GEOTERMALNA ENERGIJA

•Riječ geotermalno potiče iz dvije grčke riječi geo (zemlja) i therme (toplina) i označava toplinu zemlje, pa se zbog toga toplotna energija Zemlje još naziva i geotermalna energija.

•Geotermalna energija se stvara u zemljinom jezgru gotovo na dubini od 6500 km ispod zemljine površine.

•Nastaje laganim prirodnim raspadanjem radioaktivnih elemenata koji se nalaze u zemljinoj unutrašnjosti.

•Duboko ispod površine, voda ponekad dospije do vrelih stijena i pretvara se u ključalu vodu ili paru.

•Ključala voda može dostići temperaturu od preko 150 stepeni Celzijusevih, a da se ne pretvori u paru jer je pod visokim pritiskom.

•Kad ta ključala voda dođe do površine, kroz pukotinu u zemljinoj kori, zovemo je vreli izvor.

•Ako izlazi pod pritiskom, u obliku eksplozije, zove se gejzir.

•Planeta Zemlja se sastoji od četri glavna sloja, čije središnje jezgro ima prečnik oko 7000 km i koje je pretežno sačinjeno od željeza i malih količina nikla.

•Centralni dio je čvrst čija temperatura iznosi oko 4700ºC i spoljašnji tečni dio.

•Oko jezgra je omotač koji sadrži stijene bogate magnezijumom i željezom, dubok oko 2800 km.

•Zemljina kora sastoji se od raznih vrsta stijena i minerala, uglavnom silikata, i podijeljena je na kontinentalnu koru i tanju okeansku koru.

•Unutrašnjost zemlje je daleko vruća nego kora.

• Izvor toplotne energije je radioaktivno truljenje i zemljina kora reaguje kao termalni izolator u prevenciji sprečavanja oslobađanja toplote u kosmos.

6.1. Struktura Zemlje

•Geotermalna energija se može upotrijebiti kao temperaturni grediant između plitke zemlje i površine, podzemna topla voda, vruće stijene nekoliko kilometara ispod zemljine površine i magma.

•Magma je istopljena stijena u omotaču i kori koja se zagrijava ogromnim toplotnim rezervoarima u unutrašnjosti zemlje.

•U nekim dijelovim kore, magma je toliko blizu zemljine površine da zagrijava stijene i vodu porama stijena.

•Toplotna energija dobijena iz geoloških izvora naziva se geotermalna energija.

•Magma, vrela voda i para su nosioci energije.

6.1. Struktura Zemlje

1. 1370 kilometara debelo zemljino jezgro, u kristalizovanom stanju usljed izloženosti toplote i visokog pritiska

2. 2000 km debelo vanjsko jezgro, koje sadrži rastaljene teške metale kao što je nikl i željezo

3. 2900 km debeo sloj omotača formiranog usljed tečenja magme

4. 6-35 km debela litosfera. Zemljina kora.

•Zemljina kora i gornji dio omotača se spajaju u litosferu.

•Ona je podijeljena na nekoliko čvrstih struktura koje se zovu tektonske ploče i plutaju na polutečnom omotaču ispod i kreću se jedna prema drugoj.

•Teorija tektonskih ploča je geološka teorija razvijena 1960 – te godine i objašnjava uzroke zemljotresa, vulkana, okeanske brazde i mnoge druge geološke fenomene.

•Većina ploča nosi okeansku koru i deblje dijelove kontinentalne kore, dok tek nekoliko njih nosi samo okeansku koru.

•Nauka koja proučava kretanje ploča zove se tektonika.

•Ploče se pomijeraju brzinom koja je procijenjena na 1 do 10 cm godišnje.

•Većina Zemljinih seizmičkih aktivnosti (vulkani i zemljotresi) javlja se na graničnim dijelovima ploča kada one međusobno djeluju.

6.2.Tektonske ploče

•Sl.6.4.Kretanje tektonskih ploča

6.3.Tipovi kretanja ploča

Ploča

Astenosfera

PločaPloča

Astenosfera

Ploča

PločaAstenosfera

Ploča

Konvergento kretanje pločaDivergentno kretanje ploča

Transformno kretanje ploča

•Širenje morskog dna je kretanje dvije okeanske ploče, jedne naspram druge (na divergentnim granicama ploče), što rezultira formiranjem nove okeanske kore ( od magme koja dolazi između Zemljinog omotača) duž brazde sredinom okeana.

•Mjesto gdje se okeanske ploče pomjeraju jedna od druge naziva se zona divergencije.

6.3.1.Divergentno kretanja ploča – širenje po morskom dnu

Ploča

Astenosfera

Ploča

Divergentno kretanje ploča

•Kada se dvije ploče sudare (na granici konvergentne ploče), dio kore biva uništen prilikom udara i ploče postaju manje. Rezultati su veoma različiti i zavise od tipova ploča koje učestvuju u sudaru.

•Sudar okeanske i kontinentalne ploče – kada se tanka okeanska ploča sudari sa relativno lakom, debelom kontinentalnom pločom, okeanska ploča prodire ispod kontinentalne ploče i ovaj fenomen se naziva subdukcija.

•Sudar dvije okeanske ploče - kada se dvije okeanske ploče sudare, dešava se da jedna ploča pogura drugu ispod i magma iz omotača počinje da raste, formirajući vulkane u okolini.

6.3.2.Konvergentno kretanje ploča

Ploča

Astenosfera

Ploča

Konvergento kretanje ploča

•Zbog trenja ploče ne mogu jednostavno kliziti jedna pokraj druge.

•Tačnije, pritisak se nakuplja u obe ploče sve dok ne dostigne stepen prekoračenja praga deformacije stijena, kada se akumulisana potencijalna energija oslobađa u vidu deformacije na obe strane rasjeda.

•Deformacija je akumulativna i trenutna, i zavisi od reologije stijene - rastezljiva donja kora i plašt akumulišu deformaciju postepeno putem pomijeranja, pri čemu krhka gornja kora reaguje lomljenjem ili trenutnim otpuštanjem pritiska, koje izaziva kretanje dužinom rasjeda.

6.3.3.Transformne (konzervativne) granice

PločaAstenosfera

Ploča

Transformno kretanje ploča

•Dublja posljedica širenja morskog dna bilo je to da se nova kora kontinuirano proizvodi dužinom oceanskih grebena.

• Ideju su rado prihvatili neki naučnici, najupečatljivije S. Warren Carey, koji je tvrdio da se pomicanje kontinenata jednostvano može objasniti velikim povećanjem Zemljine veličine.

• Ipak, ostalo je pitanje: kako nova okeanska kora može biti kontinuirano nadodavana duž oceanskih grebena bez povećanja veličine Zemlje.

•To pitanje posebno je zainteresovalo Harrya Hessa, geologa sa Univerziteta Princenton i Roberta Dietza, naučnika sa USCGS-a koji je prvi skovao naziv "širenje morskog dna".

•Po Hessu, Atlantski okean se širi, dok se Pacifički okean sužava.

6.4. Subdukcija

•Kako se hladna okeanska kora konzumira u jarugama, nova magma se izdiže i eruptira duž širećih grebena da bi formirala novu koru.

•Kao rezultat, okeanski bazeni se neprestano "recikliraju", nastankom nove kore i uništavanjem stare, što se događa istovremeno.

•Tako je Hess jasno objasnio zašto Zemlja ne postaje sve veća kako se morsko dno širi, zbog čega se jako malo sedimenta taloži na okeanskom dnu te zašto su okeanske stijene puno mlađe od kontinentalnih.

• Još u drevna vremena, mnogi ljudi su koristili geotermalnu energiju za zagrijavanje i kupanje.

•Čak i danas vrući izvori se širom svijeta koriste za kupanje i mnogi ljudi vjeruju da topli mineralni izvori imaju prirodnu iscjeliteljsku moć.

•Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije je prvi put pokušala da iskoristi grupa Italijana 1904. godine u mjestu Larderello u Toskani.

•Oni su koristili prirodnu paru koja je izbijala na površinu zemlje da bi pokrenuli turbine generatora i u narednih 10 godina su dostigli kapacitet od 250 KW.

•Na Islandu je 1930 godine gradsko grijanje pokrenuto upravo korištenjem toplih termalnih izvora i još uvijek je osnovni izvor za zagrijavanje.

6.5.Istorijski osvrt na geotermalnu energiju

•Zavisno od vidova podzemnih voda u litosferi, postoje i različiti vidovi kretanja.

•Kretanje podzemnih voda potčinjava se dejstvu gravitacije i kompresionih sila.

•Stoga, kretanje podzemnih voda može biti usmjereno u različitim pravcima.

•Pri kretanju slobodnih podzemnih voda razlikujemo dva režima tečenja: laminarni i turbulentni.

•Laminarno kretanje podzemnih voda javlja se pri malim brzinama tečenja.

•Za njega je karakteristično kretanje toka odijeljenim (paralelnim) strujnicama bez presijecanja toka.

•Laminarno kretanje podzemnih voda u poroznoj sredini, potčinjava se linearnom zakonu Darsija.

•Ovaj zakon je ustanovljen nakon mnogobrojnih eksperimentalnih filtracija kroz peščane filtere.

6.6.Kretanje podzemnih voda

•Šest hiljada kilometara ispod površine, srce planete je vrelo kao površina sunca.

•Mjesta na zemlji sa najvećim podzemnim temperaturama su najčešće regioni sa aktivnim vulkanima.

•Ove tzv. vruće tačke se javljaju na granicama tektonskih ploča gdje je zemljina kora dovoljno tanka da propusti toplotu.

•Ogromna masa istopljene čvrste stijene, koja se nalazi ispod površine Zemlje i sadrži raspršene sitne kristale i vodena isparavanja, zajedno sa drugim gasovima, kao što smo već napomenuli, poznata je kao magma.

•Proces nastajanja magme kontroliše se sa tri fizička parametra: temperaturom, pritiskom i sastavom stijene.

• Lava je posljedica podizanja magme prema Zemljinoj površini i najčešće je posljedica vulkanske aktivnosti.

6.7.Vulkani

•Grijanje i hlađenje korišćenjem toplotnih pumpi predstavljaju primarni pravac u svijetu i Evropskoj uniji skokom cijena energenata u poslednjih par godina.

•Postoje tri različita izvora toplotne energije – spoljašnji vazduh, zemlja i podzemne vode.

•Toplotne pumpe spadaju u najefikasnije sisteme grijanja i hlađenja danas.

•Od 100% energije koju generiše toplotna pumpa 75% je besplatno jer dolazi iz okolnog okruženja, a samo 25% energije dolazi iz električnih izvora koji se plaćaju.

•Evropska unija je napravila normative u kojima se kaže da svi objekti izgrađeni posle 2015-te godine moraju da imaju energetski efikasan sistem grijanja i hlađenja koji se pored sličnih mahom zasniva na geotermalnoj energiji (toplotnim pumpama).

6.9.Iskoristivost geotermalne energije

•Geotermalne toplotne pumpe koriste energiju koja se nalazi u blizini površine zemlje u svrhu zagrijavanja ili hlađenja građevina.

•Temperatura sa gornje strane zemljine kore u dubinu od tri metra ostaje u relativno konstantnom rasponu između 10°C u 16°C.

•Sistem geotermalne toplotne pumpe za zgrade se sastoje od cjevovoda u zgradama, preko izmjenjivača toplote, do cijevi pohranjenih u zemlju u blizini zgrade ili kuće.

6.10.Geotermalna toplotna pumpa (GTP)

Sl.6.11. Geotermalna

toplotna pumpa

•Osnovne komponente geotermalne toplotne pumpe su: kompresor s elektromotorom,

povratni i prigušni ventil

dva izmjenjivača toplote (kondenzator i isparivač).

•Rashladno sredstvo su obično gasovi R-407C ili R-410A, koji za razliku od prvobitno korištenog freona 12 (CF2Cl2) ne djeluje negativno na ozon.

•U ciklusu hlađenja rashladno sredstvo ulazi u usisne otvore kompresora u obliku plina niske temperature i pritiska.

•Proces kompresije podiže pritisak i temperaturu.

•Plin na izlasku iz kompresora preusmjeren je povratnim ventilom na izmjenjivač toplote (kondenzator) u kontaktu s okolinom (bušotinski izmjenjivač topline).

6.10.1.Osnovne komponente GTP

•Energetska efikasnost toplotnih pumpi se izražava preko koeficijenta učinka (COP - Coefficient of performance).

•To je odnos između energije koja je uložena i energije koju dobijamo na izlazu, za grijanje.

• Što je ovaj koeficijent viši to je bolja energetska efikasnost sistema.

•Za toplotne pumpe njegova vrijednost se kreće minimalno u rasponu 3,5 do 4,5 a u praksi je to srazmjerno više.

•Svaka jedinica električne energije uložena u pokretanje mehanizma toplotne pumpe omogućava joj da isporuči minimum još 3 do 6 jedinice toplotne energije, koje crpi iz prirodnih izvora.

6.11.Energetska efikasnost toplotnih pumpi

•Karno je našao da je za pretvaranje toplote u rad potrebno imati izvor i recipijent toplote na različitim temperaturama i neki gas (radno tijelo) zatvoren u sudu promjenljive zapremine, kao što je na primjer cilindrični sud sa klipom bez težine koji može da se pomijera bez trenja.

•Karno je utvrdio da prilikom pretvaranja toplote u rad, gas mora da prođe kroz četiri stanja (faze) koje se sukcesivno smjenjuju obrazujući zatvoreni ciklus, što znači da na kraju ciklusa gas ima iste parametre stanja na početku

6.12.Karnoov proces

•Postoje dva osnovna tipa sistema geotermalnih toplotnih pumpi (GTP):

•  sa zatvorenim i

•sa otvorenim krugom.

• Karakteristika sistema GTP sa zatvorenim krugom je da on ne iskorištava toplotu geotermalnih fluida već koristi plitku geotermalnu energiju stijena iz okoline za zagrijavanje ukopanih cijevi u kojima protiču fluidi sa nižom tačkom ledišta, kao što je antifriz ili metanol.

•Sistem GTP sa otvorenim krugom zavisi o prisutnosti izvora podzemne vode koja bi omogućila izmjenu topline.

•Ovaj sistem se djelimično razlikuje od sistema sa zatvorenim krugom prvenstveno zato jer ne sadrži posebno izolovan radni fluid, već kroz sistem uz pomoć pumpe cirkuliše voda.

•Kao izvor se najčešće koriste rijeke, jezera ili bunari.

6.13.Sistemi iskorištavanja geotermalne energije toplotnim pumpama

•Vertikalni zatvoreni sistemi su, za sistem geotermalnog grijanja, primjenjuju se kod objekata sa velikim potrebama toplotne i rashladne energije.

•Vertikalni sistemi se najčešće koriste kada je tlo preplitko za iskopavanje i da se umanji narušavanje postojećeg pejzaža.

•Za vertikalne zatvorene sisteme, u bušotinu se instalira jedan snop polietilenskih cijevi, spojenih na dnu „U“-spojnicom velike čvrstoće, u dubinu od 30 – 120 mtr.

•Dubina kopanja može varirati i zavisi prvenstveno od uslova u kojima se nalazi tlo planirano za kopanje.

6.13.1.Zatvoreni vertikalni sistem

•Ovaj sistem je veoma često, najekonomičniji za male instalacije i na mjestima gdje ima dovoljno prostora tj. gdje je tlo pogodno za izvođenje građevinskih radova.

•Ovakav tip toplotne geotermaln instalacije podrazumijeva polaganje snopa cijevi paralelno u tlo, ispod granice smrzavanja, tj. 1,4 do 2 metra ispod površine.

6.13.2.Zatvoreni horizontalni sistem

•Ovakav sistem je specijalna vrsta zatvorenih sistema i postavlja se tamo gdje se zgrade nalaze u blizini jezera ili rijeke, na način da se uroni snop cijevi pod površinu vode.

•To je najčešće najjeftinije rješenje i veoma je atraktivno, jer zahtijeva minimum iskopavanja i postavljanje cijevi je veom jednostavno, ali se mora voditi računa da su jezero ili rijeka dovoljno duboki.

6.13.3.Jezerski sistem zatvorenog kruga

•Ovakav vid sistema iskorištava geotermalnu vodu koja se izvlači iz bušotine i nakon što se njena toplota iskoristi vraća se nazad ili ispušta u rijeke.

•Ono što je karakteristično za otvoreni sistem sa dvije bušotine je da se veoma rijetko ugrađuje ali može biti veoma efikasan i isplativ ukoliko na određenim lokacijama postoje podzemne vode.

•Na taj način se podzemna voda crpi iz jedne bušotine, zatim cijevima dovodi do objekta koji se zagrijava i tu predaje svoju toplotu uz pomoć geotermalne toplotne pumpe.

•Nakon izlaska iz pumpe voda se ponovo cijevima odvodi u drugu bušotinu na odeđenoj udaljenost i od prve čime se odvodima sprovodi u rijeku ili jezero.

6.13.4.Otvoreni sistem sa dvije bušotine

•Najčešći način pretvaranja geotermalnih izvora u energiju je priključivanje na prirodne hidrotermalne pojave, sistemom strujanja, gdje se curenje hladnije vode u zemljinoj kori zagrijava prije nego što izađe na površinu.

•Kod geotermalne električne centrale, buše se rupe u ovim vrućim stijenama, da bi se „zarobila“ ova prirodno stvorena para i uz pomoć te pare pokreću se tradicionalni sistemi generatora da bi se proizvela električna energija.

•Postoje tri osnovna dizajna geotermalnih električnih centrala:

•Elektrana bazirana na pari,

•Elektrana sa separatisanjem pare I

•Elektrana na principu binarnog ciklusa.

6.14.Korištenje geotermalne energije

•Elektrane na paru, proizvode električnu energiju koristeći vrelu paru uzetu direktno iz geotermalnog izvora i sa tom parom pokreću turbine koje upravljaju generatorom za proizvodnju električne energije.

•Ovo je najstariji tip električnog postrojenja i koristi se do danas.

•Veza između bunara i elektrane na paru je relativno jednostavna u poređenju sa elektranom sa djelimičnim isparavanjem.

•U bunaru, najčešće postoje ventili plus prečistač pare.

•Kasnije je dizajniran jednosavan linijski, osovinski centrifugalni separator (razdvajač) da odstrani atomaste materije iz pare, prije nego dospiju u sistem cijevi.

6.14.1.Električna centrala bazirana na „suvoj pari“(Dry

Steam)

•Cijevi za paru su pokrivene izolacijom i montirane na držačima i sadrže proširene karike da prilagode kretanje cijevi iz hladnih u tople uslove.

6.1. Struktura Zemlje

•Ovaj vid postrojenja je najčešće korišteni oblik geotermalnih električnih postrojenja gdje se vrela voda direktno ispumpava iz geotermalnih izvora pod velikim pritiskom na površinu i na temperaturama iznad 182°C.

•Kada dospije na površinu, pritisak se smanjuje što rezultira time da se jedan dio vode pretvara u paru koja pokreće turbine u generatorima za električnu energiju.

•Dio vode koja nije isparila se upumpava nazad u rezervoar za ponovno korištenje.

6.14.2. Elektrane sa separatisanjem pare

•Elektrane koje rade po principu binarnog (dvojnog) ciklusa koriste vodu koja je hladnija od one koju koriste elektrane sa separatisanjem pare.

•Vruća voda iz geotermalnih rezervoara se prenosi kroz izmjenjivač toplote koji šalje toplotu u odvojene cijevi koje sadrže tekućinu sa daleko manjom tačkom ključanja od vode.

•Ove tekućine (najčešće su to Izobutani i Izopentani) su pretvorene u paru da bi pokretali generatorske turbine.

•Osnovna prednost elektrane na principu binarnog ciklusa je njena mala cijena i povećana efikasnost, s obzirom da ove elektrane ne emituju višak gasa i u mogućnosti su da iskoriste male temperature geotermalnih rezervoara, koji su veoma česti.

6.14.3.Elektrana na principu binarnog (dvojnog) ciklusa

Elektrana na principu binarnog (dvojnog) ciklusa