ZASTOSOWANIE UK ADU Z BEZPOŒREDNIM ODPAROWANIEM CZYNNIKA ROBOCZEGO DO ZASILANIA ELEKTROWNI GEOTERMICZNYCH

Radomir KACZMAREK Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Katedra Techniki Cieplnej 70-310 Szczecin, al. Piastów 17 e-mail: rkaczmarek@zut.edu.pl Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2011 ZASTOSOWANIE UK ADU Z BEZPOŒREDNIM ODPAROWANIEM CZYNNIKA ROBOCZEGO DO ZASILANIA ELEKTROWNI GEOTERMICZNYCH STRESZCZENIE W pracy zosta³a przedstawiona zasada dzia³ania dwóch wariantów elektrowni geotermicznej z czynnikiem organicznym, to jest elektrowni z czynnikiem poœrednicz¹cym, odbieraj¹cym ciep³o z podziemnego zamkniêtego geotermicznego wymiennika ciep³a (PZGWC) i elektrowni z bezpoœrednim odparowaniem czynnika niskowrz¹cego w PZGWC. W publikacji podano wyniki analizy wp³ywu rodzaju czynnika roboczego na pracê instalacji, w której czynnik organiczny pe³ni jednoczeœnie funkcjê noœnika ciep³a w wymienniku geotermicznym i czynnika roboczego w si³owni ORC. Odparowanie czynnika realizowane jest w PZGWC. Wykorzystuj¹c podstawowe zale noœci przeprowadzono obliczenia mocy i efektywnoœci pracy elektrowni dla ró nych czynników roboczych i dla ró nych wartoœci temperatury na wyp³ywie z wymiennika. Otrzymane wyniki stanowi¹ podstawê sformu³owania oceny proponowanych rozwi¹zañ geotermalnej elektrowni ORC. S OWA KLUCZOWE Energia geotermiczna, elektrownia geotermiczna, niskotemperaturowy obieg Clausiusa-Rankine a, podziemny zamkniêty geotermiczny wymiennik ciep³a * * * OZNACZENIA h entalpia w³aœciwa [J/kg] m strumieñ masowy czynnika [kg/s] Recenzowa³ prof. dr hab. in. Aleksander A. Stachel Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 04.08.2011 r., zaakceptowano do druku 25.08.2011 r. 189

N moc[w] sprawnoœæ [%] Q strumieñ ciep³a [W] T temperatura [K, o C] T ró nica temperatury [K] V strumieñ cieczy, m 3 /h Indeksy dolne: CR dotyczy obiegu Clausiusa-Rankine a el dotyczy energii elektrycznej n dotyczy organicznego czynnika roboczego (niskowrz¹cego) 1,2,3,.. dotyczy kolejnych punktów obiegu (kolejnych stanów czynnika) WPROWADZENIE Wœród zasobów energii pochodz¹cej z tzw. Ÿróde³ odnawialnych w Polsce znacz¹cym potencja³em charakteryzuje siê energia zakumulowana we wnêtrzu Ziemi, rozró niana jako energia geotermiczna i geotermalna. Energia geotermalna, zawarta w gor¹cej wodzie wydobywanej na powierzchniê Ziemi, jest mo liwa do pozyskania na obszarze prawie ca³ego kraju i ze wzglêdu na temperaturê mo e byæ wykorzystywana przede wszystkim dla celów grzewczych. Natomiast w przypadku energii geotermicznej pozyskiwanej i wydobywanej za pomoc¹ wody zat³aczanej z powierzchni Ziemi ocenia siê, e mo liwoœci jej pozyskania s¹ znacznie wiêksze ni energii geotermalnej. Dotyczy to zw³aszcza energii pozyskiwanej z g³êbokoœci 3 5 km, która mo e byæ wykorzystana zarówno dla celów grzewczych, jak i do wytwarzania energii elektrycznej [3, 4]. W Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Szczeciñskiej (obecnie: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie) od szeregu lat s¹ prowadzone prace na temat mo liwoœci pozyskiwania energii geotermicznej za pomoc¹ g³êbokich geotermicznych wymienników ciep³a. Ich efektem jest opracowanie metodyk obliczeniowych g³êbokich pionowych sond ciep³a [5, 6, 7] oraz tzw. podziemnego zamkniêtego geotermicznego wymiennika ciep³a (PZGWC) [9, 10, 11], bazuj¹cych na pozyskiwaniu i wydobyciu na powierzchniê energii zgromadzonej w z³o u (szkielecie skalnym) za pomoc¹ wody jako medium poœrednicz¹cego [12, 13, 14, 15, 16]. Prace te koresponduj¹ z badaniami prowadzonymi w innych oœrodkach, a dotycz¹cymi analiz praktycznego pozyskania i wykorzystania energii geotermicznej [8, 19, 20]. 190

1. SI OWNIA ORC Z BEZPOŒREDNIM ODPAROWANIEM CZYNNIKA Ciep³o odebrane od otaczaj¹cych ska³ za pomoc¹ specjalnie skonstruowanych g³êbokich wymienników geotermicznych, przekazywane jest do systemu wykorzystywania energii. W systemie tym pozyskana energia (ciep³o) mo e byæ u yta do wytworzenia energii elektrycznej (elektrownie), energii elektrycznej i ciep³a (elektrociep³ownie) b¹dÿ ciep³a u ytkowego (ciep³ownie) [4]. Bior¹c pod uwagê systemy produkcji energii elektrycznej, mog¹ one pracowaæ jako: systemy z czynnikiem poœrednim, w których wystêpuj¹ dwa odrêbne p³yny: jeden stanowi¹cy noœnik ciep³a w uk³adzie pozyskiwania energii (ciecz robocza) oraz drugi, bêd¹cy czynnikiem obiegowym w uk³adzie wykorzystania energii geotermicznej (rys. 1), systemy z bezpoœrednim odparowaniem czynnika, w których czynnik pobieraj¹cy ciep³o w wymienniku geotermicznym jest jednoczeœnie czynnikiem obiegowym elektrowni (rys. 2). Rys. 1. Schemat instalacji z czynnikiem poœrednim Fig. 1. Schematic of installation with on intermediate fluid Rys. 2. Schemat instalacji z bezpoœrednim odparowaniem czynnika w wymienniku Fig. 2. Schematic of installation with a direct evaporation of fluid in the exchanger Ocenia siê, e wariant z bezpoœrednim odparowaniem czynnika w wymienniku geotermicznym ma szereg istotnych zalet. Przede wszystkim cechuje go wy sza efektywnoœæ pozyskiwania energii geotermicznej, co wynika z faktu, e do wymiennika zat³aczany jest czynnik roboczy o najni szej mo liwej temperaturze, czyli temperaturze skraplania, praktycznie niezmiennej w ci¹gu ca³ego roku. Poza tym uk³ad eliminuje straty energii zwi¹zane 191

z przekazywaniem ciep³a w wymiennikach typu parowacz i podgrzewacz. Idea i obliczenia przyk³adowej elektrowni geotermicznej dzia³aj¹cej z bezpoœrednim odparowaniem czynnika roboczego w PZGWC przedstawione s¹ w pracach [1, 4]. Ze wzglêdu na to, e w warunkach polskich ciecz przep³ywaj¹ca przez wymiennik geotermiczny mo e byæ ogrzana do stosunkowo niewysokiej temperatury, przedmiotem obecnej analizy jest si³ownia ORC pracuj¹ca z ró nymi czynnikami niskowrz¹cymi, bêd¹cymi jednoczeœnie noœnikiem ciep³a w wymienniku geotermicznym typu PZGWC. W analizie wziêto pod uwagê dwanaœcie substancji niskowrz¹cych, spoœród których zostan¹ wskazane te, które pozwalaj¹ uzyskiwaæ najwy sz¹ moc uk³adu. Uzyskane wyniki umo - liwi¹ sformu³owanie zasady doboru czynnika do pracy w uk³adzie z bezpoœrednim odparowaniem w wymienniku geotermicznym. W rozwa anym uk³adzie czynnik obiegowy o niskiej temperaturze wrzenia pobiera ciep³o w tzw. podziemnym zamkniêtym geotermicznym wymienniku ciep³a (PZGWC), po czym przy zachowaniu odpowiedniego ciœnienia odparowuje w jego czêœci wydobywczej. Z uwagi na to, e odparowanie czynnika nastêpuje ju w wymienniku geotermicznym, instalacja nie posiada oddzielnego parowacza i podgrzewacza. W zamian za to, w uk³adzie zastosowano separator / osuszacz, w którym z wytworzonej pary usuwane s¹ skropliny. Poza tym w sk³ad systemu wchodz¹: turbina parowa po³¹czona z generatorem pr¹du, skraplacz oraz pompa zat³aczaj¹ca. 2. ZA O ENIA I METODYKA OBLICZEÑ W obliczeniach przyjêto, e rozpatrywane w uk³adzie si³owni czynniki niskowrz¹ce nale ¹ do grupy tzw. czynników suchych [2, 17], charakteryzuj¹cych siê tym, i w przypadku, gdy pocz¹tek izentropowej ekspansji znajduje siê na linii pary nasyconej suchej, to jej koniec znajduje siê w obszarze pary przegrzanej. Za³o ono tak e, e realizowane w elektrowni procesy odpowiadaj¹ przemianom obiegu Clausiusa-Rankine a (rys. 3), co znaczy, e sk³adaj¹ siê: z izobarycznego doprowadzania ciep³a obejmuj¹cego proces podgrzewania (4s 5) i odparowania cieczy (5 1), izentropowej ekspansji pary czynnika w turbinie (1 2s), izobarycznego odprowadzania ciep³a podczas którego nastêpuje sch³odzenie (2s 2) i skroplenie czynnika (2-3) oraz izentropowego przet³aczania kondensatu (3 4s). Ponadto za³o ono, e: w uk³adzie kr¹ y 1 kg/s niskowrz¹cego czynnika roboczego, temperatura odparowania czynnika wynosi odpowiednio: 80, 90 i 100 C, temperatura skraplania, stanowi¹ca równoczeœnie temperaturê czynnika zat³aczanego do wymiennika geotermicznego, jest równa 30 C. w osuszaczu pary nie wystêpuje strata ciœnienia ani masy czynnika, sprawnoœæ turbozespo³u wynosi odpowiednio: wewnêtrzna i = 0,75 i mechaniczna turbiny m = 0,97 oraz generatora elektrycznego g = 0,96 [18]. 192

Rys. 3. Cykl przemian termodynamicznych w obiegu C-R realizowanym w obszarze pary przegrzanej Fig. 3. Cyckle of thermodynamical processes of a low boiling point fluid in the C-R cycle operating with a saturated steam Parametry termiczne (ciœnienie p, temperatura T) i kaloryczne stanu (entalpia w³aœciwa h, entropia w³aœciwa s) w charakterystycznych punktach obiegu C-R (rys. 4a,b) okreœlono na podstawie przyjêtych za³o eñ, korzystaj¹c ze specjalizowanego programu REFPROP [17]. Moc teoretyczn¹ obiegu Clausiusa-Rankine a wyznaczono, opieraj¹c siê na danych uzyskanych dla punktów charakterystycznych si³owni, ze wzoru: N m [( h h ) ( h h )] CR n 1 2s 4s 3 (1) Moc elektryczn¹ okreœlono uwzglêdniaj¹c odpowiednie wartoœci sprawnoœci: N N (2) el CR i m g Z kolei sprawnoœæ teoretyczn¹ obiegu C-R wyznaczono ze wzoru: ( h h ) ( h h ) 1 2s 4s 3 CR h1 h4s (3) Sprawnoœæ wytwarzania pr¹du elektrycznego okreœlono z zale noœci: el CR i m g (4) 3. WYNIKI OBLICZEÑ Wyniki prowadzonych obliczeñ zestawiono w tabeli 1, gdzie w poszczególnych kolumnach podano wartoœci: temperatury i ciœnienia parowania (T p,p), entalpii czynnika w poszczególnych punktach obiegu (h 1, h 2s, h 3, h 4s ), mocy i sprawnoœci teoretycznej obiegu Clausiusa-Rankine a (N CR, CR ) oraz mocy elektrycznej (N el ) i sprawnoœci wytwarzania pr¹du elektrycznego ( el ). 193

Tabela 1 Zestawienie wyników obliczeñ elektrowni zasilanej czynnikiem bezpoœrednio odparowuj¹cym wpzgwc Table 1 Tabulation of results of calculations for installation with a direct evaporation of fluid in the Underground Closed Geothermic Heat Exchanger Nazwa T p p h 1 h 2s h 3 h 4s N CR N el CR el Lp. czynnika [ C] [MPa] [kj/kg] [kw] [%] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 Izobutan 2 R236ea 3 R245fa 4 R245ca 5 R114 6 Perfluoro-pentan 7 Butan 8 R236fa 9 R124 10 RC318 80 1,34 657,97 610,56 271,80 273,52 45,69 31,91 11,88 8,30 90 1,64 668,56 613,31 271,80 274,07 52,98 37,00 13,43 9,38 100 1,99 677,66 615,25 271,80 274,70 59,51 41,56 14,77 10,31 80 1,00 424,18 401,79 237,13 237,66 21,86 15,27 11,72 8,19 90 1,26 430,19 404,04 237,13 237,84 25,44 17,77 13,23 9,24 100 1,57 435,68 406,06 237,13 238,06 28,69 20,04 14,52 10,14 80 0,79 463,80 436,43 239,60 240,07 26,90 18,79 12,02 8,40 90 1,00 470,48 438,47 239,60 240,23 31,38 21,92 13,63 9,52 100 1,26 476,77 440,40 239,60 240,42 35,55 24,83 15,04 10,50 80 0,57 476,82 447,69 239,34 239,67 28,80 20,11 12,14 8,48 90 0,73 484,28 450,15 239,34 239,79 33,68 23,52 13,78 9,62 100 0,93 491,48 452,56 239,34 239,93 38,33 26,77 15,24 10,64 80 0,93 383,65 365,02 229,37 229,84 18,16 12,68 11,81 8,25 90 1,16 388,52 366,73 229,37 230,00 21,16 14,78 13,35 9,32 100 1,42 392,94 368,20 229,37 230,18 23,93 16,71 14,70 10,27 80 0,48 130,53 116,72 0,27 0,50 13,58 9,48 10,44 7,29 90 0,61 138,01 121,77 0,27 0,59 15,92 11,12 11,59 8,09 100 0,77 145,30 126,72 0,27 0,69 18,16 12,68 12,56 8,77 80 1,01 696,32 643,81 271,47 272,77 51,21 35,77 12,09 8,44 90 1,25 709,00 647,51 271,47 273,19 59,77 41,74 13,71 9,58 100 1,53 720,89 650,97 271,47 273,68 67,71 47,29 15,14 10,57 80 1,25 410,67 390,06 237,28 237,97 19,92 13,91 11,53 8,06 90 1,56 415,10 391,25 237,28 238,20 22,93 16,01 12,96 9,05 100 1,94 418,18 391,54 237,28 238,48 25,44 17,77 14,16 9,89 80 1,58 400,52 380,06 233,45 234,29 19,62 13,70 11,80 8,24 90 1,95 403,51 379,94 233,45 234,56 22,46 15,69 13,29 9,28 100 2,38 405,20 378,99 233,45 234,88 24,78 17,31 14,55 10,16 80 1,34 365,00 350,01 232,72 233,39 14,32 10,00 10,88 7,60 90 1,67 369,56 352,17 232,72 233,61 16,50 11,52 12,14 8,48 100 2,05 372,69 353,24 232,72 233,87 18,30 12,78 13,18 9,21 194

Tab. 1 cd. Tab. 1 cd. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 80 1,17 151,97 139,25 34,10 34,67 12,15 8,48 10,35 7,23 11 Perfluoro-butan 12 R227ea 90 1,45 157,19 142,39 34,10 34,86 14,03 9,80 11,47 8,01 100 1,79 161,06 144,46 34,10 35,09 15,61 10,90 12,39 8,65 80 1,86 367,61 352,13 234,47 235,42 14,53 10,15 10,99 7,68 90 2,30 368,96 351,45 234,47 235,74 16,24 11,34 12,19 8,51 100 2,83 362,99 345,02 234,47 236,13 16,31 11,39 12,86 8,98 Uzyskane wyniki obliczeñ, celem u³atwienia ich porównania, zaprezentowano tak e graficznie, przy czym na rysunku 4 pokazano wyniki obliczeñ mocy elektrycznej, zaœ na rysunku 5 wyniki obliczeñ sprawnoœci wytwarzania pr¹du elektrycznego, wszystkie w funkcji temperatury parowania czynnika w PZGWC. Rys. 4. Wp³yw temperatury parowania oraz rodzaju czynnika niskowrz¹cego kr¹ ¹cego w uk³adzie si³owni ORC na moc elektryczn¹ elektrowni geotermicznej Fig. 4. Effect of evaporation temperature and the kind of low-boiling fluid circulating in the ORC installation on the electric geothermal power of the power plant 195

Rys. 5. Wp³yw temperatury parowania oraz rodzaju czynnika niskowrz¹cego kr¹ ¹cego w uk³adzie si³owni ORC na sprawnoœæ elektryczn¹ elektrowni geotermicznej Fig. 5. Effect of evaporation temperature and the kind of low-boiling fluid circulating in the ORC installation on the electrical efficciency of geothermic power plant WNIOSKI Na podstawie uzyskanych wyników obliczeñ mo na stwierdziæ, e przedstawiony w pracy wariant elektrowni z bezpoœrednim odparowaniem czynnika posiada kilka zalet eksploatacyjnych. Prócz wymienionych ju wczeœniej, takich jak wy sza efektywnoœæ pozyskiwania energii oraz brak strat przy jej przekazywaniu do czynnika roboczego w parowaczu i podgrzewaczu, nale y dodaæ wy sze wartoœci mocy i sprawnoœci w porównaniu z analogicznymi uk³adami z czynnikiem poœrednim, co zosta³o pokazane w pracy [1]. Natomiast z niniejszej analizy wynika, e uzyskiwan¹ w takim uk³adzie moc jednostkow¹ mo na dodatkowo zwiêkszyæ przez odpowiedni dobór czynnika niskowrz¹cego, co wynika z rezultatów obliczeñ zawartych w tabeli 1 i pokazanych na wykresie prezentowanym na rysunku 5. Nale y tak e nadmieniæ, i w przypadku uzyskiwanych wartoœci sprawnoœci, miêdzy poszczególnymi czynnikami roboczymi nie wystêpuj¹ a tak znacz¹ce ró nice, jednak niektóre z nich równie pozwalaj¹ osi¹gn¹æ odpowiednio wy sze wartoœci (rys. 6). Reasumuj¹c, g³ównym kryterium doboru czynnika powinna byæ maksymalizacja mocy instalacji, któr¹ mo na osi¹gn¹æ stosuj¹c czynniki o wysokiej entalpii w³aœciwej pary dop³ywaj¹cej do turbiny. Ponadto przy doborze czynnika nale y uwzglêdniæ jego wp³yw na œrodowisko. 196

LITERATURA [1] BORSUKIEWICZ-GOZDUR A., KACZMAREK R., 2008 Elektrownia z czynnikiem organicznym zasilana energi¹ pozyskiwan¹ przy pomocy podziemnego zamkniêtego geotermicznego wymiennika ciep³a (PZGWC). Materia³y konferencyjne: XX Zjazd Termodynamików, Wroc³aw, 2 6.09.2008. [2] GAWLIK K., HASSANI V., 1998 Advanced binary cycles: Optimum working fluids. Geothermal Resources Council, Annual Meeting, California, USA. [3] GÓRECKI W., 1995 Atlas geothermal energy resources in Polish Lowland. GEOS, Kraków. [4] KACZMAREK R., 2010 Praca doktorska, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Szczecin. [5] KUJAWA T., NOWAK W., 2002 Evaluation of the length of insulated inside pipe effect on heat efficiency of a downhole geothermal coaxial heat exchanger. Acta Mechanica Slovaca (2), pp. 183 190. [6] KUJAWA T., NOWAK W., STACHEL A.A., 2006 Utilization of existing deep geological wells for acquisitions of geothermal energy. Energy, vol. 31, Issue 5, s. 650 664. [7] KUJAWA T., NOWAK W., STACHEL A.A., 2005 The analysis of exploitation of existing deep production wells for winning the geothermal energy. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, vol. 78, No. 1, pp. 127 135. [8] MORITA K., 2001 One possible way to utilize abandoned deep wells the application of the DCHE. Technika Poszukiwañ (5), p. 129 148. [9] NOWAK W., 2005 Analytical calculation model of underground closed geothermal heat exchanger. Archives of Thermodynamics, Vol. 26, str. 49 66. [10] NOWAK W. Charakterystyki cieplno-przep³ywowe wspó³pracy odbiorników ciep³a z geotermicznymi wymiennikami ciep³a. Projekt badawczy MNiSzW nr 3T10B07527. [11] NOWAK W., 2003 Teoria podziemnego zamkniêtego geotermicznego wymiennika ciep³a. Materia³y niepublikowane KTC PS, Szczecin. [12] NOWAK W., 2005 Möglichkeiten der Anwendung der geothermischen Energie als Energiequelle für Heizwerke. XXXVII Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 18 19.10.2005. [13] NOWAK W., STACHEL A.A., 2005 Assessment of operation of an underground closed-loop geothermal heat exchanger. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, vol. 78, No. 1, pp. 136 143. [14] NOWAK W., STACHEL A.A., 2005 Die Möglichkeiten der Nutzung der Geothermalen Energie als einer einspeisenden Energiequelle für ein Heizkraftwerk. XXXVII Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 18 19.10.2005. [15] NOWAK W., STACHEL A.A., 2007 Geothermic heat and power station with a single component power cycle with organic working medium. Acta Metallurgica Slovaca, R-13, 3, str. 251 256. [16] NOWAK W., STACHEL A.A., 2007 Geothermic thermal-electric power station with organic medium power cycle. XVI Internationale Tagung: Forschung-Praxis-Didaktik im..., Stralsund, 10 12.10. 2007. [17] REFPROP 7.0. Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties. Standard Reference Database 23. National Institute of Standards and Technology. US, 2002. [18] SZARGUT J., 1991 Termodynamika techniczna. PWN, Warszawa. [19] WOLFF H., MÖLLER F., BESSER T., SCHMIDT S., OPPELT J., TREVIRANUS J., 2002 Ansätze fortschrittlichen Bohr- und Komplettierungstechnik für die Errichtung eines Unterträging Geschlossenen Geothermischen Wärmetauscher. Projekt BMU ZIP 0327506. 20 Jahre Tiefe Geothermie in Deutschland, 7. Geothermische Fachtagung, 06 08 November 2002 in Waren (Müritz). 197

[20] WOLFF H., SCHMIDT S., MÖLLER F., LEGARTH B., OPPELT J., TREVIRANUS J., 2002 Geothermische Stromerzeugung. Projekt BMU ZIP 0327506, Status-Quo, Juni 2002, Vortrag, Symposium Geothermische Stromerzeugung, Landau 20./21. Juni 2002. APPLICATION OF INSTALATION WITH DIRECT EVAPORATION OF WORKING MEDIUM IN THE GEOTHERMIC HEAT EXCHANGER TO SUPPLYING THE GEOTHERMIC POWER PLANTS Abstract In the paper has been presented the operating principle of two variants of a geothermic plant running on an organic fluid. The first variant of plant consists of two loops first with water as a heat carrier in underground closed geothermic heat exchanger (UCGHE) and the second one with organic fluid as a working medium in low temperature Clausius-Rankine cycle. In the second variant of plant organic fluid performs both functions: a working fluid in power plant cycle and heat carrier in UCHGE. The publication presents results of analyses of influence of a kind of working fluid on the work of the second variant plant, where the evaporation of working fluid is realized in UCGHE. The basic formulas were used to calculate of power and efficiency of the installation of a geothermal power plant for different organic liquids and for three temperatures of the medium on the outlet of the exchanger. Obtained results form basis for assessment and formulation of final conclusions with respect to suggested solutions of the geothermal power plant. Key words Geothermal energy, geothermal power plant, low-temperature organic Rankine cycle, underground closed geothermic heat exchanger