Geotermalna energija

Energija Zemlje ujedno se naziva i geotermalna energija. Ima isti sastav kao i Sunce, no hlađenjem nastaje Zemljina kora (kruti dio debljine 50km).

Slika 1. Prikaz Zemljine kore i njenih djelova
 

Treba napomenuti da temperaturni gradijent raste sa dubinom.

Slika 2.Temperaturni gradijent Zemlje
 

Osnovne značajke geotermalne energije:

  Izvorna toplina i radioaktivni raspad (oko 40%),
 
Imamo dva načina prijelaza topline:

·         Kondukcija (litosfera): prijelaz topline bez pomicanja materije
·         Konvekcija (omotač): prijenos topline gibanjem materije
 
  Temperaturni gradijent iznosi 30°C/km pri površini i onda slabi,
 
  Procjena je da u središtu (6370km) Zemlje imamo temperaturu oko 6000°C. Toplina sa
  100km dubine treba oko 0,1 milijardu godina da dođe do površine.
 
  Prosječna dnevna količina energije koja dođe na površinu iznosi 3,3 do 7,5 kJ/m² na dan,
 
  Prosječna energija s obzirom na Zemljinu površinu  iznosi 2,8 · 10¹⁵ kJ/dan ili 
  0,27 · 10⁶ TWh/god!!!

Slika 3. Konvekcija topline u Zemlji

Slika 4. Kondukcija topline
 

Pojavni oblici: topla voda, suha para, tople stjene,

Temperature do 350°C, tlakovi i do 70 Mpa,
Rezerve, tj. količina toplinske energije ovisi o dubini:
·         do dubine od 10km ima oko 30 · 10¹⁵ (milijuna milijardi) teu (engl. Twenty foot Equivalent Unit)
·         do dubine od 3km ima 1 · 10¹⁵ teu, pri čemu 90% ispod 100°C i samo 3% preko 150°C
Oko 7% (do 3 km) se koristi sa površine
Tek oko 1% ima potencijal za proizvodnju el. energije (do ukupno 350 TkWh)
Uporaba: Moguće primjene vezane za temp. gradijent jer se toplinska energija može iskoristiti samo ako postoji razlika u temperaturi.
Prema trenutno razvijenoj tehnologiji moguće primjene su: izvori vruće vode i pare (izravna uporaba), toplinske crpke te energija suhih stijena.

Slike 5. Izvori geotermalne energije na površini Zemlje
 

Uporaba geotermalne energije

Najčešće korištenje geotermalne energije ostvaruje se konvektivnim prenošenjem topline pomoću fluida, koji je obično topla voda ili smjesa vrele vode i pare, uz nazočnost raznih primjesa (plinovi, soli,
minerali, itd.).
 
Toplinska energija geotermalnog ležišta sadržana u geotermalnom fluidu kod nekog tlaka i temperature, koristi se:
1. Izravno za zagrijavanje ili
2. Za pretvorbu u električnu energiju.
Mogućnost korištenja toplinske geotermalne energije izravno ili za pretvorbu u električnu energiju u ovisnosti o radnoj temperaturi geotermalnog fluida.
 
Geotermalne toplane (izravna upotreba)

Najjednostavniji i najperspektivniji način iskorištavanja geotermalne energije u turizmu, poljoprivredi, industriji, komunalnom grijanju. Može biti samostalna ili kombinirana sa drugim (konvencionalnim) načinima proizvodnje električne ili toplinske energije iz geotermalnog izvora.

Slika 6. Geotermalno postrojenje za komunalno grijanje
 

Grijanje prostora

Energija geotermalnog izvora se izravno ili preko izmjenjivača topline (ovisno o čistoći geotermalnog fluida) dovodi do potrošača topline. Za potrebe dogrijavanja ili potrošnje u vršnim satima koriste se toplinske crpke ili kotlovi na klasična goriva.

Slika 7. Iskorištavanje geotermalnog izvora za industrijsku uporabu

Slika 8. Direktno i indirektno korištenje geotermalnih izvora za grijanje prostora

 

Toplinske crpke

Mogućnost crpljenja topline iz okoline korištenjem kružnog termodinamičkog procesa često se primjenjuje za grijanje (i hlađenje) u razvijenom svijetu. Toplinske crpke često se spominju zajedno sa geotermalnim izvorom energije.
Dok se vanjska prosječna mjesečna temperatura zraka, za naše kontinentalno područje, kreće u rasponu od -5 do +25 °C temperatura tla ostaje približno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 °C) tijekom cijele godine već na dubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje je godišnji raspon od 3 do 10 °C za suho tlo i par stupnjeva šire za vlažno tlo.

Takav odnos temperatura u tlu i potrebne unutrašnje temperature u kući ili zgradi predstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hlađenje) s koeficijentom djelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uložene el. energije). Temperatura tla neovisna je o sunčevom zračenju i zbog slabe toplinske vodljivosti tla konstantnija u odnosu na zrak kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla.
Time je relativna razlika prema temperaturi okolice razmjerno velika tijekom većeg dijela godine.
Ukupna djelotvornost ovisi pokraj stalne manje razlike temperatura i o korištenoj tehnologiji a posebno o konkretnoj izvedbi (vodoravno, okomito, podzemne vode i drugo).
Korištenje toplinskih crpki u razvijenom svijetu na daleko je većoj razini od situacije u Hrvatskoj.
Razlog: početno jeftiniji klima uređaji sa mogućnošću crpljenja topline iz zraka ali koji imaju relativno mali koeficijent djelovanja.

Slika 9. Primjena toplinskih pumpi u kućanstvu(različite izvedbe) 

Slike 10. Vrste toplinskih pumpi

Vrste toplinskih pumi:

Vodoravni kružni proces (slika gore desno, prva): zauzima najviše zemlje, jeftinije, male zgrade, ali temperatura dosta varira,
Otvoreni proces (slika gore desno, druga): jeftinije, problemi sa vodom,
Kružni proces u jezero: jeftinije, problemi s vodom (uzrokovano lokacijom),
Okomiti kružni proces: stjenovito tlo, skuplji, treba manje zemlje, veća mu je efikasnost;

Slika 11. Grijanje i hlađenje toplinskom pumpom


 

Tople stijene

Seizmička tomografija koristi vrijeme puta vala za kreiranje 3-D slika unutrašnjosti Zemlje.
Tomografski presjeci otkrivaju tople i hladne stijene. Prednjače kapacitetom unutrašnje toplinske
energije ali su najteže iskoristive.

Dostupne temperature se kreću između 150 i 300 °C na dubinama od 2,5 do 6 km. Najveći problem korištenju predstavlja preuzimanje toplinske energije. Da bi se preuzela toplina potrebno je dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vrućim stijenjem. Postoje razne ideje o stvaranju pukotina, a sve je još uvijek u istraživanju.

Geotermalne elektrane
 
Proizvodnja električne energije korištenjem geotermalnog izvora
v  U principu je slična klasičnoj konverziji unutarnje toplinske energije iz konvencionalnih izvora toplinske energije (npr. ugljen).
v  Sličnost prestaje kada je riječ o činjenici da treba otkriti dobro geotermalno nalazište i da je za to potrebno napraviti bušotinu (ili više njih) od nekoliko km.
Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medija, blizu parametara klasične termoelektrane.
 
Trenutno se u svijetu koristi skoro 9 GWe instalirane snage geotermalnih elektrana (2005.) što predstavlja 0,2% svjetskih kapaciteta. Prosječni faktor opterećenja je iznosio preko 70% i te su elektrane proizvele skoro 55 TWh električne energije.
 
Od ukupno 23 zemlje koje proizvode električnu energiju iz geotermalne energije vodeći su Filipini (1900 MWe), SAD (1850 MWe), Meksiko (1000 MWe), Italija (700 MWe), Japan (600 MWe), Novi Zeland (400 MWe), Island (200 MWe) i Costa Rica (150 MWe).
 
Europska unija ima ukupno 870 MWe instalirane snage geotermalnih elektrana (2007.) koje proizvode više od 9 TWh električne energije (prosječni faktor opterećenja 77%). Prva termoelektrana na geotermalnom izvoru sagrađena je u Larderellu u Toskani 1904.
 
Vrste geotermalnih elektrana:
 
v  Elektrane na suhu paru
v  “Flash steam” elektrane sa razdvajanjem pare
v  Elektrane sa binarnim ciklusom
 
 
1. Elektrane na suhu paru
 
Najkvalitetniji geotermalni izvori daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko 240 °C) na ulazu u postrojenje. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda 100 MW) ne razlikuju značajno od klasičnih termoelektrana. Specifičnosti su:
1. Centrifugalni separator nečistoća prije turbine i
2. Parni ejektor za uklanjanje nekondezibilnih plinova iz kondenzatora (do 10% mase; CO2, NH4 i H2S)
Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je relativno visok (oko 135 kPa) i to, uz relativno male temperature, dodatno umanjuje termički stupanj djelovanja prema klasičnim postrojenjima.
Na svijetu ima malo primjera koji koriste izvore suhe pare (Lardarello u Italiji, Matsukawa u Japanu, Geysers u SAD-u i Kamojang na Javi)
Cijena ovakvih postrojenja sa bušotinama dvostruko je iznad cijene konvencionalnih (oko 2000 €/kW).
Vodena para se pod tlakom iz geotermalnog izvora izravno dovodi na lopatice turbine i nakon kratke adijabatske ekspanzije kod atmosferskog tlaka od 1 bara, umjesto kondenzatorskog pritiska od 0,04 bara ispušta u zrak. Ovo je najjednostavniji i najekonomičniji proces proizvodnje električne energije iz
geotermalnih izvora.

Slika 14. Geotermalne elektrane na suhu paru
 

2. “Flash steam” elektrane sa razdvajanjem mokre pare

Srednje dobri i najčešće korišteni geotermalni izvori daju na izlazu mokru paru. Temperatura fluida je preko 200 °C s velikim salinitetom (do 280e3 ppm). Razdvajanje pare se odvija u jednom, dva i rjeđe tri stupnja. Broj stupnjeva se povećava za bolji ukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvođenje električne energije i topline se koristi umjesto trostruke separacije pare.
Cijena ovakvih postrojenja otprilike je 30% veća od onih sa suhom parom. Elektrane sa mokrom parom su manjih snaga (10-50 MWe) i koriste se u SAD, Japanu,  Novom Zelandu, Meksiku te na Islandu.

Slika 15. „Flash steam“ geotermalne elektrane
 

3. Elektrane sa binarnim ciklusom

Ponajbolja nalazišta u Hrvatskoj dovoljno su dobra samo za korištenje najmanje djelotvornih i najskupljih postrojenja za konverziju geotermalne energije u električnu energiju sa binarnim ciklusom. Ta postrojenja rabe Rankineov kružni proces sa organskim medijem (npr. amonijak, propan, izobutan ili freon 12) u krugu turbine gdje se toplina prenosi preko izmjenjivača sa strane medija iz bušotine.
 
Binarni ciklus koristi za bušotine koje daju medij na temperaturi od 100 do 200 °C. Radni medij mora imati nisku temperaturu isparavanja. Ovakva postrojenja imaju najmanje snage (do 10 MW). Njihova prednost je u odvajanju turbinskog dijela od medija iz izvora i time smanjivanje korozije i taloženja. Uobičajeno za ovakve primjene su potrebne crpke u proizvodnoj bušotini (za sprečavanje isparavanja medija u nalazištu).
 
Cijena binarnih geotermalnih postrojenja sa bušotinama se procjenjuje na oko 3000 €/kW. Njihova termodinamička efikasnost iznosi oko 8% (kod boljih rješenja i parametara nalazišta i do 15%).
 
Na lokaciji Lunjkovec-Kutnjak planira se izgraditi binarno postrojenje koje se će koristiti mješavinu vode i amonijaka u turbinskom krugu. Temperatura geotermalne vode sa 140 °C, sa protokom od 53 do 70 l/s, na povratku iznosi manje od 70 °C.
Snaga elektrane na pragu će iznositi od 1,85 do 2,47 MW, ovisno o protoku.
Očekivana efikasnost, uz faktor opterećenja 90%, je 13%. Ovako visok stupanj djelovanja za tako nisku temperaturu nalazišta ostvaruje se tzv. Kalina ciklusom (sa mješavinom vode i nisko-temperaturno hlapljivog medija u usporedbi sa Rankineovim ciklusom koji koristi jedan medij).
 
Mješavina isparava na promjenjivoj temperaturi i to osigurava bliži temperaturni profil, u izmjenjivaču topline između turbinske strane i strane geotermalnog izvora, što rezultira boljom efikasnošću.

Slika 16. Primjer geotermalne elektrane sa binarnim ciklusom
 

Geotermalni resursi

Ulaganje u geotermalnu energiju visoko je rizična investicija. Razvoj je rizičan i kvaliteta izvora nesigurna uz skupa ispitivanja, bušenja i testiranja. Položaj izvora treba biti blizu potrebe za korištenjem. Ipak, uz potporu, Francuska i Island demostrirali su uspješan i održiv razvoj.
 
Industrija EU je glavni dobavljač inženjerske opreme, pored SAD i Japana. Praktično iskustvo predstavlja solidnu podlogu za konkurentno korištenje geotermalne energije u svim područjima od interesa.
 
 
Najkonzervativnija procjena svjetskih resursa geotermalne energije prema (Cataldi, 1999) iznosi 5000EJ, od toga se smatra 10% potencijalno iskoristivim za 100 godina.
 
Uz pretpostavku da je 75% ekonomski iskoristivim i da je trećina visokotemperaturni izvor dobije se potencijal od 670 EJ godišnje za direktnu primjenu i 1,2 EJ godišnje za proizvodnju električne energije (uz faktor opterećenja od 82% to je 46 GWe snage).
 
Puno optimističnija procjena prema (Stefansson 2002) polazi od iste procjene geotermalnih resursa, ali bez pretpostavke o iscrpljivanju. Uz slične ostale pretpostavke, bez umanjivanja od 25% za ekonomsku neiskoristivost, dobije se više od 125 puta veća procjena za proizvodnju električne energije i direktno korištenje.
 
Svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije procjenjuju se na 15 GWt instalirane snage i 191 PJ korištene topline godišnje (2000.). EU je u 2006. direktno iskoristila skoro 90 PJ (uključujući toplinske pumpe) sa 9GWt instaliranih kapaciteta.
 
Direktna primjena je najveća za grijanje i odmah potom slijede kupališta, staklenici, ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifičnosti ovisno ne samo o geotermalnom potencijalu već i brojnim drugim faktorima.
 
Island je poseban primjer stoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55% geotermalnu energiju (121 PJ, 2005.). Na prvom mjestu je grijanje (oko 60% ukupne korištene GE), a zanimljivo je korištenje za otapanje snijega i leda u naseljima.

Problemi s uporabom geotermalne energije:

 
Precizno simuliranje kemije rastopljenih stijena i karakteristika nalazišta, kiselost vode, otopljene soli i plinovi mijenjaju svojstva pare;
Separiranje pare od vode, injektiranje hladne vode izaziva probleme;
Seizmičke aktivnosti rastu sa iskorištavanjem geotermalnog izvora;
Jeftina nafta i prirodni plin;
Iscrpljivanje nalazišta, visoka cijena bušenja;
Štete i promjene prirodnih ljepota i turističkih atrakcija.
 
Prednosti geotermalne enegije na fosilnim gorivima
 
Manje emisija, manje površine, manje transporta;
Veća raspoloživost (iako zemljopisno reducirana).
 
Recikliranje i iskoristivost
 
H2S se odvaja i koristi za proizvodnju sumporne kiseline;
Metali poput cinka se izdvajaju i prodaju;
Različite naslage se mogu izdvojiti i koristiti npr. u građevinarstvu.
 
Geotermalni resursi Hrvatske
Za Republiku Hrvatsku najprije treba naglasiti da pola zemlje nema nikakav geotermalni potencijal dok pola predstavlja potencijal. Tako, dok južni dio zemlje ima ispodprosječni temperaturni gradijent (manje od 20 °C/km), na sjeveru je temperaturni gradijent iznad prosjeka (oko 50 °C/km sa varijacijama na posebnim lokacijama).
Na temelju podatka iz stvarnih bušotina (INA napravila oko 50) na dubinama od par km poznato je da potencijalni izvori imaju temperature vode od 40 do 170 °C.
Prema tome se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju električne energije skoro 50 MWe i direktno korištenje preko 800 MWt.
Uz pretpostavku o faktoru opterećenja za proizvodnju električne energije od 80% to predstavlja potencijal za 0,35 TWh godišnje. Za direktno korištenje to je potencijal od oko 7 TJ godišnje.