geotermalne energije

5. Toplotne črpalke

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože Voršič TOPLOTNE ČRPALKE

Geotermalna energija Počasno razpadanje radioaktivnih elementov v zemeljski površini je izvor največjega dela

notranje toplotne energije Zemlje. Celotna energija je ocenjena na 1024 kWh. Širjenje toplote proti površini ima toplotni gradient 10 K/km do globine 100 km, dalje v notranjosti pa je tamanjši. Temperatura v središču je 4000 K, povprečna toplota, ki se s prevajanjem pojavljadnevno na površini je 1,4 Wh/m2.

Geotermalna energija prihaja iz naravne toplote Zemlje predvsem zaradi razpada radioaktivnih izotopov urana, torija in kalija. Zaradi notranje toplote je povprečni toplotni tok 82 mW/m2, kar predstavlja skupno izgubo toplote približno 42 TW. Skupna vrednost geotermalne energije je reda velikosti 12,6 · 1024 MJ, samo skorje 5,4 · 1021 MJ. To ogromno število se lahko primerja s proizvodnjo električne energije v svetu leta 2007 7,1 · 1013 MJ. Toplotne energije je na Zemlji ogromno, a le majhen delež je možno koristno uporabiti. Dosedaj je bilo izkoriščanje te energije omejeno na območja, na katerih geološke razmeredopuščajo prenos toplote iz globokih vročih con do ali v bližino površine (voda v tekočem stanju ali kot para).

Za praktično uporabo pride danes v poštev le globina do 10 km (tehnologija izvrtin).Toplotna energija v tem pasu znaša 3001018 kWh, od tega približno tretjina pod kopnopovršino. To je 6106 krat večja količina energije, kot jo trenutno potrebuje človeštvo letno.Do nedavnega je tehološki razvoj dopuščal izkoriščanje le tistega dela geotermične energije,ki je prišla na površino kot vroča voda, kot naravni izvir ali pa kot posledica vrtanja.


V povprečju se temperatura Zemlje z globino povečuje približno 25 – 30 °C/km (tako imenovani geotermalni gradient). Ob predpostavljeni prevodnosti, bi naj bila temperaturaZemlje v globini 10 km več kot 300 °C. Vendar je večina raziskav in uporabe na območjih, kjer je gradient večji, kjer je vrtanje manj globoko in cenejše. Takšna plitvejša toplotna območja so posledica:

1) Vdor staljene kamnine (magme) iz globine, kar ustvari velike količine toplote; 2) Velik površinski toplotni tok zaradi tanke skorje in velikega temperaturnega gradienta; 3) Dvig podzemne vode, ki kroži do globin nekaj kilometrov in se segreje zaradi

normalnega temperaturnega gradienta; 4) Toplotna izolacija globokih kamnin z debelimi sloji takšnih kamnin kot so skrilavci, ki

imajo nizko toplotno prevodnost; 5) Nenavadno segrevanje plitvih kamnin z razpadom radioaktivnih elementov.


Geothermal resource type (Source: White and Williams, 1975)

Resource type Temperature range [°C] Convective hydrothermal resources Vapour dominated ≈240o Hot-water dominated 20o-350o+ Other hydrothermal resources Sedimentary basin 20o-150o Geopressured 90o-200o Radiogenic 30o-150o Hot rock resources Solidified (hot dry rock) 90o-650o Part still molten (magma) >600o


Ogromne količine toplotne energije so nenehno proizvedene zaradi razpada radioaktivnihizotopov podzemnih kamnin in shranjene v notranjosti našega planeta. Ta energija je enakneizčrpen in obnovljiv vir kot sončna energija. Temperatura v središču Zemlje je redavelikosti 4000 °C, medtem ko aktivni vulkani bruhajo lavo pri 1200 °C, vroči izvori nakopnem in v morju dosegajo temperature do 350 °C. Trenutno se geotermalna energijaizkorišča z uporabo podzemne vode, shranjene v prepustnih kamninah ali s posebnimi vrstamitoplotnih črpalk, ki črpajo toploto neposredno iz tal.

Po drugi metodi, še vedno v poskusnem obratovanju, so vroče kamnine umetno zdrobili,vbrizgali vodo, ki kroži med ponorno in sesalno vrtino. Še vedno je bolj oddaljenoizkoriščanje velikih količin toplote v območjih staljene kamnine (magme). Trenutno lahko do100 °C segreto vodo uporabimo v različne namene, od daljinskega ogrevanja do ogrevanjaposameznih hiš, za ogrevanje v kmetijstvu, termah pa tudi v industrijski proizvodnji.Geotermalno vodo med 100 °C in 150 °C je možno (poleg neposredne uporabe toplote)uporabiti tudi za proizvodnjo električne energije v posebnih (binarnih) elektrarnah.

Vodo nad 150 °C je najbolje uporabiti za proizvodnjo električne energije.


Proizvodnja električne energije Installed geothermal electric capacity

Country Capacity (MW)2007

Capacity (MW)2010

Percentage of national production

USA 2687 3086 0.3% Philippines 1969.7 1904 27% Indonesia 992 1197 3.7% Mexico 953 958 3% Italy 810.5 843 1.5% New Zealand 471.6 628 10% Iceland 421.2 575 30% Japan 535.2 536 0.1% Iran 250 250 El Salvador 204.2 204 25% Kenya 128.8 167 11.2% Costa Rica 162.5 166 14% Nicaragua 87.4 88 10% Russia 79 82 Turkey 38 82 Papua-New Guinea 56 56 Guatemala 53 52 Portugal 23 29 China 27.8 24 France 14.7 16

TOTAL 9,981.9 10,959.7

Pretvarjanje geotermalne energije v električno energijo je možno s suho paro, mokro

paro ali v dvokrožnem sistemu. Trenutno

proizvajajo električno energijo iz geotermalne

energije v 24 državah na svetu, ogrevanje z

geotermalno energijo pa je v uporabi v 70 državah.Ocenjen potencial za

proizvodnjo električne energije je 35 d0 2000 GW.

Geotermalno energijo ocenjujejo kot trajno, saj je

izraba energije majhna v primerjavi s toploto Zemlje.


Para se dviga iz Nesjavellirgeotermalne elektrarne na Islandiji

Svetovna geotermalna zmogljivost---- instalirana moč---- proizvodnja


Kakšen termodinamični proces uporabiti pri snovanju elektrarn, ki koristijo geotermalnoenergijo, je odvisno od temperature geotermalnega vira, izdatnosti (kg/s) in kemijske sestave.Za izkoriščanje geotermalnih virov z nizko temperaturo, uporabljamo binarne termodinamične procese. Pri teh procesih kot delovni medij koristimo organske snovi ali zmesamoniaka in vode. Prednost teh procesov je, da se lahko uporablja termalna voda stemperaturo do 90 C iz plitvejših slojev zemlje, zato niso potrebna draga geološka in vrtalna dela. Delovni medij, ki se uporablja v turbinskem procesu, je pri Kalinovem procesu zmesamoniaka in vode, ki izpareva pri prehodu skozi toplotni prenosnik, v katerem se na drugistrani nahaja termalna voda. Podoben proces kot je Kalinov je tudi ORC (Organic Rancine Cyce), kjer se kot delovni medij lahko uporablja R 114 (diklortetrafluormetan C2Cl2F4), perfluorpentan (C5F12) in izobutan (C4H10). Pri koriščenju geotermalne energije za proizvodnjo električne energije izkoristki parnegasistema niso veliki zaradi nizke temperature medija in nizkih tlakov. Da bi izkoristili čim večenergije, uporabljamo binarne termodinamične procese (Kalinov proces ali ORC). Za izračun električne moči lahko uporabimo sledečo enačbo (Vir: R.B. Hudson: Proizvodnjelektrične energije):

Pe = (0,18 T – 10) Qt / 87. [kWe]

V enačbi pomeni: T - temperatura geotermalnega vira [ C] Qt = qm.cp. T - toplotna kapaciteta - moč [kWt] qm - izdatnost geotermalnega vira [kg/s] cp = specifična toplota [kJ/kgK] T = Tnapajanja – Tvračanja

100 110 120 130 140 15020

300

350

400

10050

150

100

200

250

neposredna uporaba mokre oz. suhe pare poseparaciji (Flash System)

Kalinov proces(voda + NH3)

Slika 1 Uporaba geotermalne energije za proizvodnjo električne energije v odvisnosti od temperature geotermalnega vira

Temp

eratur

a geo

terma

lnega

vira (

°C)

ORC - sistem

ORC - Organic Rancine Cycle

neposredna uporaba pregrete in suhe pare

30 40 50

perfluor -pentan

propanpentanbutan

Območje moči (MWe)

60 70 80 90

Geotermalne elektrarne se ne razlikujejo od drugih parnih turbin v termoelektrarnah - toplotaiz vira goriva (v primeru geotermalne energije zemeljsko jedro) se uporablja za segrevanje vode ali druge delovne tekočine. Delovno tekočino se nato uporabi za vrtenje turbine, ta pažene generator za proizvodnjo električne energije. Tekočina se nato ohladi in vrne v vir toplote.

Proizvodnja električne energije zahteva vire visoke temperature, ki so samo v velikih globinahToploto je treba spraviti na površino s pretokom tekočine in sicer s pretokom magme, vročimiizvori, hidrotermalno cirkulacijo, naftnimi vrelci, vodnimi vrtinami ali njihovo kombinacijo.Takšno kroženje včasih obstaja po naravni poti, kjer je skorja tanka: premikanje magmeprinese toploto blizu površine, vroči izvori na površino. Če ni na razpolago vročih izvorov, jetreba narediti vrtino v vodonosnik. Daleč od tektonskih razpok je geotermalni gradient 25 do 30 °C na kilometer globine. Za proizvodnjo električne energije morajo biti vrtine globoke nekaj kilometrov. Množina in kakovost vira narašča z bližino tektonskih razpok. V globinah, ki so vroče a suhe, ali kjer vodni tlak ni primeren, lahko proizvodnjo spodbudimo z vbrizganjem tekočine. Na primernem kraju izvrtajo dve luknji in razbijejo kamnino mednjima z eksplozijo ali visokim vodnim tlakom. Potem črpajo vodo ali tekoč ogljikov dioksid veno odprtino; iz druge se vrača kot plin. Tak pristop imenujejo hot dry rock geothermal energy v Evropi oz. enchanced geothermal system v Ameriki. Tak pristop omogoča velikovečje možnosti kot običajno izkoriščanje vodonosnikov.


Geotermalni sistem 1. Rezervoar 2. Črpališče 3. Izmenjevalec toplote 4. Turbina 5. Koristna vrtina 6. Vrtina za vbrizgavanje 7. Vroča voda za ogrevanje 8. Porozni sedimenti 9. Nadzorna vrtina 10. Trdna, živa skala


Elektrarne s suho paro so najstarejše in tudi najbolj preproste. Neposredno uporabljajo geotermalno paro, ki ima 150 C ali več za pogon turbin.


Elektrarne z mokro paro vlečejo iz globin vročo vodo z visokim tlakom v posode z nižjimtlakom ter uporabljajo nastalo mokro paro za pogon turbin. Potrebujejo tekočino pri najmanj180 °C, običajno več. Večina današnjih elektrarn je te vrste. UM FERI Laboratorij za energetiko Jože Voršič TOPLOTNE ČRPALKE

Elektrarne z dvokrožnim sistemom so plod zadnjih raziskav in so zmožne obratovati tudi pritemperaturi tekočine 57 C. Zmerno vroča geotermalna voda teče skozi izmenjevalec ssekundarno tekočino, ki ima mnogo nižje vrelišče kot voda. To povzroči uparjanje sekundarnetekočine, ki žene turbino. To je vrsta geotermalne elektrarne, kakršne gradijo danes.Uporablja se organski Rankinov proces ali sistem Kalina. Termični izkoristek tovrstnihelektrarn je od 10 do 13 %.


Toplotne črpalke


segrevanje hlajenje


Poznamo tri osnovne izvedbe toplotnih črpalk, ki jih delimo glede na medij (okolico), ki gahladimo in medij, ki ga ogrevamo. V tem pogledu poznamo naslednje sisteme toplotnihčrpalk, ki jih bomo podrobneje spoznali v nadaljevanju:

zrak/voda, zemlja/voda, voda/voda.

Monovalentni način obratovanja pomeni, da je toplotna črpalka edini vir ogrevanja(lahko tudi hlajenja) in pokriva toplotne izgube v celoti. Investicija je visoka, saj so močizaradi rezerve v tem primeru velike. Tudi novi predpis, ki predvideva za izračunpredvideno zunanjo projektno temperaturo do minus 13 °C (povprečje za Slovenijo), nasne reši pri realnih zunanjih temparaturah do minus 18 °C. Če je izračun izdelan še napredvideno notranjo temperaturo 21 °C v skladu s predpisi, je katastrofa tu. Če hočeinvestitor ali uporabnik ne glede na vremenske pogoje v prostoru 24 °C, se lahko pojavijotežave. To pomeni, da s strani ugodja monovalentni način ogrevanja težko zadovoljiinvestitorja v vseh vremenski pogojih. Bivalentni način obratovanja ima več prednosti pred monovalentnim, saj lahko s cenenonapravo premostimo konice, istočasno pa nam rezervni vir pomeni neko zanesljivost primorebitni okvari osnovnega vira. Po naših izkušnjah je za bivalentno obratovanjenajprimerneje pokrivati 70 % do 80 % toplotne moči s toplotno črpalko, rezervni vir pa najbo približno enakih moči. Investicija je znatno nižja, saj za rezervni vir ni potrebno, da jevisokega cenovnega razreda.


Osnovna naloga toplotne črpalke je, da prenaša toploto med notranjim ogrevalno-ohlajevalnim sistemom in zemeljsko povezavo (toplotni izmenjevalec v zemlji) ali kateremdrugem viru energije. S kompresijo in ekspanzijo hladilnega medija prenaša toploto med notranjostjo zgradbe inpovezavo s svojim virom energije (zemlja, voda, zrak).


Toplota iz vira energije pride do uparjalnika, v katerem se nahaja hladilna tekočina (medij)v tekočem stanju. Hladilni medij je hladnejši od tekočine, ki pride iz toplotnegaizmenjevalca iz vira energije, zaradi tega preide toplota iz tekočine na hladilni medij. Pritem se hladilni medij upari (njegova temperatura se le malo poveča) – to vlogo naredi uparjalnik. Uparjeni medij (pri majhnem tlaku in nizki temperaturi) preide v kompresor, kimu močno poveča tlak in posledično tudi temperaturo. Hladilni medij tako iz kompresorjapride v plinastem stanju pri visoki temperaturi in visokem tlaku v izmenjevalec toplote –kondenzator. V toplotni črpalki voda/zrak ventilator poganja zrak, ki ga želimo segreti mimo kondenzatorja, medtem ko pa v toplotni črpalki voda/voda vodna črpalka poganja vodo, ki bo grela radiatorje preko kondenzatorja. Ker je hladilni medij, ki pride izkompresorja v kondenzator toplejši od zraka (ali vode), ki gre mimo kondenzatorja, se toplota iz hladilnega medija prenese na zrak. Posledično se zaradi tega hladilni medijnekoliko ohladi in se kondenzira nazaj v tekoče stanje. Nato ta hladilni medij pri visokemtlaku in visoki temperaturi preide skozi ekspanzijski ventil, ta hladilnemu mediju močno zmanjša tlak in posledično tudi temperaturo. Hladilni medij pri nizkem tlaku in nizkitemperaturi nato teče v uparjalnik, kjer se opisani sistem začne znova. Na ta način potekaproces izkoriščanja različnih virov energije za ogrevanje ali ohlajevanje prostorov zgradbe.


Toplotni tok teče sam od sebe iz toplejšega telesa proti hladnejšemu. Če želimo obrnitismer toka tako, da bo tekel od hladnejšega telesa proti toplejšemu, moramo dodati delo,kot kažejo enačbe:

2 1Q Q A , (1)

2 1A Q Q (2)

1 2 1 2 12 2 2

2 2 2

1 Q Q Q T TA Q Q QQ Q T

(3)

kjer je: 1Q - toplota hladnega rezorvarja v J,

2Q - toplota toplega rezorvarja v J,

1T - temperatura hladnega rezorvarja v K,

2T - temperatura toplega rezprvarja v K. Enačba 3 v drugi obliki predstavlja grelno število toplotne črpalke:

2 2

2 1

Q TA T T

(4)

Ali kot razmerje toplotnega toka in moči: 2 2

2 1

P TP T T

(5)

Predpostavili smo, da je proces povraten in da je entropija S konstantna: 1 2

1 2e

Q QST T


Odvzem in oddaja toplote se vrši pri faznih spremembah, kjer je temperatura konstantna. 1 – 2 Delovna snov odvzema toploto hladnemu telesu (npr. zunanjemu zraku, zemlji, talni vodi)s pomočjo izparevanja. V Mollierovem diagramu je to horizontalna črta med točko 1 in 2.Odčitana razlika med obema točkama na abcisni osi je 500 J/kg - 300 J/kg = 200 J/kg.Toliko toplote odvzame delovna snov okolici. Fazna sprememba izparevanja se v našemprimeru vrši pri temperaturi 0° C in tlaku 500 000 Pa (5 barov). 2 – 3 Plin v točki 2 adiabatno stisnemo s pomočjo kompresorja. Narasteta tlak (na 15 barov) intemperatura (na 40 °C), volumen se zmanjša. Delo, ki ga opravi kompresor je 35 J/kg. 3 – 4 Para se ponovno fazno spreminja v tekočino in pri tem odda 235 J toplote. Proces se vrši vkondenzatorju. Dobljena toplota s pomočjo toplotnega izmenjevalca segreva vodo, ki jouporabimo za ogrevanje ali sanitarne namene. 4 – 1 Delovna snov se v ekspandorju razpne, tlak in temperatura ponovno padeta na začetnovrednost. Toplotna črpalka bi imela v tem primeru grelno število: 235/35 = 6,7. Teoretičen in praktičen učinek toplotne črpalke bo večji, čim višja bo temperatura okolice,iz katere zajema toploto in čim manjša bo temperatura ogrevanja.


Izbira toplotnega vira


Tudi zemlja ima na globini, večji od 1 m, konstantno temperaturo skozi vse leto in je zatoprav tako ustrezen vir akumulirane sončne energije. V kolikor imamo na voljo dovoljveliko površino (velikosti od 1,5 do 2-krat ogrevalna površina) v neposredni bližiniogrevanih prostorov, je vgradnja horizontalnega zemeljskega kolektorja dobra rešitev. Otem je še posebej priporočljivo razmisliti pri novogradnjah. Tudi v tem primeru je potrebnok stroškom ogrevanja prišteti strošek energije za pogon obtočne črpalke. V kolikor za tasistem nimamo na voljo dovolj prostora, je možna izvedba s spiralnimi horizontalnimikolektorji (položena cev je na več mestih zvita v kolobarje) ali izvedba z vertikalnimkolektorjem – zemeljske sonde za globine med 50 metri in 150 metri.


Toplotna črpalka zrak - voda

Shematski prikaz koriščenja toplote zraka


Toplotne črpalke sistem zrak/voda so namenjene za ogrevanje stanovanjskih in poslovnihobjektov. Kot vir toplote se koristi toplota okoliškega zraka. Priporočena je vgradnja vsistem ogrevanja z dodatnim virom ogrevanja. Toplotna črpalka dosega relativno visokizkoristek (grelno število 2,5 do 3,4 je odvisno od vstopnih in izstopnih parametrov).

Toplotna črpalka se namesti v kotlovnico, kjer se naveže na ogrevalni sistem, uparjalnik pase namesti na zunanjo steno ali poseben betonski podstavek ob objektu in se s plinsko inelektrično povezavo poveže s toplotno črpalko. Priporoča se vgradnja hranilnika topleogrevalne vode zaradi konstantnega delovanja toplotne črpalke in s tem daljše življenjskedobe. Objekt naj ima predviden nizko temperaturni sistem ogrevanja (talno, stensko,toplozračno ogrevanje), saj le s takšnimi načini ogrevanja dosegamo najvišja grelna številain s tem najvišje prihranke.


Toplotna črpalka zemlja voda

Geotermalna toplotna črpalka je v osnovi sestavljena iz treh enot: toplotne črpalke, (1) povezave z zemljo (toplotni izmenjevalec v zemlji), (2) notranjega ohlajevalno-ogrevalnega sistema. (3)


Vertikalna zemeljska sonda do 100 metrov globine nam daje precej različne rezultate; od 4,0 do 8,0 kW toplotne moči. Vertikalna zemeljska sonda je zaprt krožni sistem, katerega napolnimo z mešanico vode in protizmrzovalnegasredstva v koncentraciji za delovanje do temperaturne mešanice minus 15 °C. Sonda je lahko enojna ali dvojna.V povprečju je po 1 metru geosondemogoče pridobiti okrog 55 W.


Toplotna črpalka voda - voda

Shematski prikaz koriščenja podtalnice kot toplotnega vira UM FERI Laboratorij za energetiko Jože Voršič TOPLOTNE ČRPALKE

Toplotne črpalke te vrste izkoriščajo toploto podtalnice ali toploto površinskih voda.Takšen način izkoriščanja toplote imenujemo odprti sistem.

Toplota podtalnice je zaradi minimalnega nihanja temperature idealen vir zamonovalenten način ogrevanja s toplotno črpalko. Temperaturno območje podtalnice je od8 °C do 12 °C, vir nam je razpoložljiv praktično čez vso leto. Za postavitev takšne toplotnečrpalke je potrebno narediti in pridobiti slednje:

vodno dovoljenje, sesalna vrtina, ponorna vrtina, cevna povezava, potopna črpalka, zemeljska dela – vrtanje, gradbena dela.


ŠTUDIJSKA LITERATURA J. Voršič A. Orgulan

Pretvarjanje v električno energijo, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor 1997

M. Stepišnik Primerjalna analiza ogrevanja z izbranimi sistemi toplotnih črpalk, Diplomsko delo, UM FERI, Maribor 2011

B. Grobovšek Izkoriščanje geotermalne energije za proizvodnjo električne energije, ZRMK, Ljubljana

WEC Survey of Energy Resources, World Energy Council 2010

G. Kočevar Primerjava dveh sodobnih ogrevalnih sistemov, Diplomsko delo, UM FERI, Maribor 2009

F. W. Sears M. W. Zemansky University Physics, Adison Wesley Publishing Company, Massachusetts

Splet obstaja ogromno gradiva


geotermalne energije

Documents