Prof. dr hab. Władysław Kryłłowicz Instytut Maszyn Przepływowych Politechnika Łódzka ELEKTROWNIE I ELEKTROCIEPŁOWNIE GEOTRMALNE Z WYKORZYSTANIEM OBIEGÓW ORC
Wyjaśnienie: ORC Organic Rankine Cycle Organiczny obieg Rankina Nazwa polska: Obieg z czynnikiem niskowrzącym
T K, o C T g Sprawność obiegu Carnota η c = 1 - T d / T g Ilość energii doprowadzonej do obiegu ze źródła górnego T d Ilość energii odprowadzonej z obiegu do źródła dolnego 273, 0 Ilość energii do wykorzystania 0, -273 Uniejów 2006 s
T K, o C 687, 450 A Sprawności obiegu Carnota dla róŝnych typów siłowni cieplnych B 1473,1200 C 833, 560 A) η C = 0.79 siłownia kombinowana, gazowoparowa, B) η C = 0.51 siłownia gazowa, C) η C = 0.628 siłownia parowa, D) η C = 0.208 siłownia geotermalna, E) η C = 0.079 siłownia maretermiczna 300, 27 273, 0 303, 30 D 383, 110 E 301, 28 278, 4 0, -273 Uniejów 2006 s
CELOWOŚĆ ROZWOJU ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII OZE W WYNIKU STAŁEGO WZROSTU PRODUKCJI ENERGII ZE ŹRÓDEŁ NIEODNAWIALNYCH I EMISJI GAZÓW CIEPLARNIANYCH MA MIEJSCE STAŁE OCIEPLANIE SIĘ KLIMATU W ZWIĄZKU Z TYM WYSTĘPUJE : ABSOLUTNA KONIECZNOŚĆ ZMNIEJSZENIA SZKODLIWEJ EMISJI CO 2 BĘDACEJ WYNIKIEM SPALANIA PALIW WĘGLOWODOROWYCH - NA DRODZE : ❿ Poprawienia sprawności procesów konwersji energii, ❿ Oszczędności energii, ❿ Proekologicznego pozyskiwania energii odnawialne źródła energii - OZE
ENERGIA GEOTERMICZNA TEMPERATURA JĄDRA ZIEMI PONIśEJ GŁĘBOKOŚCI 5100 KM WYNOSI OKOŁO 6200 C - WYNIK ISTNIENIA ENERGII Z OKRESU TWORZENIA SIĘ ZIEMI ORAZ NATURALNYCH PROCESÓW ROZPADU PIERWIASTKÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH. SUMA TYCH ENERGII TO ENERGIA GEOTERMICZNA. ENERGIA GEOTERMICZNA JEST WYPROMIENIOWANA Z POWIERZCHNI ZIEMI. ENERGIA GEOTERMALNA ZAWARTA W WODZIE WYPEŁNIAJĄCEJ PORY I SZCZELINY SKALNE I OD NICH SIĘ NAGRZEWAJĄCA. DO 10 KM GŁĘBOKOŚCI TEMPERATURA WODY ROŚNIE ŚREDNIO 30 C NA 1 KM GŁĘBOKOŚCI. ISTNIEJĄCE ANOMALIE GEOTERMICZNE UPRZYWILEWUJĄ JEDNE REGIONY WOBEC DRUGICH, NP. REGIONY WULKANICZNE I REGIONY USPOKOJONE W POLSCE NAJBARDZIEJ UPORZYWILEJOWANE SĄ OKRĘGI : GRUDZIĄDZKO-WARSZAWSKI, SZCZECIŃSKO-ŁÓDZKI I PODHALAŃSKI
PROWINCJE I OKRĘGI GEOTERMALNE POLSKI Wg. W. Nowaka Stan i perspektywy wykorzystania niektórych odnawialnych źródeł energii
EKSPLOATOWANE W POLSCE CIEPŁOWNIE GEOTERMALNE Wg. W. Nowaka Stan i perspektywy wykorzystania niektórych odnawialnych źródeł energii
SYSTEM EKSPLOATACYJNY WÓD GEOTERMALNYCH GWC geotermalny wymiennik ciepła OC odbiornik ciepła PG pompa głębinowa P pompa WW warstwa wodonośna Jednootworowy otwarty system wydobywania wód geotermalnych ZR zbiornik retencyjny Dwuotworowy zamknięty system wydobywania wód geotermalnych Wg. W. Nowaka Stan i perspektywy wykorzystania niektórych odnawialnych źródeł energii
GŁÓWNE PARAMETRY ŹRÓDŁA GEOTERMALNEGO 1. Ciśnienie na wypływie samowypływ lub pompa głębinowa, 2. Wydajność wody w m 3 /godz w okręgu łódzkim moŝna spodziewać się 200 m 3 /godz (do potwierdzenia), 3. Mineralizacja w g/litr od prawie 0 do 120-150 g/l problemy eksploatacyjne (korozja i zamulanie otworu zatłaczającego), 4. Temperatura w Polsce od 50 do 120 C (do potwierdzenia w Łodzi).
WNIOSKI Z EKSPLOATACJI CIEPŁOWNI GEOTERMALNEJ W POLSCE 1. Temperatura wody geotermalnej waha się od 40 C (Mszczonów) do 86 C (Bańska Biały Dunajec), najczęściej ok. 65 C. Głębokość otworów od 1600 do 3000 m. Nie ma w kraju głębokiego otworu geotermalnego ponad 4000 m dającego wodę o temperaturze ok. 120 C. 2. Eksploatowane ciepłownie wymagają wsparcia pompami ciepła lub kotłami szczytowymi. 3. Inwestycje budowy ciepłowni geotermalnych wymagały budowy sieci ciepłowniczych. 4. Moc cieplna nie jest często w pełni wykorzystywana ze względu na: zbyt małą liczbę odbiorców, najczęściej rozproszonych, małe zapotrzebowanie ciepła latem oraz na niewykorzystywanie ciepła dla celów rekreacyjnych i produkcyjnych. 5. Z wyjątkiem Uniejowa, nie ma w Polsce ciepłowni wykorzystującej biomasę lub biogaz do uzupełniania produkcji ciepła geotermalnego. 6. Nie ma w Polsce elektrociepłowni geotermalnej, pozwalającej zamieniać ciepło w energię elektryczną, szczególnie latem. 7. Najbardziej celowa jest budowa ciepłowni lub elektrociepłowni geotermalnej w obszarze, gdzie juŝ istnieje sieć ciepłownicza oraz skupieni na tym terenie odbiorcy (zmniejszenie produkcji ciepła przez siłownie węglowe i obniŝenie emisji CO2 i NOx).
Dlaczego elektrociepłownia geotermalna? Znaczne róŝnice w zapotrzebowaniu na energię cieplną latem i zimą to w przypadku budowy jedynie ciepłowni oznacza niewykorzystanie dostępnych zasobów energii geotermalnej, Brak poboru wody geotermalnej latem grozi zablokowaniem przepływu przykład Altheim.
Elektrociepłownie w Austrii Jak to robią inni? Czynnikiem roboczym, pobierającym ciepło z wody geotermalnej, jest organiczne medium niskowrzące (temperatura wrzenia 30 C) nie zawierające chloru. Dane techniczne siłowni są następujące: Altheim: temperatura wlotu wody geotermalnej: 106 C temperatura wylotu wody geotermalnej: 70 C strumień masy wody geotermalnej: 294 m 3 /h moc cieplna: 12 400 kw moc elektryczna netto: 900 kw Bad Blumau: temperatura wlotu wody geotermalnej: 106 C temperatura wylotu wody geotermalnej: 70 C strumień masy wody geotermalnej: 72.6 m 3 /h moc cieplna: 3060 kw moc elektryczna netto: 250 kw
Siłownia 250 kw w Neustad Glewe-Niemcy
Uniejów teraźniejszość i przyszłość Pierwsza i jak na razie jedyna w Polsce ciepłownia wykorzystują ca wyłącznie odnawialne źródła energii pierwotnej: ciepło wód geotermalnych i biomasę w postaci zrębków drewnianych. Zawansowana budowa obiektów rekreacyjnobalneologicznych opartych na wodach termalnych, Trwają prace projektowe w celu budowy pierwszej w Polsce hybrydowej elektrociepłowni pracującej na energii z biomasy i wód geotermalnych.
Realizacje i zamiary w regionie łódzkim - Uniejów
140 Temperatura wody grzewczej [ o C] 120 100 80 60 40 20 Temperatura wody zasilającej Temperatura wody powrotnej 0-30 -20-10 0 10 20 30 40 Temperatura otoczenia [ o C] ZaleŜność parametrów wody grzewczej od temperatury otoczenia
Temperatura [ o C] 140 120 100 80 60 40 20 Woda zasilajaca Woda powrotna Temperatura otoczenia temp. wody triasu temp. wody jury dolnej temp. wody jury górnej 0-20 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000-40 Czas [godz.] Uporządkowany roczny wykres zmienności temperatury otoczenia oraz parametrów wody grzewczej w instalacji c.o. na zasilaniu i spływie
Uproszczony schemat hybrydowego obiegu ORC Podgrzewacz geo., kocioł Podgrzewacz powietrza
Koncepcja siłowni hybrydowej P =12 bar, t = 320 o C Powietrze Nowy kocioł na biomasę Biopaliwo: Słoma 0.5t/h ST G 70 o C HF UHE 50 o C 65 o C 55 o C 35 o C LF 50 o C 50 o C GWHE kocioł na biomasę 110 o C Co 45 o C CT inj pro
Koszt wiercenia otworów 100 30 średnie koszty wierceń dla geotermii Koszt wierceń w mln $ (na rok 2004) 10 3 1 średnie koszty wierceń dla ropy i gazu 2 4 6 8 10 km Dla instalacji geotermalnej niezbędne jest wykonanie najczęściej dwóch lub trzech otworów Źródło: U.S.Department of Energy
Schemat połączeń maszyn i urządzeń elektrociepłowni geotermalnej PŁ z turbiną dwupręŝną na parę wodną. Przewidywane parametry źródła: 110 C i 200 m 3 /godz. M 3 TPN. m NP. m WP Pel=869,75kW G 2a 2 6 1 8 EC. Q EC. Q u. Q CBK Kaskada odbioru ciepła geotermalnego: - elektrownia EC - ogrzewanie budynków Q u - ogrzewanie basenów krytych Q BK. Q SK M 6a 7 O 33 C. Q CBO - ogrzewanie basenów otwartych Q BO M Pch=17.13 kw SK 4 M P1=0.91 kw 5 P2=9.47 kw OZ OW Źródło: prace własne IMP PŁ
Widok stoiska doświadczalnego w Katedrze Techniki Cieplnej
Podsumowanie 1. Wyniki eksploatacji ciepłowni geotermalnych w Polsce wykazują, Ŝe dopiero zastosowanie układu stopniowego prąd+ciepło+wody termalne pozwala na osiągnięcie zadowalającego efektu ekonomicznego. 2. Płytkie otwory geotermalne wymagają dodatkowego źródła ciepła (np. biomasa), aby zapewnić wymagane dla produkcji energii elektrycznej temperatury czynnika. 3. U naszych sąsiadów (Niemcy, Austria) trwają intensywne prace nad rozwojem elektrociepłowni geotermalnych.