Adaptacja technologii wykorzystywanych w geotermii dla potrzeb

 Adaptacja technologii
wykorzystywanych w geotermii
dla potrzeb energetyki zawodowej
Leszek Pająk – PAN Kraków
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012
45
46
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012
Adaptacja technologii wykorzystywanych w geotermii dla potrzeb
energetyki zawodowej
Leszek Pająk
Pracownia Odnawialnych Źródeł Energii
Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk
ul. Wybickiego 7, 31-261 Kraków
e-mail: [email protected]
W skali światowej wykorzystanie zasobów energii geotermalnej prowadzi się na dwa
sposoby: poprzez wykorzystanie bezpośrednie i pośrednie. Eksploatacja pośrednia polega na
konwersji energii geotermalnej w energię elektryczną. Eksploatacja bezpośrednia polega na
wykorzystaniu zasobów energii geotermalnej w ciepłownictwie, rolnictwie, balneologii wszędzie tam gdzie wykorzystuje się energię cieplną lub właściwości płynów geotermalnych.
Eksploatacja energii geotermalnej w Polsce, według przyjętej nomenklatury, ogranicza się do
wykorzystania bezpośredniego. Na rys. 1 przedstawiono lokalizację działających w Polsce
instalacji wykorzystujących zasoby energii geotermalnej, w tabeli 1 podano natomiast
najistotniejsze parametry tych instalacji. Od roku 2009, dla którego aktualne są dane
przedstawione na rys. i w tabeli 1, uruchomiono nowe instalacje. Skupiają się one na
wykorzystaniu energii i wód geotermalnych w balneologii i rekreacji. Parametry robocze
nowouruchomionych instalacji zawierają się w zestawionym w tabeli 1 przedziale zmienności
(nie przekraczając wydajności i temperatur zestawionych w tabeli 1).
Wykorzystanie zasobów energii geotermalnej w sposób pośredni wymaga odpowiednio
wysokiej temperatury płynu na głowicy otworów produkcyjnych lub zastosowania
odpowiednich technologii - będących w stanie wytwarzać energię elektryczną ze stosunkowo
niskich temperatur. Wytwarzanie energii elektrycznej przez turbiny wodne wymaga
temperatury powyżej 150°C. Temperaturę przy której wytwarzać można energię elektryczną
znacząco można obniżyć wykorzystując siłownie binarne.
Siłownia binarna to system produkujący energię elektryczną, działający dzięki wykorzystaniu
dwóch różnych płynów oddzielonych od siebie hydraulicznie (nie mieszających się). Płyn
dostarczający energię cechuje się wyższą temperaturą parowania (przy określonym ciśnieniu)
niż płyn roboczy napędzający turbinę. Turbina napędza wał generatora produkującego energię
elektryczną. Podobną definicję siłowni binarnej podaje również literatura, np.: (Cleveland i
Morris 2006).
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 20121 47
Rys. 1. Wykorzystanie zasobów energii geotermalnej w Polsce, stan na rok 2009 (Bujakowski
2010)
Termin siłownia binarna często wiązany jest z energią geotermalną, wynika to ze stosowania
jako medium grzewczego płynów geotermalnych o temperaturze za niskiej by napędzać
klasyczną turbinę parową. Wyobrazić sobie można również układ pracujący na bazie
schematu siłowni binarnej, a wykorzystujący inne niż geotermia źródła energii (Obrenberger i
inni 2002 i 2003) - w tym energię pochodzącą z paliw konwencjonalnych lub biomasy (rys. 2)
(Baradziej i Pająk 2004a i 2004b).
48
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012
2
Tabela 1. Główne parametry energetyczne instalacji geotermalnych, balneologicznych i pomp
ciepła w Polsce (Bujakowski 2010)
Lokalizacja instalacji
Zasoby
eksploatacyjne
Temperatura Moc
Pobór wód
Produkcja energii
o
C
zainstalowana
m3/rok / m3/godz Całkowita /z geotermii
(wartości TJ/rok)
całkowita /z
geotermii
(wartości
oszacowane)
MWt
Grupa I - Instalacje ciepłownicze - wykorzystujące wody termalne (o temp. >25oC)
1. Mszczonów
60
41
7.4 / 1.1
283 509 / 32.4
2. Podhale – Bańska
Niżna
670
86
80.5 / 15.5
2 977 418 / 339.9 324 / 226
3. Podhale – Zakopane
Antałówka
130
33,5
2.6 / 2.6
292 709 / 33.4
21 / 21
4. Podhale – Zakopane
Szymoszkowa
80
27
1.2 / 1.2
b.d
8/8
5. Podhale– Bukowina
Tatrzańska
40
64,5
2.41/2.26
88 298 / 10.1
22.8 / 11.1
45 / 20.4
6. Pyrzyce
340
61
48.0 / 15.0
621 879 / 71.0
130 / 44.8
7. Stargard Szczeciński
200
87
10.0 / 10.0
711 948 / 81.3
90 / 90
8. Uniejów
120
68
5.6 / 3.2
360 977 / 41.2
14.2 / 8.5
Razem
155.21 / 48.46
655 / 429.8
Grupa II - Instalacje geotermalne w zakładach balneologicznych
1. Ciechocinek
479
27 - 32
8.2 / 8.2
107 770 / 12.3
5.8 / 5.8
2. Cieplice
56,54
22 – 60
1.38 / 1.38
54 167 / 6.2
2.9 / 2.9
3. Duszniki
107,48
16 - 21
0.99 / 0.99
321 805 / 36.7
11.6 / 11.6
4. Grudziądz-Marusza
20
20
0.23 / 0.23
5 827 / 0.7
0.2 / 0.2
5. Lądek
59,85
20 - 44
1.03 / 1.03
324 631 / 37.1
17.5 / 17.5
6. Lubatówka
11.7
24
0.13 / 0.13
6 685 / 0.8
0.2 / 0.2
7. Rabka Zdrój
6.44
28
0.11 / 0.11
6 521 / 0.7
0.2 / 0.2
8. Ustroń
2,2
28
0.06 / 0.06
5 269 / 0.6
0.1 / 0.1
Razem
12.13 / 12.13
38.5 / 38.5
Grupa III – Instalacje pomp ciepła wykorzystujące ciepło wód gruntowych i gruntu (o temp. <25 oC)
Pompy ciepła (ok. 10 000)
7 - 25
>100 / >68
>625 / > 450
Razem
>100 / >68
>625 / > 450
SUMA WSZYSTKICH INSTALACJI
>267.34 / >128.59
>1 318.5 / > 918.3
Światowe doświadczenia dotyczące wykorzystania siłowni binarnych są już dość duże. W
publikacji (Kaczmarczyk 2009) dokonano przeglądu wybranych instalacji siłowni binarnych
wykorzystujących jako źródło energii wody geotermalne o temperaturze poniżej 150°C. Z
publikacji wynika, że instalacją produkującą energię elektryczną z wód o najniższej
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 20123 49
Rys. 2. Schemat elektrociepłowni binarnej współpracującej ze źródłem energii w postaci kotła
(Baradziej i Pająk 2004a)
temperaturze jest instalacja zlokalizowana w Chena Hot Springs na Alasce. Produkuje ona
energię elektryczną z wód o temperaturze 74°C, przy wydajności 32 m3/h. Osiąga ona moc
elektryczną brutto 400 kW.
Literatura (Erkan 2008) wspomina o możliwości produkcji energii elektrycznej przy
wykorzystaniu siłowni binarnej z płynów geotermalnych o temperaturze 57°C, informacja ta
nie dotyczy jednak instalacji działającej lecz inwestycji znajdującej się w sferze rozważań
projektowych. Tabela 2 zestawia najbardziej istotne parametry eksploatacyjne siłowni
binarnych. Z danych zestawionych w tabeli 2 wynika, że jeżeli chodzi o geotermalne
elektrownie binarne to w rozwiązaniach praktycznych, stosowane są dwie technologie: ORC
(ang. Organic Rankine Cycle) i Kalina. Technologia ORC jest zdecydowanie bardziej
rozpowszechniona. Z dostępnych materiałów literaturowych wynika, że obecnie na Świecie
działają tylko dwie słownie geotermalne wykorzystujące system Kalina (Sirko Ogriseck
2009) - reszta to siłownie ORC. Ogólna liczba działających siłowni wykorzystujących system
Kalina szacowana jest na 5 sztuk (Ogriseck 2009).
Wymagany poziom nakładów inwestycyjnych dla instalacji o mocy elektrycznej poniżej
500 kW szacowany jest na ok. 2 do 3 tys Euro/kWel (Ogriseck 2009) (wskaźnik dotyczy tylko
instalacji
50
powierzchniowej
z
wyłączeniem
części
geotermalnej).
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012
Według
danych
4
literaturowych
(Ogriseck
2009)
nakłady inwestycyjne na realizację
siłowni binarnej pracującej w obiegu
Kalina mniej więcej zrównują się z
nakładami ponoszonymi na siłownię
konwencjonalną
elektryczna
jeżeli
instalacji
moc
przekracza
6 MW.
Pierwszą siłownię binarną (rys. 3)
uruchomili Rosjanie na Kamczatce w
Rys. 3. Zdjęcie archiwalne pierwszej binarnej 1967 roku (Lund 2004), miała ona
siłowni geotermalnej uruchomionej w miejscowości
moc
elektryczną
680 kW
i
Paratunka na Kamczatce w 1967 roku (Lund 2004)
produkowała energię z wód o
temperaturze 81°C. Pracowała ona w oparciu o technologię ORC (Orgranic Rankine Cycle)
wykorzystując czynnik roboczy R-12 (freon o nazwie dichlorodifluorometan).
Tabela 2. Zestawienie parametrów wybranych geotermalnych instalacji binarnych
działających na Świecie (na podstawie Kaczmarczyk 2009)
Parametr
Temperatura wody
geotermalnej
Strumień wody
geotermalnej
Moc elektryczna
Moc cieplna
Stosowana
technologia
Jednostka
miary
°C
Altheim
BadBlumau
Hussavik
NeustadGlewe
Unterhaching
Chena
Hot
Springs,
Alaska
106
110
121
98
115
74
m3/h
85-100
80
90
110
150
32
MW
MW
0,5
9
0,18
5,1
1,6
44
0,21
6
3,36
31
0,4
-
ORC
Rodzaj
niskotemperaturoweg
o źródła energii
Temperatura
niskotemperaturoweg
o źródła energii
Lokalizacja elektrowni
°C
woda z
górskieg
o
potoku
10
(podgrzew
do 18°C)
ORC
Kalina
ORC
Kalina
ORC
Chłodnie
wentylato
rowe
woda z
górskiego
potoku
Chłodnie
wentylatoro
we
Chłodnie
wentylato
rowe
Woda z
rzeki
~10
5
~10
~10
4
Podstawowa praktyczna różnica pomiędzy technologiami polega na sposobie realizacji
procesów generujących siłę napędową dla wytwarzania energii elektrycznej - czyli
wytworzenia różnicy ciśnień, która powoduje przepływ czynnika roboczego napędzającego
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 20125 51
turbinę. W przypadku technologii ORC parowanie i skraplanie czynnika roboczego przebiega
izotermicznie i izobarycznie. Cykl Kalina wykorzystuje mieszaninę dwóch substancji: wody i
amoniaku. Dzięki własnościom tego roztworu możliwe jest nieizotermiczne parowanie i
skraplanie, a co dla siłowni geotermalnej ważniejsze możliwe jest znaczne obniżenie
temperatury parowania czynnika roboczego i zbliżenie jej do temperatury czynnika
napędowego na wyjściu z parowacza..
Siłownie binarne mogą być uzupełnieniem konwencjonalnych siłowni parowych, rozwiązanie
takie
stosowane
jest
już
dzisiaj
w
siłowniach
geotermalnych
pracujących
na
wysokotemperaturowych złożach geotermalnych. Pozwala to podnieść sprawność siłowni
parowych o rząd kilku procent. Przykładem takiego rozwiązania jest siłownia Svartsengi na
Islandii - schemat jej działania przedstawia rys. 4.
Rys 4. Schemat działania siłowni geotermalnej Svartsengi na Islandii (Thorolfsson 2005)
Powszechniej w Polce znane jest wykorzystanie energii geotermalnej w ciepłownictwie, z
tabeli 1 wynika, że w 2009 roku działało 5 instalacji wykorzystujących właśnie w ten sposób
zasoby energii geotermalnej: Zakopane, Pyrzyce, Stargard Szczeciński, Mszczonów i
Uniejów.
Z punktu widzenia możliwości współpracy ciepłowni geotermalnej z istniejącą siecią i
podłączonymi do niej odbiorcami niekorzystne jest łączenie jej z siecią dystrybucyjną
zaprojektowaną dla wysokich parametrów. Znacząco redukuje to możliwość pracy
geotermalnego źródła energii, któro ma ściśle określoną maksymalną temperaturę roboczą
52
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012
6
(wynikającą z parametrów złożowych). Wpływ temperatur projektowych na możliwość
współpracy źródła z siecią i instalacjami odbiorcy zaprezentowano na rys. 5
Rys. 5. Wydzielenie możliwych trybów pracy źródła energii współpracującego z odbiorcą
(lub systemem dystrybucji energii) charakteryzującym się wymaganą temperaturą zasilania i
osiąganą temperaturę powrotu
Wymagana temperatura zasilania i osiągana temperatura powrotu systemu dystrybucji energii
powinna być możliwie niska jeżeli chcemy wykorzystać geotermalne źródło energii
efektywnie. Oczywiście kluczem do odpowiedniego jej określenia winny być pełne obliczenia
ekonomiczne uwzględniające: poziom nakładów inwestycyjnych, redukcję opłat za
gospodarcze korzystanie ze środowiska, redukcję kosztów zakupu nośników energii i
ewentualne przychody z tytułu sprzedaży energii objętej certyfikacją (na dzień dzisiejszy
dotyczy to raczej energii elektrycznej).
Podsumowanie
Zaprezentowane doświadczenia oraz przegląd instalacji i technologii stosowanych w
geotermii pozwala zauważyć, że geotermia zaadaptowała dla praktycznego wykorzystania
dostępne technologie z dziedziny elektroenergetyki i ciepłownictwa charakterystyczne dla
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 20127 53
niskich temperatur roboczych. Wykorzystanie tych technologii zazwyczaj wiąże się z niższą
sprawnością energetyczną i podwyższonymi nakładami inwestycyjnymi ale bazuje na źródle
energii nie wymagającym konsumpcji nośników energii, albo konsumpcję znacząco redukuje.
Niektóre z omawianych technologii rozwinęły się intensywniej osiągając wysoki poziom
zawansowania i obniżyły wymagany poziom nakładów inwestycyjnych właśnie dzięki
geotermii - przykładem są chociażby omówione siłownie binarne. Geotermia ma swój wkład
w rozwój technologii pomp ciepła.
Adaptacja urządzeń i technologii stosowanych w geotermii jest możliwa również w
energetyce zawodowej. Wymaga to jednak pewnych technicznych zabiegów adaptacyjnych.
W przypadku ciepłownictwa zabiegi te winny zmierzać głównie do obniżenia wymaganej
temperatury zasilania. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej wymagana jest
rozbudowa istniejących układów, dzięki temu można liczyć na wzrost sprawności konwersji
energii chemicznej paliwa w finalną energię elektryczną rzędu kilku procent. Opłacalność
adaptacji konkretnych rozwiązań wymaga, zarówno w ciepłownictwie jaki i wytwarzaniu
energii elektrycznej, rzetelnych analiz obejmujących wszystkie aspekty techniczne i
ekonomiczne w długoterminowym przedziale czasu (uwzględniając stały wzrost cen
konwencjonalnych nośników energii).
Literatura:
1. Baradziej T., Pająk L., 2004a. Nowe technologie do skojarzonego wytwarzania energii
cieplnej i elektrycznej z wykorzystaniem biomasy dla potrzeb energetyki
rozproszonej. Technika Poszukiwań Geologicznych Geosynoptyka i Geotermia nr 12/2004. strony: 31-36
2. Baradziej T., Pająk L., 2004b. Wstępna analiza ekonomiczna opłacalności
wykorzystania instalacji do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z
wykorzystaniem biomasy. Technika Poszukiwań Geologicznych Geosynoptyka i
Geotermia nr 4/2004. strony: 75-79
3. Bujakowski W., 2010. Wykorzystanie wód termalnych w Polsce (stan na rok 2009).
Przegląd geologiczny tom 58, nr 7 (lipiec)/2010, strony 580-588
4. Cleveland C.J., Morris Ch., 2006. Dictionary of Energy. Elsevier
5. Erkan K., Holdmann G., Benoit W., Blackwell D. Understanding the Chena Hot
Springs, Alaska, geothermal system using temperature and pressure data from
exploration boreholes. Geothermics 37 (2008). Strony 565-585
54
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 2012
8
6. Kaczmarczyk M. Przegląd instalacji binarnych na świecie wykorzystujących wody
geotermalne o temperaturze poniżej 150°C. Technika Poszukiwań Geologicznych
Geotermia, Zrównoważony Rozwój nr 2/2009. Strona 49
7. Lund J., 2004. 100 years of geothermal power production. Geo-Heat Center Biulletin
september 2004. http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull25-3/art2.pdf, dostęp 2010.12.09.
Stron 9
8. Obrenberger I. i inni: Description and evaluation of the new 1000 kWel Organic
Ranikne Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria,
Euroheat & Power, volume 10/2002
9. Obrenberger I. i inni: State-of-the-art and future developments regarding small-scale
CHP with a special focus on ORC and Stirling engine technologies, International
Nordic Bioenergy 2003 conference
10. Ogriseck S., 2009. Integration of Kalina cyclce in a combined heat and power plant, a
case study. Applied Thermal Engineering 29/2009. strony 2843-2848
11. Thorolfsson G., 2005. Sudurnes Regional Heating Corporation, Svartsengi Iceland.
http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull26-2/art4.pdf dostęp 2012.09.04
III Konferencja Wytwórców Energii Elektrycznej i Cieplnej Skawina 20129 55