GENERACJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM

PŁYNÓW GEOTERMALNYCH

Autor: Aleksander Andrzej Stachel

(„Rynek Energii” – 6/2019)

Słowa kluczowe: energia geotermalna, elektrownie geotermalne

Streszczenie. Najbardziej oczekiwanym sposobem wykorzystania energii zawartej w gorących płynach geoter-

malnych pozyskiwanych z wnętrza Ziemi, jest jej użycie do generacji energii elektrycznej. Wynika to przede

wszystkim z dogodnego sposobu dystrybucji i konwersji prądu elektrycznego w inne użyteczne formy energii.

Elektrownie geotermalne działają w 24 krajach, pracując w oparciu o różne rozwiązania techniczne i technolo-

giczne, wynikające z parametrów pozyskiwanego geotermalnego nośnika ciepła. W artykule scharakteryzowano

stan elektroenergetyki geotermalnej na świecie, omówiono zasady działania elektrowni geotermalnych, a także

przedstawiono możliwości budowy tego typu instalacji w Polsce.

1. WSTĘP

W 1904 roku, w miejscowości Larderello położonej w południowej Toskanii (Włochy), uru-

chomiono pierwszą eksperymentalną instalację wytwarzającą prąd elektryczny, w której wy-

korzystana została jako źródło ciepła para wodna pozyskana bezpośrednio

z wnętrza Ziemi. Dziesięć lat później, w 1914 roku rozpoczęła na tym terenie pracę komer-

cyjna elektrownia z turbogeneratorem o mocy 250 kW [4]. Wiek później, w 2015 roku, pracu-

jące na świecie elektrownie geotermalne dysponowały mocą elektryczbą 12640 MW. Prognozy

rozwoju tego działu geoenergetyki zakładają, że w 2020 roku moc elektrowni powinna osiągnąć

wartość 21400 MW [2].

10 000

20 000

30 000

40 000

50 000

60 000

70 000

80 000

0

2 500

5 000

7 500

10 000

12 500

15 000

17 500

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Pro

du

kcja

en

ergi

i,G

Wh

Mo

c za

inst

alo

wan

a, M

W

Moc zainstalowana Produkcja energii

Rys. 1. Moc zainstalowana i ilości wytwarzanej energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych

w latach 1950 – 2015 [2]

Największą moc zainstalowaną i największą ilość wytwarzanej energii elektrycznej wykazują

kraje charakteryzujące się wyjątkowo korzystnymi warunkami geotermalnymi (tabela 1). Rów-

nież największy przyrost mocy elektrycznej instalacji wytwórczych, odniesiony do danych z

2010 roku, odnotowano w krajach o dobrych warunkach geotermalnych, to jest w Kenii (392

MW), Stanach Zjednoczonych (352 MW), Turcji (306 MW), Nowej Zelandii (243 MW) i

Indonezji (143 MW) [3].Większość elektrowni geotermalnych jest zlokalizowana na terenach o

znacznej aktywności tektonicznej i wulkanicznej, charakteryzujących się dużymi zasobami

zgromadzonego w skorupie ziemskiej ciepła w postaci pary i gorącej wody.

Tabela 1. Najwięksi światowi producenci energii elektrycznej z energii geotermalnej [2]

Kraj Moc zainstalo-

wana, MW

Wytworzona

energia, GWh

Stany Zjednocz. 3 450 16 600

Filipiny 1 870 9 646

Indonezja 1 340 9 600

Meksyk 1 017 6 071

Nowa Zelandia 1 005 7 000

Wg materiałów European Geothermnal Congress EGC-2019 [9], w 2018 roku istniejące w

dziewięciu krajach Europy elektrownie geotermalne dysponowały mocą 2960 MW. Odnoto-

wany przyrost mocy w stosunku do mocy w roku 2018 wyniósł 29%, zaś do mocy w roku 2015

- 38,8%. Prognozy rozwoju geoenergetyki zakładają, że w 2025 roku moc elektrowni w Europie

osiągnie wartość 3890 MW. Największą mocą zainstalowaną dysponują i jednocześnie są

największymi producentami energii: Turcja (1282,5 MW, 6763,2 GWh), Włochy (915,5 MW,

6064 GWh) oraz Islandia (661 MW, 5003 GWh). Należy podkreślić szczególnie dynamiczny

rozwój elektrowni geotermalnych w Turcji (2015 rok - moc 397 MW, 2018 rok – moc 1282,5

MW).

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) i elektrownie z czynnikiem pośredniczącym (tzw. binar-

ne). Rodzaj elektrowni (systemu konwersji energii) wynika przede wszystkim z parametrów

pozyskiwanego geopłynu, a zwłaszcza jego temperatury i stanu termodynamicznego (tabela

2), przy czym podane wartości nie są uważane za krytyczne.

Tabela 2. Zależność typu elektrowni geotermalnej od temperatury płynu geotermalnego [3,4]

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 elektrowni geotermalnych istniejących na

świecie wynika (tabela 3), że w 2015 roku największy udział pod względem wielkości mocy,

a także produkcji energii elektrycznej, miały w kolejności: siłownie parowe z tzw. Jedno-

stopniowym 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 tzw. Binarne stanowiące 46,7% wszystkich instalacji, dysponują zaledwie 14,2%

mocy i dostarczają tylko 12% energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach geotermal-

nych.

Wynika stąd, że ze względu na ilość wytwarzanej energii elektrycznej oraz średnią produkcję

przypadającą na jednostkę wytwórczą najbardziej efektywne są elektrownie pracujące z bez-

pośrednim wykorzystaniem pary geotermalnej, niezależnie od sposobu jej pozyskiwania (ta-

bela 4). Udział elektrowni binarnych, w mocy zainstalowanej jest mały, pomimo znaczącej

ich liczby. Również w Europie największy udział pod względem wielkości mocy, także pro-

dukcji energii elektrycznej, mają instalacje na parę nasyconą suchą i parę mokrą (tabela 5).

Tabela 3. Elektrownie geotermalne zestawione według rodzaju i mocy zainstalowanej, 2015 r. [2]

El. na parę

suchą

Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: El. Z turbiną

p-prężną

Elektrownie

binarne Razem

1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe

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

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

Tabela 4. Średnia moc zainstalowana oraz średnia produkcja energii elektrycznej

pojedynczej jednostki wytwórczej w roku 2015 [2]

Moc /

produkcja

El. Na parę

suchą

Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: El. Z turbiną

p-prężną

Elektrownie

binarne 1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe

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

GWh/inst 253 179 231 500 76 31

Tabela 5. Struktura mocy elektrowni geotermalnych w Europie wg stanu w 2015 roku [MW] [2]

El. na parę

suchą

Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: El. z turbiną

p-prężną

Elektrownie

binarne Razem

1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe

795 796 273 -- -- 268 2133

2. SYSTEMY BEZPOŚREDNIEGO WYKORZYSTANIA GEOPŁYNU

Generacja energii elektrycznej z bezpośrednim wykorzystaniem ciepła pozyskiwanego płynu

geotermalnego (geopłynu) bazuje na dwóch różniących się układach. W układzie pierwszym

elektrownie wykorzystują naturalną parę wodną pozyskiwaną ze złoża, doprowadzaną bezpo-

średnio do turbiny. W układzie drugim ze złoża geotermalnego jest pozyskiwana gorąca wo-

da, woda wrząca lub mieszanina wody i pary o odpowiednio wysokiej temperaturze i ciśnie-

niu, która kierowana jest do instalacji rozprężającej, gdzie w procesie dławienia izentalpowe-

go uzyskuje się mieszaninę pary suchej i cieczy. Para po odseparowaniu w separatorach od

płynu geotermalnego 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 eks-

ploatacyjne mają przede wszystkim pola: Larderello we Włoszech i The Geysers w północnej

Kalifornii [4]. Ponadto ograniczone zasoby występują także w innych rejonach świata (Japo-

nia, Indonezja, …).

Elektrownie na parę 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, cza-

sami 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 grzejnych, przy czym ze względu na odtwarzal-

ność zasobów wskazane jest ich zatłaczanie do złoża.

Rys. 2. Schemat elektrowni geotermalnej na parę nasyconą suchą [4]: 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

Cykl przemian realizowanych w obiegu elektrowni jest pokazany na rys. 3. Punkt „1”, poło-

żony na linii nasycenia x = 1, jest zdefiniowany przez wartość ciśnienia i temperatury pary

suchej doprowadzanej bezpośrednio do turbiny. W turbinie para ulega rozprężeniu, którego

obrazem jest teoretyczna krzywa ekspansji izentropowej 1–2s i przyporządkowana jej prze-

miana rzeczywista 1–2. Ciśnienie końcowe ekspansji wynika z przyjętego sposobu kondensa-

cji pary w skraplaczu i związanych z tym parametrów pracy. Ciepło odprowadzone do wody

chłodzącej obrazuje przemiana 2–3. W porównaniu z elektrownią konwencjonalną w układzie

elektrowni geotermalnej nie występuje cykl przemian związanych z doprowadzeniem ciepła

do wody w kotle, którego funkcję pełni źródło geotermalne.

Rys. 3. Cykl przemian termodynamicznych w elektrowni geotermalnej na parę nasyconą suchą

W elektrowniach na parę nasyconą suchą ekspansja czynnika roboczego w turbinie odbywa

się w obszarze pary mokrej, co prowadzi do obniżenia sprawności izentropowej i pogorszenia

parametrów pracy instalacji. Przyjmuje się, że wzrost wilgotności ekspandującej pary o 1%

(za turbiną) powoduje obniżenie sprawności, średnio o 1%.

W 2015 roku na świecie pracowały 63 jednostki wytwórcze o mocy sumarycznej 2863 MW,

wykorzystujące zasoby pary suchej, co stanowi 10,3% wszystkich elektrowni geotermalnych.

Przykładem tego typu instalacji może być zespół elektrowni geotermalnych Larderello o łącz-

nej mocy ponad 800 MW, na który składają się jednostki o zróżnicowanej mocy (10 - 60

MW), 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 produk-

cyjnych. Elektrownie Larderallo generują 2% całkowitej produkcji prądu elektrycznego we

Włoszech i około 10% produkcji elektryczności przy wykorzystaniu energii geotermalnej na

świecie [4].

2.2. Elektrownie z rozprężaniem płynu geotermalnego

W przypadku pól geotermalnych dostarczających gorącą wodę (mieszaninę wody i pary) o

wysokim ciśnieniu i temperaturze, rozprężenie do niższego ciśnienia prowadzi do wytworze-

nia dwufazowej mieszaniny ciecz–para, z której można wydzielić parę suchą kierowaną na-

stępnie do turbiny. W zależności od parametrów geopłynu rozróżnia się instalacje

z rozprężaniem jedno- dwu- i trzystopniowym [3].

Elektrownie z rozprężaniem jednostopniowym (rys. 4) stanowią zasadniczy rodzaj elektrowni

geotermalnych, zarówno pod względem 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 odpowiadające-

go 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.

Cykl przemian termodynamicznych jest pokazany na rysunku 5. Sekwencja kolejnych prze-

mian zaczyna się od cieczy, której stan termodynamiczny określa punkt „1” usytuowany na

linii granicznej x = 0 (krzywa cieczy wrzącej). Obniżenie ciśnienia w zaworze dławiącym

poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadającego temperaturze wody geotermalnej powoduje

rozprężenie cieczy i wytworzenie mieszaniny ciecz–para (2). Po odseparowaniu para o para-

metrach punktu „4” kierowana jest do turbiny. Wydzielona ciecz o parametrach punktu „3”

jest zatłaczana do złoża, a przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu, może być skierowana

do ponownego rozprężenia.

Rys. 4. Elektrownia geotermalna z rozprężaniem jednostopniowym i turbiną kondensacyjną [4]: 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

W 2015 roku na świecie pracowało łącznie 167 jednostek z jednostopniowym rozprężaniem

wydobytego płynu geotermalnego, stanowiących 27,3% wszystkich elektrowni geotermal-

nych i dysponujących ~ 40,2% całkowitej mocy zainstalowanej. Przykładem tego typu insta-

lacji 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 produk-

cyjnych. Elektrownia składa się z sześciu jednostek wytwórczych o mocy 45 MW każda i

jednej jednostki 33 MW, i poza generacją energii elektrycznej na potrzeby lokalnych hut alu-

minium dostarcza gorącą wodę do celów grzewczych do odległego o 27 km Reykjaviku (400

MW) [11].

a)

b)

Rys. 5. Cykl przemian termodynamicznych elektrowni geotermalnej na parę mokrą, z rozprężaniem jednostop-

niowym: a) turbina kondensacyjna; b) turbina przeciwprężna [10]

Niektóre elektrownie wyposażone są w turbiny przeciwprężne (rys. 5b), stosowane w przy-

padku, gdy para geotermalna zawiera znaczne ilości gazów niekondensujących. Para po eks-

pansji w turbinie jest kierowana do atmosfery (ewentualnie wykorzystywana do celów grzej-

nych), przy czym instalacje charakteryzują się stosunkowo niską sprawnością i nie są akcep-

towane ze względów środowiskowych.

W 2015 roku na świecie pracowało 26 jednostek generujących z turbiną 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 MW, zasilana parą wodną

o ciśnieniu około 0,95 MPa, przy przeciwciśnieniu na wylocie z turbiny 0,12 MPa [10,11].

Rys. 6. Elektrownia Hellisheidi:

a – zespół separatorów pary, b - turbina parowa [11]

W przypadku, gdy wydzielony w separatorze rozprężacza płyn (woda) charakteryzuje się od-

powiednio wysokimi parametrami (ciśnienie, temperatura), możliwe jest jego dalsze wyko-

rzystanie poprzez ponowne rozprężenie, co pozwala uzyskać dodatkowy strumień pary kie-

rowany do niskoprężnego stopnia turbiny, generujący w układzie dodatkową pracę (rys. 7).

Rys. 7. Schemat elektrowni geotermalnej z rozprężaniem dwustopniowym geopłynu [4]: S – rozprężacz wyso-

kociśnieniowy, SN – rozprężacz niskociśnieniowy, SW – separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skra-

placz, OW, OZ – otwory produkcyjny i zatłaczający, PK – pompa, ZR – zawór rozprężny, ES – eżek-

tor/kondensator

Elektrownie 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.

Rys. 8. Elektrownia Krafla – widok [12]

W 2015 roku na świecie pracowało 68 instalacji z rozprężaniem dwustopniowym, o mocy

łącznej 2544 MW, co stanowiło 11,1% wszystkich elektrowni geotermalnych. Przykładem

tego typu instalacji może być elektrownia Krafla (Islandia), wyposażona

w dwie jednostki o mocy znamionowej 30 MW każda, zasilane płynem geotermalnym pozy-

skiwanym 33 otworami produkcyjnymi (rys. 8).

Typowa geotermalna elektrownia kondensacyjna z rozprężaczem-separatorem ma moc od 5

do 100 MW. Zależnie od parametrów płynu geotermalnego, zawartości gazów niekondensu-

jących, a także zastosowanych rozwiązań zużywa 6−9 t/h pary na jednostkę mocy elektrycz-

nej (MW). Z kolei elektrownie z turbinami przeciwprężnymi są instalacjami o niskiej efek-

tywności energetycznej, zużywającymi 10–20 t/h pary na 1 MW. Elektrownie dużej mocy (5–

90 MW) zasilane są płynem geotermalnym pozyskiwanym za pomocą kilku – kilkunastu, a

czasami kilkudziesięciu otworów produkcyjnych usytuowanych na znacznym obszarze pola

geotermalnego. Do zasilania małych elektrowni, o mocy poniżej 5 MW, 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 ww. 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.

2.3. Elektrownie wykorzystujące energię geotermalną w sposób pośredni

Odmiennym technologicznie rodzajem elektrowni geotermalnych są instalacje wykorzystują-

ce ciepło zawarte w płynie geotermalnym w sposób pośredni. Elektrownie te niezbyt po-

prawnie zwane binarnymi (raczej niskotemperaturowymi) pracują według tzw. organicznego

obiegu Rankine’a (ORC) lub według obiegu Kalina.

Elektrownia geotermalna z siłownią ORC (rys. 9) składa się z dwóch instalacji sprzężonych

cieplnie. Pierwszą jest właściwa siłownia, w której czynnikiem roboczym, zamiast wody, jest

niskowrząca substancja organiczna o odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu wrzenia, co

umożliwia wytworzenie pary do zasilania turbiny przy wykorzystaniu nisko- i średnio-

temperaturowych źródeł ciepła. Druga instalacja służy do pozyskania i doprowadzenia płynu

geotermalnego do podgrzewacza – parowacza, gdzie zawarte w nim ciepło zostaje przekazane

do czynnika roboczego, powodując jego odparowanie. Wytworzona para jest kierowana do

turbiny, gdzie ekspandując wytwarza pracę do napędu generatora. Po skropleniu czynnik jest

ponownie przetłaczany do zespołu wymienników. Siłownie ORC znajdują zastosowania

wówczas, gdy parametry termodynamiczne geopłynu są niewystarczające do budowy elek-

trowni geotermalnej działającej wg zasad podanych powyżej (punkt 2.2), lub gdy pozyskiwa-

ny geopłyn ma korzystne parametry termiczne, ale ze względu na właściwości chemiczne

wymaga odseparowania od urządzeń siłowni.

Czynnikiem roboczym w siłowni ORC może być dowolny płyn o odpowiednich właściwo-

ściach cieplno-fizycznych. Przy jego wyborze istotne znaczenie mają przede wszystkim wła-

ściwości termofizyczne, związane m.in. z krzywymi nasycenia (rys. 10), przy czym czynniki

obiegowe, w zależności od nachylenia krzywej nasycenia pary na wykresie T-s, można po-

dzielić na dwie zasadnicze grupy, to jest na tzw. czynniki suche (dla których dT/ds > 0) i

czynniki mokre (dla których dT/ds < 0), co między innymi ma wpływ na rozwiązania kon-

strukcyjne siłowni. Możliwe jest wyodrębnienie grupy pośredniej czynników, tzw. izentro-

powych, dla których dT/ds → ∞ [4,8].

Ważne znaczenie mają też właściwości eksploatacyjne, środowiskowe i fizjologiczne.

Rys. 9. Schemat elektrowni geotermalnej z niskowrzącym czynnikiem roboczym [4]: PAR – parowacz,

POD – podgrzewacz, TG – turbina, SK – skraplacz,

CHW – chłodnia, F – filtry, PS, PW – pompy, OW,

OZ – otwory: produkcyjny i zatłaczający

a)

b)

Rys. 10. Cykl przemian termodynamicznych w obiegu C–R realizowanym w obszarze pary przegrzanej dla

czynników: a) grupy I (suche), b) grupy II (mokre) [8]

W siłowniach ORC najczęściej stosowane są substancji robocze z grupy czynników suchych

lub izentropowych. W przypadku czynników suchych obieg C-R (rys. 10a) składa się z izoba-

rycznego doprowadzania ciepła obejmującego proces podgrzania (4–5) i odparowania cieczy

(5–1), izentropowej ekspansji pary czynnika w turbinie (1–2s), izobarycznego odprowadzania

ciepła podczas schładzania pary (2s–a) i jej skraplania (a–3) oraz izentropowego sprężania kon-

densatu (3–4s). W przypadku czynników mokrych (rys. 10b) sekwencja realizowanych prze-

mian jest uzupełniona o przemianę przegrzania pary (6–1). W siłowniach ORC najczęściej

stosowane są substancji robocze z grupy czynników suchych lub izentropowych.

Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami moc obiegu Clausiusa-Rankinea najłatwiej jest zdefi-

niować jako różnicę pracy technicznej rozprężania w turbinie Lt

i sprężania w pompie Lsp, co w przypadku przemian izentropowych równe jest odpowiednim

spadkom entalpii:

Sprawność obiegu C-R jest definiowana stosunkiem mocy obiegu do strumienia doprowadzo-

nego ciepła:

Cechą charakterystyczną elektrowni ORC, zwłaszcza niskotemperaturowych, jest niewielka

sprawność termodynamiczna i osiągane stosunkowo nieduże moce (rys. 11). Efektywność ich

pracy zależy od szeregu czynników, przy czym najważniejszy jest właściwy dobór substancji

roboczej, w danych warunkach gwarantujący maksymalną moc instalacji [8].

W istniejących elektrowniach geotermalnych ORC jako czynniki robocze stosowane są sub-

stancje, np. R134a (C2H2F4), R245fa (C3H3F5), R600A (izobutan i-C4H10), R601A (izopentan,

i-C5H12), i inne [4].

Do zasilania elektrowni ORC wykorzystuje się zarówno nisko-, średnio-, jak i wysokotempe-

raturowe złoża wód i par geotermalnych, a spotykane temperatury geopłynu na dopływie do

siłowni wynoszą od 80 do 175°C.

Pierwszą elektrownię ORC o mocy 670 kW, zasilaną wodą termalną o temperaturze poniżej

100°C, w której czynnikiem roboczym był freon R12, uruchomiono w 1967 roku w miejsco-

wości Paratunka na Kamczatce.

Przykład współczesnych niskotemperaturowych geotermalnych elektrowni ORC oraz pod-

stawowe parametry ich pracy podane są w tabeli 6. Z kolei widok elektrowni geotermalnej

ORC o mocy elektrycznej 210 kW pokazany jest na rysunku 12a (Neustad Glewe, Niemcy).

Elektrownia zasilana jest wodą o temperaturze 98oC i zasoleniu 227 g/dm3, wydobywaną

z głębokości 2450 m.

6

8

10

12

14

16

80 90 100 110 120

Sp

raw

no

ść,

%

Temperatura wody geotermalnej, oC

cykloheksan

R236fa

RC318

R227ea

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

80 90 100 110 120

Mo

c N

CR

, kW

Temperatura wody geotermalnej, oC

cykloheksan

R236fa

RC318

R227ea

Rys. 11. Sprawność i moc obiegu C-R w funkcji temperatury wody geotermalnej

dla wybranych czynników roboczych [8]

Tabela 6. Parametry pracy wybranych niskotemperaturowych elektrowni geotermalnych ORC

Parametry Altheim Bad

Blumau

Neustad

Glewe

Chena

Hot

Springs

Temperatura

geopłynu, °C 106 110 98 74

Wydajność

ujęcia, m3/h 85–100 80 110 32

Czynnik ro-

boczy

dichloro-

fluoro-

metan

i-

pentan

n-

pentan R134a

Moc elek-

tryczna, kWe 500 180 210 400

Moc cieplna,

MW 9,0 5,1 6,0 0

Szczególnym przypadkiem są elektrownie geotermalne pracujące wg tzw. obiegu Kalina. W

obiegu tym czynnikiem roboczym jest mieszanina amoniaku i wody o właściwościach zeo-

tropowych. Przykładem praktycznego wykorzystania obiegu Kalina jest oddana do eksploata-

cji w 2009 roku elektrownia w Unterhaching (Niemcy) o mocy elektrycznej 3,4 MW i mocy

cieplnej 31 MW (rys. 12b). 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 temp. 123°C [5].

a)

b)

Rys. 12. Elektrownia geotermalna: a - Neustadt Glewe (siłownia ORC); b - Unterhaching (obieg Kalina) [10]

Siłownie niskotemperaturowe ORC występują też w układach hybrydowych, w połączeniu z

wysokotemperaturowymi elektrowniami geotermalnymi na parę wodną (sucha, mokrą), gdzie

do zasilania wykorzystują ciepło zawarte w wodzie wydzielonej w separatorze lub w rozprę-

żonej parze opuszczającej turbinę po ekspansji (rys. 13) [4, 10].

Rys. 13. Schemat geotermalnej elektrowni z siłownią ORC połączoną za pomocą skraplacza-parowacza z elek-

trownią z rozprężaniem geopłynu [10]

W 2015 r. elektrownie binarne stanowiły 46,7% wszystkich elektrowni geotermalnych na

świecie, dysponując zaledwie 14,2% mocy zainstalowanej i dostarczając ~12% energii elek-

trycznej wytwarzanej w elektrowniach geotermalnych (tabela 4).

Na kontynencie europejskim pracuje 17 niskotemperaturowych elektrowni o mocy zainstalo-

wanej 94,8 MW, z czego trzy, o łącznej mocy 5,91 MW, pracują według cyklu Kaliny. Dzie-

więć z tych instalacji to elektrociepłownie o mocy 12,1 MW, a osiem pozostałych to elek-

trownie o mocy sumarycznej 82,7 MW. Jako czynniki robocze stosowane są: izopentan, pen-

tan, n-pentan, izobutan

3. PERSPEKTYWY BUDOWY W POLSCE ELEKTROWNI GEOTERMALNEJ

Jedne z pierwszych koncepcji wykorzystania w Polsce energii geotermalnej do zasilania elek-

trowni dotyczyły systemu ciepłowniczego Szczecina, zasilanego z dwóch elektrociepłowni

[7]. Rozważano także możliwość budowy elektrowni z bezpośrednim zasilaniem wodą geo-

termalną pozyskiwaną z dużej głębokości, z zastosowaniem jednostopniowego dławienia

izentalpowego i odparowaniem w rozprężaczu-separatorze. Należy jednak mieć na względzie,

że dostępne w Polsce wody geotermalne mają niską temperaturę, tylko w nielicznych i głębo-

kich złożach przekraczającą 100°C. Sprawia to, że woda jako czynnik obiegowy cechuje się

małym zakresem ciśnień roboczych, co skutkuje niewielką efektywnością pracy instalacji.

Biorąc pod uwagę uzyskiwane w Polsce rzeczywiste temperatury geopłynu, w pracujących

ciepłowniach geotermalnych nieprzekraczające 86°C, uważa się, że przy analizie możliwości

budowy pilotażowej elektrowni geotermalnej jedynym możliwym rozwiązaniem jest instala-

cja typu ORC. W związku z tym została przeprowadzona obszerna analiza możliwości budo-

wy tego typu elektrowni [1], która objęła 11 lokalizacji charakteryzujących się korzystnymi

parametrami złóż wody geotermalnej, takimi jak temperatura (86-118oC) 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.

Z kolei praktycznym potwierdzeniem możliwości wytwarzania energii elektrycznej z energii

średniotemperaturowych wód geotermalnych jest eksperymentalna instalacja ORC zbudowa-

na i uruchomiona w Katedrze Techniki Cieplnej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Tech-

nologicznego w Szczecinie.

Tabela 7. Zależność mocy i sprawności elektrowni geotermalnej w funkcji temperatury doprowadzanej wody

geotermalnej (R227ea, strumień 50 m3/h) [1]

Lokalizacja Tg

[oC]

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

Rys. 14. Moc elektrowni geotermalnej dla różnych lokalizacji instalacji (R227ea, strumień 50 m3/h) [1]

Rys. 15. Eksperymentalna prototypowa elektrownia ORC małej mocy

Siłownia o mocy 9 kWe, pracująca z czynnikiem roboczym R227ea, jest zasilana strumieniem

gorącej wody o temperaturze do 110°C [6]. Prowadzone z jej użyciem badania wskazują, że

jest możliwym wykorzystanie energii geotermalnej dostępnej na obszarze kraju do wytwarza-

nia energii elektrycznej w układach siłowni niskotemperaturowych ORC, co między innymi

pozwoliłoby na pełną eksploatację niektórych istniejących źródeł termalnych także poza se-

zonem ogrzewczym. Osobnym zagadnieniem jest strona ekonomiczna tego przedsięwzięcia.

4. PODSUMOWANIE

Ważnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej zawartej w wydobywanych geopły-

nach jest jej użycie do wytwarzania energii elektrycznej, co wynika przede wszystkim z do-

godnego sposobu dystrybucji i konwersji prądu elektrycznego w inne formy energii. Podsta-

wowym źródłem ciepła dla większości elektrowni geotermalnych pracujących na świecie są

złoża pary oraz gorącej wody o wysokiej temperaturze i ciśnieniu, dostępne na terenach cha-

rakteryzujących się korzystnymi warunkami geotermicznymi, to jest wysokim gradientem

geotermicznym i strumieniem ciepła geotermicznego, a także odpowiednią ilością pozyski-

wanego 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 konwersji 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 te (np. z siłownią ORC) mogą znaleźć zastosowanie do konwersji

energii geotermalnej w energię elektryczną także na terenie Polski.

LITERATURA

[1] Atlas wykorzystania wód termalnych do skojarzonej produkcji energii elektrycznej i

cieplnej przy zastosowaniu układów binarnych w Polsce. Redakcja: W. Bujakowski, B.

Tomaszewska. Kraków 2014.

[2] Bertani R.: Geothermal power generation in the world 2005–2014. [in:] Proceedings

World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, 19–25.04.2015.

[3] Dickson M., Fanelli M.: Geothermal energy. Utilization and technology. London,

Earthscan, 2003.

[4] DiPippo R.: Geothermal power plants: principles, applications, case studies and envi-

ronmental impact. Amsterdam, Elsevier, 2008.

[5] Geothermie Unterhaching. Die uMWltfreundliche, kommunale Energieversorgung der

Zukunft. Materiały informacyjne. Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG.

[6] Nowak W., Borsukiewicz-Gozdur A., Klonowicz P., Stachel A.A. 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.

[7] Nowak W., Sobański R., Kabat M., Kujawa T.: Systemy pozyskiwania i wykorzystania

energii geotermicznej. Szczecin, Wydaw. Politechniki Szczecińskiej, 2002.

[8] Nowak W., Stachel A.A. Borsukiewicz-Gozdur A.A.: Zastosowania odnawialnych źró-

deł energii. Szczecin, Wydaw. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 2008.

[9] Saner B: Summary of EGS 2019 Country Update Reports on Geothermal Energy in

Europe. European Geothermal Congress 2019, Den Hag, The Netherlands, 11-14 June

2019.

[10] Stachel A.A.: Wykorzystanie energii wnętrza Ziemi. Wydawnictwo Uczelniane ZUT,

2013.

[11] Stokłosa A. (materiał fotograficzny)

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

dostęp: 21.01.2018.

GENERATION OF ELECTRICITY WITH THE USE OF GEOTHERMAL LIQUIDS

Key words: geothermal energy, utilization geothermal energy, geothermal power plant

Summary: The most expected way to using the energy stored in hot geothermal fluids extracted from the Earth's

interior is to using it to generate electricity. This is primarily due to the convenient way of distribution and con-

version of electric current into other useful forms of energy. Currently, geothermal power plants operate in 24

countries, working on the basis of various technical and technological solutions resulting from the parameters of

the acquired geothermal heat carrier. The article characterizes the state of geothermal power engineering in the

world, principles are discussed.

Aleksander Andrzej Stachel, prof. dr hab. inż., Zachodniopomorski Uniwersytet Technolo-

giczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Katedra Technologii

Energetycznych, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin, e-mail: andrzej.stachel@zut.edu.pl