Geotermalna energija

Obnovljivi izvori energije

GEOTERMALNA ENERGIJA

Pojam geotermalne energije

GEO (gr. zemlja) + THERME (gr. toplina) = toplina zemlje

U uem smislu geotermalna energija predstavlja onaj dio energije iz dubine Zemlje koji dolazi do povrine u obliku vruega ili toploga geotermalnog medija (vode ili pare) i prikladan je za iskoritavanje u izvornom obliku ili za pretvorbu u druge oblike (elektrinu energiju, toplinu i sl.)

Geotermalna energija


U prirodi se geotermalna energija najee pojavljuje u obliku

gejzira

vulkana

vruih izvora



Geotermalna energija je toplinska energija koja se stvara u Zemljinoj unutranjosti

polaganim raspadom radioaktivnih elemenata (urana, torija, kalija)

egzotermnim kemijskim reakcijama u Zemljinoj kori (oksidacija sulfida,

kristalizacija, skrutnjavanje rastopljenih stijena)

trenjem pri kretanju tektonskih masa



Koliina te energije tako je velika da se moe smatrati gotovo neiscrpnom

Toplina u unutranjosti Zemlje rezultat je formiranja planeta prije vie od 4 milijarde godina, a radioaktivno raspadanje elemenata u stijenama kontinuirano regenerira tu toplinu

Geotermalna se energija stoga moe smatrati obnovljivim izvorom energije


Nastanak geotermalne energije

Zemljina unutranjost podijeljena je u nekoliko slojeva



Temperatura unutranje jezgre via je od 4 000 C (procjene do 7 000 C)

Prosjena temperatura Zemlje iznosi 1 000 C

Samo 1 Zemljine mase ima temperaturu manju od 100 C

Toplina se kree iz unutranjosti Zemlje prema njezinoj povrini, a kora predstavlja izolator od topline iz unutranjosti



Zemljina kora je razlomljena na velike litosferne (tektonske) ploe koje se kreu po itkoj astenosferi (dio gornjega plata)

Litosferu ine Zemljina kora i kruti dio gornjega plata



Kretanje litosfernih ploa potpomognuto je konvekcijskim strujanjem itke astenosfere

Ploe se meusobno sudaraju ili podvlae jedna pod drugu



Na granicama izmedu litosfernih ploa oslobaa se velika koliina topline iz Zemljine unutranjosti

Na ploama postoje i lokalizirana mjesta izbijanja Zemljine topline na povrinu tzv. vrue toke (Havaji, Galapagos)


Geotermalni gradijent

Temperatura se poveava s dubinom od povrine prema jezgri za oko 3 C na 100 m dubine

Stopa promjene temperature s dubinom naziva se geotermalni gradijent (C/km)

Geotermalni gradijent moe znaajno varirati od lokacije do lokacije

Anomalije geotermalnoga gradijenta neovisne su o povrinskoj temperaturi i openito su ovisne o lokalnoj geolokoj grai


Geotermalni gradijent u Republici Hrvatskoj

Hrvatska ima vei geotermalni gradijent od prosjeka Europe

Najvei toplinski kapacitet postoji u Panonskom bazenu, gdje geotermalni gradijent iznosi 49 C/km, dok europski prosjek iznosi 30 C/km


Geotermalni resursi

Resurse predstavljaju geotermalne vode (vrue vode i pare) koje se nalaze u podzemnim leitima, a mogu se dovesti na povrinu i iskoristiti

Voda/para je osnovni medij koji prenosi geotermalnu energiju iz Zemljine unutranjosti na povrinu

Podzemna leita postoje u irokom rasponu dubina od plitkih/povrinskih do onih dubokih vie kilometara

Voda s povrine Zemlje odlazi u podzemlje kroz pukotine u stijenama, tamo se zagrijava i zatim struji natrag prema povrini, gdje se pojavljuje u obliku gejzira i vruih izvora


Geotermalni resursi

Geotermalni resursi klasificiraju se prema nekoliko kriterija:

prema stupnju istraenosti i dokazanosti izvora

(dokazane rezerve; vjerojatne rezerve)

prema vrsti geotermalnih leita

prema temperaturi leinog medija


Geotermalni resursi

Geotermalna se leita prema vrsti dijele na:

leita vrue vode karakterizira ih tekua voda

leita suhe vodene pare rijetko se nalaze; najjednostavnije i najjeftinije

iskoritavanje

vrue i suhe stijene nalaze se na veim dubinama, u njima je

akumulirana toplina; iskoritavanje jo nije ekonomski isplativo

leita tople vode pod visokim tlakom nalaze se na velikim dubinama,

umjerene su temperature i sadre otopljeni metan; zbog vrlo visokog

tlaka mogue je iz ovih resursa iskoritavati mehaniku, toplinsku i

kemijsku energiju (otopljeni metan); s dananjom tehnologijom

iskoritavanje nije ekonomski isplativo


Geotermalni resursi

Najee se geotermalni resursi klasificiraju prema temperaturi geotermalne vode koja slui kao prijenosnik topline s vruih stijena do povrine


Temperaturna

razina, C

Muffler i

Cataldi (1978)

Hochstein

(1990)

Benderitter i

Cormy (1990)

Niskotemperaturni

resursi < 90 < 125 < 100

Srednjetemperaturni

resursi 90 - 150 125 - 225 100 - 200

Visokotemperaturni

resursi > 150 > 225 > 200

Eksploatacija geotermalnog polja

Leita geotermalnih voda u Hrvatskoj obino se nalaze na dubinama veim od 1 000 m znaajan financijski troak kod eksploatacije (min. 10 mil. kn)

Za potrebe eksploatacije geotermalnog polja potrebno je izbuiti najmanje jednu buotinu

Ta buotina moe posluiti i kao istrana i kao proizvodna



Najee se geotermalna leita koriste u zatvorenom sustavu kroz proizvodnu buotinu termalna se voda crpi na povrinu gdje se njezina toplina iskoritava, a kroz utisnu se buotinu vraa natrag u leite

Takav nain iskoritavanja dobar je za okoli, jer se povrinske vode ne zagaduju geotermalnim vodama koje esto mogu biti bogate razliitim mineralima i plinovima u veim koncentracijama od onih dozvoljenih Pravilnikom o graninim vrijednostima opasnih i drugih tvari u otpadnim vodama (NN 94/08), a takoer se zadrava kapacitet vodenog tijela (leini tlak i razina vode u buotini)



Geotermalni toplinski sustav sastoji se od sljedeih osnovnih elemenata:

buotina ili izvor kroz koji medij dolazi na povrinu, odnosno vraa se u

podzemlje

sustav pripreme ogrjevnoga medija (plinski separator, filtar), izmjenjivai

topline i pripadajua oprema

razvod ogrjevnoga medija cjevovodi, armatura, akumulacijski spremnici

pumpe, sekundarni izmjenjivai topline

utisna buotina


Geotermalni potencijal

Geotermalni potencijal opisuje koliinu energije koja se moe iskoristiti iz geotermalnoga oblika energije

Potencijal geotermalne energije u svijetu je ogroman, ima je 50 000 puta vie od sve energije koja se moe dobiti iz nafte i plina irom svijeta

Cjelokupna geotermalna energija na Zemlji procjenjuje se na 12,6 1024 MJ, a kore na 5,4 1021 MJ

Svjetski geotermalni potencijal gotovo je 35 milijardi puta vei od dananje potrebe za energijom



Uinkovito se moe iskoritavati manji dio geotermalnoga potencijala (svega do dubine od 5 000 m)

Energija koja se trenutno koristi 17,6 1010 MJ za elektrinu energiju i 19,0 1010 MJ za toplinsku energiju



Toplinski tok je koliina topline prenesena u jedinici vremena, a predstavlja uloenu snagu (W)

U svijetu se procjenjuje na 42 TW

8 TW potjee iz Zemljine kore (koja ini samo 2 % ukupnoga volumena Zemlje, ali je bogata radioaktivnim izotopima)

32,3 TW iz plata (82 % volumena Zemlje)

1,7 TW iz jezgre (ini 16 % volumena Zemlje)



Toplinski tok koji prolazi kroz jedininu povrinu oznaava se kao gustoa toplinskoga toka i izraava u mW/m2



Mjerenje toplinskog toka je proces koji zahtijeva mjerenja na terenu i laboratorijske analize

Karotana oprema koristi se za mjerenja u buotinama (temperature, elektrine otpornosti, spontanog potencijala i prirodne radioaktivnosti)

Podaci o temperaturnim gradijentima i toplinskoj vodljivosti izraunatoj iz prosjene gustoe stijena omoguuju procjenu toplinskoga toka odnosno uvid u potencijal geotermalnih resursa



Karta geotermalnih gradijenata (lijevo Colorado, SAD; desno Hrvatska)



Karta temperatura na dubinama od 1 000 m (Hrvatska)



Podaci potrebni za izradu ovakvih karata ukljuuju:

geoloke karte, tektonske podatke

karakteristike stijena (prosjene vrijednosti toplinske vodljivosti i

toplinskoga kapaciteta, mogunost postojanja vodonosnika s geo-

termalnom vodom)

podatke iz prirodnih geotermalnih pojava

prosjean geotermalni gradijent

podatke iz postojeih buotina (temperatura i kemijska svojstva medija)

geofizike podatke (karotana mjerenja, elektromagnetske metode,

geoelektrine, gravimetrijske, seizmike metode)



Geoloko rjeenje ireg prostora Zagrebakoga geotermalnog polja

Geotermalno polje Zagreb Povrina 54 km2

temperatura vode 80 C na dubini neto manjoj od 1 000 m


Geotermalni potencijal Republike Hrvatske

Ukupni geotermalni (toplinski/elektrini) potencijal otkrivenih leita u Republici Hrvatskoj


Geotermalni potencijal Republike Hrvatske

U Hrvatskoj postoji duga tradicija koritenja geotermalne energije, ali uglavnom u balneoloke svrhe (toplice)

Toplinski kapacitet hrvatskih toplica iznosi 77 MWt (426 TJ)

Ukupni instalirani toplinski kapacitet na 18 lokacija (16 toplica, grijanje dvaju objekata) 37 MWt (124 TJ)


Uporaba geotermalne energije

Najvaniji nain iskoritavanja geotermalne energije jest proizvodnja elektrine energije iz visokotemperaturnih geotermalnih izvora (>150 C)

Rad geotermalnih elektrana temelji se na pretvaranju topline geotermalnog medija u mehaniku energiju vrtnje turbine, a zatim i u elektrinu energiju

Geotermalne elektrane rade na tri osnovna naela:

iskoritavanje suhe pare (Dry steam)

uporaba postupka isparivanja geotermalne vode (Flash steam)

primjena binarnoga procesa (Binary cycle)



Elektrana na suhu paru (iskoritavanje visokotemperaturnih geotermalnih izvora, > 235 C) koristi izravno geotermalni resurs vruu paru

Para se koristi za izravno pokretanje turbina generatora

Najjeftiniji i najjednostavniji pristup



Postupak isparivanja vode (iskoritavanje visokotemperaturnih geotermalnih izvora) nain rada veine suvremenih geotermalnih elektrana

Koristi se voda iz leita pod visokim tlakom i na temperaturi iznad 182 C: pumpanjem vode iz leita prema povrini sniava se tlak, a voda se pretvara u paru koja pokree turbine; voda koja se nije pretvorila u paru vraa se u leite radi ponovne upotrebe



Binarni proces (iskoritavanje visokotemperaturnih i srednjetemperaturnih geotermalnih izvora) nain rada veine planiranih geotermalnih elektrana

Vrua voda zagrijava radni medij koji ima znatno niu temperaturu vrelita od vode, radni medij isparuje i pokree turbine generatora



Vea uinkovitost postupka i dostupnost potrebnih geotermalnih resursa

Dodatna prednost binarnih elektrana je potpuna zatvorenost sustava budui da se upotrijebljena voda vraa natrag u leite

Gubitak topline je minimalan, gotovo da nema gubitka vode, nema tetnih emisija u zrak



Prednosti proizvodnje elektrine energije iz geotermalnih izvora:

vrlo niska emisija ili bez emisije staklenikih plinova

uporaba domaih resursa smanjenje ovisnosti o uvoznoj energiji i

geopolitikim zbivanjima

nema koritenja goriva (skladitenje, transport, odlaganje, rudarenje)

vrlo kratko vrijeme godinjeg remonta (radi vie od 90 % vremena u

godini za razliku od 60 % do 70 % kod termoelektrana ili nuklearnih

elektrana)

minimalno koritenje prostora zahtijeva samo 400 m2 zemljita po

GW u periodu od 30 g



Nedostaci proizvodnje elektrine energije iz geotermalnih izvora:

vrlo visoki trokovi pokretanja proizvodnje

nekonkurentna cijena elektrine energije proizvedene u geotermalnim

elektranama

voda moe biti korozivna i praena opasnim plinovima (H2S, amonijak)

izbijanje pare i vrue vode moe biti buno

vezano na pojedinu lokaciju

ogranien broj visokotemperaturnih resursa koji su pogodni za

proizvodnju elektrine energije



Geotermalna voda, odnosno njezina toplina, danas se u svijetu uglavnom upotrebljava izravno, bez pretvorbe u neki drugi oblik energije

balneologija (toplice)

grijanje i hlaenje prostora

primjena u poljoprivredi (grijanje staklenika)

primjena u akvakulturi (grijanje ribnjaka)

industrijski procesi (suenje papira, voa, povra, ribe, drveta, vune,

izluivanje soli, destilacija vode, pasterizacija mlijeka)

otapanje snijega



Izravno geotermalni medij prvo zagrijava PTV, zatim se iskoritava za radijatorsko grijanje a potom i za podno grijanje

Neizravno geotermalni medij predaje toplinu ogrjevnome mediju preko izmjenjivaa topline, a ogrjevni medij potom zagrijava PTV, te dalje prostorije u zgradama (radijatori ili podno grijanje)

PS plinski separator

B spremnik PTV-a

R visokotemperaturno grijanje

P niskotemperaturno grijanje

IT izmjenjiva topline



Poljoprivreda tipine temperature u staklenicima


Temperatura, C Kultura uzgajana u stakleniku

dnevna nona

Povre

18-29 16-18 paprike

21-24 17-18 rajice

24-25 21 krastavci

24 18 zelena salata

Cvijee

16-17 17 rue

21-27 18-22 biljke iz porodice mljeika

16 ljiljani

24 10 karanfili

21-27 (max) biljke iz porodice Geranium

21 (min) 18 (min) fuksija


Najuinkovitije iskoritavanje geotermalne energije je kaskadno iskoritavanje



Dizalice topline


Uporaba geotermalne energije rezime

Najee primjenjivane tehnologije za iskoritavanje geotermalne energije s obzirom na poetnu temperaturu leita


Poetna temperatura

leita

Vrsta geotermalnog

medija Najee primjene

Najee primijenjene

tehnologije

visoka (> 220 C) voda ili para

proizvodnja

elektrine energije

izravna uporaba

flash proces

kombi proces (flash+binarni)

izravna uporaba

izmjenjivai topline

dizalice topline

srednja (100 220 C) voda

proizvodnja

elektrine energije

izravna uporaba

binarni proces

izravna uporaba

izmjenjivai topline

dizalice topline

niska (50 150 C) voda izravna uporaba

izravna uporaba

izmjenjivai topline

dizalice topline


etiri osnovna faktora koja utjeu na donoenje odluke o koritenju geotermalne energije:

1) dostupnost geotermalnih izvora

2) karakteristike geotermalne buotine i geotermalnog medija

3) lokalna gospodarska tradicija

4) potencijalno trite



24 zemlje proizvode elektrinu energiju iz geotermalnih izvora

Proizvodi se ukupno 57 TWh/god

Instalirano je 9 GWe (Amerike 44 %, Europa 12 %)

Prosjeno rade s faktorom optereenja od 73 %

Najvei proizvoai elektrine energije: SAD, Filipini, Meksiko, Indonezija, Italija

72 zemlje koriste geotermalnu energiju izravno

Instalirano u svijetu 28 GWt

Svjetska potronja iznosi priblino 273 GJ/g ili 76 TWh/g (cime se tedi 129 milijuna barela godinje ili oko 19 milijuna tona sirove nafte)

Najira primjena za izravnu uporabu dizalice topline


Documents

Geotermalna energija