Elektrownie geotermalne na świecie i w Polsce · 2018-04-11 · Fig. 2. Scheme of a dry-steam...

80

© ELEKTROWNIE GEOTERMALNE NA ŚWIECIE I W POLSCE - Aleksander A. STACHEL, Gabriela SOŁTYSIK

WWW.EPISMO-AEZ.PL

ENERGIA ODNAWIALNA (Renewable Energy) AUTOMATYKA – ELEKTRYKA – ZAKŁÓCENIA vol. 8, nr 4 (30) 2017, grudzień, ISSN 2082-4149

1. WPROWADZENIE

Początki generacji energii elektrycznej z wykorzystaniem energii geotermalnej sięgają pierwszych lat ubiegłego wieku. W 1904 roku w Larderello, miejscowości położonej w południowej Toskanii we Włoszech, uruchomiono pierwszą eksperymentalną instalację wytwarzającą prąd elektryczny i wykorzystującą energię (ciepło) zawartą w parze wodnej pozyskanej bezpośrednio z wnętrza Ziemi.

Rys. 1. Moc zainstalowana i ilość wytwarzanej energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych w latach 1950–2015 [3]

Fig. 1. Installed power and the amount of electricity produced in geothermal power plants over the years 1950–2015 [3]

Geothermal Power Plants in Poland and Worldwide Abstract: The important and expected way of using geothermal energy stored both in vapor and in hot underground water is using it to generate electricity. This is due to the convenient way of distribution and conversion of electrical current into other useful forms of energy. Currently, geothermal power plants are operating in 24 countries, based on different technical solution. These solutions are based on parameters of the obtained geothermal heat carrier. The state of geothermal electro energetic systems in the world, operational principals and possibilities of building geothermal power plants in Poland are characterized below.

Streszczenie: Ważnym i oczekiwanym sposobem wykorzystania energii geotermalnej zawartej zarówno w parze, jak i w przegrzanej (gorącej) wodzie pozyskiwanej z wnętrza Ziemi, jest jej użycie do wytwarzania energii elektrycznej. Wynika to przede wszystkim z dogodnego sposobu dystrybucji i przemianie prądu elektrycznego na inne użyteczne formy energii. Aktualnie elektrownie geotermalne działają w 24 krajach, pracując w oparciu o różne rozwiązania techniczne, wynikające z parametrów pozyskiwanego geotermalnego nośnika ciepła. Poniżej scharakteryzowano stan elektroenergetyki geotermalnej na świecie oraz omówiono zasady działania elektrowni geotermalnych, a także możliwości budowy tego typu instalacji w Polsce.

Keywords: geothermal powerplants Słowa kluczowe: elektrownie geotermalne, geotermia .

Elektrownie geotermalne na świecie i w Polsce

prof. dr hab. inż. Aleksander A. STACHEL, e-mail: [email protected]

mgr inż. Gabriela SOŁTYSIK, e-mail: [email protected] Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

s. 80–91

This is the translation from the original text published on pp. 68-79

http://www.epismo-aez.pl

http://epismo-aez.pl/dr-hab-inz-aleksander-stachel-prof-zut.php

http://epismo-aez.pl/mgr-inz-gabriela-soltysik.php

http://epismo-aez.pl/dr-hab-inz-aleksander-stachel-prof-zut.php

http://epismo-aez.pl/mgr-inz-gabriela-soltysik.php

81


WWW.EPISMO-AEZ.PL

(Renewable Energy) ENERGIA ODNAWIALNA AUTOMATYKA – ELEKTRYKA – ZAKŁÓCENIA vol. 8, nr 4 (30) 2017, grudzień, ISSN 2082-4149

W 1914 roku rozpoczęła tam pracę komercyjna elektrownia z turbogeneratorem o mocy 250 kWe zasilanym parą nasyconą suchą [9]. Blisko 100 lat później, w 2010 roku, w 24 krajach świata pracowało 525 instalacji generujących prąd elektryczny z energii geotermalnej, o mocy łącznej 10715 MWe. W 2015 roku elektrownie geotermalne dysponowały mocą 12640 MWe. Wynika stąd, że w ciągu 5 lat, w odniesieniu do roku 2010, nastąpił 16% przyrost mocy zainstalowanej (około 1,7 GWe). Prognozy rozwoju geoelektroenergetyki zakładają, że w 2020 roku moc elektrowni osiągnie wartość 21400 MWe [2, 3].

Największą moc zainstalowaną i największą ilość wytwarzanej energii wykazują kraje charakteryzujące się wyjątkowo korzystnymi warunkami geotermalnymi (tab. 1). Większość tych instalacji jest zlokalizowana na terenach o znacznej aktywności wulkanicznej. Również największy przyrost mocy elektrycznej w stosunku do 2010 roku odnotowano w krajach o dobrych warunkach geotermalnych, to jest w Kenii (392 MWe), Stanach Zjednoczonych (352 MWe), Turcji (306 MWe), Nowej Zelandii (243 MWe) i Indonezji (143 MWe) [3].

Tab. 1. Najwięksi światowi producenci energii elektrycznej otrzymanej z energii geotermalnej [2,3]Table 1. The largest global producers of electricity from geothermal energy [2,3]

KrajMoc zainstalowana [MWe] w roku Wytworzona energia [GWh] w roku

2005 2010 2015 2005 2010 2015

Stany Zjednoczone 2 564 3 098 3 450 16 840 16 603 16 600

Filipiny 1 930 1 904 1 870 9 253 10 311 9 646

Indonezja 797 1 197 1 340 6 085 9 600 9 600

Meksyk 953 958 1 017 6 282 7 047 6 071

Nowa Zelandia 435 762 1 005 2 774 4 055 7 000

Włochy 791 843 916 5 340 5 520 5 660

Ze względu na zasadę działania i parametry pracy elektrownie geotermalne są klasyfikowane w trzech grupach, obejmujących: elektrownie na parę suchą, elektrownie na parę mokrą (z rozprężaniem płynu geotermalnego) oraz elektrownie z czynnikiem pośredniczącym (tzw. binarne). Rodzaj elektrowni (systemu przemiany energii) wynika przede wszystkim z parametrów pozyskiwanego geopłynu, a zwłaszcza jego temperatury i stanu termodynamicznego (tab. 2), przy czym podane wartości nie są uważane za krytyczne.

Tab. 2. Zależność typu elektrowni geotermalnej od temperatury płynu geotermalnego [8, 9]Table 2. Reliance of the geothermal power plant type on the geothermal fluid temperature [8,9]

Temperatura geopłynu [°C] Typ elektrowni

180–300 ↑ system bezpośredni (para sucha)

200–320 system z rozprężaniem wody (para mokra)

125–165 system z czynnikiem pośrednim (binarny)

Z przeprowadzonej oceny ilościowej i jakościowej istniejących elektrowni geotermalnych wynika (tab. 3), że w 2015 roku największy udział pod względem wielkości mocy, a także produkcji energii elektrycznej, miały w kolejności: siłownie parowe z tzw. jednostopniowym rozprężaniem (odpowiednio 40,2% i 41%), instalacje na parę nasyconą suchą (22,7% i 22%) oraz siłownie na parę mokrą z rozprężaniem dwustopniowym (20,1% i 21%). Elektrownie binarne stanowiące 46,7% wszystkich instalacji mają zaledwie 14,2% mocy i dostarczają tylko 12% energii elektrycznej wytwarzanej we wszystkich elektrowniach geotermalnych.

Tab. 3. Elektrownie geotermalne zestawione według rodzaju i mocy zainstalowanej [2, 3]Table 3. Geothermal power plants compiled according to the type and power installed [2,3]

RokElektrownie

z turbinąprzeciwprężną

Elektrownie binarne

Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: Elektrownie na parę suchą

Razem1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe

MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba

2010 145 25 1178 236 4421 141 2092 61 – – 2878 62 10715 525

2015 181 26 1790 286 5079 167 2544 68 182 2 2863 63 12640 612


82


WWW.EPISMO-AEZ.PL


Tab. 4. Średnia moc zainstalowana oraz średnia produkcja energii el. pojedynczej jednostki wytwórczej w 2015 r. [2,3]Table 4. The average power installed and the average production of a single electricity generation unit in 2015 [2,3]

WielkościElektrownie

z turbinąprzeciwprężną

Elektrownie binarne

Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie:Elektrownie

na parę suchą1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe

MWe/inst. 7,0 6,3 30,4 37,4 90,8 45,4

GWh/inst 76 31 179 231 500 253

Wynika stąd, że ze względu na ilość wytwarzanej energii elektrycznej oraz średnią produkcję przypadającą na jedną jednostkę wytwórczą najbardziej efektywne są elektrownie pracujące z bezpośrednim wykorzystaniem pary geotermalnej, niezależnie od sposobu jej pozyskiwania (tab. 4). Udział elektrowni binarnych, jest mały, pomimo znaczącej ich liczby.

Tab. 5. Struktura elektrowni na różnych kontynentach i moc zainstalowana w 2015 roku [MWe] [3]Table 5. Power plant structure on different continents and installed capacity in 2015 [MWe] [3]

KontynentZ turbiną

przeciwprężnąElektrownie

binarne

Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: Elektrownie

na parę suchąElektrownie hybrydowe Razem

1-stop-niowe

2-stop-niowe

3-stop-niowe

Afryka 48 11 543 – – – – 602

Azja – 236 2514 525 – 484 – 3758

Europa – 268 796 273 – 795 – 2133

Ameryka Środkowa

90 135 908 510 – – – 1642

Ameryka Północna

– 873 60 881 50 1584 2 3450

Australia/Oceania

44 266 259 356 132 – – 1056

2. SYSTEMY BEZPOŚREDNIEGO WYKORZYSTANIA POZYSKIWANEGO GEOPŁYNU DO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wytwarzanie energii elektrycznej z bezpośrednim wykorzystaniem ciepła pozyskiwanego płynu geotermalnego opiera się na dwóch różniących się układach elektrowni. W układzie pierwszym elektrownie wykorzystują naturalną parę wodną pozyskiwaną ze złoża doprowadzaną bezpośrednio do turbiny. W układzie drugim ze złoża geotermalnego jest pozyskiwana woda, woda wrząca lub mieszanina wody i pary o odpowiednio wysokiej temperaturze i ciśnieniu, która kierowana jest do instalacji rozprężającej, gdzie w procesie dławienia izentalpowego uzyskuje się mieszaninę pary suchej i cieczy. Para po odseparowaniu od fazy ciekłej jest kierowana do turbiny.

2.1. Elektrownie geotermalne na parę nasyconą suchą

Szacuje się, że złoża pary suchej charakteryzujące się temperaturą wyższą od 200 °C stanowią co najwyżej 5% całkowitych zasobów geotermalnych na świecie, przy czym znaczenie eksploatacyjne mają przede wszystkim pola: Larderello we Włoszech i The Geysers w północnej Kalifornii [2, 9].

Elektrownie na parę nasyconą suchą należą do najprostszych i najmniej skomplikowanych technicznie (rys. 2), a jednocześnie do najbardziej efektywnych energetycznie, co wynika z wysokich parametrów zasilania geotermalnym nośnikiem ciepła. Pozyskana ze złoża para sucha, czasami lekko przegrzana, kierowana jest przez separatory zanieczyszczeń i wilgoci do turbiny parowej, gdzie ekspandując, wytwarza pracę, a następnie jest kondensowana w skraplaczu. Skropliny mogą być wykorzystane do celów grzewczych, przy czym ze względu na odtwarzalność zasobów wskazane jest ich zatłaczanie do złoża geotermalnego.


83


WWW.EPISMO-AEZ.PL


Rys. 2. Schemat elektrowni geotermalnej na parę nasyconą suchą [9]; SZ – separator zanieczyszczeń, SW – separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skraplacz, CHW – chłodnia wentylatorowa, OW/ OZ – otwory: produkcyjny i zatłaczający, PS / PW – pompy, ES – eżektor/kondensator

Fig. 2. Scheme of a dry-steam geothermal power plant [9]: SZ – dirt separator, SW v moisture remover, TG – turbogenerator, SK – condenser, CHW – fan cooling tower, OW / OZ – production and injection wells, PS / PW v pumps, ES v ejector / condenser

W 2015 roku na świecie pracowały 63 jednostki wytwórcze o mocy sumarycznej 2863 MWe, wykorzystujące zasoby pary suchej, co stanowi 10,3% wszystkich elektrowni geotermalnych. Przykładem instalacji tego typu może być zespół elektrowni geotermalnych Larderello o łącznej mocy ponad 800 MWe, na który składają się jednostki o zróżnicowanej mocy (10, 20, 30, 60 MWe), zasilane parą suchą o temperaturze 150÷270 °C i ciśnieniu 2÷18 bar, pozyskiwaną z pola geotermalnego o powierzchni około 250 km2 za pomocą ponad 200 otworów produkcyjnych. Elektrownie Larderallo wytwarzają 2% całkowitej produkcji prądu elektrycznego we Włoszech i około 10% produkcji elektryczności, przy wykorzystaniu energii geotermalnej, na świecie [6, 9].

Rys. 3. Elektrownia geotermalna Larderello [15]

Fig. 3. Larderello geothermal power plant [15]


84


WWW.EPISMO-AEZ.PL


2.2. Elektrownie geotermalne z rozprężaniem płynu geotermalnego

W przypadku pól geotermalnych dostarczających gorącą wodę (mieszaninę wody i pary) o wysokim ciśnieniu i temperaturze rozprężenie pozyskanego płynu geotermalnego do odpowiednio niższego ciśnienia prowadzi do wytworzenia dwufazowej mieszaniny ciecz–para, z której można wydzielić parę suchą kierowaną następnie do turbiny. W zależności od parametrów geopłynu rozróżnia się instalacje z rozprężaniem jedno-, dwu- lub trzystopniowym [8,9].

2.2.1. Elektrownie z rozprężaniem jednostopniowym

Elektrownie z rozprężaniem jednostopniowym (rys. 4) stanowią zasadniczy rodzaj elektrowni geotermalnych, pod względem zarówno mocy, jak i wytwarzanej energii elektrycznej. Gorąca woda lub mieszanina wody i pary jest doprowadzana ze złoża (OW) do elementu dławiącego (ZR), gdzie w wyniku obniżenia ciśnienia znacznie poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadającego temperaturze pozyskiwanej wody geotermalnej następuje rozprężenie cieczy i wytworzenie mieszaniny ciecz–para. Wydzielenie z mieszaniny dwufazowej pary suchej zachodzi w tzw. separatorze (S), skąd para jest kierowana do turbiny (TG) poprzez separator wilgoci (SW). Rozprężony w turbinie (kondensacyjnej) czynnik przepływa do skraplacza (SK) pracującego przy podciśnieniu, co pozwala uzyskać większą moc i sprawność siłowni.

Rys. 4. Elektrownia geotermalna z rozprężaniem jednostopniowym i turbiną kondensacyjną [9]; S – rozprężacz-separator, SW – separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skraplacz, CHW – chłodnia wentylatorowa, OW/ OZ – otwory: produkcyjny i zatłaczający, PS /PW – pompy, ES – eżektor/kondensator, ZR – zawór dławiący

Fig. 4. Scheme of a single-flash steam power plant (single-stage expansion) with condensing turbine [9]:

S – expander-separator, SW – moisture remover, TG – turbogenerator, SK – condenser, CHW – fan cooling tower, OW / OZ – production and injection wells, PS / PW – pumps, ES – ejector / condenser, ZR – throttle valve

Cykl przemian termodynamicznych zachodzących w elektrowni geotermalnej z turbiną kondensacyjną i jednostopniowym rozprężaniem płynu geotermalnego jest pokazany na rysunku 5.

Sekwencja kolejnych przemian zaczyna się w punkcie (1) obrazującym stan termodynamiczny cieczy doprowadzanej z ujęcia geotermalnego (ciecz wrząca). Obniżenie ciśnienia w zaworze dławiącym poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadającego temperaturze pozyskiwanej wody geotermalnej powoduje rozprężenie cieczy i wytworzenie dwufazowej mieszaniny woda – para wodna (p. 2). Po odseparowaniu w separatorze od fazy ciekłej (3), para (4) jest kierowana do turbiny, gdzie ulega rozprężeniu, czego obrazem jest teoretyczna krzywa ekspansji izentropowej 4÷5 s oraz przyporządkowana jej przemiana rzeczywista 4÷5. Ciśnienie końcowe ekspansji wynika ze sposobu kondensacji pary w skraplaczu i związanych z tym parametrów pracy (przemiana 5÷6).

Zakładając adiabatyczno-izentropowy przebieg procesu ekspansji i pomijając zmiany energii pary na dopływie i odpływie, teoretyczną jednostkową pracę turbiny można wyliczyć z zależności:


85


WWW.EPISMO-AEZ.PL


,a moc turbiny ze wzoru:

,

gdzie: – strumień doprowadzanej pary,

h4, h5, h5s – entalpia pary przed i za turbiną (rzeczywista, izentropowa),

– sprawność wewnętrzna turbiny określona zależnością:

.

Moc elektryczna (brutto) jest równa iloczynowi mocy turbiny i sprawności generatora : .

Moc użyteczna elektrowni (netto) jest równa mocy elektrycznej pomniejszonej o zużycie energii wynikające z potrzeb własnych: praca pomp, układ chłodzenia, instalacja usuwająca gazy niekondensujące, oświetlenie i inne.

Rys. 5. Cykl przemian termodynamicznych elektrowni geotermalnej z turbiną kondensacyjną i jednostopniowym rozprężaniem geopłynu [14]

Fig. 5. Temperature-entropy state diagram for single-flash geothermal plant with a condensed turbine (one-stage expansion of the geo-fluid) [14]

W 2015 roku na świecie pracowało łącznie 167 jednostek z jednostopniowym rozprężaniem geopłynu, stanowiących 27,3% wszystkich elektrowni geotermalnych i dysponujących ok. 40,2% całkowitej mocy zainstalowanej. Przykładem instalacji tego typu jest elektrownia Hellisheidi na Islandii (rys. 6) wykorzystująca złoża gorącej wody o temperaturze 170 °C pobieranej z głębokości 1000÷2000 m za pomocą 50 otworów produkcyjnych. Elektrownia składa się z sześciu jednostek wytwórczych o mocy 45 MWe każda oraz jednej jednostki 33 MWe, i poza produkcją energii elektrycznej na potrzeby lokalnych hut aluminium dostarcza gorącą wodę do celów grzewczych dla odległego o 27 km Reykjaviku (400 MWt) [14, 16].

Rys. 6. Elektrownia Hellisheidi: turbina parowa [18]

Fig. 6. Hellisheidi power plant: steam turbine [18]


86


WWW.EPISMO-AEZ.PL


Niektóre elektrownie z rozprężaniem jednostopniowym wyposażone są w turbiny przeciwprężne. Turbiny te są stosowane wówczas, gdy para geotermalna zawiera znaczne ilości gazów niekondensujących. W takim przypadku para po ekspansji w turbinie jest kierowana do atmosfery (ewentualnie wykorzystywana do celów grzejnych). Instalacje te charakteryzują się stosunkowo niską sprawnością, a ponadto nie są akceptowane ze względów środowiskowych.

W 2015 roku na świecie pracowało 26 jednostek wyposażonych w turbinę przeciwprężną, o mocy łącznej 181 MW, co stanowiło 4,2% wszystkich instalacji. Przykładem instalacji tego typu może być elektrownia Bjarnarflag na Islandii o mocy 3,5 MWe, zasilana parą wodną o ciśnieniu około 0,95 MPa, przy przeciwciśnieniu na wylocie z turbiny 0,12 MPa [14, 16].

2.2.2. Elektrownie z rozprężaniem dwustopniowym

W przypadku, gdy wydzielony w separatorze rozprężacza płyn (woda) charakteryzuje się odpowiednio wysokim ciśnieniem i temperaturą, możliwe jest jego dalsze wykorzystanie poprzez ponowne rozprężenie, co pozwala uzyskać dodatkowy strumień pary kierowany do niskoprężnego stopnia turbiny, wytwarzający w układzie dodatkową pracę (rys. 7).

Rys. 7. Schemat elektrowni geotermalnej z rozprężaniem dwustopniowym geopłynu [9]; S – rozprężacz wysokociśnieniowy, SN – rozprężacz niskociśnieniowy, SW – separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skraplacz, OW, OZ – otwory produkcyjny i zatłaczający, PK – pompa, ZR – zawór rozprężny, ES – eżektor/kondensator

Fig. 7. Scheme of a double-flash steam geothermal power plant (two-stage expansion of geo-fluid) [9]:

S – high-pressure expander, SN – low-pressure expander, SW – moisture separator, TG – turbogenerator, SK – condenser, OW / OZ – production and injection wells, PK – pump, ZR – expansion valve, ES – ejector / condenser

Elektrownie geotermalne z podwójnym rozprężaniem czynnika wytwarzają, przy tych samych parametrach płynu geotermalnego, 15÷25% energii więcej niż instalacje z rozprężaniem pojedynczym. Jednocześnie są bardziej złożone technicznie i trudniejsze w eksploatacji.

W 2015 roku na świecie pracowało 68 instalacji z rozprężaniem dwustopniowym, o mocy łącznej 2544 MWe, co stanowiło 11,1% wszystkich elektrowni geotermalnych. Przykładem tego typu instalacji może być elektrownia Krafla (Islandia), wyposażona w dwie jednostki o mocy znamionowej 30 MWe każda, zasilane płynem geotermalnym pozyskiwanym 33 otworami produkcyjnymi (rys. 8).


87


WWW.EPISMO-AEZ.PL


Rys. 8. Elektrownia Krafla [16]

Fig. 8. Krafla Power Station [16]

Typowa geotermalna elektrownia kondensacyjna z rozprężaczem-separatorem ma moc od 5÷100 MWe. Zależnie od parametrów płynu geotermalnego, zawartości gazów niekondensujących, a także zastosowanych rozwiązań zużywa 6÷9 t/h pary na jednostkę mocy elektrycznej (MWe). Z kolei elektrownie z turbinami przeciwprężnymi są instalacjami o niskiej efektywności energetycznej, zużywającymi 10÷20 t/h pary na 1 MWe. Elektrownie dużej mocy (5÷90 MWe) zasilane są płynem geotermalnym pozyskiwanym za pomocą kilku, a nawet czasami kilkudziesięciu otworów produkcyjnych usytuowanych na znacznym obszarze pola geotermalnego. Do zasilania małych elektrowni, o mocy poniżej 5 MWe, często wystarcza pojedynczy otwór wydobywczy.

Na świecie spotykane są także inne rozwiązania elektrowni geotermalnych z bezpośrednim wykorzystaniem geopłynu, np. z rozprężaniem trójstopniowym, a także instalacje hybrydowe będące połączeniem wyżej wymienionych typów siłowni z tzw. siłowniami ORC. Ze względu na parametry pozyskiwanych geopłynów instalacje te, podobnie jak omówione powyżej elektrownie na parę suchą i parę mokrą, nie znajdują zastosowania w Polsce. Informacje na temat ich budowy i zasady działania zawarte są między innymi w pracach [9, 14].

2.3. Elektrownie wykorzystujące energię geotermalną w sposób pośredni

Odmiennym technologicznie rodzajem elektrowni geotermalnych są instalacje wykorzystujące ciepło zawarte w płynie geotermalnym w sposób pośredni. Elektrownie te, zwane binarnymi (lub niskotemperaturowymi), pracują według tzw. organicznego obiegu Rankine’a (ORC) lub według obiegu Kaliny.

Elektrownia binarna (rys. 9) składa się z dwóch instalacji sprzężonych cieplnie. Pierwszą jest siłownia ORC, której głównymi elementami są: podgrzewacz i parowacz (czasami przegrzewacz), turbogenerator, skraplacz i pompa obiegowa. Czynnikiem roboczym jest substancja organiczna niskowrząca o odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu parowania. Druga instalacja służy do pozyskania i doprowadzenia płynu geotermalnego do podgrzewacza-parowacza. Zawarte w nim ciepło zostaje przekazane do czynnika roboczego, powodując jego odparowanie. Wytworzona para jest kierowana do turbiny, gdzie ekspandując, wytwarza pracę niezbędną do napędu generatora. Po skropleniu czynnik jest ponownie przetłaczany do zespołu wymienników.

Siłownie ORC mogą być stosowane, gdy parametry termodynamiczne geopłynu są niewystarczające do budowy elektrowni geotermalnej działającej wg zasad podanych powyżej (punkt 2.2) lub gdy pozyskiwany geopłyn ma korzystne parametry termiczne, ale ze względu na właściwości chemiczne wymaga odseparowania od urządzeń siłowni.


88


WWW.EPISMO-AEZ.PL


Rys. 9. Schemat elektrowni geotermalnej z niskowrzącym czynnikiem roboczym [8]; PAR – parowacz, POD – podgrzewacz, TG – turbina, SK – skraplacz, CHW – chłodnia, F – filtry, PS / PW – pompy, OW/ OZ – otwory: produkcyjny i zatłaczający

Fig. 9. Scheme of a binary cycle geothermal power plant (with low-temperature boiling working medium) [8]; PAR – evaporator, POD – heater, TG – turbine, SK – condenser, CHW – cooling tower, F – filters, PS / PW – pumps, OW / OZ – production and injection wells

Czynnikiem roboczym w siłowni ORC może być dowolny płyn o odpowiednich właściwościach. Przy jego wyborze istotne znaczenie mają przede wszystkim cechy cieplno fizyczne związane m.in. z krzywymi nasycenia, przy czym czynniki obiegowe można podzielić na dwie zasadnicze grupy, to jest na tzw. czynniki suche i mokre, co między innymi ma wpływ na rozwiązania konstrukcyjne siłowni. Ważne znaczenie mają też właściwości eksploatacyjne, środowiskowe i fizjologiczne. W istniejących elektrowniach geotermalnych ORC jako czynniki robocze stosowane są substancje, np. R134a (C2H2F4), R245fa (C3H3F5), R600A (izobutan i-C4H10), R601A (izopentan, i-C5H12) i inne [4, 5, 9].

Cechą charakterystyczną elektrowni ORC, zwłaszcza niskotemperaturowych, jest niewielka sprawność termodynamiczna i osiągane stosunkowo nieduże moce. Efektywność pracy elektrowni zależy od szeregu czynników, przy czym najważniejszy jest właściwy dobór substancji roboczej, w danych warunkach gwarantujący maksymalną moc instalacji [13]. Przykład niskotemperaturowych geotermalnych elektrowni ORC oraz podstawowe parametry ich pracy podane są w tabeli 6. Widok elektrowni geotermalnej ORC o mocy elektrycznej 210 kW pokazany jest na rysunku 10a (Neustad Glewe, Niemcy).

Szczególnym przypadkiem są elektrownie geotermalne pracujące wg tzw. obiegu Kaliny. W obiegu tym czynnikiem roboczym jest mieszanina amoniaku i wody o właściwościach zeotropowych. Przykładem praktycznego wykorzystania obiegu Kaliny jest oddana do eksploatacji w 2009 roku elektrownia geotermalna w Unterhaching (Niemcy) o mocy elektrycznej 3,4 MWe i mocy cieplnej 31 MWt (rys. 10b). Elektrownia zasilana jest wodą o mineralizacji 60÷100 g/dm3, pozyskiwaną z głębokości 3350 m otworem wydobywczym z wydajnością 150 m3/h, ze złoża o temperaturze 123 °C [10].

Tab. 6. Parametry pracy wybranych niskotemperaturowych elektrowni geotermalnych ORC

Table 6. Operation parameters of selected low temperature ORC geothermal power plants

Parametry Altheim Bad Blumau Neustad Glewe Chena Hot Springs

Temperatura wody geotermalnej

°C 106 110 98 74

Wydajność ujęcia m3/h 85–100 80 110 32

Czynnik roboczy –dichloro-

fluorometani-pentan n-pentan R134a

Moc elektryczna kWe 500 180 210 400

Moc cieplna MWt 9,0 5,1 6,0 0


89


WWW.EPISMO-AEZ.PL


a) b)

Rys. 10 Elektrownia geotermalna a) Neustadt Glewe – siłownia ORC); b) w Unterhaching (obieg Kalina) [17]

Fig. 10. Geothermal power plant a) Neustadt Glewe – ORC / binary cycle); b) Unterhaching (Kalina cycle) [17]

Na świecie do zasilania elektrowni ORC wykorzystuje się zarówno nisko-, średnio-, jak i wysokotemperaturowe złoża wód i par geotermalnych, a spotykane temperatury geopłynu na dopływie do siłowni wynoszą od 80 do 175 °C. Ponadto spotykane są instalacje z siłowniami ORC zasilanymi gorącą wodą opuszczającą elektrownie geotermalne z tzw. bezpośrednim wykorzystaniem geopłynu, np. wodą wydzieloną w separatorach, lub parą opuszczającą turbiny po ekspansji [9, 14].

3. PERSPEKTYWY BUDOWY ELEKTROWNI GEOTERMALNEJ W POLSCE

Jedne z pierwszych koncepcji wykorzystania w Polsce energii geotermalnej do zasilania elektrowni dotyczyły systemu ciepłowniczego Szczecina, zasilanego z dwóch elektrociepłowni [12]. Rozważano także możliwość budowy elektrowni z bezpośrednim zasilaniem wodą geotermalną pozyskiwaną z dużej głębokości, z zastosowaniem jednostopniowego dławienia izentalpowego i odparowaniem w rozprężaczu-separatorze [7]. Należy jednak mieć na względzie to, że dostępne w Polsce wody geotermalne mają niską temperaturę, tylko w nielicznych i głębokich złożach przekraczającą 100 °C. Sprawia to, że woda jako czynnik obiegowy cechuje się małym zakresem ciśnień roboczych, co skutkuje niewielką efektywnością pracy instalacji.

W Polsce w pracujących ciepłowniach geotermalnych uzyskiwane rzeczywiste temperatury wydobywanej wody nieprzekraczają 86 °C. W związku z tym (po analizie możliwości budowy pilotażowej tego rodzaju) uważa się, że jedynym możliwym rozwiązaniem jest instalacja typu ORC. W analizie wytypowano 11 lokalizacji charakteryzujących się korzystnymi parametrami złóż wody geotermalnej, takimi jak temperatura (86÷118 oC) i wydajność ujęcia (strumień wody geotermalnej 50÷275 m3/h). Przykładowe wyniki obliczeń mocy teoretycznej i sprawności siłowni ORC dla analizowanych lokalizacjach zawarte są w tabeli 7.

Tab. 7. Zależność mocy i sprawności elektrowni geotermalnej w funkcji temperatury doprowadzanej wody geotermalnej (R227ea, strumień Vg = 50 m3/h) [1]

Table 7. Reliance of power and efficiency of a ORC geothermal power plant in function of the geothermal water supply temperature (R227ea, strumień Vg = 50 m3/h) [1]

Lokalizacja Tg1 [°C] NORC [kW] ηORC [%]

Cieplice, Bańska Niżna 86 91 5,3

Stargard, Chociwel 89 103 5,6

Konin, Ślesin, Turek 98 143 6,5

Żnin 99 148 6,5

Łowicz 100 154 6,8

Koło 118 270 8,4


90


WWW.EPISMO-AEZ.PL


Z kolei praktycznym potwierdzeniem możliwości wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem energii (ciepła) średniotemperaturowych wód geotermalnych jest eksperymentalna instalacja ORC zbudowana i uruchomiona w Katedrze Techniki Cieplnej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie (rys. 11). Siłownia o mocy 9 kWe, pracująca z czynnikiem roboczym R227ea, jest zasilana strumieniem gorącej wody o temperaturze do 110 °C [11]. Prowadzone z jej użyciem badania wskazują, że jest możliwe wykorzystanie energii geotermalnej dostępnej na obszarze kraju do wytwarzania energii elektrycznej w układach siłowni niskotemperaturowych ORC, co między innymi pozwoliłoby na pełną eksploatację niektórych istniejących źródeł termalnych także poza sezonem grzewczym. Osobnym zagadnieniem jest strona ekonomiczna tego przedsięwzięcia.

4. PODSUMOWANIE

Ważnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej zawartej w wydobywanych geopłynach jest jej użycie do wytwarzania energii elektrycznej, co wynika przede wszystkim z dogodnego sposobu dystrybucji i przemiany prądu elektrycznego do innych form energii. Podstawowym źródłem ciepła dla większości elektrowni geotermalnych pracujących na świecie są złoża pary oraz gorącej wody o wysokiej temperaturze i ciśnieniu, dostępne na terenach charakteryzujących się korzystnymi warunkami geotermicznymi, to jest wysokim gradientem geotermicznym i strumieniem ciepła geotermicznego, a także odpowiednią ilością pozyskiwanego geopłynu. Wówczas wytwarzanie energii elektrycznej z wysokotemperaturowych źródeł geotermalnych jest możliwe do zrealizowania w klasycznym obiegu siłowni parowej wodnej na parę nasyconą suchą i polega na dwustopniowej przemianie ciepła zawartego w geopłynie – najpierw w energię mechaniczną, a następnie w elektryczną.

W przypadku źródeł geotermalnych średnio i niskotemperaturowych wytwarzanie energii elektrycznej jest możliwe w elektrowniach pracujących wg niskotemperaturowych obiegów: ORC lub Kalina, przy czym instalacje te charakteryzują się stosunkowo niedużą mocą i sprawnością. Elektrownie np. z siłownią ORC mogą zostać zastosowane do zamiany energii geotermalnej na energię elektryczną także na terenie Polski.

Rys. 11. Eksperymentalna prototypowa elektrownia ORC małej mocy

Fig. 11. Experimental prototype ORC power plant


91


WWW.EPISMO-AEZ.PL


BIBLIOGRAFIA [1] „Atlas wykorzystania wód termalnych do skojarzonej produkcji energii elektrycznej i cieplnej przy zastosowaniu układów binarnych

w Polsce.”, (red.) W. Bujakowski, B. Tomaszewska. Kraków 2014.

[2] R. Bertani, “Geothermal power generation in the world 2005–2010.” [in:] Proceedings World Geo-thermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29.04.2010.

[3] R. Bertani, “Geothermal power generation in the world 2005–2014.” [in:] Proceedings World Geo-thermal Congress 2015, Melbourne, Australia, 19–25.04.2015.

[4] A. Borsukiewicz-Gozdur, „Efektywność pracy elektrowni geotermalnej z organicznym czynnikiem roboczym.”, Praca doktorska. Politechnika Szczecińska, 2008.

[5] M.Yu. Boyarski, A.I., Nikolski, M.B. Sapozhnikov, A.A. Shipkov, “Performance of working fluids in low-temperature vapor-turbine cycle.”, [in:] CD Proceedings of International Geothermal Workshop, Sochi, Russia 2003.

[6] G. Cappetti, P. Romagnoli, F. Sabatelli 2010, “Geothermal Power Generation in Italy 2005–2009 Update Report, Proceedings World Geothermal Congress 2010.”, Bali, Indonesia, 25–29 April 2010.

[7] R. Chodkiewicz, P. Hanausek, J. Porochacki, „Pozyskiwanie energii elektrycznej ze źródła geotermalnego.”, Cieplne Maszyny Przepływowe, 2001, nr 120, s. 19–37.

[8] M. Dickson M. Fanelli, “Geothermal energy. Utilization and technology.”, London, Earthscan, 2003.

[9] R. DiPippo, “Geothermal power plants: principles, applications, case studies and environmental impact.”, Amsterdam, Elsevier, 2008.

[10] „Geothermie Unterhaching. Die umweltfreundliche, kommunale Energieversorgung der Zukunft.“, Materiały informacyjne. Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG.

[11] W. Nowak, A. Borsukiewicz-Gozdur, P. Klonowicz, A.A. Stachel i in., „Wstępne wyniki badań prototypowego układu minisiłowni z ORC zasilanej wodą o temperaturze 100°C.”, Przegląd Geologiczny, 2010, vol. 58, nr 7, s. 622–625.

[12] W. Nowak, R. Sobański, M. Kabat, T. Kujawa, „Systemy pozyskiwania i wykorzystania energii geotermicznej.”, Szczecin, Wyd. Politechniki Szczecińskiej, 2002.

[13] W. Nowak, A.A. Stachel, A,A, Borsukiewicz-Gozdur, „Zastosowania odnawialnych źródeł energii.”, Szczecin, Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 2008.

[14] A.A. Stachel, „Wykorzystanie energii wnętrza Ziemi.”, Wydawnictwo Uczelniane ZUT, 2013.

[15] Strona: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Larderello_001.JPG, dostęp: 21.01.2018.

[16] Strona: http://icelandgeothermal.com/tag/top-geothermal-power-stations-in-iceland/, dostęp: 21.01.2018.

[17] Foto: A.Stachel.

[18] Foto: A. Stokłosa

otrzymano / received: 20.11.2017 przyjęto do publikacji / accepted: 10.12.2017


Elektrownie geotermalne na świecie i w Polsce · 2018-04-11 · Fig. 2. Scheme of a dry-steam...

Documents

Transcript of Elektrownie geotermalne na świecie i w Polsce · 2018-04-11 · Fig. 2. Scheme of a dry-steam...