektryczność Efektywność ORC: - Temperatura górnego i dolnego źródła ciepła. - Właściwości termodynamiczne płynu roboczego. - Sprawność elementów instalacji (turbina,...). Gorąca woda Czynnik niskowrzący Wymiennik ciepła Schłodzona woda

27 Niskotemperaturowy 27 obieg Clausiusa - Rankinea GRUPA I GRUPA II p T=idem s=idem p T=idem s=idem h h Kształt krzywych nasycenia na wykresie Molliera p GRUPA I p GRUPA II s 3 2s h Cykl przemian termodynamicznych obiegu C-R realizowanego w obszarze pary przegrzanej h

28 Elektrownie geotermalne z obiegiem binarnym 28 Soda Lake, Nevada Kle, Tajlandia Wendell-Amadee, Kalifornia Połączenie elektrowni binarnej i układu pary mokrej. Hawaje

29 Elektrownie geotermalne z obiegiem binarnym 29 Obieg binarny elektrowni Kocioł szczytowy Wymiennik geotermalny o C Pompa głębinowa 200 m Neustadt Glewe, Niemcy Zbiornik geotermalny 2217 m 2274 m 100 o C N el = 230 kw

30 Producenci energii elektrycznej z energii geotermalnej 30 Australia, Chiny, Etiopia, Filipiny, Francja (Gwadelupa), Gwatemala, Islandia, Indonezja, Izrael, Japonia, Kenia, Kostaryka, Meksyk, Niemcy, Nikaragua, Nowa Zelandia, Portugalia (Azory), Rosja (Kamczatka), Salwador, Stany Zjednoczone, Szwajcaria, Tajlandia Tajwan, Turcja, Tybet, Włochy, Zambia Elektrownie geotermalne Elektrownie: moc łączna ~8200 MW, 60 mln ludzi w 21 państwach Możliwość zaspokojenia 100% potrzeb w 39 krajach (620 mln mieszkańców)

31 31 Ciepło zawarte w skałach 1 km 3 granitowej skały o T > 200 C ochłodzonej do 20 C: = GWh ciepła = ton oleju opałowego = więcej niż 10MW (okres 20 lat) Dostępny zasób: = km 2 w Zachodniej Europie z temperaturą > 200 C na głębokości około 5000 m (badania Shell) km 2 (x1 km grubość) pierwszego zasobu: = 900TWh/rok = Europejska produkcja energii jądrowej (1995)

32 Uproszczony schemat pracy siłowni HDR 32

33 POLSKA 33

34 34 Geotermiczny strumień cieplny na obszarze Polski Atlas of Geothermal Resources in Europe, Hurter & Haenel, 2002)

35 Temperatury wgłębne na obszarze Polski 35 Temperatury wgłębne Głębokość występowania izotermy +50 o C Głębokość występowania izotermy +80 o C

36 Zasoby energii geotermalnej na Niżu Polskim 36 Formacja Zbiornik Dolnokredowy (65 mln lat) Zbiornik Dolnojurajski (45 mln lat) Temperatura złoża wód Zasoby statyczne wydobywalne Energia - zasoby dyspozycyjne [ C] [J] [J/rok] [TOE/rok] do Razem do powyżej 100 Razem 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

37 Instalacje geotermalne w Polsce 37 Instalacje geotermalne Funkcjonujące w 2002 r. Planowane do realizacji w najbliższych latach Inne planowane Uzdrowiska z wodami geotermalnymi

38 Instalacje geotermalne w Polsce 38 Parametr charakteryzujący Rok uruchomienia Temperatura wody w złożu Głębokość złoża Banska - B-Dunajec Pyrzyce Mszczonów Uniejów Banska N. - B-Dunajec Słomniki k. Krakowa C m ~ Mineralizacja g/l 3, ,5 6,8-8,8 3,0 - Wydatek m 3 /h 120 2x Całkowita moc cieplna MW t , ,5

39 Instalacja doświadczalna IGSMiE PAN 1994r zbiornik artezyjski - ciśnienie: 2,6 MPa, - 1 dublet geotermalny IG-1/PAN-1, - wydajność 120 m 3 /h, temperatura: 80 C, - 2 płytowe wymienniki ciepła (9 MW t ), - odbiorcy: ok. 200 budynków, szkoła, kościół, obiekty IGSMiE PAN (co + cwu)

40 Geotermia 40 Podhalańska 2001 r. Ciepłownia geotermalna: - dublet geotermalny PGP-1/PGP-2, - wydajność: 550 m 3 /h, temp o C, - geotermalne wymienniki ciepła (40 MW t ), - magistrala przesyłowa do Zakopanego ~13 km

41 Geotermia Podhalańska 2001 r. 41 Ciepłownia szczytowa Zakopane: wodne kotły gazowe 10 MW 2 szt. kocioł gazowo-olejowy 16 MW 1 szt. ekonomizery kotłów - 1 MW (każdy), agregaty cieplno-prądowe o mocy 1,5 MW e i 2,1 MW t - 3 szt. niskotemperaturowa sieć miejska 63,8 km, płytowe wymienniki separujące 17 MW 3 szt., perspektywa: rozbudowa instalacji do Nowego Targu, po zakończeniu - mocy geotermalna 125 MW.

42 Geotermia Pyrzyce 1996 r temperatura: 63 C - wydajność: 340 m 3 /h - mineralizacja: 120 g/dm 3 - moc całkowita: 50 MW - moc geoterm.: 13 MW

43 Geotermia 43 Pyrzyce 1996 r. Ciepłownia geotermalna Pyrzyce: Wymiennik geotermalny I st. 7,2 MW, Wymiennik geotermalny II st. 7,6 MW, Absorpcyjna pompa ciepła BrLi-H 2 O 9,5 MW 2 szt., Szczytowe średniotemperaturowe wodne kotły gazowe 8 MW każdy 2 szt., Ekonomizery kotłów niskotemperaturowych 2 x 2,2 MW, Kotły wysokotemperaturowe o mocy 16 MW 2 szt., Ekonomizery kotłów wysokotemperaturowych 2 x 1,8 MW.

44 44 Geotermia Pyrzyce 1996 r T sz T sp T[ o C] ,25 78,96 71,67 64,37 57,10 T z 70 62,50 56,25 50,00 43,75 37,50 T p T 10 o [ O C] Zależność temperatury wody sieciowej od temperatury otoczenia tz - założenia Temperatura wody sieciowej w instalacji wewnętrznej budynków w funkcji temperatury zewnętrznej Zależność temperatury wody sieciowej od temperatury otoczenia t z : wartości dla sezonu grzewczego 1997/98

45 Geotermia Mszczonów 1999 r temperatura: 40 C, - wydajność: 60 m 3 /h, - mineralizacja: 0,5 g/dm 3 - gł. złoża: 1600 m - moc całkowita: 12 MW

46 Pompy geotermalne 46 Geotermia Uniejów 2001 r. Sieć c.w.u. Sieć c.o. Zasilanie Wymienniki c.o. Powrót Wymienniki II c.w.u. Kocioł szczytowy I Kocioł szczytowy II Wymiennik rezerwowy c.w.u. Zasilanie Filtr Filtr Wymienniki I c.w.u. Cyrkulacja c.w.u C Otwór wydobywczy Otwór zatłaczający Doprowadzenie wody - temperatura: C - wydajność: 68 m 3 /h - mineralizacja: ~7 g/dm 3 - gł. złoża: 1600 m - moc całkowita: 12 MW

47 Geotermia Słomniki 2002 r. 47 Pompa ciepła Pompy obiegowe Gmina Bloki - temperatura: 40 C, - wydajność: 60 m 3 /h, - mineralizacja: 0,5 g/dm 3 Szkoła Kotły wodne Otwór wydobywcz y ~17 0 C Indywidualn e instalacje grzejne PC Kocio ł Do sieci wodociągowej

48 Geotermia Stargard Szczeciński 2006 r 48 Kotłownia PEC Sieć przesyłowa Odbiorcy ciepła Wymiennik geotermalny Filtr Filtr Otwór GT-1: produkcyjny Otwór GT-2: zatłaczający

49 49 Pionowe głębokie wymienniki geotermiczne Czynnik wypływający Czynnik zatłaczany Strumień ciepła wymieniany między skałami i czynnikiem płynącym w przestrzeni pierścieniowej wymiennika Strumień ciepła wymieniany między strumieniami czynnika płynącego w przestrzeni pierścieniowej i w kanale wewnętrznym Złoże skalne otwory wprowadzone do bazy BOHYDRO (1480) Głębokie odwierty istniejące na terenie Polski otwory o głębokości >1000 m (6900)

50 Jachówka K-2: Głęboki pionowy wymiennik geotermiczny (projekt) poziom 0,0 m Warstwa izolacyjna Rura 9 5 / 8 : D = 244,5/222,0 mm Rura 4 1 / 2 : D = 114,3/100,5 mm Rura 2 3 / 8 : D = 60,3/50,7 mm Wypełnienie cem. Poziom 2786 m, L otworu = 2903 m Rura 7 : D =177,8/157,1 mm Poziom 3431 m, L otworu =3606 m Wypływ czynnika Dopływ czynnika m 50 Lizol.= 600 m Lizol.= 2870 Lizol.= 3950 m ENERGIA MOŻLIWA DO POZYSKANIA - WYMIENNIK L = 3950m (izolacja powietrzna kanału wewnętrznego) T1 T2 V Ilość energii geotermicznej możliwej do uzyskania Q 24 h 1 Rok 10 Lat 30 Lat 24 h 1 Rok 10 Lat 30 Lat C C m 3 /h GJ GJ GJ GJ t.p.u. t.p.u. t.p.u. t.p.u , , , , , , , , , , , , Otwór w skale: D w < 157,1 mm Korek cementowy Poziom 3790 m , , , ,

51 51 Podsumowanie Energia geotermalna wykorzystywana jest w kilkudziesięciu krajach świata do celów grzewczych, przemysłowych, rekreacyjnych i balneologicznych. Polska posiada znaczne zasoby wód geotermalnych o średniej entalpii. Wody te są dostępne na obszarze prawie całego kraju. Najbardziej sprzyjające warunki dla pozyskiwania energii geotermalnej występują w rejonie szczecińskołódzkim, a także na Podhalu. Możliwości pozyskiwania energii geotermalnej istnieją również w innych rejonach Polski. Istniejące w Polsce instalacje pokazują możliwość praktycznego wykorzystania energii wód geotermalnych. Istnieje również możliwość wykorzystania wód geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej.

52 52 Perspektywy? Doświadczenia?

53 Dziękuję za uwagę 53