Korištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje) …oie.mingorp.hr/UserDocsImages/Geotermalna prezentacija.pdf · 2011. 2. 11. · Proces se provodi kao Rankineov

Geotermalna energijaGeotermalna energijaKorištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje)P f d Zd k Ši ićProf.dr.sc. Zdenko ŠimićFER [email protected]

SadržajSadržajSadržajSadržaj• Porijeklo • Korištenje: – Grijanje

P i d j l• Potencijal – Proizvodnja el. en.– Toplinske pumpe

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 2

Temperature u ZemljiTemperature u Zemlji

30 kmkora

Temperaturni gradijent Temperaturni gradijent –– u u korikori2000 km

~1000ºC omotač

Dubina [m]

150

300

Tipični dobar gradijent: 0,075 oC/m

2800ºC

4000ºC

4000 km

6370 km

5150 kmvanjska jezgra

unutarnja jezgra 300

450

600

Primjer gradijenta u području geotermalnog izvora

unutarnja jezgra

750

1000 Temperatura na 1 km: 265 oC

kora

omotač

vanjska jezgra

unutarnja jezgra


jezgra

Unutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija Zemlje• Enormna količina energije

Samo mali dio dostupan• Izvor za korištenje:

Vruće suhe stijene– Samo mali dio dostupan

• Na površini 0,06 W/m2

– Izvorna toplina i drugi

– Vruće suhe stijene– Voda na velikim dubinama i

pod velikim tlakomd /– Izvorna toplina i drugi

procesi (~60%) – Radioaktivni raspad (~40%;

– Voda/para na manjim dubinama

U235,238, Th232, K40)– Površina za 100W?

• Litosfera: kondukcija• Litosfera: kondukcija- prijelaz topline bez pomicanja materije

• Omotač: konvekcija- prijenos topline gibanjem materije (nema radioaktivnosti)

Energijske tehnologije

materije (nema radioaktivnosti)

Zdenko Šimić - Geotermalna energija 4

Dobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvori

Vruće suhe stijene Voda na velikoj dubini i velikom tlaku

• Dubina i temperatura:– 2,5 do 6 km

• Dubina i temperatura:– 2,5 do 9 km,

– od 150 do 300 oC

• Najveći i najteži izvor za

2,5 do 9 km– oko 160 oC i

veliki tlak (>1000 bar)

korištenje– Stijene slabo vode toplinu

P t b j i l iti tij i

• Ostale karakteristike– Velika slanost (4-10%)

Z ić i d i li– Potrebno je izlomiti stijene i dovesti vodu

• Eksplozije (nuklearne!?)

– Zasićeno prirodnim plinom • Najviše metana CH4

• Oko 5x više plina volumnop j ( )• Voda pod tlakom

• Istražuje se• Potencijal za kombinirano

korištenje

• Istražuje se


• Istražuje se


Voda/para na manjim tlakovima i dubinamaVoda/para na manjim tlakovima i dubinamana manjim tlakovima i dubinamana manjim tlakovima i dubinama• Dubina, temperature i tlakovi:

– do 5 km, do preko 300 oC, do 8 bara

• Parni izvori su najpoželjniji ali malobrojni– Para sama izlazi van iz bušotine (oko 200 oC) – Geysers (SAD) i Larderello (Italija)

V d i i i jč šć k i tk i t• Vodeni izvori se najčešće koristekoriste– Voda izlazi sama ili se pumpa

Velike koncentracije otopina– Velike koncentracije otopina ( i preko 25000 ppm)

• Komercijalno se koristeKomercijalno se koriste – ne zahtijevaju posebno napredne

tehnologije za bušenje i k l t ij


eksploataciju


ppm – parts per million (dijelova u milijun)

PorastPorastPorast tempera-ture u

Porast tempera-ture uture u Zemljiture u Zemlji

Geotermalne prilike iprilike i vodljivost tla određuju jgradijent rasta t ttemperature u tlu.

Energijske tehnologije2010. 7

Presjek jednog geotermalnog nalazišta -Awibengkok IndonezijaAwibengkok, Indonezija

Energijske tehnologijeEnergijske tehnologije: Geotermalna enrgija - dodatno 8

Geotermalni resursiGeotermalni resursi0,050,05 ººC/mC/m

Temperatura stijena na 5 km dubine(EEIG "Heat Mining"

0,05 0,05 C/mC/m

(EEIG "Heat Mining", European Hot Dry Rock Project)"

Područja visoke Područja visoke INA od 1976. napravila više od 50 dubokihjj

entalpijeentalpije ((>>240 240 ooC)C)više od 50 dubokih bušenja.Temperaturni gradijent ide i do 0,07ºC/m.,Temperature u rasponu od 40 – 170ºC.Procjene:


~50 MWe~800 MWt

Direktno korištenjeDirektno korištenjeDirektno korištenjeDirektno korištenje

Najstariji način korištenja geotermalne energije: • Samostalno ili• Samostalno ili• Komplementarno proizvodnji el. en.


Direktno korištenje geotermalne energijeDirektno korištenje geotermalne energije

Snaga MWt Energija TW/god. Faktor opterećenja

Toplinske pumpeDirektno grijanjeDirektno grijanjeStakleniciAkvakulturaPoljoprivreda - sušenjeIndustrijaKupanjeHlađenje/topljenje snijegaOstaloOstaloUkupno

Energijske tehnologije11

Geotermalna električna energijaGeotermalna električna energijaElektranaPumpa

2000.2000.

Bušotine: povratna iproizvodna

Nalazište

PP20102010 == 11 GWGWPP20102010 = = 1 1 GWGWee

W = W = 60 60 TWhTWhee

Porast od Porast od ~~7,5%/7,5%/god.god.Potencijal:Potencijal:

--Do 100 GW s današnjom tehnologijomDo 100 GW s današnjom tehnologijom--Dvostruko više s naprednim tehnologijamaDvostruko više s naprednim tehnologijama


Dvostruko više s naprednim tehnologijamaDvostruko više s naprednim tehnologijama--Ukupno se procjenjuje na nekoliko tisuća GW Ukupno se procjenjuje na nekoliko tisuća GW

Geotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektrane• Elektrane na suhu paru• Elektrane sa separiranjem

pare (Flash steam)p ( )• Elektrane s binarnim

ciklusomciklusom


Elektrane na suhu paruElektrane na suhu paru

T-s dijagram

Jeftine, velike i rijetke2 - Centrifugalni separator odvaja nečistoće

1 2 i 2 3 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpiju1-2 i 2-3 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpiju4 - izlaz iz turbine se miješa s recirkuliranom (5, 7) rashladnom vodom u kondenzatoru s

direktnim kontaktom i višak se vraća u zemljuNekondenzibilni plinovi (CO2, NH4, H2S)se moraju ukloniti iz kondenzatora zbog korozije i tlaka

parnim ejektorom (za pogon se izdvaja dio pare).Elektrane u pogonu (jedinice npr.100 MW): Geysers (SAD), Larderello (Italija), Matsukawa (Japan)


Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je visok (~135 kPa) što uz male temperature dodatno umanjuje termički stupanj djelovanja.


Elektrane sa separiranjem pare (Flash steam)Elektrane sa separiranjem pare (Flash steam)(Flash steam)(Flash steam)

Za kvalitetnije izvore vode preko 200 oC

T-s dijagram

Za kvalitetnije izvore vode, preko 200 oCSalinitet i do 280000 ppm.

1-234-5 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpijuProblemi: Znatno veći potrebni protoci (utjecaj na okolno zemljište te dimenzije i degradiranje

postrojenja zbog dodatnih sastojaka)Elektrane u pogonu (jedinice od 10-50 MW): Italija, Japan, Novi Zeland, Meksiko, SAD


p g (j ) j , p , , ,Termički stupanj djelovanja još manji zbog niske temperature i niske kvalitete pare.


Geotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektrane

AIDLIN – dvije jedinice na suhu paru, 20 MWeCalpineSonoma, California

LEATHERS dvostruko separiranje 38 MWeLEATHERS – dvostruko separiranje , 38 MWeCalEnergy Operating CompanyCalipatria, California

Energijske tehnologijeEnergijske tehnologije: Geotermalna enrgija 16

Elektrane s binarnim ciklusomElektrane s binarnim ciklusomplinp

1Rash.toranj

Turbina3

1 2

3

voda

toranj

PumpaPovršinski

2 32

4

Izmjenjivač topline

tlo

kondenzator

kondenzatnapumpa

4

5

66

5

Za manje kvalitetne izvore (ispod 200 oC)

T-s dijagramPumpa

Voda iz rashladnog tornja

Proizvodna i povratna bušotina

Za manje kvalitetne izvore (ispod 200 oC)Unapređenje za veći stupanj djelovanja.

Proces se provodi kao Rankineov organski – radni fluid ima nisku temperaturu isparivanja (izobutan C4H10, freon12, amonijak ili propan)

Vlastita potrošnja u elektrani je oko 35%.Demonstracijske elektrane u pogonu (jedinice oko 10 do 50 MW) u SAD-u.Rj š j j HR


Rješenje za uvjete u HR.Proračun za ovaj proces provodi se kao i za Rankineov s vodom, ali s parametrima radnog medija.


T-S dijagram za vodu, R245fa i cikloheksanT-S dijagram za vodu, R245fa i cikloheksanvodu, R245fa i cikloheksanvodu, R245fa i cikloheksan

Energijske tehnologije2010. 18A. Schuster et al. / Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1809–1817

Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom

Turbina 1. nivo

Kondenzator

Generator

Turbina 2. nivo

Isparivač Kompresor za nekondenzibilne

plinoveSeparator

Pumpa za k d fl id

plinove

Predgrijač

kond. fluid

Proizvodna bušotina Povratna bušotinaPovratna pumpa


Vrući geotermalni fluid

Hladni geotermalni fluid

Binarni procesBinarni proces

Energijske tehnologije20Zdenko Šimić - Geotermalna energija

pp

Proizvodnja el. Proizvodnja el. enen. i korištenje topline. i korištenje toplineProizvodnja el. Proizvodnja el. enen. i korištenje topline. i korištenje toplineBolji stupanj djelovanja može se osigurati kombiniranim procesima:Bolji stupanj djelovanja može se osigurati kombiniranim procesima:• Dogrijavanjem medija iz geotermalnog izvora prirodnim plinom iz samog

izvora ili nekim drugim gorivom• Predgrijavanjem toplinskom energijom iz geotermalnog izvora

kondenzata prije ulaska u generator pare konvencionalne termoelektrane

Plan za Bizovac


Bušenje, testiranje i korištenje izvoraBušenje, testiranje i korištenje izvora

• Bušotine od ~200 m do ~4 km za određivanje temp gradijentaza određivanje temp. gradijenta i karakteristika nalazišta.• Nalazište može smanjiti toplinsku snagu nakon nekogtoplinsku snagu nakon nekog vremena (5, 10, 15 godina) i tada treba dodati bušotinu ili koristiti se manjim kapacitetom.

Pl i i d i ij k j k 30 di• Planirani radni vijek je oko 30 godina.

opadanjeP [MW]

• Moderne metode bušenja smanjuju

razvoj pogon opadanje

održavanje

smanjuju troškove: jedna široka (>60 cm) rupa oko 500 m upa o o 500i onda dvije kilometarske na razne strane za

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 22Vrijeme

uzimanje i povrat vode

Utjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranje• Agresivnost i velika koncentracija otopljenoga u

di t ž j d t j j i j j ži t ivodi otežavaju rad postrojenja i smanjuju životni vijek

• Rješenje je u izdvajanju i korištenju:– H2S za proizvodnju sumporne kiseline– Metali poput cinka kao sirovina– Različite naslage za građevinarstvo

Utj j k liš ž i i i i ti ć j• Utjecaj na okoliš se može minimizirati vraćanjem svega u bušotinu uz pozornost da to ne umanji

iprinos


Toplinska pumpa i hlađenjeToplinska pumpa i hlađenje

Srednjatemp. u zemlji

i hlađenjei hlađenje

e (m

)

LjetoZima

ispo

d po

vrši

nD

ubin

a

Lagano suho tlo

Temperatura tla (oC)

• Temperatura tla – konstantna od Sunčevog zračenje i zbog slabe toplinske vodljivosti tla

konstantnija kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla

Lagano suho tloProsječno tloVlažno tlo

– konstantnija kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla – Time je relativna razlika prema temperaturi okolice razmjerno velika i

konstantna tijekom većeg dijela godineP d ij j li k i


– Pogodno za grijanje toplinskom pumpom i– Hlađenje klima uređajima


Razne vrste sustava toplinske pumpeRazne vrste sustava toplinske pumpep p pp p pHorizontalni kružni: zauzima najviše zemlje, jeftinije, male zgrade,

Otvoreni: jeftinije, problemi s vodom

ali temperatura dosta varira

V tik l i tj it tlVertikalni: stjenovito tlo, skuplji, treba manje zemlje, visoka efikasnost

Ovisno o izvedbi faktor preobrazbe iznosi oko 50% Carnotovog:

f.p. = qdov/wt


p qdov tPraktično se postiže faktor preobrazbe od 3 do 5.

UkratkoUkratkoUkratkoUkratko

Korištenje geotermalne energije može imati opravdanje kao čcjeloviti gospodarski program koji uključuje

proizvodnju el. en., turizam i poljoprivredu.

Ekonomičnost ovisi o karakteristikama bušotine i potporama – rizik može biti veliki.

Udio GE u proizvodnji el. en. nije veliki, ali postoji potencijal za povećanje.

Ekološki prihvatljiv izvor uz dužnu brigu.

Tehnologija je zrela i iskustvo je značajno. g j j j j

Položaj izvora određuje mjesto korištenja.

Energijske tehnologije26Zdenko Šimić - Geotermalna energija

Documents

Korištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje) …oie.mingorp.hr/UserDocsImages/Geotermalna prezentacija.pdf · 2011. 2. 11. · Proces se provodi kao Rankineov