Geotermalna energijaGeotermalna energijaKorištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje)P f d Zd k Ši ićProf.dr.sc. Zdenko ŠimićFER [email protected]
SadržajSadržajSadržajSadržaj• Porijeklo • Korištenje: – Grijanje
P i d j l• Potencijal – Proizvodnja el. en.– Toplinske pumpe
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 2
Temperature u ZemljiTemperature u Zemlji
30 kmkora
Temperaturni gradijent Temperaturni gradijent –– u u korikori2000 km
~1000ºC omotač
Dubina [m]
150
300
Tipični dobar gradijent: 0,075 oC/m
2800ºC
4000ºC
4000 km
6370 km
5150 kmvanjska jezgra
unutarnja jezgra 300
450
600
Primjer gradijenta u području geotermalnog izvora
unutarnja jezgra
750
1000 Temperatura na 1 km: 265 oC
kora
omotač
vanjska jezgra
unutarnja jezgra
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 3
jezgra
Unutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija Zemlje• Enormna količina energije
Samo mali dio dostupan• Izvor za korištenje:
Vruće suhe stijene– Samo mali dio dostupan
• Na površini 0,06 W/m2
– Izvorna toplina i drugi
– Vruće suhe stijene– Voda na velikim dubinama i
pod velikim tlakomd /– Izvorna toplina i drugi
procesi (~60%) – Radioaktivni raspad (~40%;
– Voda/para na manjim dubinama
U235,238, Th232, K40)– Površina za 100W?
• Litosfera: kondukcija• Litosfera: kondukcija- prijelaz topline bez pomicanja materije
• Omotač: konvekcija- prijenos topline gibanjem materije (nema radioaktivnosti)
Energijske tehnologije
materije (nema radioaktivnosti)
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 4
Dobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvori
Vruće suhe stijene Voda na velikoj dubini i velikom tlaku
• Dubina i temperatura:– 2,5 do 6 km
• Dubina i temperatura:– 2,5 do 9 km,
– od 150 do 300 oC
• Najveći i najteži izvor za
2,5 do 9 km– oko 160 oC i
veliki tlak (>1000 bar)
korištenje– Stijene slabo vode toplinu
P t b j i l iti tij i
• Ostale karakteristike– Velika slanost (4-10%)
Z ić i d i li– Potrebno je izlomiti stijene i dovesti vodu
• Eksplozije (nuklearne!?)
– Zasićeno prirodnim plinom • Najviše metana CH4
• Oko 5x više plina volumnop j ( )• Voda pod tlakom
• Istražuje se• Potencijal za kombinirano
korištenje
• Istražuje se
Energijske tehnologije
• Istražuje se
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 5
Voda/para na manjim tlakovima i dubinamaVoda/para na manjim tlakovima i dubinamana manjim tlakovima i dubinamana manjim tlakovima i dubinama• Dubina, temperature i tlakovi:
– do 5 km, do preko 300 oC, do 8 bara
• Parni izvori su najpoželjniji ali malobrojni– Para sama izlazi van iz bušotine (oko 200 oC) – Geysers (SAD) i Larderello (Italija)
V d i i i jč šć k i tk i t• Vodeni izvori se najčešće koristekoriste– Voda izlazi sama ili se pumpa
Velike koncentracije otopina– Velike koncentracije otopina ( i preko 25000 ppm)
• Komercijalno se koristeKomercijalno se koriste – ne zahtijevaju posebno napredne
tehnologije za bušenje i k l t ij
Energijske tehnologije
eksploataciju
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 6
ppm – parts per million (dijelova u milijun)
PorastPorastPorast tempera-ture u
Porast tempera-ture uture u Zemljiture u Zemlji
Geotermalne prilike iprilike i vodljivost tla određuju jgradijent rasta t ttemperature u tlu.
Energijske tehnologije2010. 7
Presjek jednog geotermalnog nalazišta -Awibengkok IndonezijaAwibengkok, Indonezija
Energijske tehnologijeEnergijske tehnologije: Geotermalna enrgija - dodatno 8
Geotermalni resursiGeotermalni resursi0,050,05 ººC/mC/m
Temperatura stijena na 5 km dubine(EEIG "Heat Mining"
0,05 0,05 C/mC/m
(EEIG "Heat Mining", European Hot Dry Rock Project)"
Područja visoke Područja visoke INA od 1976. napravila više od 50 dubokihjj
entalpijeentalpije ((>>240 240 ooC)C)više od 50 dubokih bušenja.Temperaturni gradijent ide i do 0,07ºC/m.,Temperature u rasponu od 40 – 170ºC.Procjene:
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 9
~50 MWe~800 MWt
Direktno korištenjeDirektno korištenjeDirektno korištenjeDirektno korištenje
Najstariji način korištenja geotermalne energije: • Samostalno ili• Samostalno ili• Komplementarno proizvodnji el. en.
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 10
Direktno korištenje geotermalne energijeDirektno korištenje geotermalne energije
Snaga MWt Energija TW/god. Faktor opterećenja
Toplinske pumpeDirektno grijanjeDirektno grijanjeStakleniciAkvakulturaPoljoprivreda - sušenjeIndustrijaKupanjeHlađenje/topljenje snijegaOstaloOstaloUkupno
Energijske tehnologije11
Geotermalna električna energijaGeotermalna električna energijaElektranaPumpa
2000.2000.
Bušotine: povratna iproizvodna
Nalazište
PP20102010 == 11 GWGWPP20102010 = = 1 1 GWGWee
W = W = 60 60 TWhTWhee
Porast od Porast od ~~7,5%/7,5%/god.god.Potencijal:Potencijal:
--Do 100 GW s današnjom tehnologijomDo 100 GW s današnjom tehnologijom--Dvostruko više s naprednim tehnologijamaDvostruko više s naprednim tehnologijama
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 12
Dvostruko više s naprednim tehnologijamaDvostruko više s naprednim tehnologijama--Ukupno se procjenjuje na nekoliko tisuća GW Ukupno se procjenjuje na nekoliko tisuća GW
Geotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektrane• Elektrane na suhu paru• Elektrane sa separiranjem
pare (Flash steam)p ( )• Elektrane s binarnim
ciklusomciklusom
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 13
Elektrane na suhu paruElektrane na suhu paru
T-s dijagram
Jeftine, velike i rijetke2 - Centrifugalni separator odvaja nečistoće
1 2 i 2 3 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpiju1-2 i 2-3 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpiju4 - izlaz iz turbine se miješa s recirkuliranom (5, 7) rashladnom vodom u kondenzatoru s
direktnim kontaktom i višak se vraća u zemljuNekondenzibilni plinovi (CO2, NH4, H2S)se moraju ukloniti iz kondenzatora zbog korozije i tlaka
parnim ejektorom (za pogon se izdvaja dio pare).Elektrane u pogonu (jedinice npr.100 MW): Geysers (SAD), Larderello (Italija), Matsukawa (Japan)
Energijske tehnologije
Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je visok (~135 kPa) što uz male temperature dodatno umanjuje termički stupanj djelovanja.
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 14
Elektrane sa separiranjem pare (Flash steam)Elektrane sa separiranjem pare (Flash steam)(Flash steam)(Flash steam)
Za kvalitetnije izvore vode preko 200 oC
T-s dijagram
Za kvalitetnije izvore vode, preko 200 oCSalinitet i do 280000 ppm.
1-234-5 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpijuProblemi: Znatno veći potrebni protoci (utjecaj na okolno zemljište te dimenzije i degradiranje
postrojenja zbog dodatnih sastojaka)Elektrane u pogonu (jedinice od 10-50 MW): Italija, Japan, Novi Zeland, Meksiko, SAD
Energijske tehnologije
p g (j ) j , p , , ,Termički stupanj djelovanja još manji zbog niske temperature i niske kvalitete pare.
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 15
Geotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektrane
AIDLIN – dvije jedinice na suhu paru, 20 MWeCalpineSonoma, California
LEATHERS dvostruko separiranje 38 MWeLEATHERS – dvostruko separiranje , 38 MWeCalEnergy Operating CompanyCalipatria, California
Energijske tehnologijeEnergijske tehnologije: Geotermalna enrgija 16
Elektrane s binarnim ciklusomElektrane s binarnim ciklusomplinp
1Rash.toranj
Turbina3
1 2
3
voda
toranj
PumpaPovršinski
2 32
4
Izmjenjivač topline
tlo
kondenzator
kondenzatnapumpa
4
5
66
5
Za manje kvalitetne izvore (ispod 200 oC)
T-s dijagramPumpa
Voda iz rashladnog tornja
Proizvodna i povratna bušotina
Za manje kvalitetne izvore (ispod 200 oC)Unapređenje za veći stupanj djelovanja.
Proces se provodi kao Rankineov organski – radni fluid ima nisku temperaturu isparivanja (izobutan C4H10, freon12, amonijak ili propan)
Vlastita potrošnja u elektrani je oko 35%.Demonstracijske elektrane u pogonu (jedinice oko 10 do 50 MW) u SAD-u.Rj š j j HR
Energijske tehnologije
Rješenje za uvjete u HR.Proračun za ovaj proces provodi se kao i za Rankineov s vodom, ali s parametrima radnog medija.
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 17
T-S dijagram za vodu, R245fa i cikloheksanT-S dijagram za vodu, R245fa i cikloheksanvodu, R245fa i cikloheksanvodu, R245fa i cikloheksan
Energijske tehnologije2010. 18A. Schuster et al. / Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1809–1817
Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom
Turbina 1. nivo
Kondenzator
Generator
Turbina 2. nivo
Isparivač Kompresor za nekondenzibilne
plinoveSeparator
Pumpa za k d fl id
plinove
Predgrijač
kond. fluid
Proizvodna bušotina Povratna bušotinaPovratna pumpa
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 19
Vrući geotermalni fluid
Hladni geotermalni fluid
Binarni procesBinarni proces
Energijske tehnologije20Zdenko Šimić - Geotermalna energija
pp
Proizvodnja el. Proizvodnja el. enen. i korištenje topline. i korištenje toplineProizvodnja el. Proizvodnja el. enen. i korištenje topline. i korištenje toplineBolji stupanj djelovanja može se osigurati kombiniranim procesima:Bolji stupanj djelovanja može se osigurati kombiniranim procesima:• Dogrijavanjem medija iz geotermalnog izvora prirodnim plinom iz samog
izvora ili nekim drugim gorivom• Predgrijavanjem toplinskom energijom iz geotermalnog izvora
kondenzata prije ulaska u generator pare konvencionalne termoelektrane
Plan za Bizovac
Energijske tehnologije21
Bušenje, testiranje i korištenje izvoraBušenje, testiranje i korištenje izvora
• Bušotine od ~200 m do ~4 km za određivanje temp gradijentaza određivanje temp. gradijenta i karakteristika nalazišta.• Nalazište može smanjiti toplinsku snagu nakon nekogtoplinsku snagu nakon nekog vremena (5, 10, 15 godina) i tada treba dodati bušotinu ili koristiti se manjim kapacitetom.
Pl i i d i ij k j k 30 di• Planirani radni vijek je oko 30 godina.
opadanjeP [MW]
• Moderne metode bušenja smanjuju
razvoj pogon opadanje
održavanje
smanjuju troškove: jedna široka (>60 cm) rupa oko 500 m upa o o 500i onda dvije kilometarske na razne strane za
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 22Vrijeme
uzimanje i povrat vode
Utjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranje• Agresivnost i velika koncentracija otopljenoga u
di t ž j d t j j i j j ži t ivodi otežavaju rad postrojenja i smanjuju životni vijek
• Rješenje je u izdvajanju i korištenju:– H2S za proizvodnju sumporne kiseline– Metali poput cinka kao sirovina– Različite naslage za građevinarstvo
Utj j k liš ž i i i i ti ć j• Utjecaj na okoliš se može minimizirati vraćanjem svega u bušotinu uz pozornost da to ne umanji
iprinos
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 23
Toplinska pumpa i hlađenjeToplinska pumpa i hlađenje
Srednjatemp. u zemlji
i hlađenjei hlađenje
e (m
)
LjetoZima
ispo
d po
vrši
nD
ubin
a
Lagano suho tlo
Temperatura tla (oC)
• Temperatura tla – konstantna od Sunčevog zračenje i zbog slabe toplinske vodljivosti tla
konstantnija kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla
Lagano suho tloProsječno tloVlažno tlo
– konstantnija kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla – Time je relativna razlika prema temperaturi okolice razmjerno velika i
konstantna tijekom većeg dijela godineP d ij j li k i
Energijske tehnologije
– Pogodno za grijanje toplinskom pumpom i– Hlađenje klima uređajima
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 24
Razne vrste sustava toplinske pumpeRazne vrste sustava toplinske pumpep p pp p pHorizontalni kružni: zauzima najviše zemlje, jeftinije, male zgrade,
Otvoreni: jeftinije, problemi s vodom
ali temperatura dosta varira
V tik l i tj it tlVertikalni: stjenovito tlo, skuplji, treba manje zemlje, visoka efikasnost
Ovisno o izvedbi faktor preobrazbe iznosi oko 50% Carnotovog:
f.p. = qdov/wt
Energijske tehnologije25
p qdov tPraktično se postiže faktor preobrazbe od 3 do 5.
UkratkoUkratkoUkratkoUkratko
Korištenje geotermalne energije može imati opravdanje kao čcjeloviti gospodarski program koji uključuje
proizvodnju el. en., turizam i poljoprivredu.
Ekonomičnost ovisi o karakteristikama bušotine i potporama – rizik može biti veliki.
Udio GE u proizvodnji el. en. nije veliki, ali postoji potencijal za povećanje.
Ekološki prihvatljiv izvor uz dužnu brigu.
Tehnologija je zrela i iskustvo je značajno. g j j j j
Položaj izvora određuje mjesto korištenja.
Energijske tehnologije26Zdenko Šimić - Geotermalna energija