OPTIMALNA IZRABA NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE …

I

OPTIMALNA IZRABA NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE

ENERGIJE

magistrsko delo

Študentka: Urška Novosel

Študijski program: magistrski študijski program 2. stopnje Energetika

Mentor: izr. prof. dr. Jurij Avsec

Somentor: doc. dr. Zdravko Praunseis

Lektorica: Nataša Jenuš, prof.

Krško, september 2013

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Juriju Avscu, somentorju doc. dr. Zdravku

Praunseisu ter asistentki Ivani Tršelič za pomoč pri izdelavi naloge.

Zahvaljujem se tudi staršem in starim staršem, ki so mi vsa leta študija stali ob strani.

Posebna zahvala velja sestri Anji za podporo in spodbujanje.

IV

OPTIMALNA IZRABA NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE ENERGIJE

Ključne besede: izraba nizkoentalpijske geotermalne energije, ORC proces,

termodinamika, alternativna energetika

UDK: 620.92:621.311.24:536.7(043.3)

Povzetek

Dandanes se zelo spodbuja uporaba obnovljivih virov energije za proizvodnjo električne

energije. V magistrskem delu je predstavljen model hibridne elektrarne, ki za proizvodnjo

električne energije uporablja tri različne OVE – geotermalno energijo, sončno energijo in

lesno biomaso. Osnova je ORC sistem. Prvi vir za izkoriščanje je geotermalna energija,

sončna energija in energija lesne biomase pa sta v sistemu kot vira dodatnega toplotnega

toka za dogrevanje delovnega medija. Prikazan je detajlni termodinamični preračun, ki

vključuje toplotne tokove in moči posameznih elementov v sistemu. Podan je

termodinamični izkoristek. Izbrani so tudi elementi in naprave glede na rezultate

preračuna.

V

OPTIMAL USE OF LOW-ENTHALPY GEOTHERMAL ENERGY

Key words: use of low-enthalpy geothermal energy, ORC process, thermodynamics,

alternative energy

UDK: 620.92:621.311.24:536.7(043.3)

Abstract

The use of renewable energy sources for electricity production is nowadays highly

encouraged. The thesis presents a model of hybrid power plant for electricity production

using three different renewable energy sources – geothermal energy, solar energy and

wood biomass. The basis is the ORC process. The first source for the exploitation is

geothermal energy, solar energy and wood biomass are in the system as sources of heat

flow for working medium additional heating. A detailed thermodynamic calculations

involving heat flows and power of individual elements in the system are shown. The

thermodynamic efficiency is also given. Finally, elements and devices are chosen

according to the results of the calculations.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ............................................................................................................................................... 1

2 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE..................................................................................................... 3

2.1 UVOD ................................................................................................................................................. 3

2.2 GEOTERMALNA ENERGIJA........................................................................................................... 3

2.2.1 Lastnosti geotermalne energije ....................................................................................................... 4

2.3 SONCE ............................................................................................................................................... 6

2.3.1 Sončno sevanje ................................................................................................................................ 7

2.4 LESNA BIOMASA ............................................................................................................................. 7

2.5 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE V SLOVENIJI ................................................................................ 8

2.5.1 Nacionalni energetski program (NEP) ........................................................................................... 8

2.6 POTENCIAL OVE V SLOVENIJI ................................................................................................... 10

2.6.1 Potencial geotermalne energije .................................................................................................... 10

2.6.2 Potencial sončne energije ............................................................................................................. 12

2.6.3 Potencial lesne biomase ................................................................................................................ 13

3 IZKORIŠČANJE NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA PROIZVODNJO

ELEKTRIČNE ENERGIJE .................................................................................................................... 17

3.1 UVOD ............................................................................................................................................... 17

3.2 ORGANSKI RANKINOV PROCES ................................................................................................ 19

3.2.1 Shema in termodinamične osnove ................................................................................................. 19

3.2.2 Opis elementov ORC ..................................................................................................................... 21

4 KOMBINIRAN PROCES IZKORIŠČANJA OVE ZA PROIZVODNJO ELEKTRIČNE

ENERGIJE .............................................................................................................................................. 25

4.1 OPIS IN SHEMA SISTEMA ............................................................................................................ 25

4.2 OPIS IZBIRE DELOVNEGA MEDIJA ............................................................................................ 26

4.2.1 Delovni medij: R245fa .................................................................................................................. 27

4.2.2 Bi bila voda primerna za delovni medij? ...................................................................................... 30

4.3 PRIMER IZRAČUNA ORC ............................................................................................................. 30

4.3.1 Potek izračuna .............................................................................................................................. 30

4.3.2 Izračun .......................................................................................................................................... 31

4.3.3 Rezultati in diskusija ..................................................................................................................... 39

4.3.4 Diagram tokov moči ...................................................................................................................... 40

4.4 OPIS IZBIRE SONČNIH KOLEKTORJEV ..................................................................................... 41

VII

4.4.1 Kratek izračun za vakuumske sončne kolektorje ........................................................................... 41

4.4.2 Parabolični sončni kolektorji – korito .......................................................................................... 42

4.4.3 Parabolični kolektor: model PTMx-36 ......................................................................................... 43


4.5 SISTEM NA LESNO BIOMASO ..................................................................................................... 46

4.5.1 Retortna peč na lesne sekance ...................................................................................................... 46

4.5.2 Koliko lesnih sekancev potrebujemo? ........................................................................................... 47


4.5.4 Koliko CO2 nastane, če bi namesto lesnih sekancev kurili lignit? ................................................ 51

4.6 TOPLOTNI PRENOSNIKI ............................................................................................................... 53

4.7 PARNA TURBINA ........................................................................................................................... 54

4.8 OBTOČNA ČRPALKA .................................................................................................................... 56

5 SKLEP ............................................................................................................................................ 57

VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 58

PRILOGE ................................................................................................................................................ 63

5.1 PRILOGA A: PTMX PARABOLIC TROUGH COLLECTOR ........................................................ 63

5.2 PRILOGA B: FUNKE – MODEL SERIES BCF/P, CCF/P, SSCF/P ................................................ 65

5.3 PRILOGA C: SIEMENS STEAM TURBINE SST-111 .................................................................... 66

5.4 PRILOGA D: FLOWSERVE – HWX API 610 (OH3) ...................................................................... 67

5.5 PRILOGA E: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV .................................. 68

5.6 PRILOGA F: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ................................................. 69

VIII

KAZALO SLIK

SLIKA 2.1: GEOTERMALNI GRADIENT V STRUKTURI ZEMLJE [1] ........................................................................................ 5

SLIKA 2.2: TEMPERATURA GEOTERMALNE VODE V GLOBINI 1000 M [10] ....................................................................... 11

SLIKA 2.3: GLOBALNO LETNO OBSEVANJE NA HORIZONTALNO POVRŠINO V SLOVENIJI [12] ................................................. 12

SLIKA 2.4: LESNA ZALOGA V SLOVENIJI [14] .............................................................................................................. 14

SLIKA 2.5: PRIRASTEK GOZDOV V SLOVENIJI [14] ........................................................................................................ 14

SLIKA 3.1: SHEMATSKI PRIKAZ BINARNEGA PROCESA [17] ............................................................................................ 18

SLIKA 3.2: ORC T-S DIAGRAM [21] ......................................................................................................................... 19

SLIKA 3.3: ORC – SHEMA TEHNOLOŠKEGA PROCESA [21] ............................................................................................ 19

SLIKA 3.4: TURBINA/GENERATOR ZA BINARNI SISTEM .................................................................................................. 21

SLIKA 3.5: KONDENZATOR S HLADILNO TEKOČINO ....................................................................................................... 22

SLIKA 3.6: NAPAJALNA ČRPALKA ............................................................................................................................. 23

SLIKA 3.7: UPARJALNIK Z GEOTERMALNO VODO ......................................................................................................... 24

SLIKA 4.1: SHEMA ORC – GEOTERMALNA ENERGIJA, SONČNA ENERGIJA, LESNA BIOMASA .................................................. 25

SLIKA 4.2: T-S DIAGRAM ZA R245FA [28] ................................................................................................................ 28

SLIKA 4.3: P-H DIAGRAM ZA R245FA [29] ................................................................................................................ 29

SLIKA 4.4: POTEK IZRAČUNA ................................................................................................................................... 30

SLIKA 4.5: TOK MOČI V ORC SISTEMU ...................................................................................................................... 40

SLIKA 4.6: ILUSTRACIJA POLJA S PARABOLIČNIMI KORITI [36] ........................................................................................ 42

SLIKA 4.7: SHEMA RETORTNE PEČI [6] ...................................................................................................................... 46

SLIKA 4.8: KOTEL MOČI 10 MW [39] ...................................................................................................................... 51

SLIKA 4.9: SHEMA TOPLOTNEGA PRENOSNIKA S SNOPOM CEVI V PLAŠČU [43] .................................................................. 54

SLIKA 4.10: PARNA TURBINA IN GENERATOR [46] ...................................................................................................... 55

SLIKA 4.11: SIEMENS STEAM TURBINE SST-111 [47] ................................................................................................ 55

SLIKA 4.12: ČRPALKA FLOWSERVE HWX API 610 (OH3) [49] .................................................................................... 56

IX

KAZALO TABEL

TABELA 2.1: SONČNO OBSEVANJE V MURSKI SOBOTI [13] ........................................................................................... 13

TABELA 2.2: KURILNOST (HI = 18,5 MJ/KG) KOT FUNKCIJA VSEBNOSTI VODE (W %) [15].................................................. 15

TABELA 4.1: FIZIKALNE IN TERMODINAMIČNE LASTNOSTI R245FA [26] .......................................................................... 28

TABELA 4.2: VREDNOSTI ZA IZRAČUN geoQ ............................................................................................................. 32

TABELA 4.3: VREDNOSTI ZA IZRAČUN dmm .............................................................................................................. 33

TABELA 4.4: VREDNOSTI ZA IZRAČUN dodQ ............................................................................................................. 34

TABELA 4.5: VREDNOSTI ZA IZRAČUN H4 ................................................................................................................... 35

TABELA 4.6: VREDNOSTI ZA IZRAČUN tW ................................................................................................................. 35

TABELA 4.7: VREDNOSTI ZA IZRAČUN kondQ ........................................................................................................... 36

TABELA 4.8: VREDNOSTI ZA IZRAČUN htm ............................................................................................................... 37

TABELA 4.9: VREDNOSTI ZA IZRAČUN čW ................................................................................................................ 38

TABELA 4.10: ZBRANE VREDNOSTI IZRAČUNOV .......................................................................................................... 39

TABELA 4.11: VREDNOSTI ZA IZRAČUN η ................................................................................................................. 44

TABELA 4.12: VREDNOSTI ZA IZRAČUN P .................................................................................................................. 44

TABELA 4.13: VREDNOSTI ZA IZRAČUN SCEL ................................................................................................................ 45

TABELA 4.14: VREDNOSTI ZA IZRAČUN Q .................................................................................................................. 48

TABELA 4.15: VREDNOSTI ZA IZRAČUN SOBS ............................................................................................................... 49

TABELA 4.16: VREDNOSTI ZA IZRAČUN QS ................................................................................................................. 49

TABELA 4.17: VREDNOSTI ZA IZRAČUN QLBM ............................................................................................................. 49

TABELA 4.18: VREDNOSTI ZA IZRAČUN MS ................................................................................................................. 50

TABELA 4.19: VREDNOSTI ZA IZRAČUN ML ................................................................................................................. 52

TABELA 4.20: VREDNOSTI ZA IZRAČUN MCO2 ............................................................................................................. 53

X

UPORABLJENI SIMBOLI

h – specifična entalpija

Hi – kurilnost

Hs – zgorevalna toplota

m – masa

m – masni pretok

P – moč

q – specifična toplota

Q – toplota

Q – toplotni tok

s – specifična entropija

T – temperatura

V – prostorninski pretok

W – moč

w – specifično delo

XI

UPORABLJENE KRATICE

OVE – obnovljivi viri energije

ORC – organski Rankinov cikel (ang. Organic Rankine Cycle)

NEP – Nacionalni energetski program

LBM – lesna biomasa

EES – elektroenergetski sistem

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

V zadnjih letih je veliko govora o čim večjem izkoriščanju obnovljivih virov energije, ki so

lahko dostopni v naravi (sonce, voda, biomasa, veter, geotermalna energija). Kot pove že

ime, gre za neizčrpne energetske vire, katere lahko pretvorimo v uporabne oblike energije.

V svetu narašča trend uporabe teh virov za proizvodnjo električne energije ter toplote.

Razlogov je več: zgodbe o globalnem segrevanju ozračja, težnja k čim hitrejšemu prehodu

v nizkoogljično družbo, predvidoma nižja cena energije ob ustrezni in okoljsko

sprejemljivi proizvodnji naprav za izkoriščanje obnovljivih virov, spodbujanje k čim večji

razpršenosti virov energije in podobno.

Na območju Slovenije in večjega dela jugovzhodne Evrope imamo nahajališča

nizkoentalpijske (lahko tudi nizkotemperaturne) geotermalne energije, zato je tudi bila

izbrana tema magistrskega dela izkoriščanje le-te v povezavi z drugimi OVE, konkretno s

soncem in lesno biomaso. Trenutno je v teku tudi evropski projekt GeoSEE v okviru

programa Jugovzhodna Evropa (orig. South-East Europe programme), katerega cilj je

predstaviti tehnologije za izkoriščanje nizkotemperaturnih geotermalnih virov v povezavi z

drugimi OVE.

Namen magistrskega dela je predstaviti model geotermalne elektrarne, ki za proizvodnjo

električne energije uporablja tri različne OVE – geotermalno energijo, sonce in lesno

biomaso.

V prvem poglavju jedra so na splošno opisani OVE, ki jih bomo uporabili v modelu

geotermalne elektrarne. Ocenjen je tudi njihov potencial v Sloveniji s poudarkom na

območjih nahajališč geotermalne energije.

Tretje poglavje vsebuje opisa binarnega sistema, konkretno organskega Rankinovega cikla

(ORC) ter osnov termodinamike, ki sta potrebna za nadaljnji preračun modela.


2

Glavno in najpomembnejše poglavje v nalogi je 4. poglavje, v katerem je podrobno opisan

model geotermalne elektrarne. Po korakih je predstavljen potek dela ter primer preračuna

celotnega kroga. Na koncu poglavja so izbrani elementi in naprave, ki bi jih lahko

uporabili za takšno geotermalno elektrarno.


3

2 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE

2.1 UVOD

OVE so vsi viri energije, ki jih pridobimo iz naravnih procesov: vodni tok (hidroenergija),

veter, sončno obsevanje, fotosinteza (biomasa), zemeljski toplotni tokovi (geotermalna

energija). Odjem obnovljivih virov ne izčrpa vira.

Uporaba OVE ima mnogo prednosti:

- varovanje okolja: zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, predvsem CO2,

- zmanjšanje uvozne odvisnosti: OVE so splošno dostopni in lahko prilagodljivi

lokalnim potrebam po energiji. Z večjo uporabo OVE se bo zmanjšala odvisnost od

uvoza fosilnih goriv,

- večja konkurenčnost: z vedno večjo uporabo OVE se povečuje cenovna

konkurenčnost fosilnim gorivom,

- razvoj gospodarskih priložnosti, nova delovna mesta [1].

V nadaljevanju se bomo osredotočili na geotermalno energijo, energijo sonca in lesno

biomaso.

2.2 GEOTERMALNA ENERGIJA

Definicija geotermalne energije je: toplota, ki je shranjena v Zemljini notranjosti. V OVE

jo štejemo zato, ker je toplota iz Zemljine notranjosti neomejena. Toplotna energija je

akumulirana v notranjosti Zemlje (v masi kamnin in v tekočih fluidih zemeljske skorje),

kjer nastajajo velike količine toplote, ki potujejo na površje Zemlje. Najbolj optimalna

izraba geotermalne energije je na območjih, kjer je vir toplote bližje površini (vulkansko


4

aktivna območja). Na površju se geotermalna energija pojavlja kot vulkan, izvir gejzirja ali

tople vode. Toplotna energija se večinoma prenaša s konvekcijo toplote [1, 2].

2.2.1 Lastnosti geotermalne energije

Geotermalna energija ima dve naravni lastnosti: zveznost in stalnost toplotnega toka ter je

toplotna energija, shranjena v kamnini. Ravno zaradi toplotnega toka je toplota shranjena

tudi v kamninah litosfere. Energijski tok bo toploto, če jo odstranimo, kmalu nadomestil,

vsekakor pa mora biti odjem energije enak naravnemu nadomeščanju, kajti le tako lahko

geotermalni energiji pripišemo lastnost neizčrpnosti [2]. Ob tem moramo upoštevati

faktorje trajnosti in obnovljivosti: nivo temperature, proces pridobivanja toplote, vire,

zaloge, tehnologijo izkoriščanja toplote geotermalnih virov, lastnosti toplotnega medija,

časovno konsistenco. Obstojnost geotermalnega vira je odvisna od geološke sestave tal,

količine izločene toplote in dolgotrajnosti izkoriščanja [1].

Temperatura

Temperatura je najpomembnejši parameter (poleg masnega pretoka geotermalne vode) za

izračun, koliko toplote lahko pridobimo iz nekega geotermalnega vira. Temperatura z

globino narašča, kar pokaže geotermalni gradient, ki prikazuje porast temperature (∆T) z

globino (∆Z) v Zemljini skorji. Na sliki 2.1 lahko vidimo, kako se temperatura spreminja z

globino. V Zemljini skorji je geotermalni gradient 30 K/km, ki pa se manjša, ko se

približujemo jedru Zemlje. Povprečni temperaturni gradient je 1 K/km [1].


5

Slika 2.1: Geotermalni gradient v strukturi Zemlje [1]

S slike lahko razberemo, da globlje kot gremo v Zemljino notranjost, višje so temperature

geotermalne vode. Na tem mestu se pa moramo vprašati, do katere globine je smiselno

graditi vrtino, če vemo, da se z globino vrtine investicija enormno povečuje, zato je

potrebno vzeti v ozir več parametrov in oceniti, katera rešitev bi bila najbolj optimalna.

Geotermalno energijo glede na rabo delimo na:

- visokoentalpijske vire geotermalne energije s temperaturo vode nad 150 °C,

- nizkoentalpijske vire geotermalne energije s temperaturo vode pod 150 °C [2].

V nalogi se bomo osredotočili na nizkotemperaturne geotermalne vire, torej vire s

temperaturo vode pod 150 °C oz. še manj.

Prednosti geotermalne energije:

- neodvisnost od zunanjih dejavnikov,

- manjše dimenzije – geotermalne elektrarne v primerjavi z drugimi ne zavzamejo

veliko prostora, postavljene so na viru energije,

- varovanje okolja – zelo nizke emisije toplogrednih plinov,

- dolgoročnost,

- široka paleta uporabe – kmetijstvo, balneologija, ogrevanje in hlajenje, industrijski

procesi, proizvodnja električne energije [1].


6

Slabosti geotermalne energije:

- visoki stroški – raziskave geotermalnih območij, investicija v gradnjo vrtine,

- usedanje tal – na območjih, kjer se geotermalna voda ne reinjektira pod zemeljsko

površje (praznjenje vodonosnika),

- onesnaženje voda – če izlivamo izkoriščeno geotermalno vodo, ki je po kemični

sestavi veliko bolj agresivna od vode, v površinske vodotoke,

- nastajanje usedlin – geotermalna voda vsebuje raztopljene pline, trdne snovi, olja,

pesek, nekatere od teh lahko povzročajo korozijo cevi [1].

2.3 SONCE

Sončna energija je energija, ki prihaja od Sonca. Gre za najbolj dostopen in neizčrpen

OVE. Energija Sonca se obnavlja, je brezplačna, ima največjo gostoto moči med vsemi

OVE, zelo pomembno je tudi, da ne onesnažuje okolja. Energijo Sonca izkoriščamo s

toplotnimi sistemi ali z uporabo fotonskega učinka.

Za izkoriščanje sončne energije s toplotnimi sistemi se uporabljajo sončni kolektorji, v

katerih se segreva fluid za prenos toplote (voda, olje) [3].

Poznamo več vrst sončnih kolektorjev, opisanih je pet najbolj razširjenih:

- zastekljeni ploščati solarni kolektorji: so zelo razširjeni, za medij uporabljajo

tekočino ali plin, za srednje temperature (okoli 50 °C),

- vakuumski sončni kolektorji: imajo največji izkoristek, so široko uporabni, tudi pri

zelo nizkih temperaturah okolice,

- koncentrirajoči sončni kolektorji: uporabljajo odsevnike, ki koncentrirajo sončno

svetlobo na absorber sončnega kolektorja,

- parabolični sistemi s krožniki: krožniki so velika ogledala, ki fokusirajo svetlobo na

absorber sončnega kolektorja, imajo sledilni sistem, lahko dosežejo zelo visoke

temperature (do 1000 °C na sprejemniku), za direktno pretvorbo sončne v

električno energijo,


7

- parabolični sistemi – korita: naprave v obliki črke »U«. Korito koncentrira sončno

svetlobo v sprejemnik (cevna oblika), ki je postavljen po goriščni liniji korita,

temperature v sprejemniku lahko dosežejo 400 °C, kar je dovolj visoka temperatura

za proizvodnjo električne energije [4].

2.3.1 Sončno sevanje

Sončno sevanje zunaj zemeljske atmosfere je mnogo večje kot na zemeljskem površju, saj

zemeljska atmosfera zmanjša sončenje z refleksijo, absorpcijo in sipanjem. V jasnem

vremenu lahko sevanje na zemeljski površini doseže 1000 W/m2 (vrednost ni odvisna od

lokacije). Najvišje vrednosti sončenja (do 1400 W/m2 za krajše časovno obdobje) se

pojavijo v sončnih in delno oblačnih dneh, kadar se sončno sevanje odbija mimo oblakov.

Energijo sončnega sevanja skozi leto imenujemo letno globalno sevanje, podaja se v

kWh/m2. Vrednosti se med seboj razlikujejo glede na regije. V Evropi imamo sezonska

nihanja sevanja, vidna v razliki med zimskim in poletnim sončenjem [3].

Neposredno (direktno) in razpršeno (difuzno) sevanje

Sončna svetloba je na površini Zemlje razdeljena na neposredni in razpršeni del sevanja.

Neposredno (direktno) sevanje pride iz smeri Sonca in ne meče sence predmetov. Difuzno

sevanje je razpršeno po atmosferi in nima določene smeri, saj prihaja z vseh strani neba. V

oblačnih dneh do površine Zemlje pride le razpršeno sevanje. Deleža neposrednega in

razpršenega sevanja sta lahko precej različna glede na čas dneva in vremenske razmere [3].

2.4 LESNA BIOMASA

V najširšem pomenu biomasa zajema snovi biološkega izvora, razen fosilnih snovi v

geoloških tvorbah. Lesna biomasa se pridobiva iz gozda, nasadov hitro rastočih dreves in

grmovja, ostankov sečnje, lesnih stranskih produktov, ostankov industrijske predelave lesa,

odsluženega lesa. Iz lesne biomase posredno ali neposredno izvirajo lesna goriva.


8

Poznamo več vrst lesnih goriv:

- drva: razžagan in po potrebi celjen les z namenom energetske izrabe v pečeh,

kaminih ali kotlih, praviloma dolžine od 150 do 1000 mm [5],

- polena: energetski les, nasekan s sekalnimi ali cepilnimi napravami, dolžine od 150

do 500 mm [5], polena pripravimo predvsem iz listavcev [6],

- lesni sekanci: koščki nasekane lesne biomase z določeno velikostjo delcev, ki se

izdelujejo z noži, so nepravilne pravokotne oblike in dolžine od 5 do 50 mm ter

imajo majhno debelino v primerjavi z drugimi dimenzijami [5],

- peleti: stisnjeni ostanki žaganja, dolžine od 10 do 30 mm ter premera od 5 do 15

mm,

- briketi: podobni peletom, vendar večji, dolžine do 400 mm, izdelani so s stiskanjem

žagovine, suhega lesnega prahu, lubja, oblancev in drugih lesnih odpadkov [6].

Najpomembnejše lastnosti lesnih goriv so: dimenzije, vsebnost vode, kurilnost in vsebnost

okoljsko škodljivih snovi. Pomemben je tudi izvor lesnih goriv [5].

2.5 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE V SLOVENIJI

2.5.1 Nacionalni energetski program (NEP)

Glavni dokument v Sloveniji, ki določa dolgoročne razvojne cilje in usmeritve (ob

upoštevanju okoljskih in tehnoloških kriterijev), razvoj javne infrastrukture in

infrastrukture državnega pomena ter mehanizme za spodbujanje uporabe OVE, je

Nacionalni energetski program (NEP) Slovenije, ki je pripravljen v skladu z zahtevami

Energetskega zakona [7].

NEP zajema naslednja poglavja: Strategija NEP, Podprogrami NEP, Horizontalni

podprogrami NEP, Ocena učinkov NEP, Izvedba in spremljanje programa, Priloge.

Največjo pozornost bomo namenili Podprogramu NEP na področju trajnostne rabe energije

in lokalne oskrbe z energijo, katerega podpoglavje je poglavje Obnovljivi viri energije.


9

»Cilji slovenske energetske politike za obnovljive vire energije so:

- zagotoviti 25-odstotni delež OVE v končni rabi energije do leta 2020 in 30-odstotni

delež OVE do leta 2030; dolgoročno povečevati delež OVE v končni rabi energije

po letu 2030;

- zagotoviti 10-odstotni delež OVE v prometu do leta 2020;

- uveljaviti URE in OVE kot prioritete gospodarskega razvoja [8].«

NEP v omenjenem podpoglavju določa strategijo, podporno okolje, spodbude, pričakovane

učinke, akterje, financiranje ter spremljanje izvedbe podprograma.

K pričakovanim učinkom NEP-a sodijo ukrepi razpršene proizvodnje električne energije in

oskrbe s toploto iz OVE ter pričakovani obseg izvedbe ukrepov. Na področju uporabe

geotermalne energije, sončne energije in lesne biomase so predlagani ukrepi, ki so

zanimivi za nadaljnjo vsebino magistrske naloge, naslednji:

- geotermalna elektrarna, pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 0 MW do leta 2020 in

25 MW do leta 2030,

- geotermalni ogrevalni sistemi, pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 10 sistemov do

leta 2020 in 20 sistemov do leta 2030,

- sončni kolektorji, pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 669.000 m2 do leta 2020 in

1.557.000 m2 do leta 2030,

- kotli na lesno biomaso (LBM) v industriji (220 kW), pričakovani obseg izvedbe

ukrepa: 200 enot do leta 2020 in 280 enot do leta 2030,

- kotli na LBM v industriji (2.000 kW), pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 50 enot

do leta 2020 in 70 enot do leta 2030 [8].

Glede na cilje v NEP-u je jasno, da moramo čim bolj težiti k čim večji uporabi OVE. V

nadaljevanju se bomo osredotočili na potencial geotermalne energije, sonca in lesne

biomase v Sloveniji, s poudarkom na območjih nahajališč geotermalne energije.


10

2.6 POTENCIAL OVE V SLOVENIJI

Za izračun modela geotermalne elektrarne v poglavju 4 potrebujemo nekaj osnovnih

vhodnih podatkov za OVE, ki bodo uporabljeni v sistemu. Osnova je seveda geotermalna

energija, preučiti pa moramo tudi potencial sonca in lesne biomase.

2.6.1 Potencial geotermalne energije

Geotermalna potencialna območja v Sloveniji lahko razdelimo na pet regij:

- Panonski bazen, površina 1300 km2, več kot 100 l/s termalne vode s temperaturo od

40 do 70 °C,

- Rogaško-celjsko-šoštanjska regija, površina 450 km2, več kot 250 l/s termalne vode

s temperaturo od 18,5 do 48 °C,

- Planinsko-laško-zagorska regija, površina 380 km2, več kot 150 l/s termalne vode s

temperaturo od 21 do 43 °C,

- Krško-brežiška regija, površina 550 km2, več kot 240 l/s termalne vode s

temperaturo od 15 do 64 °C,

- Ljubljanska kotlina, površina 600 km2, okrog 150 l/s termalne vode s temperaturo

od 18 do 30 °C [2].

Na območju Panonskega bazena imamo dva vodonosnika, ki sta v različnih kamninah:

nizkotemperaturni vodonosnik Termal 1 in visokotemperaturni vodonosnik Termal 2.

Vodonosnik Termal 1 predstavlja nizkotemperaturni sistem (temperature do 150 °C),

vodonosna plast na zahodnem delu dosega globino več kot 1500 m, globina vodonosnika

se veča proti vzhodu. Termal 2 je edini visokotemperaturni vodonosnik, ki se nahaja v

globinah do 2000 m, temperatura v njem doseže 110 °C. V južnem delu vodonosnik sega

do globine 4000 m, tam je termalna voda ogreta na več kot 200 °C [2]. Na tem območju bi

bilo tudi najbolj smiselno postaviti potencialno geotermalno elektrarno.


11

V Krško-brežiški regiji, točneje v Krški kotlini, je ocenjen potencial 0,5∙1018

J na površini

118 km2. Debelina vodonosnika je 400 m, maksimalna ocenjena energija pa je 11,2 GJ/m

2.

Maksimalna temperatura termalne vode, ki jo črpajo v Termah Čatež, je 60 °C [2].

Rogaško-celjsko-šoštanjska regija je tudi potencialno možno območje za izkoriščanje

geotermalne energije za proizvodnjo električne energije, vendar bi bilo potrebno zgraditi

bistveno globlje vrtine, če bi hoteli priti do višjih temperatur od 45 °C.

V Sloveniji znaša teoretični potencial geotermalne energije 5.467 GWh oziroma 301 GWh

električne energije na leto [9].

Na sliki 2.2 so prikazane temperature geotermalne vode v Sloveniji v globini 1000 m. Z

vijolično črto je obkroženih pet prej omenjenih geotermalnih potencialnih območij, kjer

številke pomenijo: 1 – Panonski bazen, 2 – Rogaško-celjsko-šoštanjska regija, 3 –

Planinsko-laško-zagorska regija, 4 – Krško-brežiška regija in 5 – Ljubljanska kotlina. Kot

lahko razberemo s slike in iz legende, so najvišje temperature v globini 1000 m med

Mariborom in Mursko Soboto. Ostala območja, označena z rumeno barvo so tudi

potencialno možna za uporabo geotermalne energije za proizvodnjo električne energije,

ampak ob mnogo višjem denarnem vložku za izgradnjo globokih vrtin.

Slika 2.2: Temperatura geotermalne vode v globini 1000 m [10]

1

2

3

4

5


12

V Sloveniji je nekaj več kot 100 evidentiranih vrtin. Večinoma segajo do globine nekaj

deset metrov, nekatere so tudi globlje (tudi do 2200 m). Največ vrtin je na območju

Panonskega bazena, saj so tam tudi najvišje temperature v plitvih slojih Zemlje [11].

2.6.2 Potencial sončne energije

Celoten potencial sončnega sevanja v Sloveniji znaša okoli 23.000 TWh. Ocenjen tehnično

razpoložljivi potencial glede na sedaj razvite tehnologije je približno 960 GWh na leto [9].

V Sloveniji je povprečno sončno obsevanje na kvadratni meter horizontalne površine večje

od 1000 kWh/m2 (3600 MJ/m

2). Povprečje letnega globalnega obsevanja od leta 1993 do

2003 je med 1053 in 1389 kWh/m2, polovica Slovenija prejme med 1153 in 1261 kWh/m

2.

Na območjih z nahajališči geotermalne vode je povprečno sončno obsevanje na

horizontalno površino povsod približno enako in znaša okoli 1236 kWh/m2, kar je blizu

slovenskemu povprečju (1250 kWh/m2) [12]. Opisani podatki so vidni na sliki 2.3.

Slika 2.3: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [12]

Pri postavitvi sončnih kolektorjev je pomembno tudi to, kako so orientirani. Za primer

vzemimo Mursko Soboto. V tabeli 2.1 so povzeti izračuni sončnega obsevanja na osnovi


13

podatkov o sončnem obsevanju na ravno površino v Murski Soboti glede na različne

orientacije in naklone modulov [13].

Tabela 2.1: Sončno obsevanje v Murski Soboti [13]

Orientacija modulov Naklon modulov (°) Sončno obsevanje pri

danih podatkih (kWh/m2)

vzhod

10 1240

30 1153

45 1056

jug

10 1344

30 1425

45 1398

zahod

10 1243

30 1160

45 1065

Pridemo do ugotovitve, da je optimalna postavitev sončnih kolektorjev v smeri jug z

naklonom 30 °C, saj je tam največje sončno obsevanje 1425 kWh/m2.

2.6.3 Potencial lesne biomase

Po podatkih gozdnogospodarskih načrtov Zavoda za gozdove Slovenije je lesna zaloga

slovenskih gozdov 337816717 m3 oziroma 285 m

3/ha, od tega je listavcev 54 % in

iglavcev 46 %. Letni prirastek lesa je 8419974 m3 ali 7,1 m

3/ha. V gozdovih se v zadnjih

nekaj letih poseka od 3,4 do 3,9 milijonov m3 dreves letno, od tega 55 % iglavcev in 45 %

listavcev. V letu 2012 je bilo skupno posekano 3910807 m3 dreves [14]. Navedeni podatki

so vidni na sliki 2.4, kjer je predstavljena lesna zaloga v Sloveniji v m3/ha.


14

Slika 2.4: Lesna zaloga v Sloveniji [14]

Opazimo, da je na območjih nahajališč geotermalne energije manj lesne zaloge kot na

preostalih območjih, razen na območju zahodno od Velenja, ki spada v geotermalno

potencialno območje Rogaško-celjsko-šoštanjske regije. Na območju zahodno od Velenja

je tudi največji letni prirastek gozdov (nad 10 m3/ha), kar lahko vidimo s slike 2.5. Na

drugih geotermalno potencialnih območjih je letni prirastek precej nižji, saj znaša od 2,5

do največ 10 m3/ha.

Slika 2.5: Prirastek gozdov v Sloveniji [14]


15

Pri oceni potenciala lesnih goriv za proizvodnjo toplote ali električne energije moramo

najprej ugotoviti njihovo energijsko vrednost. Energijska vrednost goriva je količina

energije, ki jo dobimo med popolnim zgorevanjem enote mase goriva. Z večjo vsebnostjo

vode v lesu se niža njegova energijska vrednost, saj se del energije, sproščene med

zgorevanjem, porabi za izhlapevanje vode. Ločimo naslednji energijski vrednosti:

- kurilnost (Hi): količina toplote, ki jo dobimo z zgorevanjem goriva, če se dimni

plini ne ohladijo pod temperaturo rosišča vodne pare (odšteli smo toplotno energijo,

ki jo potrebujemo za spremembo vode v paro),

- zgorevalna toplota (Hs): vsa toplota, ki se sprosti pri zgorevanju, vključno s toploto

vodne pare v dimnih plinih [15].

Vrednosti kurilnosti sušilnično suhega lesa za iglavce in listavce so od 18,5 do 19 MJ/kg.

Upoštevati je treba, da je ta les sušen v sušilnici, za kar prav tako porabljamo energijo. Bolj

smotrno bi bilo torej uporabiti les z vsebnostjo vode pa čeprav ima nižjo vrednost

kurilnosti. V tabeli 2.2 so podane vrednosti kurilnosti (Hi = 18,5 MJ/kg) v odvisnosti od

vsebnosti vode (w %). Vsebnost vode je delež mase vode v lesu glede na maso vlažnega

lesa [15].

Tabela 2.2: Kurilnost (Hi = 18,5 MJ/kg) kot funkcija vsebnosti vode (w %) [15]

w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg

15 4,27 31 3,34 47 2,41

16 4,21 32 3,28 48 2,35

17 4,15 33 3,22 49 2,29

18 4,10 34 3,16 50 2,23

19 4,04 35 3,11 51 2,17

20 3,98 36 3,05 52 2,12

21 3,92 37 2,99 53 2,06

22 3,86 38 2,93 54 2,00

23 3,80 39 2,87 55 1,94

24 3,75 40 2,81 56 1,88

25 3,69 41 2,76 57 1,82

26 3,63 42 2,70 58 1,77

27 3,57 43 2,64 59 1,71

28 3,51 44 2,58 60 1,65

»se nadaljuje«


16

»nadaljevanje«

w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg

29 3,45 45 2,52 61 1,59

30 3,40 46 2,47 62 1,53

S pomočjo zgornje tabele lahko za katero koli vrednost (od 15 do 62 %) vsebnosti vode

takoj najdemo vrednost kurilnosti v kWh/kg, če je izbrana začetna vrednost kurilnosti Hi =

18,5 MJ/kg, kar je spodnja vrednost kurilnosti sušilnično suhega lesa. Tako lahko

izračunamo, koliko lesa potrebujemo za proizvodnjo izbrane količine toplote.

Sedaj, ko imamo osnovne podatke o potencialu OVE v Sloveniji, se lahko lotimo teorije

modela geotermalne elektrarne. Najprej bomo predstavili binarni sistem – ORC, ki je

najprimernejši za izkoriščanje nizkoentalpijskih geotermalnih virov.


17

3 IZKORIŠČANJE NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA

PROIZVODNJO ELEKTRIČNE ENERGIJE

3.1 UVOD

Za izkoriščanje nizkoentalpijske geotermalne energije se uporabljajo t. i. binarni

termodinamični procesi, s katerimi povečamo izkoristek sistema s tem, da izkoristimo čim

več energije. Geotermalne elektrarne z binarnim sistemom so po načelih termodinamike

najbližje konvencionalnim termoelektrarnam ali jedrskim elektrarnam, in sicer po tem, da

je delovni medij v zaprtem krogu. Delovni medij, ki ga izberemo na podlagi

termodinamičnih lastnosti za določen sistem, prejme toploto od geotermalne vode, se

upari, ekspandira skozi pogonski stroj (turbino), nato se kondenzira in se vrne v uparjalnik

z napajalno črpalko. Pri tem geotermalno vodo vračamo v podzemni rezervoar [16].

Enostavna shema binarnega sistema je na sliki 3.1.

Binarne elektrarne so najbolj razširjene geotermalne elektrarne z 235 delujočimi enotami

(avgust 2011) v 15 državah. Proizvajajo preko 708 MW moči. Predstavljajo 40 % vseh

geotermalnih enot, generirajo pa samo 6,6 % celotne moči. Povprečna moč takšne

elektrarne je majhna, samo 3 MW/enoto, toda z napredno tehnologijo se uvajajo enote

moči do 21 MW (uporabljajo dve turbini, ki poganjata en generator) [16].

Binarni sistemi se uporabljajo za nizkotemperaturne geotermalne vire (temperatura pod

150 °C), saj v tem temperaturnem območju dosegajo največje izkoristke [16].


18

Slika 3.1: Shematski prikaz binarnega procesa [17]

Za proizvodnjo električne energije iz nizkoentalpijskih geotermalnih virov sta v literaturi

predlagana dva binarna procesa, in sicer:

- organski Rankinov proces (ORC), ki je podoben parnemu Rankinovemu procesu, le

da se v ORC za delovni medij namesto pare uporabljajo ogljikovodiki [18].

Ogljikovodiki prej dosežejo vrelno temperaturo, zato so boljši v procesih za

proizvodnjo električne energije iz nizkotemperaturnih virov [19];

- Kalina proces, ki je podoben ORC, le da za delovni medij uporablja mešanico vode

in amonijaka s spremenljivo sestavo (deleža vode oz. deleža amonijaka).

Kalina proces je pogosto omenjen kot alternativa za ORC, dokazano pa je, da imata oba

procesa približno enako učinkovitost [18].

Za model geotermalne elektrarne, ki bo podrobno opisan v naslednjem poglavju, smo si

izbrali ORC, zato bodo v nadaljevanju predstavljene teoretične osnove tega procesa. ORC

proces izberemo zato, ker ima največje izkoristke pri uporabi nizkoentalpijskih virov

energije za proizvodnjo električne energije. Termodinamični potek v ORC sistemu je

dobro znan, saj je, kot smo že omenili, zelo podoben parnemu Rankinovemu procesu.

parna turbina

hladilni stolp

proizvodna vrtina

injektivna vrtina

toplotni prenosnik

kondenzator


19

3.2 ORGANSKI RANKINOV PROCES

3.2.1 Shema in termodinamične osnove

Termodinamične osnove za proces lahko najdemo v [20] poglavjih, kjer sta razložena prvi

in drugi glavni zakon termodinamike.

Kot smo že omenili, ORC uporablja za delovni medij ogljikovodike oz. zmesi le-teh zaradi

nižje temperature uparjanja, kot jo ima voda. Na sliki 3.2 je prikazan T-s diagram za

propan kot delovni medij v procesu. Na sliki 3.3 pa je prikazana shema tehnološkega

procesa [21].

Slika 3.2: ORC T-s diagram [21]

Slika 3.3: ORC – shema tehnološkega procesa [21]

Specifična entropija [kJ/kgK]

Tem

pe

ratu

ra [

°C]

KT

Wčrpalka

Wturbina

v generatortoplotni

prenosnikturbina

kondenzator

napajalna črpalka 12

3

4


20

Črpalka stisne delovni medij, ki se nato segreje in upari v toplotnem prenosniku. Pri tem

jemlje toploto iz vira. Potem delovni medij ekspandira v parni turbini. V zadnjem koraku

cikla v kondenzatorju odstranimo preostalo toploto. Spremembe stanja idealnega procesa

so naslednje (glej sliko 3.3):

- 1 – 2: izentropna kompresija, v cikel vloženo delo,

- 2 – 3: izobarno dovedena toplota (toplotni prenosnik),

- 3 – 4: izentropna ekspanzija, iz cikla oddano delo,

- 4 – 1: izobarno odvedena toplota (kondenzator) [21].

Glede na to, pri kolikšnem tlaku se dovaja toplota, ločimo podkritični sistem in nadkritični

sistem. Pri podkritičnem sistemu fluid med uparjanjem prehaja skozi dvofazno območje

(odebeljena črta na sliki 3.2), pri nadkritičnem sistemu pa ne (prekinjena črta na sliki 3.2).

Mesto kritične točke (KT) je odvisno od fluida [21].

Iz entalpijske razlike med posameznimi stanji lahko izračunamo prispevek energije za

vsako komponento:

- dovedeno delo napajalne črpalke: wč = h2 – h1,

- dovedena toplota v toplotnem prenosniku: qin = h3 – h2,

- dobljeno specifično delo turbine: wt = h3 – h4,

- odvedena toplota v kondenzatorju: qout = h4 – h1.

Sedaj lahko definiramo enačbo (3.1) za termični izkoristek cikla:

in

čt

in

outint

q

ww

q

qq

η , (3.1)

kjer je:

tη – termični izkoristek [21].

Ta enačba velja v idealnem primeru, realno pa so prisotne izgube. Tlačnih izgub v

cevovodih, toplotnem prenosniku in v kondenzatorju ne smemo spregledati. Dodatno

imamo še izgube pri kompresiji v črpalki in ekspanziji v turbini. Te izgube so vidne v

povečanju entropije pri kompresiji in ekspanziji. Definiramo jih lahko z izentropnim

izkoristkom črpalke oz. turbine, kar je podano v enačbah (3.2) in (3.3).


21

12

12ηhh

hh sč

, (3.2)

kjer je:

čη – izentropni izkoristek črpalke,

h2s – entalpija pri izentropni spremembi (J/kg),

h1 – entalpija v stanju 1 (J/kg),

h2 – entalpija v stanju 2 (J/kg).

s

thh

hh

43

43η

, (3.3)

kjer je:

tη – izentropni izkoristek turbine,



h4s – entalpija pri izentropni spremembi (J/kg) [21].

3.2.2 Opis elementov ORC

Turbina

Analiza turbine je podobna analizi parne turbine. Shema turbine je na sliki 3.4. Moč

turbine lahko izračunamo po enačbi (3.4).

Slika 3.4: Turbina/generator za binarni sistem


22

stdmdmt hhmhhmW 2121 η , (3.4)

kjer je:

tW – moč turbine (W),

dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s).

Lastnosti za delovni medij lahko najdemo iz tabel ali grafov za katere koli izbrane

parametre. Želena moč turbine določi masni pretok delovnega medija [16].

Kondenzator

V kondenzatorju odvedemo toploto delovnemu mediju s pomočjo hladilne tekočine.

Shema kondenzatorja s hladilno tekočino je na sliki 3.5.

Slika 3.5: Kondenzator s hladilno tekočino

Odvedena toplotna moč se dobi po enačbi (3.5):

32 hhmQ dmk , (3.5)

kjer je:

kQ – toplotna moč odvedena v kondenzatorju (W).

Zveza med masnima pretokoma delovnega medija in hladilne tekočine je zapisana v enačbi

(3.6):

xyhtdm hhmhhm 32 , (3.6)

kjer je:


23

htm – masni pretok hladilne tekočine (kg/s) [16].

Napajalna črpalka

Z uporabo enakih predpostavk kot za ostale elemente se moč napajalne črpalke, ki jo

prenesemo na delovni medij, izračuna po enačbi (3.4), le da upoštevamo izkoristek črpalke

in dobimo enačbo (3.7). Na sliki 3.6 je shema napajalne črpalke.

Slika 3.6: Napajalna črpalka

čsdmdmč hhmhhmW η3434 , (3.7)

kjer je:

čW – moč črpalke (W).

Uparjalnik

Za toplotno moč, ki jo dovedemo v sistem, uporabimo podobni enačbi kot pri

kondenzatorju, le da imamo obrnjeno situacijo – v kondenzatorju se toplota odvaja s

hladilno tekočino, v uparjalniku pa se toplota dovaja z virom toplote (geotermalnim

virom). Na sliki 3.7 je shema toplotnega prenosnika oz. uparjalnika z virom geotermalne

vode.


24

Slika 3.7: Uparjalnik z geotermalno vodo

Dovedeno toplotno moč iz geotermalnega vira izračunamo po enačbi (3.8):

41 hhmQ dmu , (3.8)

kjer je:

uQ – toplotna moč dovedena v uparjalniku (W).

Zveza med masnima pretokoma delovnega medija in geotermalne vode je zapisana v

enačbi (3.9):

bageodm hhmhhm 41

, (3.9)

kjer je:

geom – masni pretok geotermalne vode (kg/s) [16].

Sedaj, ko smo spoznali osnovne termodinamične veličine in z njimi opisali osnovni ORC

sistem, se lahko lotimo modela geotermalne elektrarne, ki bazira na podobnem sistemu.


25

4 KOMBINIRAN PROCES IZKORIŠČANJA OVE ZA PROIZVODNJO

ELEKTRIČNE ENERGIJE

4.1 OPIS IN SHEMA SISTEMA

Osnova modela geotermalne elektrarne je ORC sistem, v katerem je delovni medij, ki ga

segrevamo z različnimi OVE. Najprej izkoristimo geotermalno energijo, nato sončno

energijo ter nazadnje LBM. V literaturi se večinoma omenjajo sistemi, ki uporabljajo

kombinacijo dveh OVE, v našem primeru bomo koristili kar tri. Prednost takšnega sistema

je, da izkoristimo čim več razpoložljivih OVE, s čimer si zagotovimo večjo zanesljivost

obratovanja sistema ter posledično zmanjšamo oz. izničimo nihanje proizvodnje električne

energije. Na sliki 4.1 je prikazana shema sistema z vsemi pripadajočimi elementi.

Slika 4.1: Shema ORC – geotermalna energija, sončna energija, lesna biomasa


26

Označbe na sliki 4.1 pomenijo:

- 1 – 5: stanja delovnega medija,

- V1, V2: ventil,

- T – temperaturni senzor,

- geom – masni pretok geotermalne vode iz produkcijske vrtine,

- sm – masni pretok medija iz sončnega podsistema,

- LBMm – masni pretok medija iz podsistema na lesno biomaso,

- htm – masni pretok hladilne tekočine za hlajenje delovnega medija.

V stanju 1 delovni medij vstopa v toplotni prenosnik, kjer sprejme toploto od geotermalne

vode iz produkcijske vrtine in preide v stanje 2. Delovni medij nato iz stanja 2 vstopa v

uparjalnik, kjer ga še dodatno segrejemo s toploto iz sončnega podsistema. Takoj za tem

imamo postavljen temperaturni senzor, ki meri temperaturo delovnega medija, ter dva

ventila. Če senzor zazna nižjo temperaturo od želene, se zapre V2 ter odpre V1, s čimer

omogočimo, da delovni medij potuje v še en uparjalnik na dodatno segrevanje s toploto iz

podsistema na lesno biomaso, kjer se segreje na želeno temperaturo (stanje 3), s katero

vstopa v parno turbino, kjer ekspandira do stanja 4. Nato vstopi v kondenzator, kjer odda

toploto hladilni tekočini in preide v stanje 5. V zadnjem koraku cikla delovni medij preko

črpalke preide iz stanja 5 v stanje 1.

4.2 OPIS IZBIRE DELOVNEGA MEDIJA

Izbira medija je zelo pomembna, saj s to odločitvijo pri načrtovanju ORC zelo vplivamo na

učinkovitost binarne elektrarne. Čeprav imamo na izbiro veliko različnih medijev, moramo

vzeti v ozir tako njihove termodinamične lastnosti kot tudi vpliv na zdravje, varnost in

okolje [16].

Pri izbiri delovnega medija je pomembno, da ima ORC proces pri izbranem mediju kar

najvišji termodinamični izkoristek in da delovni medij omogoči, da nizkotemperaturni

geotermalni vir čim bolje izrabimo [22]. Pomembno je tudi, da delovni medij po ekspanziji


27

v turbini ne pride v mešano območje (tekočina in para), ampak da ostane v območju

pregrete pare [16].

Že v prejšnjem poglavju smo ugotovili, da bomo uporabili ogljikovodike, ki imajo precej

nižjo kritično temperaturo in kritičen tlak kot voda. Sem na primer spadajo: propan (C3H8),

izobutan (i-C4H10), butan (C4H10), izopentan (i-C5H12), pentan (C5H12). Vsi našteti

ogljikovodiki imajo kritično temperaturo pod 200 °C in kritičen tlak pod 4,3 MPa; za

referenco, voda ima kritično temperaturo 374 °C in kritičen tlak 22,1 MPa [16].

Izbira delovnega medija za ORC proces je tema kar nekaj člankov. Če se naslonimo na

rezultate izračunov in simulacij, opravljenih v virih [23], [24] in [25], pridemo do

ugotovitve, da je za naš sistem več potencialnih ogljikovodikov in sicer: R236ea (CF3–

CHF–CHF2), R245ca (CF3–CHF–CH2F), R600 (butan), R600a (izobutan), R601a

(izopentan), RE134 (CHF2–O–CHF2), RE245 (CHF2–O–CH2–CF3), R134a (CF3–CH2F),

R245fa (CF3–CH2–CHF2).

V viru [23] sta ogljikovodika R134a in R245fa za delovni medij v nizkotemperaturnem

ORC procesu še posebej testirana in prišli so do zaključka, da je R245fa najbolj optimalna

izbira (kot tudi v [24] in [25]).

V nadaljevanju naloge bomo za izhodišče vzeli članek [23], zato bomo izbrali R245fa za

delovni medij.

4.2.1 Delovni medij: R245fa

R245fa (lahko tudi HFC-245fa) je s svojimi termodinamičnimi lastnostmi in okoljsko

sprejemljivostjo postal zelo izkoriščan delovni medij v industriji. Primeren je za številne

aplikacije, kot so centrifugalni hladilniki, ORC sistemi za proizvodnjo električne energije,

prenos toplote za nizkotemperaturno hlajenje, medij v sekundarni zanki za komercialno

hlajenje in toplotne črpalke. V tabeli 4.1 so podane nekatere fizikalne in termodinamične

lastnosti R245fa [26].


28

Tabela 4.1: Fizikalne in termodinamične lastnosti R245fa [26]

Kemijsko ime 1,1,1,3,3–pentafluoropropan

Molekulska formula CF3–CH2–CHF2

Molekulska masa 134

Temperatura vrelišča (°C) pri 1,01 bar* 15,3

Temperatura zmrzišča (°C) pri 1,01 bar < –107

Kritična temperatura (°C) 154,05

Kritičen tlak (bar) 36,4

Gostota tekočine (kg/m3) 1339

Podatki so pri 25 °C, razen če je napisano drugače. *1 bar = 105 Pa [27]

Na sliki 4.2 je T-s diagram za R245fa, na sliki 4.3 pa p-h diagram za R245fa. Slednjega

bomo potrebovali pri preračunu v naslednjem podpoglavju, zato so v njem že vrisane

najpomembnejše točke (stanja) ter dogajanje v ciklu. Podrobneje bomo sliko obrazložili v

poglavju 4.3.

Slika 4.2: T-s diagram za R245fa [28]


29

Slika 4.3: p-h diagram za R245fa [29]


30

4.2.2 Bi bila voda primerna za delovni medij?

Kot smo že omenili v 3. poglavju, je ORC sistem zelo podoben Rankinovemu procesu, ki

za delovni medij uporablja vodo (paro). Na tem mestu se lahko vprašamo, zakaj ne bi

poskusili v našem ORC sistemu imeti vode za delovni medij, če vzamemo v ozir ceno,

dostopnost, okoljski vidik in opremo za ORC.

Termodinamični preračun je pokazal, da bi v primeru, če bi izbrali vodo za delovni medij,

nizkotemperaturni geotermalni vir izgubil na pomenu, saj bi v primerjavi s toploto, ki jo

dovajamo iz sončnega sistema oz. sistema na lesno biomaso, imel zanemarljivo majhen

delež. Slabše lastnosti vode kot delovnega medija za naš ORC sistem se odražajo tudi na

termodinamičnem izkoristku, ki je v tem primeru bistveno manjši.

4.3 PRIMER IZRAČUNA ORC

4.3.1 Potek izračuna

Preden se bomo zares lotili izračuna, si moramo določiti izhodišče in potek po korakih, kar

je prikazano na sliki 4.4.

Slika 4.4: Potek izračuna


31

Označbe na sliki 4.4 pomenijo:

- A – F – vrstni red korakov v izračunu,

- geoQ – toplotni tok geotermalne vode,

- dmQ – toplotni tok delovnega medija,

- dmm – masni pretok delovnega medija,

- dodQ – dodatni toplotni tok,

- tW – moč turbine,

- kondQ – toplotni tok kondenzatorja,

- htQ – toplotni tok hladilne tekočine,

- htm – masni pretok hladilne tekočine,

- čW – moč črpalke,

- TDη – termodinamični izkoristek.

4.3.2 Izračun

Pri modeliranju sistema moramo nekatere parametre določiti, nekatere predpostaviti,

nekatere pa vzamemo iz podatkov. Sproti bomo napisali, od kod je določena vrednost, baza

za izračun sta diagram na sliki 4.3 ter potek izračuna na sliki 4.4. Oznake za veličine bodo

enake kot na omenjenih slikah.

Za vhodne podatke vzemimo geotermalni vrtini na območju Topolšice. Iz podatkov

vidimo, da imamo iz dveh vrtin (izvir Toplica in vrtina T-11/76) povprečen skupni pretok

geotermalne vode 50 l/s z maksimalno temperaturo 40 °C [30].

Za izračun toplotnega toka geotermalne vode bomo uporabili enačbo (4.1):

geogeo,pgeogeogeo TcVQ Δρ , (4.1)

kjer je:

geoQ – toplotni tok geotermalne vode (W),

geoV – prostorninski tok geotermalne vode (m3/s),


32

geoρ – gostota geotermalne vode (kg/m3),

geo,pc – specifična toplota geotermalne vode (J/kgK),

geoTΔ – sprememba temperature geotermalne vode (K).

Vrednosti za izračun enačbe (4.1) so v tabeli 4.2.

Tabela 4.2: Vrednosti za izračun geoQ

Veličina Vrednost

geoV 50 l/s = 0,05 m3/s

geoρ 1250 kg/m3 odčitamo s slike 11 v [31]

geo,pc 4,18 kJ/kgK (lahko vzamemo enako kot za vodo) iz [27]

geoTΔ

določimo. Vemo, da je vstopna temperatura geotermalne vode Tgeo,in = 40 °C, izstopno pa

določimo: Tgeo,out = 10 °C, torej je geoTΔ = Tgeo,in – Tgeo,out = 30 K.

Vse naštete vrednosti iz tabele 4.2 vstavimo v enačbo (4.1) in dobimo:

kW,,,Qgeo 57837301841250050 .

Če pogledamo diagram na sliki 4.3, smo izračunali, koliko toplotnega toka je potrebnega iz

geotermalne vode, da pridemo iz stanja 1 v stanje 2.

Za nadaljnji izračun po sliki 4.4 uporabimo enakost v enačbi (4.2):

dmgeo QQ , (4.2)

kjer je:

geoQ – toplotni tok geotermalne vode (W),

dmQ – toplotni tok delovnega medija (W).

Sedaj vemo, da je temperatura delovnega medija v stanju 2 enaka izstopni temperaturi

geotermalne vode, torej 38 °C. Po enačbi (4.3) izračunamo masni pretok delovnega medija:

52 hhmQ dmdm , (4.3)


33

kjer je:

dmQ – toplotni tok delovnega medija (W),

dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s),

h2 – entalpija v stanju 2 na sliki 4.3 (kJ/kg),

h5 – entalpija v stanju 5 na sliki 4.3 (kJ/kg).

Vrednosti za izračun enačbe so v tabeli 4.3.

Tabela 4.3: Vrednosti za izračun dmm

Veličina Vrednost

dmQ 7837,5 kW

h2 251 kJ/kg odčitamo v stanju 2 pri T2 = 38 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3

h5 157 kJ/kg odčitamo v stanju 5 pri T5 = –32 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3

Iz enačbe (4.3) izrazimo dmm in dobimo enačbo (4.4):

s

kg,

,

hh

Qm dm

dm 3883157251

57837

52

. (4.4)

V naslednjem koraku bomo izračunali, koliko dodatnega toplotnega toka potrebujemo –

dodQ , če želimo delovni medij segreti na želenih 130 °C. Pri tem preidemo skozi mešano

območje v območje pregrete pare (stanje 3). dodQ je na sliki 4.3 razdeljen na dve

komponenti, in sicer na toplotni tok iz solarnega sistema in na toplotni tok iz sistema na

lesno biomaso. To lahko opišemo z enačbo (4.5):

LBMsdod QQQ , (4.5)

kjer je:

dodQ – dodatni toplotni tok (W),

sQ – toplotni tok iz sončnega podsistema (W),

LBMQ – toplotni tok iz podsistema na lesno biomaso (W).


34

Po enačbi (4.6) bomo izračunali dodQ :

23 hhmQ dmdod , (4.6)

kjer je:

dodQ – dodatni toplotni tok (W),




V tabeli 4.4 so vrednosti za izračun enačbe (4.6).

Tabela 4.4: Vrednosti za izračun dodQ

Veličina Vrednost

dmm 83,38 kg/s


h2 251 kJ/kg

Vrednosti iz tabele 4.4 vstavimo v enačbo (4.6) in dobimo:

kW,Qdod 207622515003883 .

Izračunani toplotni tok, torej približno 20,8 MW, moramo pridobiti iz solarnega

podsistema. Če solarni podsistem ne bo sposoben generirati tolikšne količine toplotnega

toka, bo (po sliki 4.1) delovni medij šel še v podsistem na lesno biomaso, da dosežemo

stanje 3 na sliki 4.3.

Če nadaljujemo s preračunom, vidimo, da je naslednji korak izračun moči turbine tW , kar

bomo izračunali po enačbi (4.7):

43 hhmW dmt , (4.7)

kjer je:

tW – moč turbine (W),




35


Pri računanju moči turbine moramo upoštevati njen izentropni izkoristek, ki smo ga

določili in naj bo 80 %. Po enačbi (4.8) izračunamo izentropni izkoristek iη :

'

ihh

hh

43

43η

, (4.8)

kjer je:

iη – izentropni izkoristek,



h4' – entalpija v točki 4' na sliki 4.3 (kJ/kg).

Vrednosti za izračun edine neznane veličine (h4) v enačbi (4.8) so podane v tabeli 4.5.

Tabela 4.5: Vrednosti za izračun h4

Veličina Vrednost

iη 0,8


h4'

400 kJ/kg odčitamo v točki 4', če potujemo iz stanja 3 po izentropi v točko 4' na p-h diagramu

za R245fa na sliki 4.3

Iz enačbe (4.8) izrazimo h4 in dobimo enačbo (4.9):

kg

kJ,hhhh 'i 42040050080500η 4334 . (4.9)

Sedaj se lahko vrnemo k reševanju enačbe (4.7), za katero so vrednosti za izračun zbrane v

tabeli 4.6.

Tabela 4.6: Vrednosti za izračun tW

Veličina Vrednost

dmm 83,38 kg/s


h4 420 kJ/kg


36

Izračunamo moč turbine po enačbi (4.7):

kW,Wt 66704205003883 .

Ob tako nastavljenih parametrih dobimo 6,67 MW električne energije.

Sedaj bomo izračunali toplotni tok kondenzatorja kondQ po enačbi (4.10):

54 hhmQ dmkond , (4.10)

kjer je:

kondQ – toplotni tok kondenzatorja (W),




Vrednosti za izračun enačbe (4.10) so zbrane v tabeli 4.7.

Tabela 4.7: Vrednosti za izračun kondQ

Veličina Vrednost

dmm 83,38 kg/s

h4 420 kJ/kg

h5 157 kg/s odčitamo v stanju 5 pri T5 = –32 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3

Vrednosti vstavimo v enačbo (4.10) in dobimo:

kW,Qkond 219291574203883 .

Sedaj bomo izračunali masni pretok hladilne tekočine z upoštevanjem enakosti v enačbi

(4.11), ki pomeni, da toliko toplotnega toka, kot ga delovni medij v kondenzatorju odda, ga

hladilna tekočina sprejme (sprememba iz stanja 4 v stanje 5).

Izberemo hladilno tekočino za hlajenje R245fa. Vzemimo na primer raztopino etilen

glikola in vode in sicer 65 % etilen glikola, 35 % vode.

htkond QQ , (4.11)


37

kjer je:

kondQ – toplotni tok kondenzatorja (W),

htQ – toplotni tok hladilne tekočine (W).

Toplotni tok hladilne tekočine se izračuna po enačbi (4.12):

htht,phtht TcmQ Δ , (4.12)

kjer je:

htQ – toplotni tok hladilne tekočine (W),

htm – masni pretok hladilne tekočine (kg/s),

ht,pc – specifična toplota hladilne tekočine (J/kgK),

htTΔ – sprememba temperature hladilne tekočine (K).


Tabela 4.8: Vrednosti za izračun htm

Veličina Vrednost

htQ 21929 kW

ht,pc 2,943 kJ/kgK odčitamo iz [32] pri T = – 40 °C

htTΔ

določimo. Iz p-h diagrama na sliki 4.3 v stanju 4 odčitamo vstopno temperaturo delovnega

medija T4 = 10 °C. Na podlagi tega podatka določimo izstopno temperaturo hladilne tekočine,

ki naj bo Tht,out = 5 °C. Izstopna temperatura delovnega medija je v stanju 5 enaka T5 = –32 °C,

torej mora biti vstopna temperatura hladilne tekočine še nižja, naj bo na primer Tht,in = –35 °C,

torej je KTTT out,htin,htht 40Δ .

V tabeli 4.8 imamo vse vrednosti za izračun, zato iz enačbe (4.12) izrazimo htm in dobimo

enačbo (4.13), po kateri izračunamo masni pretok hladilne tekočine:

s

kg,

,Tc

Qm

htht,p

htht 3186

409432

21929

Δ

. (4.13)


38

Sledi izračun potrebne moči črpalke za spremembo stanja delovnega medija iz stanja 5 v

stanje 1. Črpalka delovnemu mediju izotermno dvigne tlak iz 0,1 bar na 20 bar. Moč

črpalke izračunamo po enačbi (4.14):

pmWdm

dm,č Δρ

1100 , (4.14)

kjer je:

100,čW – moč črpalke pri 100 % izkoristku (W),


dmρ – gostota delovnega medija (kg/m3),

pΔ – sprememba tlaka (Pa).

Vrednosti, ki jih potrebujemo za izračun enačbe (4.14), so prikazane v tabeli 4.9.

Tabela 4.9: Vrednosti za izračun čW

Veličina Vrednost

dmm 83,38 kg/s

dmρ 1484 kg/m3 iz tabele v [33]

pΔ sprememba tlaka iz stanja 5 v stanje 1. Obvezno moramo podati v Pa zaradi okrajšave enot. p5 =

0,1 bar = 104 Pa, p1 = 20 bar = 20∙10

5 Pa, torej je pΔ = 1,99∙10

6 Pa.

Vrednosti iz tabele 4.9 vstavimo v enačbo (4.14) in dobimo:

kW,,,W ,č 8111109911484

13883 6

100 .

Predpostavimo, da je izkoristek črpalke 70 %, kar pomeni, da potrebujemo večjo moč. To

izračunamo po enačbi (4.15), da za čη vstavimo 0,7:

kW,,

,WW

č

,č

č 715970

8111

η

100

. (4.15)

Nazadnje bomo izračunali termodinamični izkoristek sistema po enačbi (4.16):

%,,,

,

QQ

WW

dodgeo

čtTD 8222280

2076257837

71596670η

. (4.16)


39

4.3.3 Rezultati in diskusija

Zbrane vrednosti izračunov so v tabeli 4.10.

Tabela 4.10: Zbrane vrednosti izračunov

Veličina Vrednost

Tgeo,in 40 °C

Tgeo,out 38 °C

geoV 50 l/s

geoQ 7837,5 kW

dmm 83,38 kg/s

dodQ 20762 kW

tW 6670 kW

kondQ 21929 kW

htQ 21929 kW

htm 186,3 kg/s

čW 159,7

TDη 22,8 %

Vstopna temperatura geotermalne vode je sicer nizka, ampak je zato relativno velik pretok,

posledično je velik pretok tudi delovnega medija. Glede na to, da smo določili želeno

temperaturo na vstopu v turbino 130 °C (takšna vstopna temperatura je zato, da imamo čim

večjo entalpijsko razliko v turbini, ki pomeni večjo električno moč), moramo veliko

toplotnega toka dovajati iz dodatnega vira, torej iz sončnega podsistema, ki smo ga izbrali

kot prvo opcijo. Če sončni podsistem ne bo sposoben (glede na vrednosti sončnega

obsevanja in vremenske pogoje) generirati toliko toplotnega toka, pošljemo delovni medij

na dodatno segrevanje v podsistem na LBM, da pridemo do temperature delovnega medija

130 °C. V turbini delovni medij ekspandira na tlak 0,1 bar (največ, kolikor je mogoče po p-

h diagramu), tam ima temperaturo 10 °C. Smo v stanju 4 (glej sliko 4.3), torej na območju

pregrete pare. Da pridemo v stanje 5, v katerem delovni medij vstopa v črpalko, moramo

preiti skozi mešano območje. To naredimo tako, da delovnemu mediju v kondenzatorju s


40

toplotnim tokom hladilne tekočine odvajamo toploto. Hladilna tekočina mora imeti

primerno temperaturo (določimo jo), torej nižjo vstopno temperaturo, kot je izstopna

temperatura delovnega medija (po odvajanju toplote) v stanju 5. Po rezultatih vidimo, da

rabimo kar velik pretok hladilne tekočine (186,3 kg/s), kar pa ni presenetljivo, saj imamo

83,38 kg/s pretoka delovnega medija in odvedemo 21929 kW toplotnega toka. Ne glede na

vse ima ORC sistem zadovoljiv termodinamični izkoristek – 22,8 %.

4.3.4 Diagram tokov moči

Na sliki 4.5 je prikazan diagram tokov moči v ORC sistemu.

Slika 4.5: Tok moči v ORC sistemu

Iz diagrama na sliki 4.5 vidimo, da je od celotnega dovedenega toplotnega toka le 27,4 %

toplotnega toka iz geotermalne energije in 72,6 % iz dodatnega vira – sončne energije oz.

energije lesne biomase. Skupni vloženi toplotni tok je 28600 kW. V kondenzatorju

odvedemo 21929 kW toplotnega toka. Iz sistema dobimo 6670 kW električne moči, od

tega 159,7 kW (2,4 %) porabi črpalka, neto dobljena električna moč pa je 6510,3 kW.

Izkoristek sistema je razmerje med neto dobljeno močjo in vloženim toplotnim tokom.

Izračunan je v enačbi (4.16) in znaša 22,8 %.


41

Sedaj, ko smo naredili primer izračuna ORC sistema na sliki 4.1 in besedno ter grafično

ovrednotili rezultate, bomo določili sončni podsistem oz. opisali izbiro sončnih kolektorjev

za ta sistem. Nadalje bomo na kratko predstavili elemente v ORC sistemu.

4.4 OPIS IZBIRE SONČNIH KOLEKTORJEV

4.4.1 Kratek izračun za vakuumske sončne kolektorje

Naredili bomo preprost izračun za vakuumske sončne kolektorje. Izbrali bomo sončne

kolektorje SCM 15-58/1800 [34].

Vzamemo neko vrednost sončnega obsevanja, recimo 800 W/m2. Predpostavimo, da ima

sončni kolektor 75 % izkoristek. Po enačbi (4.17) izračunamo, koliko sončnega obsevanja

lahko izkoristimo:

21 600750800η

m

W,GG k , (4.17)

kjer je:

G – izkoristljivo sončno obsevanje (W/m2),

G1 – dejansko sončno obsevanje (W/m2),

kη – izkoristek kolektorjev.

Glede na podatke v [34] in glede na to, da potrebujemo dodQ = 20762 kW toplotnega toka

iz sončnih kolektorjev, lahko izračunamo, kolikšno površino – enačba (4.18) in koliko

takšnih kolektorjev, če je obsevna površina enega solarnega kolektorja Ak = 1,4 m2 –

enačba (4.19) bi potrebovali za naš sistem.

26

34603600

1076220m

,

G

QA dod

, (4.18)

kjer je:

A – površina sončnih kolektorjev (m2),

dodQ – toplotni tok (W),


42

G – izkoristljivo sončno obsevanje (W/m2).

2472041

34603

,A

A

k

kolektorjev, (4.19)

kjer je:

A – površina sončnih kolektorjev (m2),

Ak – obsevna površina enega sončnega kolektorja (m2).

Iz izračunanega lahko sklepamo, da takšni solarni kolektorji ne pridejo v poštev. Sploh pa

nikjer nismo upoštevali, da bi nam morali segreti delovni medij na 130 °C.

Veliko boljša rešitev so parabolični sončni kolektorji v obliki korita (U-oblika).

4.4.2 Parabolični sončni kolektorji – korito

Parabolično korito je vrsta solarnega kolektorja, ki je v eni dimenziji raven in ukrivljen kot

parabola v drugih dveh dimenzijah. Korito je obloženo s poliranim kovinskim ogledalom.

Energija sončne svetlobe, ki vstopa vzporedno z ravnino, je usmerjena vzdolž osrednje

linije. Na sredini po dolžini korita je cev, katero segrevamo z ogledalom, ki je usmerjeno

tako, da sončno svetlobo fokusiramo v cev. V cevi je medij (voda ali mešanica vode in

olja), ki ga s sončno energijo segrejemo na visoko temperaturo. Ta vroč medij lahko

uporabimo za veliko aplikacij – za direktno proizvodnjo električne energije, lahko ga

vodimo v toplotni prenosnik ali v toplotni stroj [35]. Na sliki 4.6 je ilustrirano polje

paraboličnih korit, označeni so glavni deli.

Slika 4.6: Ilustracija polja s paraboličnimi koriti [36]

absorpcijska cev

ogledalo

cevni sistem (delovna tekočina)


43

Korito je večinoma nameščeno na osi sever-jug, nekatera korita imajo tudi sledenje soncu

preko dneva. Korito je lahko orientirano tudi na osi vzhod-zahod, ampak v tem primeru bi

dobili manjši izkoristek.

4.4.3 Parabolični kolektor: model PTMx-36

Za izračun solarnega sistema izberemo koritast parabolični sončni kolektor podjetja

Soltigua, in sicer model PTMx-36. Kot osnovo za preračun bomo vzeli podatkovni list za

ta sončni kolektor, ki je v prilogi A [37].

Za preračun bomo uporabili enačbo (4.20), ki jo najdemo na 1. strani priloge A za toplotno

moč kolektorjev:

DNISP η , (4.20)

kjer je:

P – toplotna moč (W),

η – izkoristek,

S – neto zbiralna površina (m2),

DNI – ang. Direct Normal Irradiance (direktno pravokotno obsevanje) (W/m2).

Za izračun izkoristka bomo uporabili enačbo (4.21):

DNIT,,KL Δ6407470η , (4.21)

kjer je:

η – izkoristek,

KL – ang. Longitudinal Incident Angle Modifier (IAM) – longitudinalni

spreminjevalec kota,

TΔ – sprememba temperature (K),

DNI – ang. Direct Normal Irradiance (direktno pravokotno obsevanje) (W/m2).



44

Tabela 4.11: Vrednosti za izračun η

Veličina Vrednost

KL 0,861. Izberemo iz tabele na 1. strani v prilogi A pri kotu (kot med naključnimi sončnimi žarki

in pravokotnico na ravnino zaslonke, skozi katero potuje svetloba) 30° za PTMx-36.

TΔ

110 K. TΔ je sprememba temperature med temperaturo medija in zunanjo temperaturo.

Recimo, da je temperatura medija 130 °C in zunanja temperatura 20 °C.

DNI 800 W/m2


%,,,, 5656080011064074708610η .

Sedaj imamo vse vrednosti, ki so zapisane v tabeli 4.12 za izračun enačbe (4.20).

Tabela 4.12: Vrednosti za izračun P

Veličina Vrednost

η 0,56

S

82 m2. Vzamemo iz tabele na 2. strani priloge A za PTMx-36 v stolpcu neto zbiralna površina

za en kolektor.

DNI 800 W/m2


kW,,P 743680082560 .

Dobili smo toplotno moč enega kolektorja PTMx-36.

Vemo, da za naš sistem rabimo 20762 kW toplotne moči. Z enačbo (4.22) izračunamo,

koliko takšnih kolektorjev bi potrebovali.

5657436

20762

,P

PN cel , (4.22)

kjer je:

N – število kolektorjev,

celP – potrebna moč za sistem (W),

P – moč enega PTMx-36 (W).


45

Po enačbi (4.23) izračunamo, koliko površine bi toliko kolektorjev pokrilo.

NSS rcel , (4.23)

kjer je:

Scel – celotna površina (m2),

Sr – minimalna zahtevana površina (m2),

N – število kolektorjev.

V tabeli 4.13 imamo vrednosti za izračun enačbe (4.23).

Tabela 4.13: Vrednosti za izračun Scel

Veličina Vrednost

Sr

193 m2. Podatek iz tabele na 2. strani priloge A za PTMx-36 v stolpcu minimalna zahtevana

površina za en kolektor.

N 565


2109045565193 mScel .


Za dodatno segrevanje delovnega medija v ORC sistemu potrebujemo kar 20762 kW

toplotnega toka. To je visoka številka, zato tudi pridemo do takšnih rezultatov pri

preračunu za sončne kolektorje. Za postavitev PTMx-36 kolektorjev bi potrebovali

približno 11 ha površine, kar je zelo veliko. Potrebno je vedeti tudi, da so bili preračuni

narejeni za fiksno sončno obsevanje (izbrali smo si 800 W/m2), vemo pa, da se količina

sončnega obsevanja iz ure v uro spreminja. Smiselno bi bilo izkoristiti sončno energijo,

ampak mogoče s kakšno drugo vrsto kolektorjev. Ravno zato, ker smo predpostavili, da

bodo rezultati takšni, smo za dodatni podsistem za dogrevanje medija v ORC sistemu

postavili sistem na LBM.


46

4.5 SISTEM NA LESNO BIOMASO

Za gorivo v sistemu na lesno biomaso bomo uporabili lesne sekance, zato bomo najprej

opisali peč za kurjenje lesnih sekancev. Obstajajo tri osnovne vrste: retortna peč, peč s

predkuriščem in peč z vrivanjem goriva. Pri vseh potrebujemo dovod lesnih sekancev v

kurišče, kar naredimo s polžem. S polžastim prenosom odvajamo tudi pepel iz peči [6].

Za naš sistem na LBM bomo izbrali retortno peč in jo opisali.

4.5.1 Retortna peč na lesne sekance

Retortna peč je manjša, kar pomeni, da je potreben manjši prostor za postavitev. Manjše so

tudi izgube žarčenja zaradi majhne velikosti, posledično ima večji izkoristek [6].

Proces uplinjanja lesa poteka tako, da z dovodnim polžem dovajamo sekance v kurišče, ki

ima obliko krožnika. Pri tem dovajamo tudi primarni zrak. Nad zgorevalnim krožnikom je

zgorevalni obroč, preko katerega se dovaja pregreti sekundarni zrak, s katerim zagotovimo

kakovostno zgorevanje ne glede na obremenitev. Pri zgorevanju nastali vroči plini potujejo

v toplotni prenosnik. Boljše peči imajo še polža za odvod pepela v zalogovnik, nekatere

imajo tudi avtomatsko čiščenje dimnih kanalov [6]. Na sliki 4.7 je shema retortne peči.

Retortne peči so od nekaj deset kW toplotnih moči do več deset MW [38].

Slika 4.7: Shema retortne peči [6]

1

2

3 46

5

7

8

9

10

11

12

13


47

Številke na sliki 4.7 pomenijo: 1 – dimni plini, 2 – toplotni prenosnik, 3 – vratca, 4 –

izolacija, 5 – sekundarno gorišče, 6 – termostat, 7 – primarno gorišče, 8 – posoda za pepel,

9 – dovod sekancev, 10 – zapora za ogenj, 11 – dodajalni polž, 12 – naprava za električni

vžig, 13 – nadzor in uravnavanje [6].

4.5.2 Koliko lesnih sekancev potrebujemo?

Kot že vemo, za naš ORC sistem potrebujemo dodQ = 20762 kW toplotnega toka za

dodatno segrevanje delovnega medija. Vemo, da lahko toliko toplote iz sončnih

kolektorjev dobimo samo, ko je prisotno sončno obsevanje. Sistem na LBM bi deloval

samo takrat, ko sončnega obsevanja nimamo. Sedaj bomo preračunali, koliko lesnih

sekancev potrebujemo za ta sistem.

Najprej bomo izračunali, koliko toplote bi potrebovali iz sistema na LBM, če bi deloval

celo leto, 24 ur na dan, nato bomo izračunali, koliko toplote na leto lahko dobimo iz

solarnega podsistema, kar ostane je pa dejanska toplota, ki jo moramo dobiti iz sistema na

LBM.

Če bi sistem na LBM deloval neprekinjeno celo leto, dobimo količino toplote, ki jo mora

zagotoviti po enačbi (4.24) [15]:

tQQ kodod η ,

(4.24)

kjer je:

Q – toplota (Wh),

dodQ – toplotni tok (W),

koη – izkoristek kotla,

t – čas (h).

Vrednosti za izračun enačbe (4.24) so podane v tabeli 4.14.


48

Tabela 4.14: Vrednosti za izračun Q

Veličina Vrednost

dodQ 20762 kW

koη 0,8. Vzamemo iz primera 4 v [15].

t 8760 h. (24 h ∙ 365 dni)


MWh,Q 14550087608020762 .

Sedaj po enačbi (4.25) izračunamo, koliko toplote lahko dobimo iz solarnega podsistema:

obss S,GQ 80 , (4.25)

kjer je:

Qs – toplota (Wh),

G – sončno obsevanje (kWh/m2),

Sobs – obsevana površina kolektorjev (m2).

G je podatek za sončno obsevanje na horizontalno površino, kolektorji v sončnem sistemu

so pa v obliki parabole, zato dodamo v enačbo faktor 0,8, kar pomeni, da upoštevamo 80 %

vrednosti G.

Še prej pa moramo izračunati Sobs, kar storimo po enačbi (4.26):

NSSobs , (4.26)

kjer je:

Sobs – celotna obsevana površina (m2),

S – neto zbirala površina (m2),

N – število kolektorjev.



49

Tabela 4.15: Vrednosti za izračun Sobs

Veličina Vrednost

S

82 m2. Vzamemo iz tabele na 2. strani priloge A za PTMx-36 v stolpcu neto zbiralna površina

za en kolektor.

N 565

Ko vrednosti vstavimo v enačbo (4.26), dobimo:

24633056582 mSobs .

Sedaj imamo vse vrednosti, ki so zbrane v tabeli 4.16 za izračun enačbe (4.25).

Tabela 4.16: Vrednosti za izračun Qs

Veličina Vrednost

G

1250 kWh/m2. Povprečno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji. Podatek je iz

poglavja 2.3.3.

Sobs 46330 m2

Po enačbi (4.25) dobimo:

MWh,Qs 4633046330801250 .

Iz sončnega sistema lahko na leto pridobimo 46330 MWh toplote. Ostanek do 145500

MWh moramo pokriti s sistemom na LBM, kar zapišemo z enačbo (4.27):

sLBM QQQ , (4.27)

kjer je:

QLBM – toplota iz sistema na LBM (Wh),

Q – celotna potrebna toplota (Wh),

Qs – toplota iz solarnega sistema (Wh).


Tabela 4.17: Vrednosti za izračun QLBM

Veličina Vrednost

Q 145500 MWh

Qs 46330 MWh


50


MWhQLBM 9917046330145500 .

Torej iz sistema na LBM potrebujemo še 99170 MWh toplote.

Sedaj lahko po enačbi (4.28) izračunamo, koliko lesnih sekancev bi potrebovali na leto za

takšno količino toplote.

koi

LBMs

H

Qm

η , (4.28)

kjer je:

ms – masa (kg),

QLBM – toplota (kWh),

Hi – kurilnost (kWh/kg),

koη – izkoristek.


Tabela 4.18: Vrednosti za izračun ms

Veličina Vrednost

QLBM 99170 MWh

Hi 3,4 kWh/kg. Predpostavimo, da lesni sekanci vsebujejo 30 % vode in podatek razberemo iz

tabele 2.2.

koη 0,8.

Sedaj lahko izračunamo enačbo (4.28):

tkg,,

ms 36460364595598043

1099170 3

.


Za sistem na LBM potrebujemo relativno veliko lesnih sekancev. Ker pa vemo, da

potrebujemo 20,762 MW toplote, se nam 36460 ton letno ne zdi več tako ogromna


51

količina, glede na to, da bi toliko toplote za ogrevanje potrebovalo manjše mesto. Sistem

na LBM bi deloval predvsem ponoči in v zimskih dneh, ko ni sončnega obsevanja oz. ga je

zelo malo.

Za sistem bi lahko uporabili dva kotla na LBM moči 10 MW podjetja Compte fournier inc.

[39]. Na sliki 4.8 je fotografija takšnega kotla.

Slika 4.8: Kotel moči 10 MW [39]

V nadaljevanju bomo naredili primerjavo, koliko CO2 proizvedemo z našim sistemom in

koliko CO2 bi proizvedli, če bi za gorivo uporabili premog, točneje lignit, pri isti količini

proizvedene električne energije.

4.5.4 Koliko CO2 nastane, če bi namesto lesnih sekancev kurili lignit?

V ORC sistemu, ki smo ga opisali, je edini proizvajalec CO2 sistem na lesno biomaso,

ampak pri lesnih gorivih predpostavimo, da so »CO2 nevtralna«.

»Pri lesnih gorivih predpostavljamo, da so »CO2 nevtralna«, kar velja tudi v mednarodnih

metodologijah za izračune nacionalnih bilanc emisij toplogrednih plinov. Pri gorenju lesa

se sprošča ogljik, ki je bil vezan v lesu, vendar se je le-ta v procesu fotosinteze vezal iz

ozračja. Zato se pri izračunavanju neposrednih emisij kurilnih naprav na les emisije CO2 ne


52

upoštevajo. Predpostavka o lesu kot CO2 nevtralnem energentu velja le v primeru, da les

izvira iz trajnostno gospodarjenih gozdov [15].«

Izračunali bomo, koliko CO2 bi proizvedli, če bi namesto lesnih sekancev kurili velenjski

lignit. Najprej bomo po enačbi (4.29) izračunali, koliko lignita bi porabili, glede na to, da

vemo, da potrebujemo 99170 MWh toplote.

koi

ll

H

Qm

η , (4.29)

kjer je:

ml – masa lignita (kg),

Ql – toplota (kWh),

Hi – kurilnost (kWh/kg),

koη – izkoristek.


Tabela 4.19: Vrednosti za izračun ml

Veličina Vrednost

Ql 99170 MWh

Hi 3,42 kWh/kg. Podatek vzamemo iz [40] za kurilnost lignita, ki je 12,31 MJ/kg, kar pretvorimo v

3,42 kWh/kg, saj vemo, da je 1 kWh = 3,6 MJ [6].

koη 0,8.


tkg,,

ml 362473624634580423

1099170 3

.

Za proizvodnjo 99170 MWh toplote bi porabili 36247 ton lignita. Sedaj bomo izračunali,

koliko emisij CO2 dobimo pri zgorevanju takšne količine lignita.

Za določitev mase CO2, ki se sprosti pri zgorevanju 1 kg goriva, moramo poznati kemično

sestavo goriva. Zanima nas masni delež ogljika (C) v gorivu. Nadaljnji postopek računanja

je:


53

- reakcija: C + O2 → CO2

- masna bilanca reakcije: 1 kg C + 2,664 kg O2 = 3,664 kg CO2 [41].

Stehiometrična enačba je podana v enačbi (4.30):

lCCO mw,m 66432 , (4.30)

kjer je:

mCO2 – masa (kg),

wC – masni delež ogljika,

ml – masa lignita (kg).

Vrednosti za izračun enačbe (4.30) so podane v tabeli 4.20.

Tabela 4.20: Vrednosti za izračun mCO2

Veličina Vrednost

wC 0,285. Podatek iz [41] za velenjski lignit.

ml 36246345 kg


tkg,,mCO 378503784988336246345285066432 .

Proizvedli bi 37850 ton CO2 na leto, če bi namesto lesnih sekancev kurili lignit.

4.6 TOPLOTNI PRENOSNIKI

Splošni kriteriji za izbiro toplotnih prenosnikov so: delovni tlak, delovna temperatura,

značilnosti delovnih tekočin, končna temperaturna razlika, tlačne izgube, velikost toplotnih

prenosnikov in vzdrževanje [42].

Za v ORC sistem bomo izbrali cevne toplotne prenosnike in sicer shell-and-tube toplotni

prenosnik. Gre za toplotni prenosnik sestavljen iz plašča in snopa cevi v njem. Ti

prenosniki so zelo fleksibilni pri projektiranju, saj lahko preprosto spreminjamo osnovno


54

geometrijo s spreminjanjem premera cevi, dolžine in razporeditve. Lahko so zasnovani za

visoke tlake glede na okolje in za visoke tlačne razlike med tekočinami. Uporabljajo se

predvsem za prenos toplote tekočina-tekočina ali para-tekočina pri kondenzaciji in

uparjanju [43].

Shell-and-tube toplotni prenosnik je zgrajen iz snopa okroglih cevi, pritrjenih na valjasti

plašč, tako da je os snopa cevi vzporedna osi valjastega plašča. Ena tekočina teče znotraj

cevi, druga pa okoli cevi preko ploščnih pregrad. Glavni sestavni deli tega toplotnega

prenosnika so cevi (snop cevi), plašč, sprednja komora, zadnja komora, pregrade in cevna

stena [43]. Obstaja več variant prehoda tekočine skozi cevi in plašč, na primer: enkratni

prehod skozi cevi in plašč, dvakratni prehod skozi cevi in enkratni skozi plašč, štirikratni

prehod skozi cevi in dvakratni skozi plašč [42]. Skica shell-and-tube toplotnega prenosnika

z enkratnim prehodom tekočine skozi cevi in enkratnim prehodom tekočine skozi plašč je

prikazana na sliki 4.9 [43].

Slika 4.9: Shema toplotnega prenosnika s snopom cevi v plašču [43]

Za sistem bi lahko izbrali toplotni prenosnik podjetja Funke Industrial – Turkiye mdt

engineering systems co. Podatkovni list je v prilogi B [44].

4.7 PARNA TURBINA

Parna turbina pretvarja toplotno energijo iz pare, ki je pod tlakom, v rotacijsko gibanje in

tako pridobiva koristno mehansko delo. Sestavljena je iz fiksno vpetih lopatic na ohišje

vstop vročega fluida vstop hladnega

fluida plašč cevizadnja komora

izstop vročega fluida

izstop hladnega fluida

ploščna pregradasprednja

komora

cevnastena


55

statorja in pomičnih lopatic na rotorju, ki je povezan z gredjo. Para z visokim tlakom

najprej pride do fiksno vpetih lopatic statorja, ki usmerijo paro pod določenim kotom.

Kanali, po katerih potuje para, so vse ožji, kar pari poveča hitrost (zakon o ohranitvi mase).

Pospešena para nato teče preko pomičnih lopatic na rotorju, kar povzroča vrtenje rotorja.

Para nato izstopi z manjšo hitrostjo, kot jo je imela ob vstopu v rotor, kar pomeni, da je del

energije predala gredi kot mehansko delo [45]. Na isti gredi, kot je turbinski rotor, je tudi

električni generator, ki mehansko delo pretvarja v električno energijo. Enostavna shema

turbine z generatorjem je na sliki 4.10 [46].

Slika 4.10: Parna turbina in generator [46]

V našem ORC sistemu potrebujemo parno turbino moči 6670 kW. Lahko bi izbrali parno

turbino Siemens SST-111. Tehnični podatki so v prilogi C. Dizajn turbine je na sliki 4.11

[47].

Slika 4.11: Siemens Steam Turbine SST-111 [47]

Parna turbina in generator

Vstop pare

Izstop pare

Lopatice turbine

Elektrika

Generatorsko navitje

Magnetno polje


56

4.8 OBTOČNA ČRPALKA

Obtočna črpalka omogoča pretok medija v ORC procesu. Uporabljamo centrifugalne

črpalke. Elementi centrifugalne črpalke so: ohišje z dvema odprtinama, sesalni del in

izstopni del, rotor, ki je pritrjen na gred in ga poganja elektromotor. Mehanska energija

rotorja se pretvarja v kinetično energijo, kar pospeši medij in potencialno energijo, kar

poveča tlak medija [48].

Za ORC sistem potrebujemo črpalko, ki je sposobna prečrpati 83,38 kg/s medija, zmore

delovati pri zelo nizkih temperaturah in je moči 160 kW. Recimo, da izberemo črpalko

podjetja Flowserve HWX API 610 (OH3). Dizajn črpalke je na sliki 4.12, tehnični podatki

pa v prilogi D [49].

Slika 4.12: Črpalka Flowserve HWX API 610 (OH3) [49]

Sedaj, ko imamo izbrane tudi elemente za ORC sistem, bi se lahko lotili izdelave pilotnega

projekta za postavitev takšne geotermalne elektrarne.


57

5 SKLEP

Danes se zelo spodbuja uporaba OVE za proizvodnjo električne energije. Ena izmed

rešitev je bila opisana v tej nalogi, v kateri bi v enem EES uporabili tri različne OVE.

Ugotavljamo, da je temperatura geotermalne vode iz vrtine, ki je smo jo vzeli za vstopni

podatek pri primeru izračuna, prenizka. Sicer imamo relativno velik pretok, ampak vseeno

iz geotermalnega vira še vedno pridobimo samo 27,4 % celotnega vloženega toplotnega

toka v sistem. Vemo pa, da se temperatura viša z globino vrtine, zato bi bilo smiselno

izbrati ali izvrtati globljo vrtino. Takrat bi mogoče izbrali tudi drugačen delovni medij.

Iz sistema smo hoteli pridobiti čim večjo električno moč, zato smo morali vložiti veliko

dodatnega toplotnega toka za dogrevanje medija. Če bi bili zadovoljni z nižjo proizvedeno

električno močjo, bi bila potrebna količina dodatnega toplotnega toka za sistem bistveno

manjša in ne bi bilo potrebno pokriti tako velike površine s sončnimi kolektorji oz.

inštalirati enote na biomaso tako velikih moči.

Zastavili smo si osnovni ORC sistem. Za boljše izkoristke bi ga lahko posodobili v ORC

sistem z rekuperacijo. Naloga je lahko tudi izhodišče za ekonomski preračun takšnega ali

podobnega sistema.

Kot smo že ugotovili, moramo pri načrtovanju takšnega sistema veliko stvari predpostaviti

in določiti, zato imamo še veliko manevrskega prostora pri optimiranju, le vprašati se

moramo, kaj nam je pomembno: npr. čim večja električna moč, čim večji termodinamični

izkoristek, čim manjši pretok delovnega medija, čim manjši pretok hladilne tekočine, čim

bolj okoljsko sprejemljivi in zdravju neškodljivi mediji, čim boljši ekonomski izkoristek in

še bi lahko naštevali. Potrebno bi bilo izbrati neko srednjo pot, ki pa je odvisna od vsakega

načrtovalca posebej.


58

VIRI IN LITERATURA

1 Češek, K. Izraba geotermalne energije v Posavju: Diplomsko delo: Univerza v

Mariboru, Fakulteta za energetiko, 2011. Dostopno na: http://dkum.uni-

mb.si/Dokument.php?id=26270 [15.7.2013].

[2] Langerholc, N. Primerjava geotermalnega potenciala in rabe geotermalne energije

v Sloveniji in na Islandiji. Diplomsko delo: Univerza v Ljubljani, Filozofska fakulteta,

Oddelek za geografijo, 2008. Dostopno na: http://geo2.ff.uni-

lj.si/pisnadela/pdfs/dipl_200810_nina_langerholc.pdf [15.7.2013].

[3] Radanovič, T. Primerjava sledilnih in nepremičnih sončnih elektrarn. Diplomsko

delo: Univerza v Mariboru, Fakulteta za energetiko, 2011. Dostopno na: http://dkum.uni-


[4] Types of Solar Collectors. Dostopno na: http://www.ecoshift.ca/Types-of-Solar-

Collectors.html [30.7.2013].

[5] Krajnc, N., Piškur M. Kakovost lesnih goriv, Drva in lesni sekanci. Gozdarski

inštitut Slovenije, Ljubljana, 2011. Dostopno na:

www.gozdis.si/data/publikacije/7_katalog_Drva_lesni_sekanci.pdf [2.8.2013].

[6] Vovčko, B. Izraba lesne biomase v Posavju. Diplomsko delo: Univerza v Mariboru,

Fakulteta za energetiko, 2011. Dostopno na: http://dkum.uni-


[7] Republika Slovenija, Ministrstvo za infrastrukturo in prostor, Informacijski portal

energetika, Strateški razvojni dokumenti, Nacionalni energetski program. Dostopno na:

http://www.energetika-portal.si/dokumenti/strateski-razvojni-dokumenti/nacionalni-

energetski-program/ [30.7.2013].

[8] Osnutek predloga Nacionalnega energetskega programa Republike Slovenije za

obdobje do leta 2030: »aktivno ravnanje z energijo«. 2011. 1.4 izdaja. Ljubljana, Institut

»Jožef Stefan«, Ljubljana, Slovenija, Center za energetsko učinkovitost (CEU).


59

[9] Klančnik, B. Regionalni energetski koncept za savinjsko regijo. Diplomsko delo:

Univerza v Mariboru, Fakulteta za energetiko, 2013. Dostopno na: http://dkum.uni-


[10] Geotermična karta. Dostopno na: http://www.geo-

zs.si/UserFiles/File/geoterm_karta.jpg [2.8.2013].

[11] Seznam vrtin. Dostopno na: http://www.geo-

zs.si/UserFiles/677/File/Projekti_PDF/Skladisce_vrtin/Arhiv%20vrtin,%20vezanih%20na

%20Dovoljenja%20za%20raziskave.pdf [2.8.2013].

[12] Sončno obsevanje v Sloveniji. Dostopno na: http://pv.fe.uni-lj.si/ObsSLO.aspx

[5.8.2013].

[13] Izračun obsevanja v Sloveniji. Dostopno na: http://pv.fe.uni-lj.si/CalcObs.aspx

[5.8.2013].

[14] Lesna zaloga, prirastek in posek. Dostopno na: http://www.zgs.gov.si/slo/gozdovi-

slovenije/o-gozdovih-slovenije/lesna-zaloga/index.html [10.8.2013].

[15] Gozdarski inštitut Slovenije. Lesna goriva. Drva in sekanci. Proizvodnja, standardi

kakovosti in trgovanje. Ljubljana: Gozdarski inštitut Slovenije, Založba Silva Slovenica,

2009. Dostopno na: www.gozdis.si/data/publikacije/10_lesna_goriva_prirocnik.pdf

[10.8.2013].

[16] DiPippo, R. Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and

Environmental Impact, Third Edition. Waltham, MA, USA: Butterworth-Helnemann –

Elsevier, 2012.

[17] Korištenje geotermalne energije. Dostopno na: http://www.eihp.hr/hrvatski/geoen-

kge.htm [14.8.2013].

[18] Walraven, D. Laenen, B. D'haeseleer, W. Comparison of thermodynamic cycles for

power production from low-temperature geothermal heat sources. Energy Conversion and

Management, 66, (2013), 220-233.

[19] Quoilin, S. Van Den Broek, M. Declaye, S. Dewallef, P. Lemort, V. Techno-

economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. Renewable and Sustainable

Energy Reviews, 22, (2013), 168-186.

http://www.geo-zs.si/UserFiles/677/File/Projekti_PDF/Skladisce_vrtin/Arhiv%20vrtin,%20vezanih%20na%20Dovoljenja%20za%20raziskave.pdf




60

[20] Oprešnik, M. Termodinamika, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo.

Ljubljana: 1974.

[21] Vetter, C. Wiemer, H.-J. Kuhn, D. Comparison of sub- and supercritical Organic

Rankine Cycles for power generation from low-temperature/low-enthalpy geothermal

wells, considering specific net power output and efficiency. Applied Thermal Engineering,

51, (2013), 871-879.

[22] Saleh, B. Koglbauer, G. Wendland, M. Fischer, J. Working fluids for low-

temperature organic Rankine cycles. Energy, 32, (2007), 1210-1221.

[23] Masheiti, S. Agnew, B. Walker, S. An Evaluation of R134a and R245fa as the

Working Fluid in an Organic Rankine Cycle Energized from a Low Temperature

Geothermal Energy Source. Journal of Energy and Power Engineering, 5, (2011), 392-

402.

[24] Gozdur, A. B. Nowak, W. Comparative analysis of natural and synthetic

refrigerants in application to low temperature Clausius – Rankine cycle. Energy, 32,

(2007), 344-352.

[25] Guo, T. Wang, H. Zhang, S. Fluid selection for a low-temperature geothermal

organic Rankine cycle by energy and exergy, Asian-Pacific Power and Energy Engineering

Conference (APPEEC), Chengdu, China, March 28-31, 2010.

[26] Soffientini, C. Zyhowski, G. J. Spatz, M. W. HFC-245fa: An overview of

properties and applications. Dostopno na:

http://www.centrogalileo.it/nuovaPA/Articoli%20tecnici/INGLESE%20CONVEGNO/HO

NEYWELLinglese.doc [22.8.2013].

[27] Krautov strojniški priročnik: 14. slovenska izdaja, predelana. Ljubljana: Littera

picta, 2007.

[28] Organic Rankine Cycle – ORC, ORC–Prozess. Dostopno na: http://www.hs-

bremen.de/internet/einrichtungen/fakultaeten/f5/abt1/forschung/labore/energetik/wt/orc/orc

-figure4.png [22.8.2013].

[29] Pressure-Enthalpy Diagram for Refrigerant 245fa. Dostopno na:

http://3.bp.blogspot.com/-

http://www.centrogalileo.it/nuovaPA/Articoli%20tecnici/INGLESE%20CONVEGNO/HONEYWELLinglese.doc

http://www.centrogalileo.it/nuovaPA/Articoli%20tecnici/INGLESE%20CONVEGNO/HONEYWELLinglese.doc


61

1hkQLDKSrbs/Tn40EZPBurI/AAAAAAAAA8M/ByGLf2lb6e8/s1600/R245fa-

713387.jpg [22.8.2013].

[30] Lapanje, A. Geotermalni viri severne in severovzhodne Slovenije: Dravograd: RRA

Koroška, regionalna razvojna agencija za Koroško; Ljubljana: Geološki zavod Slovenije,

2007. Dostopno na: http://www.rra-

koroska.si/files/Geotermalni_viri_S_in_SV_Slovenije_web.pdf [22.8.2013].

[31] Reindl, J. Shen, H. Bisiar, T. Reservoir Engineering: An Introduction and

Application to Rico, Colorado, Geothermal Energy – MNGN598, Dr. Masami Nakagawa,

2009. Dostopno na: http://www.ricocolorado.org/gov/geothermal/Reservoir_Engineering-

Introduction_and_Application_to_Rico_CO.pdf [22.8.2013].

[32] Ethylene Glycol Heat-Transfer Fluid, Specific Heat Capacity of Ethylene Glycol

based Water Solutions. Dostopno na: http://www.engineeringtoolbox.com/ethylene-glycol-

d_146.html [23.8.2013].

[33] R-245fa Technical Information. Dostopno na: http://gobestech.com/R-245fa.html

[23.8.2013].

[34] SCM 15-58/1800. Dostopno na: http://www.solarko.si/vakuumski_soncni_kolektor

[23.8.2013].

[35] Parabolic trough. Dostopno na: http://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_trough

[23.8.2013].

[36] Parabolic Trough Solar Field Technology. Dostopno na:

http://www.nrel.gov/csp/troughnet/solar_field.html [23.8.2013].

[37] PTMx Parabolic Trough Collector – Technical data sheet. Interno gradivo podjetja

SoltiguaTM

. Spletna stran podjetja: http://www.soltigua.com/ [25.8.2013].

[38] Kako kurimo z biomaso. Dostopno na: http://www.biotherm.si/cms/node/94

[25.8.2013].

[39] Compte fournier, Biomass boilers. Dostopno na: http://www.compte-

fournier.com/Industrial-Design/boilers.htm [26.8.2013].

http://www.ricocolorado.org/gov/geothermal/Reservoir_Engineering-Introduction_and_Application_to_Rico_CO.pdf

http://www.ricocolorado.org/gov/geothermal/Reservoir_Engineering-Introduction_and_Application_to_Rico_CO.pdf


62

[40] Generatorji toplote – Predavanje, Zgorevanje in posledica uporabe goriv na

okolju, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo. Dostopno na: http://lab.fs.uni-

lj.si/kes/generatorji_toplote/gt-predavanje-03.pdf [3.9.2013].

[41] Energetska proizvodnja – Zgorevanje, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za

strojništvo. Dostopno na: http://lab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep-predavanje-

t04.pdf [3.9.2013].

[42] Avsec, J. Toplotni prenosniki – predavanja 1. Univerza v Mariboru, Fakulteta za

energetiko. Krško: 2011.

[43] Shah, R. K. Sekulić, D. P. Fundamentals of Heat Exchanger Design. Hoboken,

New Jersey, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2003.

[44] Funke Industrial – mdt. Dostopno na: http://www.funke-

tr.com/indexEN/default.asp [26.8.2013].

[45] Predin, A. Optimiranje energetskih sistemov – predavanja. Univerza v Mariboru,

Fakulteta za energetiko. Krško: 2011.

[46] Turbine Generator. Dostopno na:

http://geothermal.marin.org/geopresentation/images/img038.jpg [30.8.2013].

[47] Siemens Steam Turbines, Steam Turbine SST-111 (up to 12 MW). Dostopno na:

http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/steam-turbines/sst-111.htm

[30.8.2013].

[48] Predin, A. Oskrbovalni sistemi – predavanja. Univerza v Mariboru, Fakulteta za

energetiko. Krško: 2009.

[49] Flowserve, Pumps. Dostopno na: http://www.flowserve.com/Products/Pumps

[30.8.2013].

http://lab.fs.uni-lj.si/kes/generatorji_toplote/gt-predavanje-03.pdf

http://lab.fs.uni-lj.si/kes/generatorji_toplote/gt-predavanje-03.pdf

http://lab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep-predavanje-t04.pdf

http://lab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep-predavanje-t04.pdf


63

PRILOGE

5.1 PRILOGA A: PTMx PARABOLIC TROUGH COLLECTOR


64


65

5.2 PRILOGA B: FUNKE – MODEL SERIES BCF/P, CCF/P, SSCF/P


66

5.3 PRILOGA C: SIEMENS STEAM TURBINE SST-111


67

5.4 PRILOGA D: FLOWSERVE – HWX API 610 (OH3)


68

5.5 PRILOGA E: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE

VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV

DIPLOMANTOV


69

5.6 PRILOGA F: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

Podpisani izjavljam, da je to zaključno delo v celoti moje avtorsko delo. Pri izdelavi sem

upošteval Navodila za izdelavo zaključnega dela, ki se uporabljajo na Fakulteti za

energetiko Univerze v Mariboru ter navodila mentorja.

podpis avtorja zaključnega dela:

_______________________________

Documents

OPTIMALNA IZRABA NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE …