Energia geotermalna Wykład WSG Bydgoszcz Prowadzący prof. Andrzej Gardzilewicz Materiały źródłowe: T. Chmielniak, W. Nowak, A. Stachel, J. Głuch wg. M. Lenza i P. Stubby
2 Geoenergetyka zakres prezentacji: podstawowe definicje i zagadnienia dotyczące geoenergetyki, zasoby i wykorzystanie geotermii na Świecie i w Polsce schematy instalacji wykorzystujących energie geotermalną.
GEOENERGETYKA ogólnie 3 Przez pojęcie geoenergetyka rozumiemy ten dział energetyki, który zajmuje się wykorzystaniem energii geotermicznej (energii cieplnej Ziemi) do generacji ciepła i energii elektrycznej.
Energia geotermalna 4 jest wewnętrznym ciepłem Ziemi nagromadzonym w skałach oraz w wodach wypełniających pory i szczeliny skalne. Gdyby spojrzeć na przekrój naszej planety (rysunek), to jest to ogromna ilość ciepła zgromadzona w jądrze i w skorupie ziemskiej.
Źródło o energii geotermicznej: 5 energia wyzwalana w procesach naturalnego rozpadu izotopów promieniotwórczych, ciepło krystalizacji substancji zewnętrznego jądra ciekłego Ziemi, energia rezydualna (pochodząca z okresu tworzenia ziemi) dyssypowana w ciepło energia pływów w płynnym wnętrzu Ziemi
GEOENERGETYKA 6 Temperatura pod skorupą ziemską osiąga wartość do 1000 C. Zachodzi nieustający przepływ ciepła od wnętrza Ziemi do górnych warstw skorupy i na powierzchnię Ziemi. Rozróżniamy dwa rodzaje zasobów energii geotermalnej: hydrotermiczne i petrotermiczne. Zasoby hydrotermiczne odnoszą się do wody, pary lub mieszaniny parowo-wodnej, które to czynniki występują w szczelinach skalnych, żyłach wodnych lub w warstwach wodonośnych i są wykorzystywane obecnie. Zasoby petrotermiczne to energia cieplna zgromadzona w suchych, ogrzanych i porowatych skałach, ma ona znaczenie perspektywiczne. Istnieją bowiem możliwość wykonania odwiertów i wykorzystania energii petrotermicznej zgromadzonej na głębokości 5000 m, jednak praktycznie opłacalne jest dokonywanie odwiertów jedynie do głębokości 2000 metrów.
7 GEOENERGETYKA
GEOENERGETYKA 8 Głębokość zalegania złóż wody geotermalnej jest mocno zróżnicowana w poszczególnych miejscach globu, ale najczęściej zawiera się w granicach 1000-4500 metrów, i więcej. Wody te wydobywa się na powierzchnię ziemi przy pomocy specjalnych odwiertów. Wody geotermalne najszersze zastosowanie znajdują w energetyce cieplnej, ale duże możliwości jej wykorzystania istnieją również w innych gałęziach przemysłu. Natomiast wody geotermalne osiągające temperaturę rzędu 120 C i wyższą opłaca się wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.
Odnawialne źródło o energii 9 Ze względu na ogromne zasoby energii skupione w środku Ziemi energia geotermiczna może być uznana za odnawialną. Gęstość strumienia energii geotermicznej jest równa około 60 kw/km^2.
Zasoby odnawialne Energetyka geotermalna (we wprowadzeniu) Panująca w jądrze ziemi temperatura szacowana jest na 3000 do 6000 C, stanowi ona o energii geotermalnej, która została tam uwięziona w czasie tworzenia naszego świata. Współcześnie wykorzystujemy przede wszystkim energię tuż przy skorupie ziemskiej, ujawnioną w postaci naturalnych źródeł gorącej wody (40 150 C) oraz pary wodnej nasyconej lub przegrzanej (150-250 C). Zasoby wód geotermalnych na świecie są praktycznie nieograniczone, szacuje się je na poziomie 8x10^10 TWh.
Zasoby odnawialne Energetyka geotermalna (we wprowadzeniu) Z danych Wikipedii ze względów techniczno ekonomicznych roczny potencjał tej energii możliwy do wykorzystania ocenia się na poziomie 35mld ton węgla, co jest równo warte 300 000 TWh. Ze względów techniczno ekonomicznych, a także z uwagi na zanieczyszczenia, tylko 30% tych zasobów można uznać za wydobywalne. Energię geotermalną wykorzystuje się przede wszystkim do ogrzewania, ale tam gdzie dostępna jest gorąca para z energii geotermalnej wytwarza się też prąd elektryczny.
Zasoby odnawialne Energetyka geotermalna (we wprowadzeniu) W 2009 roku moc elektrowni geotermalnych na świecie przekroczyła 16 000MW, co stanowi o energii 80 TWh. Jest to prawie połowa Polskiej produkcji energii elektrycznej, ale w stosunku do światowego bilansu wielkość ta nie przekracza 0.1%. Energię geotermalną w Polsce stanowi woda o temperaturze 45 125 C znajdująca się na głębokości 1 2 km, ale wartość pozyskania tej energii jest na razie niewielka. Techniczno ekonomiczne zasoby praktycznie występują na obszarze niecki podhalańskiej oraz w okręgach szczecińskim, kujawskim, łódzkim i gorzowskim. Aktualnie wybudowano tylko kilka ciepłowni do ogrzewania domów, moc jednego odwiertu praktycznie nie przekracza 20 MW. Ciepłownie są wspomagane przez energię konwencjonalną. Energia w wymienionych rejonach używana jest także dla celów balneologicznych.
Gradient temperatury 13 Przeciętnie przyjmuje się, że gradient temperatury skorupy ziemskiej wynosi 30 C/km. Z punktu widzenia możliwości praktycznego wykorzystania tego gradientu rozróżnia się następujące rejony geotermalne: hipertermiczny z gradientem temperatury większym niż 80 C/km; semitermiczny od 40 do 80 C/km; normalny z gradientem do 40 C/km.
14 Gradient temperatury
Klasyfikacja wód w d geotermalnych 15 Wody niskotemperaturowe (ciepłe) 20-35 C Wody średniotemperaturowe (gorące) 35-80 C Wody wysokotemperaturowe 80-100 C Wody przegrzane >100 C
16 GEOTERMIA NA ŚWIECIE
17 Wykorzystanie na świecie
18 Geotermalna mapa Europy
Złoża a w Europie 19 Warunki termiczne powodują, że w Europie dominują złoża o niskiej entalpii, czyli złoża wód o temperaturach nieprzekraczających 150 C. Są one związane głównie ze skałami osadowymi Największe eksploatowane złoża wód geotermalnych na kontynencie europejskim znajdują się w basenie paryskim (Francja), w basenie panońskim (położonym na terenie kilku państw Węgier, Serbii, Słowacji, Słowenii, Rumunii), w obszarze Niżu Europejskiego (m.in. W Niemczech, Danii, Polsce), w paleogeńskich strukturach Karpat wewnętrznych (Polska, Słowacja), a także w alpejskich i starszych strukturach Europy Południowej ( Bułgaria, Rumunia, Grecja, Turcja). Na niektórych obszarach znajdują się złoża przegrzanych wód i par (o wysokiej entalpii) we Włoszech, w Turcji, Grecji, na kilku wyspach (wyspy greckie, Azory, Wyspy Kanaryjskie), a przede wszystkim na Islandii.
GEOTERMIA NA ŚWIECIE 20 Energia geotermalna jest stosowana w 32 krajach europejskich na różną skalę i do różnych celów. Bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej na skalę przemysłową ma miejsce przede wszystkim w Europie. W pierwszej piątce krajów o największej zainstalowanej mocy i zużyciu ciepła geotermalnego są, obok Chin i USA, trzy kraje: Szwecja, Islandia i Turcja. W czołówce światowej znajduje się także kilka innych państw europejskich. Wzrost wykorzystania energii geotermalnej w Europie w latach 2000-2009 związany był przede wszystkim ze przyrostem zainstalowanych pomp ciepła.
21 Wykres przedstawiający sprzedaż pomp ciepła a w Europie Wykres udziału pomp ciepła a w zainstalowanej mocy grzewczej krajów europejskich
Wykorzystanie 22 Całkowita moc wszystkich elektrowni geotermalnych w Europie w 2004 r. wynosiła 1125 MWe, a produkcja 7132,7 GWh, co stanowiło odpowiednio 12,6% i 12,5% udziału w skali świata. Generacja prądu elektrycznego przy zastosowaniu par geotermalnych prowadzona jest w sześciu krajach europejskich na Islandii, we Włoszech, w Turcji, a także w Rosji, Portugalii oraz we Francji.
Wykorzystanie 23 W Europie pracują także cztery instalacje binarne stosujące wody geotermalne o temperaturach 97-122 C: w Altheim (od 2001 r.) i Bad Blumau (od 2003 r.) w Austrii oraz w Neustadt-Glewe (od 2003 r.) i Unterhaching/Monachium (od 2007 r.) w Niemczech. Mają one niewielką moc: 180-500 kwe. (jedynie instalacja w Monachium posiada moc ok. 3 MWe), cechują się niezbyt wysoką sprawnością i pracuje w skojarzeniu z instalacjami stosującymi na dużą skalę ciepło geotermalne (c.o. i c.w.u., kąpieliska, balneoterapia).
24
Wykorzystanie 25 Wody i energia geotermalna są na świecie stosowane przede wszystkim : w ciepłownictwie w systemach centralnego ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej w rekreacji i balneoterapii, w rolnictwie (do ogrzewania szklarni, upraw pod osłonami foliowymi i do podgrzewania glebowego), ponadto w mniejszym zakresie także w hodowlach wodnych procesach przemysłowych (m.in. do suszenia i pasteryzacji), do topienia śniegu i lodu z chodników oraz jezdni czy podgrzewania pasów startowych lotnisk, z wód geotermalnych odzyskuje się dwutlenek węgla, sól jadalną i inne związki chemiczne, stosuje się je do produkcji kosmetyków czy też butelkuje jako wody lecznicze i mineralne.
26 Wykorzystanie
27 Wykorzystanie
Kierunki rozwoju geoenergetyki 28 W najbliższych latach spodziewany jest na świecie i w Europie dalszy rozwój wykorzystania energii geotermalnej. Dotyczy to różnych technologii i różnych dziedzin wykorzystania. W zakresie technologii można wśród nich wymienić: Pompy ciepła (do największych już realizowanych należy projekt budowy systemu pomp ciepła (docelowo 1000 MW) w Mediolanie we Włoszech. Instalacje binarne do produkcji prądu elektrycznego, bazujące na wodach o temperaturach rzędu 80-100 C, pracujące w skojarzeniu z produkcją ciepła (do takich należy m.in. uruchomiona w 2007 r. w Monachium elektrociepłownia o mocy cieplnej 40 MW (c.o., c.w.u) i mocy elektrycznej ok. 3 MW. Budowa kolejnych systemów c.o. oraz optymalizacja istniejących. Wykorzystanie energii geotermalnej w ciepłownictwie w niektórych krajach europejskich zwiększyłoby bezpieczeństwo dostaw ciepła do sieci c.o., bazujących na gazie dostarczanym z Rosji. Wzrost zastosowań w rolnictwie, suszarnictwie, rekreacji oraz balneoterapii. Nowe zastosowania: odladzanie jezdni, pasów startowych, odsalanie wody morskiej itp.
29 GEOTERMIA W POLSCE
Geotermia w polsce 30 Przetwarzanie energii wód geotermalnych nie jest w Polsce nowością (najstarszy zakład - Geotermia Podhalańska działa już od ponad 15 lat), jednak liczba obiektów bazujących na tym odnawialnym źródle jest niewielka. Jakkolwiek, w obliczu drożejących importowanych surowców energetycznych o nieraz utrudnionej dostępności, duży potencjał energii tkwiący w gorących wodach, zalegających kilka tysięcy metrów pod znaczną częścią terytorium naszego kraju, zaczyna być poważnie brany pod uwagę pod kątem eksploatacji. Tym bardziej, że energia geotermalna jest uznana za czystą ekologicznie i odnawialną, co w perspektywie roku 2020 i przewidzianego minimum dla energii pochodzących z OZE w UE, ma ogromne znaczenie.
31 Zasoby geotermalne Polski
Zasoby geotermalne Polski 32 Polska leży poza strefami współczesnej aktywności tektonicznej i wulkanicznej, stąd też pozyskiwanie złóż pary z dużych głębokości do produkcji energii elektrycznej jest na dzisiejszym etapie technologicznym nieopłacalne ekonomicznie. Występują natomiast w naszym kraju naturalne baseny sedymentacyjno-strukturalne, wypełnione gorącymi wodami podziemnymi o zróżnicowanych temperaturach. Temperatury tych wód wynoszą od kilkudziesięciu do ponad 90 C, a w skrajnych przypadkach osiągają sto kilkadziesiąt stopni co sprawia, że znajdują one zastosowanie głównie w energetyce cieplnej. W naszym kraju istnieją bogate zasoby energii geotermalnej. Ze wszystkich odnawialnych źródeł energii najwyższy potencjał techniczny posiada właśnie energia geotermalna. Jest on szacowany na poziomie 1512 PJ/rok, co stanowi ok. 30% krajowego zapotrzebowania na ciepło.
33 Zasoby geotermalne Polski
Zasoby geotermalne Polski 34 Bardzo ważny jest fakt, iż w Polsce regiony o optymalnych warunkach geotermalnych w dużym stopniu pokrywają się z obszarami o dużym zagęszczeniu aglomeracji miejskich i wiejskich, obszarami silnie uprzemysłowionymi oraz rejonami intensywnych upraw rolniczych i warzywniczych. Na terenach zasobnych w energię wód geotermalnych leżą m.in. takie miasta jak: Warszawa, Poznań, Szczecin, Łódź, Toruń, Płock. Z opracowanych dotychczas badań i analiz wynika jednoznacznie, iż na obszarze Polski znajduje się co najmniej 6600 km2 wód geotermalnych o temperaturach rzędu 27-125 C. Zasoby te są dość równomiernie rozmieszczone na znacznej części obszaru Polski.
35 Zasoby geotermalne Polski
36
Potencjał geotermii w Polsce 37 Potencjał geotermii w Polsce jest szacowany nawet na 110 mld t paliwa umownego, czyli aż 15 tysięcy razy więcej, niż wynosi roczne zapotrzebowanie energetyczne całego kraju. Liczba ta dotyczy zasobów osiągalnych, czyli skumulowanych na głębokościach do 3 km. Zakładając, że możliwości techniczne pozwoliłyby na racjonalne wykorzystanie choć 1% tego olbrzymiego potencjału, energia wód geotermalnych mogłaby stanowić solidny fundament dla bezpieczeństwa energetycznego Polski.
Wykorzystanie 38 Na chwilę obecną, w Polsce działa kilka czynnych obiektów przetwarzających energię geotermalną. Są to ciepłownie w systemach biwalentnych, w których poza sezonem grzewczym ciepło użytkowe pochodzi wyłącznie ze źródła geotermalnego, natomiast w sezonie, w okresie szczytu zapotrzebowania na energię, uruchamia się dodatkowo wspierające źródło konwencjonalne (zwykle są to kotły gazowe). Wybranym ciepłowniom towarzyszą dodatkowe obiekty, wykorzystujące ciepło wód geotermalnych. Przykładowo, w Uniejowie i Mszczonowie działają kąpieliska termalne, w Uniejowie dodatkowo ośrodek balneologiczny typu SPA.
Wykorzystanie 39 Coraz więcej jednostek samorządu terytorialnego w kraju rozpoczyna prace mające ocenić możliwości eksploatacji tych źródeł. Przykładowo, w województwie łódzkim, bardzo zaawansowane prace nad ciepłownią i ośrodkiem balneologicznym prowadzone są w Poddębicach, a wstępne badania lub analizy prowadzone są m.in. w Łodzi, Łowiczu, Radomsku i Skierniewicach. W przypadku Uniejowa, gdzie poprzez budowę kąpieliska zamknięto następną fazę rozbudowy ośrodka geotermalnego, trwają przygotowania do kolejnej, mającej na celu ocenę wykonalności elektrowni geotermalnej, przyłączonej do sieci elektroenergetycznej. Byłby to pierwszy w Polsce takiego typu obiekt i jeden z nielicznych w Europie.
40 Wykorzystanie
Wykorzystanie 41 Pracujące ciepłownie geotermalne różnią się między sobą stosowanymi rozwiązaniami technicznymi. Różnice te wynikają przede wszystkim z odmiennych parametrów wód geotermalnych, wielkości pozyskiwanych mocy cieplnych oraz wielkości i rodzaju odbiorców ciepła. Podstawowe dane przedstawione zostały w tabeli.
42 Wykorzystanie
43
44 Przykładowe obiekty - Podhale
45 Przykładowe obiekty - Podhale
46
47 Przykładowe obiekty - Pyrzyce
48 Przykładowe obiekty - Mszczonów
49 Przykładowe obiekty - Uniejów
50 Przykładowe obiekty - Toruń
51 Przykładowe obiekty - Toruń
52 INSTALACJE GEOTERMALNE
53
54 Układy pozyskiwania ciepła a z wód w geotermalnych Współcześnie najczęściej wykorzystujemy energię wód gorących lub ciepłych, stosując systemy ciśnieniowe. Biorąc pod uwagę jakość wód geotermalnych wyróżniamy jedno- lub dwuotworowe układy eksploatacyjnozatłaczające. Granicą stosowalności układów jednootworowych jest zawartość minerałów w wodzie poniżej 1g/dm^3
55 Rozwiązania zania ciepłowni geotermalnych Na ostateczne rozwiązanie instalacji ciepłowni geotermalnej mają wpływ: temperatura źródła, jego pojemność, struktura i wielkość zapotrzebowania na ciepło, stopień mineralizacji wód geotermalnych, przyjęty system wydobywczo zasilający
56 Rozwiązania zania ciepłowni geotermalnych
57 Rozwiązania zania ciepłowni geotermalnych
58 Rozwiązania zania ciepłowni geotermalnych
59 Rozwiązania zania ciepłowni geotermalnych
60 Pompy ciepła
61 Pompy ciepła
Pompy ciepła 62 Sprężarkowe Sorpcyjne Termoelektryczne Pompy ciepła Chemiczne Strumienicowe Wykorzystujące efekt wirowy Wykorzystujące efekt elektrodyfuzji
Spręż ężarkowa pompa ciepła 63 Sprężarkowa pompa ciepła (SPC) poza zakresem temperatury, w której pracuje, nie różni się niczym od klasycznego sprężarkowego urządzenia ziębniczego. W jej skład wchodzą: sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny i parownik. Stanowi ona zamknięty układ termodynamiczny, w którym nośnik energii jest czynnikiem roboczym, który w sposób ciągły krąży w układzie. Podlega on następującym po sobie przemianom termodynamicznym, tworząc zamknięty obieg lewo bieżny. Do napędu sprężarki wykorzystywana jest energia mechaniczna L. Sprężarkowe pompy grzejne stanowią obecnie grupę urządzeń najczęściej stosowanych w systemach grzewczych korzystających z pomp ciepła.
Sorpcyjne pompy ciepła 64 W porównaniu z pompami sprężarkowymi znajdują w praktyce zdecydowanie mniejsze zastosowanie. Jednak pewne cechy, którymi się charakteryzują, sprawiają, że zainteresowanie nimi znacznie wzrasta. Charakteryzują się dużą niezawodnością działania, ze względu na mała ilość ruchomych elementów. Są ciche i nie powodują wibracji instalacji. Do grupy sorpcyjnych pomp ciepła zalicza się: absorpcyjne i resorpcyjne pompy ciepła oraz transformatory ciepła. W skład instalacji wchodzą dwa obiegi: obieg właściwy i tzw. obieg sprężarki termicznej. W obiegu właściwym zachodzą takie same przemiany jak w sprężarkowej pompie ciepła. Jednak sprężanie par czynnika roboczego zachodzi w sprężarce termicznej dzięki procesom absorpcji i desorpcji. Energia niezbędna do napędzania procesu dostarczana jest w postaci ciepła.
65 Idea działania ania pomp ciepła
66 Układy kombinowane i elektrownie geotermalne Źródła geotermalne mogą być sprzęgane (kombinowane) z innymi technologiami produkcji ciepła i energii elektrycznej. Naturalną kombinacją jest wspomaganie przez źródła geotermalne klasycznych elektrociepłowni na paliwa organiczne. W następstwie uzyskujemy oszczędność energii chemicznej paliw i związane z tym efekty ekologiczne. Zastosowanie sprężarkowych pomp ciepła stwarza możliwość budowy układu skojarzonego z silnikami tłokowymi lub turbinami gazowymi. Układy skojarzone mogą być oczywiście także budowane przy zastosowaniu absorpcyjnych pomp ciepła. Ostateczny wybór struktury układu kombinowanego powinien być dokonany z uwzględnieniem rachunku ekonomicznego i efektów ekologicznych. Należy podkreślić istotny wpływ parametrów źródła na układ energetyczny.
67 Układy kombinowane i elektrownie geotermalne
68 Układy kombinowane i elektrownie geotermalne Źródła geotermalne mogą stanowić podstawę do budowy siłowni parowych. Ich struktura zależy od temperatury źródła i stopnia mineralizacji geopłynu. Przy temperaturze geopłynu przekraczającej 100 st.c buduje się najczęściej elektrownie z bezpośrednim odparowaniem w rozprężaczu-separatorze (system flash). Dla źródeł o niższych temperaturach i silnie zmineralizowanym medium można budować elektrownie binarne z pośrednim biegiem czynnika niskowrzącego. Przy bardzo wysokim ciśnieniu źródła można zastosować czołową turbinę wodną i układ binarny. Sprawność elektrowni geotermalnych ze względu na niskie temperatury pary nie jest wysoka. Mimo to koszt produkcji jednostki energii elektrycznej może być niższy niż w elektrowni konwencjonalnej.
69 Układy kombinowane i elektrownie geotermalne
70 Układy kombinowane i elektrownie geotermalne
Porównanie kosztów 71 W geotermii nie uwzględniono kosztów odwiertów
Podsumowanie 72 Studiując ogólnodostępne artykuły, czy prezentacje, można napotkać na informacje, że niektóre spośród działających ośrodków geotermalnych w Polsce miały bądź mają problemy z rentownością. Taki stan rzeczy wynika przede wszystkim z bardzo wysokich nakładów finansowych poniesionych na wykonanie obiektu. Szczególnie drogi jest podstawowy element, na którym bazuje każdy zakład geotermalny, czyli odwiert bądź kilka odwiertów. Sama eksploatacja jest również kosztowna, bowiem w zdecydowanej większości przypadków, silnie zmineralizowane wody geotermalne, muszą być zatłaczane z powrotem w głąb ziemi, aby nie zakłócić stanu wód powierzchniowych. Tak też poprzez wysokie nakłady początkowe i wysokie koszty utrzymania, opłacalność budowy zakładu geotermalnego w porównaniu do konwencjonalnego (np. ciepłowni węglowej) jest raczej mała. Podwyższenie cen energii pochodzących z takiego zakładu raczej nie wchodzi w grę, trudno bowiem sobie wyobrazić, aby społeczność odbierająca energię cieplną godziła się na wyższe ceny tylko ze względu na jej czyste i ekologiczne źródło. Rozwiązaniem mogłyby być świadectwa pochodzenia energii (jak w przypadku wytwarzania prądu elektrycznego z OZE), których odsprzedaż podwyższyłaby rentowność zakładów geotermalnych.
Podsumowanie 73 Największym atutem energii zakumulowanej w wodach geotermalnych jest jej dostępność na miejscu, w kraju, na większej części terytorium. Zasoby są rozpoznane, w kilku miejscach w różnych częściach Polski podjęto, z powodzeniem, próby ich przetwarzania. Jest wielce prawdopodobne, że chociażby ze względu na wypełnienie zobowiązań względem UE do 2020 r., geotermia może być dla ciepłownictwa tym, czym stają się obecnie turbiny wiatrowe dla elektroenergetyki dość trudnym do okiełznania, ale powszechnie stosowanym źródłem.
74 Dziękuje za uwagę