Skripta-geotermalna Ver 1.1

7/21/2019 Skripta-geotermalna Ver 1.1

http://slidepdf.com/reader/full/skripta-geotermalna-ver-11 1/92

RUDARSKO GEOLOŠKO NAFTNI FAKULTETZAVOD ZA NAFTNO INŽENJERSTVO

ISKORIŠTAVANJE GEOTERMIJSKIH LEŽIŠTA

- skripta -

Autor: Tomislav Kurevija, dipl.ing. naft.rud.prof.dr.sc. Miroslav Golub

Veljača 2008.



2

1. GENEZA GEOTERMALNE ENERGIJE

Toplina je prijelazni oblik energije, a geotermalna energija (GTE) je energija sadržana uZemljinoj unutrašnjosti, u stijenama i fluidima. Pod pojmom geotermalna energija smatra seona energija koja se može pridobiti iz Zemljine unutrašnjosti i koristiti u energetske svrhe.

Geotermalnu energiju smatra se i obnovljivom i fosilnom energijom jer nastaje polaganimprirodnim raspadom radioaktivnih elemenata (prvenstveno urana, torija i kalija-40) koji senalaze u Zemljinoj unutrašnjosti. Snaga kondukcijskog toplinskog toka iz Zemljineunutrašnjosti procjenjuje se na 42×1012 W. Od toga broja:

-8×1012 W dolazi iz Zemljine kore (zauzima samo 2% ukupnog volumena Zemlje, ali je bogata radioaktivnim izotopima),-32,3×1012 W dolazi iz plašta koji zauzima 82% volumena Zemlje,-1,7×1012 W dolazi iz Zemljine jezgre koja zauzima 16% volumena Zemlje i ne sadržiradioaktivne izotope

Procjenjuje se da cjelokupna toplinska energija Zemlje iznosi otprilike 12,6×1024 MJ, od čegaZemljina kora sadrži 5,4×1021 MJ, ali samo vrlo mali dio može se ekonomično iskoristiti.Resursi geotermalne energije rezultat su kompleksnih geoloških procesa koji su doveli dokoncentracija topline na dohvatljivim dubinama. Temperatura Zemljine unutrašnjosti raste spovećanjem dubine, a stijene temperature između 600 i 1 200°C nalazi se ispod Zemljine korena dubini od 80 do 100km, a procjenjuje se da je temperatura u Zemljinom središtu, na oko 6400km dubine, oko 4 000°C.

Postoje tri grupe geoloških struktura u kojima se pojavljuje geotermalna energija:- vulkanska područ ja, temperature veće od 200 °C- područ ja intenzivnih razlamanja i nabiranja tektonski ploča, izrađena od nepropusnihstijena i ležišta mineraliziranih voda temperatura viših od 100°C- sedimentni kompleksi u bazenima različitih veličina koji sadrže mineraliziranu vodupod tlakom većim od hidrostatskog.

Na temelju geotermalnog gradijenta obavljaju se prve procjene potencijala nekog istražnogpolja. Pozitivne anomalije uglavnom su posljedica konvektivnog prijenosa topline u zonamaveće vertikalne propusnosti.



3

2. DEFINICIJA I KLASIFIKACIJA IZVORA

Pod geotermalnim resursima podrazumijevamo geotermalne vode koje se nalaze upodzemnim ležištima koja se ne napajaju, vode koje prolaze kroz podzemna ležišta i napajajuse prirodno ili umjetno utiskivanjem. Danas još nije definirana standardna međunarodna

terminologija za klasifikaciju geotermalnih resursa. Postoje nekoliko načina klasifikacijegeotermalnih resursa:

− prema stupnju istraženosti i “dokazanosti” izvora− prema vrsti geotermalnih ležišta− prema temperaturi ležišnog fluida

2.1. Klasifikacija geotermalnih resursa prema istraženosti ležišta

Prema stupnju istraženosti ležišta, stupnju poznavanja kemijskog sastava, fizikalnih svojstava,

poznavanja parametara za utvrđivanje rezervi i pripremljenosti za eksploataciju, ukupnerezerve mineralne i geotermalne vode svrstavaju se u:

a) utvrđene rezerve mineralne i geotermalne vode:b) potencijalne rezerve mineralne i geotermalne vode:

Utvrđene rezerve geotermalne vode svrstavaju se u klase:− bilančne;− izvanbilančneU bilančne rezerve uvrštavaju se utvrđene rezerve mineralne i geotermalne vode koje sezavisno od kemijskih i fizikalnih svojstava te ležišnih uvjeta, mogu poznatom tehnikom itehnologijom eksploatacije rentabilno koristiti. Mogućnost rentabilnog korištenja utvrđenihrezervi mineralne i geotermalne vode utvrđuje se tehničko-ekonomskom ocjenom.U izvanbilančne rezerve uvrštavaju se utvrđene rezerve mineralne i geotermalne vode:

- koje se poznatom tehnikom i tehnologijom ne mogu eksploatirati- koje se poznatom tehnikom i tehnologijom ne mogu rentabilno eksploatirati

Za svaku kategoriju utvrđeni su uvjeti istraženosti koje geotermalno ležište mora zadovoljiti idetaljno su opisani u: Pravilniku o prikupljanju podataka, načinu evidentiranja i utvrđivanjarezervi mineralnih sirovina te izradi bilance tih rezervi; IV. Kategorizacija, klasifikacija ievidencija rezervi mineralnih i geotermalnih voda NN 48/92.

2.2. Kategorizacija prema vrsti geotermalnih ležištaKategorizacija geotermalnih ležišta može se izvršiti na različite načine, a najvažnija su:1) Obzirom na način ulaska i izlaska vode iz ležišta

(a) Ulaz i izlaz su prirodni otvori (napajalište i vrelo); zastupljena su u Hrvatskoj,ali zbog izlazne temperature uglavnom niže od 30°C nisu podobna zaenergetsko iskorištavanje. Izuzetak su Topusko i Varaždinske toplice (sa 60°C)

(b) Ulaz je prirodni otvor, a izlaz bušotine (arteški izvor)



4

Slika 2-1: Arteški tip ležišta i vrela

(c) Ulaz i izlaz su bušotine; eksploatacija ovakvog tipa ležišta investicijski je

veoma zahtjevna. Potrebno je uložiti velika sredstva u bušotine i sustave zasabiranje i ponovno utiskivanje geotermalne vode. Zbog uglavnom visoketemperature i moguće povećane mineralizacije i sadržaja radioaktivnihsastojaka, iz ekoloških razloga potrebno je ovakvu vodu iskorištavati uzatvorenom sustavu i ponovno utiskivati nazad u ležište.

Slika 2-2: Duboka geotermalna ležišta (ulaz i izlaz bušotine)

2) Obzirom na termodinamičke i hidrološke osobine

(a) Hidrogeotermalna ležišta niske entalpijeLežišta vruće vode karakterizirane tekućom vodom kao kontinuiranom fazom niske

entalpije, na relativno malim dubinama te normalnim temperaturnim gradijentom.



5

Tlak ležišta otprilike je jednak hidrostatskom što može ukazivati na površinskonapajanje.

(b) Hidrogeotermalna ležišta visoke entalpijeLežišta vodene pare visoke entalpije, a najčešća su u područ jima s izraženim

vulkanizmom. Temperaturni gradijent je visok, temperature su najčešće više od 250°C nadubinama manjim od 2 km. Ovakva ležišta se vrlo rijetko nalaze, ali se najjednostavnije iekonomično koriste.

(c) Geotlač na geotermalna ležištaOva ležišta geotermalne vode nalaze se na relativno velikim dubinama podgeopritiskom, a formiraju se dijagenezom nataloženim slojevima pješčenjaka i glina udubokim sedimentnim bazenima. Ležišta su pod tlakovima većim od hidrostatskogstupca, srednjetemperaturnih vrijednosti (140-180°C), a često sadrže znatnije količineotopljenog ugljikovog dioksida i metana. Zbog vrlo visokog tlaka moguće je iz ovihresursa iskorištavati mehaničku, toplinsku i kemijsku energiju (otopljeni metan).

(d) Vruće i suhe stijene na velikim dubinama (hot dry rock)Na većim dubinama (> 4-5 km) nalaze se velike mase stijena u kojima je akumuliranatoplinska energija. Za iskorištavanje ovog resursa potrebno je dovoljno dubokoizbušiti stijene kako bi se dobila dovoljno velika površina za prijelaz topline izmeđustijene i vode koja se kroz bušotinu utiskuje među raspucane stijene. Zagrijana voda seodvodi kroz drugu bušotinu na površinu i tamo se energetski iskorištava. Ovaj procesdanas još nije ekonomski isplativ iako postoje mnogobrojni pilot projekti.

2.3.Kategorizacija prema temperaturi fluida

Ova podjela geotermalnih resursa najčešće je korištena, a geotermalne vode su podijeljene naniske (<90°C), srednje(90-150°C) i visoko temperaturne fluide(>150°C). Visoko temperaturnifluidi koriste se pretežito za proizvodnju električne energije, dok se nisko i srednjetemperaturni fluidi koriste u izravnoj upotrebi. Najvažniji oblici izravne upotrebe geotermalneenergije su:

-grijanje i hlađenje prostora,-primjena toplinskih pumpi (podižu toplinu nisko temperaturnim geotermalnimvodama),-upotreba u stakleničkoj proizvodnji voća i povrća,

-grijanje bazena i primjena u balneologiji,-industrijska upotreba i procesi sušenja,-akvakultura (grijanje bazena za uzgoj ribe).

Kao najbolja predodžba upotrebe geotermalne energije po visini temperature geotermalnogfluida koristi se Lindal-ov dijagram, (prema B. Lindalu, islandskom inženjeru koji je prvipredložio pogodne temperature za pojedine procese iskorištavanja geotermalne vode 1985.).



6

Slika 2-1: Lindalov dijagram korištenja geotermalne energije

3. TERMIČKA SVOJSTVA LEŽIŠNIH STIJENA I FLUIDA

Termička svojstva stijena i fluida međusobno su povezana odnosom:

ρ⋅⋅=λ

K m

W ca

gdje je: λ – toplinska vodljivost, [W/m K]c – specifična toplina, [J/kg K]a – temperaturna vodljivost ili difuznost, [m2 /s]ρ – gustoća, [kg/m3]

Termička svojstva nisu direktno ovisna o temperaturi, već promjenom temperature dolazi dofizikalno-kemijskih promjena tvari, koja uzrokuju i promjene termičkih svojstava.

3.1. Toplinska vodljivost (λ )

Predstavlja pokazatelj prijelaza topline od viših ka nižim izvorima topline, iz jače premaslabije zagrijanim dijelovima, težeći prema izravnanju temperature. Prijenos topline obavljase konvektivnim kruženjem molekula fluida u stijenama kao i pokretima samih stijenskihmasa – konvekcijom ili kondukcijom gdje se toplinska energija prenosi bez premještajamolekula odnosno tvari. Konduktivni prijenos topline ostvaruje se kontaktom zagrijanih imanje zagrijanih dijelova stijena. U hidrogeotermalnim ležištima, prijenos topline ostvaruje seuglavnom konvekcijom fluida u ležištu i kondukcijom kroz stijene.



7

Koeficijent toplinske vodljivosti je važan geotermalni parametar, a predstavlja količinuenergije koja prođe u sekundi kroz presjek površine od 1 m2, u pravcu okomitom na presjek,pri gradijentu temperature od 1 °C/m. Toplinska vodljivost određuje se eksperimentalno ulaboratoriju, a može se proračunati i prema različitim fizikalnim parametrima.

τ λ

⋅−⋅⋅=

)( 12 T T Ah E

gdje je: E – količina topline koja je prošla kroz površinu A, [J]h – debljina sloja, [m]A – površina kroz koju prolazi toplinski tok, [m2](T2-T1) – razlika temperature na suprotnim plohama sloja, [K]τ – vrijeme prolaženja toplinskog toka, [s]

Na povećanje toplinske vodljivosti utječe starost stijena (vezano uz kompakciju – maliporozitet). Stijene zasićene kapljevitim fluidom (voda, nafta) imaju veću toplinsku vodljivost

nego one zasićene vodenom parom i plinom. Šupljikave stijene imaju manji λ negokompaktne stijene. Toplinska vodljivost bitna je u formiranju hidrogeotermalnih ležišta.Stijene visoke toplinske vodljivosti (anhidrit, kamena sol, kvarciti, dolomiti) omogućujukonduktivni prijenos topline iz dubine do hidrogeotermalnog sustava koji je prekrivenvodonepropusnim stijenama niske toplinske vodljivosti. Sve stijene niske toplinske vodljivostimogu biti krovne barijere konduktivnom prijenosu topline, i ukoliko su homogene,neispucane, dovest će do formiranja većih akumulacija geotermalne energije, odnosnopredstavljat će krovne termičke izolatore za akumulaciju termalnih voda, ukoliko su vodeimobilne i ne postoji cirkulacija hladnih voda.Također, moguće je izraziti odnos između toplinske vodljivosti i gustoće stijena za Panon:

86,2142,0 ρ⋅=λ

Gustoća stijena može se napisati u ovisnosti o dubini H, u metrima:

Savska potolina: 72,2792,0 725,0 +⋅−=ρ ⋅− H

s e

Dravska potolina: 72,2747,0 809,0 +⋅−=ρ ⋅− H

s e

3.2. Specifična toplina (c)

Specifični toplinski kapacitet ili specifična masena toplina je termičko svojstvo tvari, adefiniran je kao količina energije koja je potrebna da se masi od 1 kg poveća temperatura za 1K, pri konstantnom tlaku. Voda ima visoku specifičnu toplinu (4,187 J/kg K), stoga jenajpogodniji medij za akumuliranje geotermalne energije. Specifična toplina različitih stijenauglavnom je ujednačen i iznosi od 835 (+/-15%) J/kg K.Specifične topline stijena, s obzirom na poroznost, specifičnu toplinu matriksa i vode, tegustoću vode od 1000 kg/m3, prosječnu gustoću matriksa od 2720 kg/m3 mogu se izračunatipo relaciji:



8

gc

gcc mws

72,2)1(

1⋅⋅Φ−+⋅⋅Φ=

Pad specifične topline stijena s dubinom sukladan je padu poroznosti, što je posljedicautjecaja znatno više specifične topline vode u odnosu na matriks stijene, pa se može reći da sespecifična toplina stijene snižava s dubinom radi smanjenja sadržaja vode.

Specifična toplina stijena u Savskoj potolini: 898,0602,0 177,1 +⋅= ⋅− H

sS ec

Specifična toplina stijena u Dravskoj potolini: 908,0557,0 460,1 +⋅= ⋅− H

sD ec

3.3. Specifična obujamska toplina (cρ)

Predstavlja produkt specifične topline i gustoće, a definirana je kao količina energije koja jepotrebna da se obujmu od 1 m3 poveća temperatura za 1 K pri konstantnom tlaku. Jedinica je[J/m3 K]. Specifična obujamska toplina ležišta/stijene ovisi o:

- specifičnoj obujamskoj toplini matriksa stijene (cρ)m - šupljikavosti stijene Ф - specifičnoj obujamskoj toplini fluida koji ispunjava pore stijene (cρ)f

Φ−⋅ρ+Φ⋅ρ=ρ

K m

J ccc m f L 3

)1()()()(

Specifična obujamska toplina direktan je parametar za procjenu rezervi geotermalne energije,stoga se specifična toplina preračunava u specifičnu obujamsku toplinu.U hidrogeotermalnim ležištima, pore stijene ispunjene su vodom, pa je specifična obujamskatoplina ležišta jednaka:

Φ−⋅ρ+Φ⋅ρ=ρ

K m

J ccc mw L 3

)1()()()(

Na specifičnu obujamsku toplinu vode (cρ)w utječe gustoća vode koja je u zavisnosti omineralizaciji i kreće se od 1000 do 1400 kg/m3 te o temperaturi. Rasponi specifične

obujamske topline (cρ)m za različite stijene mogu biti znatni, ovisno o gustoći stijene.

3.4. Temperaturna provodljivost ili difuznost (a)

Karakterizira brzinu izjednačenja temperature pri nestacionarnoj toplinskoj vodljivosti, a jednaka je odnosu koeficijenta toplinske vodljivosti (λ) i specifične obujamske topline (cρ).

ρ

λ=

s

m

ca

2

)(





10

Slika 3-1: Geotermalni gradijenti Republike Hrvatske



11

Slika 3-2: Odnos temperature i poroznosti s dubinom u Savskoj i Dravskoj potolini



12

Slika 3-3: Statički gradijenti na pojedinim bušotinama GP zagreb



13

3.6. Toplinski tok

Toplinski tok je definiran kao količina topline koja prolazi kroz jediničnu površinu u jedinicivremena:

⋅λ= 2m

W

Gq t

gdje je: Gt – vertikalni geotermalni gradijent, [°C/m]

Ova jednadžba je uobičajena u geotermici budući da se prihvaća da je smjer toplinskog tokaokomit na površinu Zemlje te da je toplinska vodljivost izotropna. Također se prihvaća da jegeotermalni gradijent u horizontalnim smjerovima zanemarivo mali, no to nije uvijek tako. Izslike vidljivo je da razlika temperatura (na dubini 900 m), između hidrodinamski povezanihbušotina Mla-1 i Sava-1, iznosi čak 19 °C. Budući da je njihov razmak 1 400 m, horizontalnigeotermijski gradijent iznosi 0,013 °C/m.

Slika 3-4: Profil izotermi za pojedine bušotine na GP Zagreb



14

Slika 3-5: Toplinski tok na GP Zagreb u ovisnosti o dubini

Iako je u konkretnom slučaju horizontalni geotermijski gradijent za 5,65 manji od vertikalnog,horizontalna komponenta toplinskog toka nije zanemariva. Međutim, s praktičnog stajalištabitno je poznavanje vertikalne komponente toplinskog toka. Njegovim proučavanjem plitkimbušotinama može se znatno pridonijeti ekonomičnosti otkrivanja i istraživanja masivnihležišta geotermalnih fluida. Naime, u masivnijim ležištima, ako je njihova vertikalnapropusnost dobra, uvijek postoji konvektivno kruženje molekula fluida (termogravimetrijskiučinak, termosifon), čija je posljedica povećani geotermijski gradijent u gornjem dijeluležišta.Ovdje se radi o spontanoj konvekciji koja može bitno utjecati na distribuciju temperature, akose odvija velikom količinom fluida. Kod vertikalnih pukotina (rasjeda) ili uskih nagnutihdiskordantnih zona, spontana konvekcija ne utječe bitno na prijenos topline budući da

relativno mali volumen vode brzo predaje toplinu stijenama.



15

Povećani toplinski tok u nekim vertikalnim ili nagnutim zonama (rasjedi, diskordancije) možebiti posljedica samo tzv. prisilne konvekcije, koja se ostvaruje protokom vode.Toplinski tok u Dinaridima iznosi prosječno 29 mW/m2 dok je ta vrijednost u Panonu 76mW/m2. Ovako velika razlika može se objasniti Mohorovičićevom dubinom diskontinuiteta(Moho sloj) koji se u Panonu nalazi na dubini od 28 km, a u Dinaridima na oko 50 km.

Proječni toplinski tok u Dravskoj potolini jednak je (82,0 +/-10,9)×10-3

W/m2

, a u Savskojiznosi (67,4 +/- 7,1)×10-3 W/m2.

Slika 3-6: Toplinski tokovi u Republici Hrvatskoj



16

4. TERMODINAMIČKE OSNOVE CRPLJENJA, ODRŽIVOSTI IOBNOVLJIVOSTI GEOTERMALNE ENERGIJE

Za svako geotermalno ležište s tehnološki odabranim načinom proizvodnje i potrošnje, postojigranična proizvodnja ispod koje je moguće eksploatirati konstantnu energiju kroz duže

razdoblje. Ako se s potrošnjom energije iz ležišta prijeđe ova granična vrijednost, proizvodnivijek ležišta će se znatno skratiti. Proizvodnja, gotovo jednaka ili manja od ovoga limesamože se nazvati održivom proizvodnjom. Proizvodnja toplinske energije i njena rekuperacijaunutar ležišta ponaša se uglavnom asimptotski. U prvobitnom stadiju krivulja odražavaubrzani pad energije ili intenzivan porast tijekom restitucije topline procesima unutar samogaležišta, a zatim se pad ili porast funkcije usporava. Početno stanje energije u ležištu uteorijskom smislu postiglo bi se tek nakon beskonačnoga vremena, no u praksi se to dešavapuno ranije, sukladno vremenu eksploatacije i kao rezultat djelovanja prirodnih sila poputgradijenata tlaka i temperature.

Geotermalna energija je održiva energija u određenim granicama za svaki slučaj zasebno imože se nazvati obnovljivom samo u za to povoljnim geološkim strukturama. Održivost sepostiže kada za resurs u eksploataciji, unutar zadanih granica, postoji mogućnost očuvanja iobnavljanja njegovoga znatnoga dijela za daljnju upotrebu i na korist budućih generacija.Obnovljivost nasuprot, objašnjava se sposobnošću svojstvenoj samo prirodnim resursima,koja isključivo ovise o kontinuiranim prirodnim procesima. Ti procesi po intenzitetu i svojimkarakteristikama su izvan ljudske kontrole, čime se na određeni način štedi njihov prvotnipotencijal. Omjer proizvodnje i obnovljivosti u određenom razdoblju, trebao bi biti jednakprirodnom procesu regeneracije početnih rezervi, pa se samo tada može govoriti o potpunojodrživosti.

Omjer održivost/obnovljivost u kontekstu geotermalne energije ovisi o temperaturnimgranicama, procesu prijenosa topline u ležištu (kondukcija, konvekcija, recentni vulkanizam,subdukcija, advekcija), vrsti resursa, rezervama i vremenskom faktoru, tehnologijipridobivanja, vrsti (para, voda, mješavina) i kemizmu fluida, načinu reinjektiranja, vremenuobnovljivosti i slično. Hidrotermalna ležišta u područ jima s recentnim vulkanizmom narelativno plićim dubinama mogu se istovremeno smatrati održivima i obnovljivima. Može sepretpostaviti da omjer ukupne energije geotermalnoga ležišta i ukupno vrijeme eksploatacijeima najvišu vrijednost pri maloj proizvodnji. Tako na primjer, životni vijek ležišta snage1MWe gotovo je 200x puta duži u komparaciji s 100MWe jedinicom, dok je ukupnoproizvedena električna energija iz 1MWe gotovo dvostruka u odnosu na elektranu snage100MWe.

Vrijeme u kojem će temperatura pridobivene geotermalne vode biti konstantana ovisi o brziniiskorištavanja ležišta. Pothlađeni geotermalni fluid u trenutku svoga prodora u proizvodnubušotinu neće zahvatiti cijelu površinu ležišta, pa će s tim u svezi, proizvodna bušotina imatidvostruko napajanje. Geotermalna voda koja se iscrpi proizvodnom bušotinom nadomješta seutiskivanom vodom niže temperature. Ova utiskivana voda kreće se u ležištu u obliku klina pa

je u trenutku njenzina prodora u proizvodnu bušotinu zahvaćena površina protjecanja manjaod ukupne površine ležišta. Omjer zahvaćene i ukupne površine pri iskorištavanjugeotermalne energije naziva se arealnim koeficijentom obuhvata. Glavnina utiskivane vode utom trenutku poprima početnu temperaturu ležišta na račun prijenosa topline od matriksaležišnih stijena. Pri tome, pad temperature geotermalne vode u proizvodnoj bušotini započet

će kada u nju prodre pothlađena zona. Arealni koeficijent obuhvata ovisi prvenstveno orasporedu proizvodnih i utisnih bušotina i omjeru viskoznosti utiskivane i proizvedene



17

geotermalne vode. Zbog heterogenosti ležišta, karakter kretanja pothlađene fronte može seizraziti površinom koja će biti manja u usporedbi s površinom koja je dobivenaplanimetriranjem na karti izopaha geotermalnoga ležišta.

4.1 Količine geotermalne vode koje se može proizvesti uz konstantnu temperaturu

Vrijeme proizvodnje pri konstantnoj temperaturi uspostavlja odnos proizvodnih rezervi uležištu i izdašnosti bušotine:

( )

( ) [ ]god

cW

ch A

W p

Lc

ρ

ρ τ

⋅∆

⋅⋅=

Budući da je: c pc W W τ ⋅∆= ukupna količina proizvedene geotermalne vode pri konstantnoj

temperaturi, ona se izračunava kao:

( )

( ) [ ]3m

c

ch AW

W

L pc

ρ

ρ ⋅⋅=

gdje je: A - protočna površina ležišta [m2]h -protočna debljina (srednja vrijednost za sve zone) [m]

(cρ)w -obujamska specifična toplina vode

°C m

J 3

(cρ)L -obujamska specifična toplina ležišta

°C m

J 3

∆Wp -godišnja količina proizvedene geotermalne vode

god

m3

4.2. Promjena temperature pridobivene vode u funkciji vremena iskorištavanja ležišta:

Obzirom na izračunatu vrijednost konstantne temperature pri određenoj proizvodnji potrebno je prikazati i temperaturni pad geotermalne vode nakon izotermne proizvodnje u funkcijivremena.Prolaz topline kroz ležište opisan je sljedećom diferencijalnom jednadžbom:

( ) ( )( ) ( )τ

ρ ρ λ ∂

∂⋅=⋅⋅−⋅ L

L Lw L

T cT vcdivT grad div

Ovo je višedimenzionalni problem, koji uzima u obzir i konvekciju i kondukciju, pa za njeganema generalnog analitičkog rješenja. Rješenja pomoću matematičke simulacije, bilometodom konačnih diferencija, bilo metodom Galerkina su moguća, ali vrlo skupa". Zapraktične svrhe diferencijalna jednadžba može se pojednostaviti uz neke pretpostavke kojeuzrokuju manju grešku nego što je uzrokuje nepouzdanost podataka o hidrodinamičkim itermodinamičkim svojstvima ležišta i graničnih (podinskih i krovinskih) stijena.



18

Pojednostavljenja u ovom modelu su sljedeća:

1. Ležište je horizontalno, homogeno, izotropno i ima konstantnu debljinu i beskonačnupovršinu, a granične (krovinske i podinske) stijene su nepropusne.

2. Prije početka ulaza vode (utiskivanja, injektiranja) ležišna voda i skelet ležišnihstijena, te granične stijene na kontaktu s ležištem imaju početnu temperaturu kojaodgovara prirodnoj ravnoteži između toplinskog toka i površinskih (dnevnih) uvjeta.Prema ovom modelu granične stijene imaju beskonačnu debljinu, a u početnimuvjetima u njima je temperatura raspoređena prema geotermijskom gradijentu.Također se pretpostavlja da početna temperatura u beskonačnosti (u smjeru okomitomna površinu Zemlje) ostaje konstantnom.

3. Utiskivanje (ulaz) vode pocčinje u vremenu τ = 0, uz konstantan protok i konstantnutemperaturu. Pretpostavlja se da protok trenutačno postaje stacioniran, te da česticaulazeće vode i skelet stijena odjednom poprimaju termičku ravnotežu. Čekaljuk je

pokazao da se ravnoteža u intergranularnoj šupljikavoj sredini postiže za cca 10 -5 s.Bodvarsson je ustanovio da i u ležištu kombinirane šupljikavosti termička ravnotežaizmeđu vode i skeleta nastupa relativno brzo.

4. U samom ležištu zanemarena je konduktivnost u horizontalnom smjeru, dok je uvertikalnom beskonačna. Na taj se način pretpostavlja da je temperatura navertikalnom presjeku ležišta posvuda jednaka.

5. U graničnim stijenama kondukcija u horizontalnom smislu također je zanemarena, aliu vertikalnom smislu nije zanemarena ( to je osnovni uvjet obnavljanja). Na taj načinprolaz topline ostvaruje se horizontalnom konvekcijom u ležištu i vertikalnomkondukcijom u graničnim stijenama. Nadalje, temperatura na kontaktu graničnihstijena i ležišta je jednaka.

6. Termička svojstva ležišta i graničnih stijena neovisna su o temperaturi. Osim togapretpostavlja se ista viskoznost ulazeće vode i one koja je prvobitno bila u ležistu, takoda je razdjelnica izmedu njih oštra.

Uz ova pojednostavljenja problem u ležištu postaje jednodimenzionalan (po x), a također i ugraničnim stijenama (po z). Na taj način jednadžba poprima sljedeći oblik:

( ) ( ) zT

xT cvT c S L

W x L

L∂∂⋅⋅=

∂∂⋅⋅+

∂∂⋅ λ ρ τ

ρ 2

(ovdje se λ odnosi na granične stijene).

Prvi član ove jednadžbe predstavlja toplinu prvobitno akumuliranu u vodi i skeletu ležišnihstijena, drugi član predstavlja horizontalnu konvekciju, a treći kondukciju u graničnimstijenama. Ovdje treći član ima pozitivan predznak (+), što znači da se radi o gubitku toplineiz ležišta. Tu jednadžbu je postavio Lauwier za potrebe projektiranja istiskivanja viskoznenafte vrućom vodom. Konačni obrazac lako se može preurediti za slučaj geotermijskogležišta.

Kondukcija u graničnim stijenama opisuje se sljedećom jednadžbom:



19

( )

z

T c

z

T S S S

∂

∂⋅=

∂

∂

λ

ρ 2

2

Uz početne uvjete:

000 T T T

S L ==== τ τ

i rubne uvjete:

Lh zS T T == =

inj x L T T == =0

0)(lim 0 =−∞ →

T T S z

gdje je: TL - temperatura vode u ležištu u vremenu t, [K]

TS - temperatura graničnih stijena, [K]

T0 - temperatura ležišta u vremenu τ = 0, [K]

Tinj - temperatura vode pri utiskivanju, [K]

(cρ)S -obujamska specifična toplina stijena [J/m3°C]

τ -vrijeme iskorištavanja ležišta, [dan]

Simultanim rješavanjem jednadžbi Lauwier je došao do konačnih obrazaca. Njegov obrazac,Gringarten je preuredio tako da se umjesto linearne brzine vode protoka i dužine ležištakoristi protok vode i površina ležišta.

Gringartenov oblik obrasca je:

⋅

⋅⋅−⋅

⋅

⋅=

−

−− 2 / 122

0

0

)(

)(

)(

)(

W W

LW

S

W

inj

L

qc

Ahc

A

q

c

cerfc

T T

T T

ρ

ρ τ

ρ λ

ρ

Jednadžbu je pogodno transformirati na slijedeći način:

⋅

⋅⋅−⋅⋅

⋅⋅=

−

−

W W

LW W

S

inj

L

cq

ch Acq

c Aerf

T T

T T

)(

)()(

)(

0

0

ρ

ρ τ ρ

ρ λ

Ako se izraz u zagradi označi s (u) i pošto je:

( ) ( )[ ]uerf uerfc −= 1

daljnjom transformacijom jednadžbe dobiva se:



20

( )uerf T T

T T

inj

L −=−

−1

0

0

( ) ( )uerf T T uerf T T T T injinj L ⋅+−⋅−=− 000

( )uerf T T T T injinj L ⋅−+= 0

⋅

⋅⋅−⋅⋅

⋅⋅⋅−+=

W W

LW W

S L

injinj L

cq

ch Acq

c Aerf T T T T

)(

)()(

)()( 0

ρ

ρ τ ρ

ρ λ

Jednadžba se može rješavati tako da se za zadanu površinu ležišta A računa promjenatemperature na izlazu iz ležišta odnosno na dnu proizvodnih bušotina T L u funkciji vremena τ .Isto tako može se za zadano vrijeme računati distribucija temperature za različite površine odulaza do izlaza iz ležišta.Umjesto po površini, a ovisno o karakteru protoka, distribucijutemperature možemo računati po radijusu napredovanja vode za radijalni protok ili po dužiniležista za plošno-paralelni protok, (pošto je: π ⋅= 2 R A ; odnosno: A = dužina x širina).

Iz jednadžbe je uočljivo da će promjena temperature nastupiti tek kod uvjeta:

( )

( )W W

L

cq

ch A

ρ

ρ τ

⋅

⋅⋅≥

Ovaj izraz predstavlja vrijeme iskorištavanja prvobitno akumulirane topline u vodi i skeletuležišnih stijena. Ako je debljina ležista h zanemarivo mala, tj. ako se radi o idealnojhorizontalnoj pukotini onda će promjena ležišne temperature nastupiti vrlo brzo, tj. za svaki τ > 0.

4.3. Primjer proračuna vremena iskorištavanja geotermalnog ležišta Velika Ciglenauz konstantnu temperaturu vode na ušću

Vrijeme u kojem će temperatura pridobivene geotermalne vode biti konstantana τcT ovisi obrzini iskorištavanja ležišta. Konstantna temperatura će se održati do prodora pothlađenefronte u proizvodnu bušotinu.

VL -protočni obujam ležišta (ukupan), 94 387 750 m3 qw -projektirana, optimalna veličina protoka, 10 000 m3 /dФ -poroznost krovinske propusne zone koja je najvažniji izvor topline je 16%(cρ)m -obujamska specifična toplina matriksa, specifična toplina iznosi 882,2 J/kg°K a

gustoća matriksa jednaka je 2700 kg/m3

(cρ)W -obujamska specifična toplina vode kod ležišnih uvjeta iznosi:



21

-specifična toplina vode pri statičkom tlaku od 247,3 bar i statičkoj temperaturiod 175°C iznosi: cpw = 4271 J/kg °K, a zbog otopljenog CO2 u vodi od 26m3 /m3 ovu vrijednost treba umanjiti za oko 5% što tada iznosi: cpw = 4058J/kg°K

-gustoća vode pri ležišnim uvjetima:ρw = ρwsc / Bw =1018,1 / 1,10231 = 923,6 kg/m3

-obujamska specifična toplina vode:(cρ)w = 4058·923,6 = 3,748×106 J/m3 °K

- obujamska specifična toplina ležišta

K m J c

ccc

L

mW L

366 / 1060,270022,882)16,01(10748,316,0)(

)()1()()(

×=⋅⋅−+×⋅=

⋅Φ−+⋅Φ=

ρ

ρ ρ ρ

Vrijeme iskorištavanja ležišta s konstantnom temperaturom vode je:

( )

( )godinadana

cq

ch A

W W

S cT 94,176549

969747300010

106,275038794 6

==⋅

×⋅=

⋅

⋅⋅=

ρ

ρ τ

Obzirom na izračunatu vrijednost konstantne temperature pri proizvodnji od 10 000 m3 /dpotrebno je prikazati i temperaturni pad geotermalne vode nakon izotermne proizvodnje od17,9 godina. Dinamika promjene temperature u funkciji vremena proizvodnje geotermalnog

fluida računa se po obrascu Gringartena:

TL -temperatura vode u ležištu za vrijeme τ, KTinj -projektirana temperatura injektirane geotermalne vode, 353,15 K (80°C)T0 -početna temperatura ležišta u vremenu τ = 0, 448,15°K (175°C)A -ukupna protočna površina ležišta, 2 856 848 m2 h -protočna debljina ležišta (srednja vrijednost za sve propusne zone), 33m(cρ)S -obujamska specifična toplina stijena, 2 533 500 J/m3°Kλ -koeficijent toplinske vodljivosti stijena, 7 200 J/s⋅m°Kτ -vrijeme iskorištavanja ležišta, dan

⋅

⋅⋅−⋅⋅

⋅⋅⋅−+=

W W

LW W

S L

injinj L

cq

ch Acq

c Aerf T T T T

)(

)()(

)()( 0

ρ

ρ τ ρ

ρ λ

Obrazac ima smisla tek kod vremena τ ≥6549 (gotovo 18 godina) kada nastupa prodor hladnefronte u proizvodnu krovinsku propusnu zonu. Rezultati pada temperature u ovisnosti ovremenu iskorištavanja ležišta prikazani su na dijagramu.



22

Temperatura geotermalne vode u ovisnosti o vremenu iskorištavanja ležišta

175,0 175,0 175,0 175,0 175,0 175,0

175,0 175,0 175,0 175,0 175,0 175,0 173,5

154,8

142,3

128,8121,4

116,6113,1 110,5 108,4 106,7 105,3

175,0

134,4

124,7118,9

114,7 111,7 109,4 107,5 106,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

6 1 0 0

6 2 0 0

6 3 0 0

6 4 0 0

6 5 0 0

6 6 0 0

6 7 0 0

6 8 0 0

6 9 0 0

7 0 0 0

7 1 0 0

7 2 0 0

7 3 0 0

7 4 0 0

7 5 0 0

7 6 0 0

7 7 0 0

7 8 0 0

7 9 0 0

8 0 0 0

8 1 0 0

8 2 0 0

8 3 0 0

8 4 0 0

8 5 0 0

Vrijeme iskorištavanja ležišta, dan

T e m p e r a t u r a ,

° C

VRIJEME KONSTANTNE TEMPERATURE

≈18 god.

Slika 4-1: Izotermni period proizvodnje za ležište Velika Ciglena

5. ZNAČAJKE ISTRAŽNIH PROSTORA I EKSPLOATACIJSKIH POLJA

GEOTERMALNE VODE U RH

Potencijal geotermalnih izvora u RH može se podijeliti u tri veće regije: Panon, Centralnopodruč je i Jadransko priobalje i otoci (područ je Dinarida).

Jadransko priobalje i otoci (područ je Dinarida)Na ovom područ ju zbog manjih vrijednosti geotermalnog gradijenta i toplinskog toka ne

mogu se očekivati značajnija nalazišta geotermalnih ležišta. Ipak, moguć je pronalazak voda stemperaturama prikladnima za rekreativne i balneološke svrhe.

Centralno područ je

Pod ovim nazivom obuhvaćeno je područ je od Korduna i Banovine do Međimurja. Na tomprostoru otkrivena su geotermalna ležišta u širokom rasponu temperatura i količina, i to odonih s najvišom registriranom temperaturom i količinom protoka (Karlovac – Rečica), dosrednjetemperaturnih prikladnih za zagrijavanje (GP Zagreb) i do onih za rekreativne ibalneološke namjene (područ je Hrvatskog Zagorja i Međimurja).

Panonsko područ jeObuhvaćen je sjeverni dio Panonskog bazna, od Međimurja do istočne granice RH. Ovdje jeotkriven veći broj nalazišta relativno visokih temperatura geotermalne vode na ušću i velikimproizvodnim kapacitetima bušotina prikladnim za višestruku, kaskadnu namjenu (Kutnjak -

Lunjkovec, Velika Ciglena, Bizovac, Babina Greda, Ferdinandovec). Od njih se za sadatrenutno koristi samo nalazište u Bizovcu. Ostala potencijalna nalazišta su akviferi dubokih



23

naftnih i plinskih polja u Podravini i Slavoniji koja bi se mogla rentabilno iskoristiti nakonprestanka proizvodnje ugljikovodika kao na primjeru plinskih polja Molve i Kalinovac stemperaturama vode u okruženju ležišta od gotovo 120°C.

Većina geotermalnih izvorišta su zapravo negativne bušotine na naftu i plin. Kod naftnih

ležišta s rubnim utiskivanjem vode postoji mogućnost iskorištavanja geotermalne energije,ako takva ležišta imaju povoljne geotermalne i hidrodinamičke karakteristike. Primjer jenaftno polje Beničanci. U slučaju slabih hidrodinamičkih karakteristika akvifera naftnogležišta, a dobrih geotermalnih potencijala, moguće je izvršiti hidrauličko razdiranje stijenavodonosnog ležišta. Ovim postupkom poboljšava se injektivnost i produktivnost postojećihbušotina. Iskorištavanje toplinske energije tada bi postala primarna namjena ranije ležišta dokbi proizvodnja ugljikovodičnih fluida postala sekundarna. Na slici 5-1 prikazani su trenutnigeotermalni resursi Republike Hrvatske temperatura viših od 65°C (energetskoiskorištavanje).

Slika 5-1: Istražni prostori geotermalne energije Republike Hrvatske



24

4.1. Rezerve geotermalne vode

Kretanja ukupnih, bilančnih i eksploatacijskih rezervi geotermalne vode, u razdoblju od 1997.- 2005. godine, prikazana su u sljedećim tablicama:

Tablica 5-1: Utvrđene eksploatacijske rezerve, u l/s, geotermalne vode

GodinaVrstarezervi 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004.* 2005.

Ukupneutvrđene,l/s

83,356 83,356 83,356 83,356 83,356 83,356 83,356 137,356* 137,356

Ukupnebilančne,l/s

83,356 83,356 83,356 83,356 83,356 83,356 83,356 137,356* 137,356

*Krajem 2004. godine dovršen je Glavni rudarski projekt geotermalnog ležišta Kutnjak - Lunjkovec

Tablica 5-2: Utvrđene bilančne rezerve geotermalne vode Koprivničko–križevačke županije

GodinaPodruč je Lokacija Vrstarezervi 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004.* 2005.

Ukupneutvrđene, l/s

0 0 0 0 0 0 0 54 54Legrad Kutnjak

Ukupnebilančne, l/s

0 0 0 0 0 0 0 54 54

Tablica 5-3: Utvrđene bilančne rezerve geotermalne vode Osječko–baranjske županije

GodinaPodruč je Lokacija Vrstarezervi 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005.Ukupneutvrđene, l/s

6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214Valpovo Bizovec

Ukupnebilančne, l/s

6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214 6,214

Tablica 5-4: Utvrđene bilančne rezerve geotermalne vode Zagrebačke županije

GodinaPodruč je Lokacija Vrstarezervi 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005.

Ukupneutvrđene,l/s

77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14

Zagreb

SRCMladost-

Sveučilišnabolnica

Ukupnebilančne,l/s

77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14 77,14



25

Slika 5-2: Pregled ukupnih bilančnih rezervi geotermalne vode u Republici Hrvatskoj ipodjela po županijama

5.2. Proizvodnja geotermalne vode

Pored brojnih prirodnih vrela koja se koriste u balneološke svrhe, energetski se iskorištavageotermalna voda temperatura većih od 65°C samo iz Bizovačkog i Zagrebačkog ležišta.

Početak geotermije u našoj zemlji pripada Bizovcu kraj Valpova. Istražnim radovima na naftui plin otkriveno je ležište termalne vode temperature od 98°C što je rezultiralo gradnjomlječilišta krajem osamdesetih. Nakon prvobitnih poteškoća s eruptiranjem bušotine, izrađen jeprojekt podržavanja ležišnoga tlaka pomoću utiskivanja bunarske vode kroz injekcijskubušotinu. Do danas su izgrađene ukupno tri bušotine koje energetski proizvode oko 9 900MWht godišnje. Energija se prodaje za 50 % cijene ekvivalenta energetske vrijednostiprirodnog plina. Međutim, proizvodnja geotermalne vode može biti i za oko tri puta veća sobzirom na postojeće neaktivne naftne bušotine.

Slika 5-3: Proizvodne bušotine Sla-1 (ispred hotela Termia u Bizovcu) i Biz-4



26

Slika 5-4: Separatori plina i kotlovnica unutar hotela Bizovac na geotermalnom polju Bizovac

Na područ ju geotermalnog polja Zagreb obavljeni su opsežni geološki i geofizičko - seizmičkiistražni radovi. Kako bi se izradila što bolja procjena, istražnim bušenjem na jugozapadnomdijelu Zagreba istražen je geotermalni akvifer. Iskorištavanje geotermalne energije započelo je1980. godine grijanjem bazena na SRC Mladost. Do 1986. godine izrađeno je još 16 bušotinas ciljem povećanja opskrbe Mladosti i Sveučilišne bolnice u izgradnji. Lokalitet Mladost jezaokružena tehnološka cjelina, ali mogućnost proizvodnje je znatno veća od sadašnjihpotreba.Na lokaciji Sveučilišne bolnice izrađeno je sedam bušotina, od čega su tri negativne. Preostalepozitivne bušotine služile bi za energetske potrebe budućega objekta. Trenutno se koristisamo jedna bušotina, i to za potrebe grijanja zgrada u krugu gradilišta.Budući da su lokacije Mladost i Sveučilišna bolnica isto ležište, hidrodinamički povezano,

uvjeti proizvodnje su prilagođeni trenutnim potrebama. Za uže područ je GP Zagreb izrađen jeGlavni rudarski projekt.

Slika 5-5: Proizvodna i utisna bušotina KBNZ-1B i KBNZ-1A, lokacija Blato - GP Zagreb



27

Slika 5-6: Proizvodna i utisna bušotina Mla-3 i Mla-2, lokacija Mladost - GP Zagreb

Slika 5-7: Kotlovnica unutar SRC Mladost

Tablica 5-5: Proizvodnja geotermalne vode u Republici Hrvatskoj, za razdoblje od 1997. -2005. godine

Godišnja proizvodnja, u 103 m3

1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005.

408,78 379,65 410,37 322,09 351,50 365,38 274,72 280,79 314,00

U nastavku slijede tablice s pregledom proizvodnje geotermalne vode po županijama.



28

Tablica 5-6: Proizvodnja geotermalne vode u Osječko-baranjskoj županiji za razdoblje od1997. - 2005. godine

Godišnja proizvodnja, u 103 m3 Područ je Lokacija

1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005.

Valpovo Bizovec 171,73 161,48 186,63 164,14 153,66 159,15 127,01 129,71 144,66

Tablica 5-7: Proizvodnja geotermalne vode u Zagrebačkoj županiji za razdoblje od 1997. -2005. godine

Godišnja proizvodnja, u 103 m3

Područ je Lokacija1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004. 2005.

ZagrebSRC Mladost-Sveučilišnabolnica

237,04 218,17 223,74 157,95 197,84 206,23 147,71 151,08 169,34

Slika 5-8: Proizvodnja geotermalne vode u Republici Hrvatskoj po županijama



29

6. STRATEGIJA EU GLEDE PROMOVIRANJA I IMPLEMENTACIJE OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE (GEOTERMALNE ENERGIJE)

Europska energetska strategija opisana je u dva dokumenta EU komisije pod nazivom GreenPaper: a European Strategy for Sustainable, Competitive and Secure Energ (2006) i White

Paper: Energy for the Future-Renewable Sources of Energy(2006). U ovim dokumentimadane su osnovne smjernice daljnjeg energetskog razvoja zemalja članica EU. Trenutno se50% od ukupno korištene energije dobiva iz uvoznih fosilnih goriva, a procijenjeno je da,ukoliko se ne bude ulagalo u domaću proizvodnju i kompetitivnost domaćih obnovljivihizvora, ovisnost o uvoznoj energiji dosegnut će razinu od 70% u sljedećih 20 godina. Većinauvoza energetskih mineralnih sirovina dolazi iz politički nestabilnih zemalja što je prijetnjasigurnoj energetskoj opskrbi. Više od polovice potrošnje prirodnog plina, kao ekološkinajprihvatljivijeg fosilnog goriva, dobavlja se samo iz tri zemalja; Rusija, Norveška i Alžir, as trenutnim rastom potrošnje uvoz će se povisiti na 80% u roku od 15 godina. Sa znatnimporastom cijene nafte i plina u zadnjih par godina, direktno raste i cijena električne energije, as time i cijena usluga i finalnih proizvoda.

Potražnja za energijom u svijetu povećat će se za 60% do 2030., a potrošnja nafte povećala seza 20% u zadnjem desetljeću čime se ugrožava ekosustav emisijom stakleničkih plinova uatmosferu. Europska Unija, kao potpisnica Kyoto protokola, obvezala se na smanjenje emisijaugljičnog dioksida, a kako bi se osigurala tehnološki naprednija, i za okoliš manje invazivna,proizvodnja energije u sljedećih 20 godina bit će potrebno uložiti oko trilijun eura. Zbog svihovih problema sa sigurnom opskrbom, diverzifikacijom energetskih izvora te štetnimdjelovanjem energetskog i transportnog sektora na okoliš, a čije posljedice se već osjećaju uzadnjem desetljeću, EU je donijela prijedlog strategije nove energetske politike.

Kako bi se smanjio utjecaj promjene klime definirana su tri osnovna cilja:

▪ Poboljšanje energetske intenzivnosti u vidu smanjenja energetskih gubitaka ulaganjemu tehnološku infrastrukturu. Iako je Europa jedna od energetski najefikasnijih područ jau svijetu, daljnjim poboljšanjem efikasnosti moglo bi se uštedjeti 20% od ukupnoutrošene energije odnosno 60 milijardi eura.

▪ Povećanje udjela obnovljivih izvora energije, prvenstveno u proizvodnji električneenergije, čiji bi udjel trebao dosegnuti 12% do 2010.

▪ Sekvestracija ugljičnog dioksida u geološki povoljne formacije, kao i njegovokorištenje u vidu tercijarnih metoda povećanja iscrpka nafte.

Buduća energetska politika mora također zadovoljiti tri sljedeća cilja:

▪ Održivost – razvoj kompetitivnih obnovljivih izvora energije i ostalih izvora energijesa smanjenom emisijom ugljičnog dioksida, prvenstveno u transportnom sektoru.

▪ Kompetitivnost – osigurati otvaranjem jedinstvenog Europskog tržišta energijomkoristi potrošačima i ekonomiji u cjelini te ulagati u alternativne izvore energije,daljnji tehnološki razvoj i postizanje veće energetske intenzivnosti.

▪ Sigurnost opskrbe – smanjiti ovisnost EU o uvozu energije smanjenjem potrošnje ienergetskih gubitaka, postići diverzifikaciju energetskih izvora razvojem domaćeproizvodnje obnovljivih izvora energije i povećanjem opskrbnih pravaca fosilnihgoriva.

Obnovljivi izvori energije trenutno osiguravaju samo 6% ukupne potražnje za energijom uEU, a cilj je dostići 12% do 2010. Većinu predviđenog rasta pokrilo bi se trostrukim



30

povećanjem upotrebe biomase (135 Mtoe), energije vjetra od 40GW, dostizanje brojke od 100milijuna m2 instaliranih solarnih kolektora. Manji, ali također vrlo značajan udio planiran je uvidu instaliranja PV kolektora (3 GWp), solarne pasivne energije od 35 Mtoe te ostalihobnovljivih izvora energije od razine 1GW (energija plime, valova i morskih struja, hot dryrock, termalna konverzija energije oceana).

Geotermalna energija u Europi trenutno zauzima mali udio od ukupne energije pridobivene izobnovljivih izvora energije. Iako je proizvodnja električne energije isplativa i konkurentnakonvencionalnim termoelektranama, rizici vezani uz ulaganja u geotermalna ležišta i daljepredstavljaju ograničavajući faktor te je instalirana snaga na oko 800 MWe. Iskorištavanjetoplinske energije geotermalnih ležišta ima blagi porast, a najvećim dijelom se koristi zagrijanje i balneologiju te iznosi otprilike 2,5 GWt. U zadnjem desetljeću iskorištavanje plitkihgeotermalnih resursa upotrebom toplinskih pumpi ima eksponencijalni rast s preko 600 000instaliranih jedinica i 7,3 GWt. Do 2010, toplinska energija pridobivena iz geotermalnihresursa (ne uključujući toplinske pumpe) iznosila bi otprilike 5 GWt te s instaliranimkapacitetima za proizvodnju električne energije od 1GWe.

Slika 6-1: Usporedba kretanja cijene sirove nafte na svjetskom tržištu i povećanja instaliranihgeotermalnih kapaciteta

Tablica 6-1: Pregled instaliranih kapaciteta geotermalne energije za proizvodnju električneenergije u EU, 2001-2006

2001 2002 2003 2004 2005 2006Country

MWe GWhe MWe GWhe MWe GWhe MWe GWhe MWe GWhe MWe GWhe

Italy 785,0 4 376,0 862,0 4 662,0 790,0 5 341,0 790,0 5 127,0 810,5 5 325,0 810,5 5 527,0

Portugal 16,0 119,0 16,0 119,0 16,0 90,0 16,0 84,0 18,0 71,0 28,0 85,0

France 4,3 21,0 4,3 21,0 4,7 23,0 14,7 29,0 14,7 95,0 14,7 78,0

Austria - - 1,2 2,0 1,2 3,0 1,2 2,0 1,2 2,0 1,2 3,0

Germany - - - - 0,2 0,4 0,2 0,4 0,2 0,4 0,2 0,4

EU27 805,3 4 516,0 883,3 4 804,0 812,1 5457,4 822,1 5 242,4 844,6 5 493,2 854,6 5 693,4



31

Tablica 6-2: Pregled instaliranih kapaciteta geotermalne energije za proizvodnju toplinskeenergije u EU, 2001-2006

2001 2002 2003 2004 2005 2006Country

MWt MWt MWt MWt MWt MWt

Hungary 680,0 715,0 725,0

Italy 426,2 426,2 486,5 486,6 486,6 500,0

France 327,6 330,0 330,0 291,9 291,9 307,0

Slovakia 186,3 186,3 186,3

Germany 70,5 70,5 70,5 104,6 104,6 177,0

Poland 82,7 92,7 92,9

Greece 56,7 69,0 75,0 70,8 69,8 69,8

Austria 63,8 92,5 100,0 52,0 52,0 52,0

Slovenia 44,7 44,7 44,7

Portugal 5,5 5,5 5,5 30,4 30,4 30,4

Spain 0,1 22,3 22,3 22,3

Lithuania 17,0 17,0Czech Republic 4,5 4,5 4,5

Belgium 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9

UK 2,3 2,3 2,3 3,0 3,0 3,0

Ireland 0,7 0,7 0,7 0,4 0,4 0,4

Sweden 47,0 47,0 47,0

Denmark 4,0 4,0EU15 1 008,1 1 051,6 1 121,5 1 065,1 1 064,9 1 165,8

EU25 2 064,1 2 125,1 2 236,3

Romania 145,1 145,1

Bulgaria 109,3 109,3

EU27 2 379,5 2 490,7Hrvatska 113,9 113,9 113,9

Tablica 6-3: Pregled instaliranih kapaciteta za iskorištavanje plitkih resursa geotermalneenergije toplinskim pumpama u EU, 2001-2006

2003 2004 2005 2006Country

NumberCapacity

MWtNumber

CapacityMWt

NumberCapacity

MWtNumber

CapacityMWt

Sweden 146172 1334,0 185531 1700,0 230094 2070,8 270111 2431,0Germany 39069 507,9 48662 632,6 61912 681,0 90517 995,7France 38250 420,8 49950 549,5 63830 702,1 83856 922,4Denmark 6700 80,4 6700 80,4 43252 821,2 43252 821,2Finland 27100 271,0 30000 300,0 29106 624,3 33612 721,9Austria 26373 527,5 30614 611,5 32916 570,2 40151 664,5Netherlands 1600 253,5 1600 253,5 1600 253,5 1600 253,5Italy 6000 120,0 6000 120,0 6000 120,0 7500 150,0Poland 8000 103,6 8000 103,6 8100 104,6 8300 106,6Czech Republic 2100 36,0 2700 47,0 3727 61,0 5173 83,0Belgium 5000 60,0 5000 60,0 6000 64,5 7000 69,0

Estonia 1035 10,7 2190 20,7 3500 34,0 5000 49,0Ireland 1500 19,6 1500 19,6 1500 19,6 1500 19,6



32

Hungary 400 4,0 400 4,0 230 6,5 350 15,0United Kingdom 550 10,2 550 10,2 550 10,2 550 10,2Greece 319 4,0 319 4,0 400 5,0 400 5,0Slovenia 172 3,8 203 2,3 300 3,4 420 4,6Lithuania 4 13,6 4 13,6 200 4,3 200 4,3

Slovakia 8 1,4 10 1,6 8 1,4 8 1,4Latvia 10 0,2 10 0,2Portugal 1 0,2 1 0,2 1 0,2 1 0,2TotalEU25 310353 3782,0 379684 4535,0 493236 6158,0 599511 7328,3

Bulgaria 19 0,3 19 0,3TotalEU27 493255 6158,3 599530 7328,6Switzerland 28620 572,4 33000 660,0

7. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ GEOTERMALNIH LEŽIŠTA

Najvažniji način iskorištavanja visokotemperaturnih geotermalnih izvora je proizvodnjaelektrične energije. Instalirane snage geotermalnih elektrana mogu znatno varirati od približno100kW, uobičajenim rasponom od 1 do 5 MW, pa sve do vrijednosti od 100 MW ugeotermalnim postrojenjima s proizvodnjom pregrijane pare. Geotermalne elektrane rade kao(base load ) temeljne elektrane s godišnjim stupnjem korištenja od 0,9 ili više. Elektranemanjih instaliranih kapaciteta najčešće su modularnog tipa kako bi se smanjili troškoviizgradnje i kako bi se elektrana smjestila što bliže geotermalnom ležištu te na taj načinsmanjio utjecaj na okoliš. Izbor tehnologije za iskorištavanje ležišta ovisi o karakteristikamageotermalnog ležišta, a vrijednost temperature i protočna svojstva najvažniji su parametri zavalorizaciju geotermalnog potencijala.Postoje tri osnovna tipa postrojenja koja za proizvodnju električne energije koristegeotermalnu energiju.

7.1. Proizvodnja pregrijane pare

Ovakav tip postrojenja koristi protutlačne turbine, kada je geotermalni fluid suha para. Uovom slučaju para i čestice vode se odvajaju u separatoru, para pokreće turbinu, a izdvojenavoda se vraća u ležište. Na ovaj se način proizvodi električna energija iz ležišta suhe vodenepare. Vodena para se pod pritiskom iz geotermalnog izvora izravno dovodi na lopatice turbine

i nakon kratke adijabatske ekspanzije kod atmosferskog tlaka od 1 bara, umjestokondenzatorskog pritiska od 0,04 bara ispušta u zrak. Ovo je najjednostavniji inajekonomičniji proces proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora.



33

Slika 7-1: Postrojenje s proizvodnjom pregrijane pare

Slika 7-2: Postrojenje s proizvodnjom pregrijane pare, Wairakei, Novi Zeland

7.2. Flash proces

Ukoliko je proizvedeni geotermalni fluid suhozasićena para ili smjesa pare i vode koristi seflash proces. Ovisno o raspoloživoj temperaturi i tlaku, odvajanje pare se može obavljati unekoliko stupnjeva i različitih radnih tlakova. Suhozasićena para je preusmjerena direktno naturbinu dok se zaostala vruća voda, koja je odvojena u separatoru, može djelomično pretvoritiu paru, pomoću “flash-separatora”, naglim spuštanjem tlaka fluidu. Koriste se kondenzacijsketurbine gdje se para nakon prolaza kroz turbinu kondenzira pri nižem tlaku.



34

Slika 7-3: Postrojenje s proizvodnjom mješavine suhozasićene pare i vode i flashotlinjavanjem

7.3. Binarne elektrane

Razvojem binarnih elektrana omogućeno je bolje korištenje toplinske energije geotermalnogležišta pri proizvodnji električne energije. Osnovni princip rada ovakve elektrane je prijenostopline s geotermalnog fluida u izmjenjivaču topline na sekundarni radni fluid (najčešćeugljikovodici) s točkom isparavanja nižom od 100°C. Sekundarni fluid isparava i ulazi uturbinu gdje se na generatoru proizvodi električna energija, nakon čega se fluid kondenzira u

kondenzatoru uslijed pada temperature te se ponovno vraća u izmjenjivač topline. Pothlađenigeotermalni fluid na izlazu iz izmjenjivača topline utiskuje se natrag u ležište radipodržavanja ležišnog tlaka. Razvoj tehnologije lako hlapljivih kapljevina omogućio jekorištenje geotermalnih resursa temperature i do 100 oC. Binarno postrojenje je ekološkinajprihvatljivije jer se geotermalna voda u zatvorenom ciklusu ponovno utiskuje u ležišta inema direktnog utjecaja na okoliš.



35

Slika 7-4: Binarno postrojenje za proizvodnju električne energije iz geotermalnog ležišta

Slika 7-5: Binarna elektrana snage 300 kW u Fangu, Tajland

7.4. Energetska raspoloživost i proračun instalirane eksergetske snage geotermalnogležišta

Energetska raspoloživost je maksimalna količina reverzibilnog rada koji je moguće dobiti izgeotermalnog izvora. Prema Bošnjakoviću [1], eksergija se definira kao tehnička radna moć koja se može dobiti kada se stanje radnog medija dovede povratnim načinom u mehaničku itoplinsku ravnotežu s okolinom, odnosno eksergija je maksimalni ostvarivi rad iz strujemedija. Pojam radne sposobnosti pogodan je za ocjenu valjanosti kontinuiranih procesa sobzirom na preobrazbu energije. Kada procesi teku posve reverzibilno mora sačuvanaeksergija odvedenih tvari, u koju treba uračunati i dobiveni mehanički rad, biti jednakaeksergijama dovedenih tvari, pri čemu se ne smije zaboraviti na eksergije utrošenogmehaničkog rada te izmijenjenih toplina ili drugih vrsta energije. Kad se, naprotiv, pojavljujuireverzibilnosti, sveukupna će se eksergija sudionika u toku procesa umanjiti, pa je tosmanjenje neposredna mjera za gubitke koji se pri zadanoj okolini više nikakvim postupcima isredstvima ne mogu naknadno ispraviti. Maksimalno potencijalan koristan rad jednak jepromjeni raspoloživosti geotermalnog fluida pri uvjetima na ušću do standardnih uvjetaokoline. Izraz za eksergetsku snaga binarnog ciklusa može se prikazati pomoću sljedećegmatematičkog proračuna:

( ) pgTg

poToogex sT iqP

,

∆⋅−∆⋅=

Promjena entalpije jednaka je:)( o pgo T T cii −⋅=−

Promjena entropije:

) / ln( o pgo T T css ⋅=−

za p = const

o

o

T

T

pg s p p RdT

T

cs +−= ∫ ln

0



36

−−⋅=

⋅−−⋅=

o

oo pgg

o

pgoo pggexT

T T T T cq

T

T cT T T cqP lnln)(

odnosno:

∆+−∆⋅=

o

o pggexT

T T T cqP 1ln

Uvođenjem matematičkog izraza:22

2

1

2)1ln(

∆−

∆=−=+

oo T

T

T

T x x x

slijedi da je:

∆−∆−∆⋅=2

2

21

oo

o pggexT

T

T

T T T cqP

dobiva se konačan izraz za eksergetsku snagu binarnog ciklusa:

o

pggexT

T cqP

2

2∆⋅⋅=

Izraz za Pex predstavlja maksimalnu teoretsku snagu za binarni Rankine ciklus prema

navedenim pretpostavkama. Za realne uvjete na lokaciji, T o odgovara izlaznoj temperaturifluida iz izmjenjivača topline (T g out ). Dakle, ukupna bruto instalirana snaga jednaka jeeksergetskoj snazi:

out g

pggexT

T cqP

2

2∆⋅⋅=

Ekvivalentno gore pridobivenom obrascu, moguće je isti dobiti i drugačijim načinom, prekostupnjeva iskorištenja prvog i drugog zakona termodinamike [7]

util

out g

ing

oout ging pggexT

T T T T cqP η ⋅

⋅−−⋅⋅= ln(

Ukupan stupanj iskorištenja ηutil je direktna mjera efikasnosti iskorištavanja geotermalnogresursa, odnosno to je ukupni stupanj iskorištenja cijelog postrojenja (izmjenjivač topline,turbina i generator, kondenzator, pumpe). Za konstantnu vrijednost T g in, više vrijednosti ηutil odgovaraju nižim protočnim uvjetima za danu izlaznu snagu. Drugim riječima, preko drugogzakona termodinamike djelotvornost procesa jednaka je omjeru stvarnog i reverzibilnog rada.Stupanj iskorištenja ηutil binarnog ciklusa, prema drugom zakonu termodinamike, tetermodinamički stupanj iskorištenja ciklusa ηcycle na primarnoj strani izmjenjivača topline,prema prvom zakonu termodinamike, mogu biti izraženi u ovisnosti o radnim uvjetima testanju okoline [7]:



37

o

ing

o

cycle

util

T

T T T

T

ln⋅−∆

η⋅∆=η

Prema prvom zakonu, termodinamički stupanj iskorištenja je omjer između ukupne snageproizvedene u ciklusu i ukupne raspoložive toplinske energije geotermalnog izvora. To značida je za odabranu razliku temperature u izmjenjivaču topline, koja je ovisna opretpostavljenim vrijednostima temperature fluida za optimalnu proizvodnju, ηcycle jednak[7]:

tot

excycle

Q

P=η

Prvi zakon termodinamike može se napisati i kao:

12

2

max

2

<∆

=<⋅

∆=

∆⋅⋅

⋅

∆⋅⋅

==T

T

T

T

T cq

T

T cq

Q

Pcarnot

out g pgg

out g

pg

g

tot

excycle η η

Stupanj iskorištenja ηcycle je mjera djelotvornosti pretvorbe geotermalne topline u mehaničkirad. Drugim riječima, termodinamički stupanj iskorištenja prvog zakona termodinamike ηcycle definiran je kao omjer proizvedene snage i ulazne toplinske energije geotermalnog fluida.Budući da Carnotov ciklus kao reverzibilan proces ima maksimalnu moguću iskoristivost,

iskorištenje nereverzibilnog ciklusa ηcycle, za istu razliku ulazne i izlazne temperature naprimarnoj strani izmjenjivača topline ∆T , mora biti manja od one Carnotovog.Ukupna godišnja proizvedena električna energija iznosila bi :

β ⋅=net exnet P E 1



38

0

20

40

60

80

100

120

140

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

Resource Temperature, °C

E x e r g y P o w e r , k W / k g / s

0,000

0,025

0,050

0,075

0,100

0,125

0,150

0,175

0,200

η c y c l e

Pex - Sink tem perature 70-90°C

ηcycle - Sink te mpe rature 70-90°C

70°C

80°C

90°C

70°C

80°C

90°C

Slika 7-6: Termodinamički stupanj iskorištenja u ovisnosti o temperaturi fluida za odabranebinarne elektrane u svijetu



39

Korištene oznake u izvodu:

c pg - specifična toplina geotermalnog fluida pri zadanim uvjetima, kJ/kg K E net1 - ukupna godišnje proizvedena električna energija, kWhe pgu - tlak geotermalne vode pri uvjetima na ušću, Pa po - tlak geotermalnog fluida pri standardnim uvjetima, Pa

Pex - eksergetksa snaga geotermalnog fluida pri uvjetima na ušću, kWe Pheat - instalirana toplinska snaga geotermalne vode, kWt T g in - temperatura geotermalnog fluida na ulazu u izmjenjivač topline, KT g out - temperatura geotermalnog fluida na izlazu iz izmjenjivača topline, KT gu - temperatura geotermalne vode pri uvjetima na ušću, KT o - minimalna utisna temperatura geotermalnog fluida koja odgovara stanju okoline, odnosno srednja

godišnja temperatura na lokalitetu od 10,3 °Cqg - maseni protok geotermalne vode, l/s ∆i - promjena entalpije, kJ/kg∆s - promjena entropije, kJ/kg K∆T - razlika ulazne i izlazne temperature na primarnoj strani izmjenjivača topline binarnog ciklusa, Kβ - godišnji stupanj korištenja energije, h/godηcarnot - stupanj iskoristivosti Carnotovog ciklusaηcycle - termodinamički stupanj iskorištenja, prema prvom zakon termodinamikeηutil - ukupan stupanj iskorištenja postrojenja, prema drugom zakonu termodinamike

7.5. Proračun eksergetske snage i proizvedene energije na lokalitetu Kutnjak-Lunjkovec

Prema fizikalnim karakteristikama stijena, ležište Kutnjak – Lunjkovec pripada srednjetemperaturnim ležištima. Proizvodni interval nalazi se na 2 167 m dubine sa statičkim tlakomod 225,6 bar i statičkom temperaturom od 145°C. Proizvodnja geotermalne vode projektirana

je kroz prstenasti prostor, između tubinga i zaštitnih cijevi, uz tlak ušća od 6 bar. Ukupnoproizvedena energija iz bilančnih zaliha geotermalne vode može biti pridobivena kroz dvaciklusa izmjene topline prikazanih na slici 7-5.Geotermalni voda temperature 140°C i protoka od 70 l/s (6 050 m3 /d) ulazi u prvi izmjenjivač topline elektrane gdje mu se temperatura smanjuje na 70°C, a nakon toga ulazi u drugiizmjenjivač topline gdje izlazna temperatura arbitrarno iznosi 30°C. U ovom cirkulacijskomkrugu toplina geotermalne vode koristi se direktnim načinom u svrhu grijanja rekreativno-

hotelskog kompleksa i plastenika. Obzirom na utvrđenu količinu proizvodnje od 6 050 m

3

/d(70 l/s) i izlaznu temperaturu od 70°C u prvom, i 30°C u drugom cirkulacijskom krugu, bit ćeprikazan proračun instalirane električne i toplinske snage za bušotinu Kt-1.



40

Slika 7-7: Tehnološka shema kaskadnog korištenja toplinske energije na lokalitetu Kutnjak-Lunjkovec

7.5.1. Prvi cirkulacijski krug – proizvodnja električne energije Rankine binarnimprocesom

Teoretska eksergetska snaga Rankine binarnog ciklusa, prema izrazu za maksimalni koristanrad [4]:

( ) eex

out g

out ging pgw

out g

pgw

ex

kW P

T

T T cq

T

T cqP

124215,3432

15,34315,41325,470

22

2

22

=⋅

−⋅⋅=

⋅

−⋅⋅=

⋅

∆⋅⋅=

Termodinamički stupanj iskorištenja binarnog ciklusa (dio raspoložive toplinske energijepretvorene u električnu energiju – prvi zakon termodinamike):

%2,10102,07025,470

1242

15,3432

15,34315,413

2

==⋅⋅

=⋅

−=η

=⋅

−=η

cycle

total

ex

out g

out ging

cycleQ

P

T

T T



41

Ukupan stupanj iskorištenja postrojenja (drugi zakon termodinamike):

( )

( )

%8,41418,0

45,283

15,413ln45,28315,34315,413

102,015,34315,413

ln

==

⋅−−

⋅−=η

⋅−∆

η⋅∆=η

util

o

ing

o

cycle

util

T

T T T

T

Prema tome, određivanje bruto instalirane snage binarnog ciklusa preko I i II zakonatermodinamike također iznosi [7]:

eex

util

out g

ing

oout ging pggex

kW P

T

T T T T cqP

1242418,015,343

15,413

ln45,28315,34315,413(25,470

ln(

=⋅

⋅−−⋅⋅=

η⋅

⋅−−⋅⋅=

Obzirom na internu potrošnju električne energije binarnog postrojenja, potrošnje energijepostrojenja za utiskivanje geotermalne vode u ležište, pumpnih stanica i ostalih gubitaka uciklusu, potrebno je izraziti stvarnu instaliranu neto snagu. Prema pred-investicijskoj studijikompanije Virkir Orkint Consulting Group Ltd, iz Reykjavika, Island, za naručitelja INANaftaplin, obavljenoj za ležišta Kutnjak-Lunjkovec i Velika Ciglena 1995. godine, u ovisnostio karakteristikama ležišta, lokacije i elektrane procijenjeni su sljedeći udjeli interne potrošnje,a u tablici 4-1 izračunate su vrijednosti u kWe :

Tablica 7-1: Interna potrošnja binarnog ciklusa:

% kWe Binarni ciklus 13,16 279,5Pumpe za utiskivanje 12,11 257,2Bušotinske pumpe 2,76 58,6Pumpe za toplovod 0,79 16,8Ostalo 1,58 33,6Ukupno 30,40 645,7

Gotovo jedna trećina instalirane snage elektrane mora se utrošiti za potrebe injektiranjageotermalne vode natrag u ležište i rad samog postrojenja (za isporuku u mrežu ostaje~1480 kWe). Ako pretpostavimo godišnji stupanj korištenja elektrane od 95%, odnosno8 320 sati rada godišnje, ukupna godišnja proizvedena električna energija iznosila bi :

enet

net exnet

kWh E

P E

00030012

8320)304,01(2124

1

1

=

⋅−⋅=β⋅=

Ekvivalentna količina prirodnog plina koja bi se godišnje mogla uštedjeti proizvodnjomgeotermalne energije jednaka je:



42

oe

gas

net

ogasen

net gas

gasspnet gas

Q

E

Q E G

D E G

η⋅

=η⋅

⋅=

⋅=

3600

1

36 000029433,0

3600

30033103,12 mGgas ≈

⋅

⋅=

7.5.2. Mogućnost proizvodnje električne energije iz plinske komponente u geotermalnojvodi

Geotermalna voda ležišta Kutnjak-Lunjkovec sadrži također i plinsku fazu, a pri uvjetimaušća GWR (Gas-Water Ratio) iznosi 4,5 m3 /m3. Najveći udio plinske smjese čine ugljični

dioksid, dušik te metan/etan (12,9 %). Pred-investicijskom studijom predlažu se dva načinautiskivanja geotermalne vode natrag u ležište; a) plin i geotermalna voda se ne odvajaju, već od proizvodne do utisne bušotine kontinuirano protječe mjehurićasta faza unutar cjevovoda;b) plin se odvaja iz geotermalne vode na proizvodnoj bušotini te se na utisnoj bušotiniponovno injektira u cjevovod pomoću kompresorske stanice. Projektiranje sustava sasepariranjem plina poboljšalo bi prijelaz toplinske energije u izmjenjivačima topline, ametanska komponenta plina mogla bi se iskoristiti za proizvodnju električne energije uplinskoj turbini i pokrivanje djela interne potrošnje postrojenja. Proizvodnja metan/etanplinske faze, uz proizvodnju vode od 6 050 m3 /d, iznosila bi 27 225 m3 /d, odnosno 0,04065m3 /s. Uz poznatu donju ogrjevnu vrijednost metana od 33,34 MJ/m3 moguće je izračunatiproizvedenu električnu energiju u plinskoj turbini standardiziranog stupnja iskorištenja od

37%.

eegas

CH gas

kW MW s MJ P

oeqP

5015014,0 / 5014,0

37,004065,034,3334,33 4

===

⋅⋅=⋅⋅= η

7.5.3. Drugi cirkulacijski krug – proizvodnja toplinske energije kaskadnim načinomkorištenja

Toplinska snaga u drugom cirkulacijskom krugu može se izraziti kao:

( ) he pggheat T cqP η⋅∆⋅⋅= 2 (kWt)

Uvrštenjem vrijednosti izlazne temperature na prvom izmjenjivaču topline od 70°C itemperaturnog pada do 30°C, instalirana toplinska snaga drugog cirkulacijskog kruga iznosilabi:

( ) t heat kWhP 1701195,015,30315,34320,470 22 =⋅−⋅⋅=

Uz predviđeni godišnji stupanj korištenja ležišta od β = 3 950 h godišnje (β=45%), moguće jeosigurati godišnju proizvodnju toplinske energije od:



43

enet

heat net

kWh E

P E

500121443950170112

22

=⋅=

β⋅=

Ušteda prirodnog plina, ekvivalentno proračunu prikazanom pri proizvodnji električneenergije, uz stupanj iskorištenja plinkog kotla η

oh od 0,9 iznosila bi:

36

000300590,0

3600

300331012,44

mGgas ≈

⋅

⋅=

U slučaju korištenja električne i toplinske energije u kaskadnom nizu do temperature od 30°Cza dva cirkulacijska kruga, ukupno ušteđena količina prirodnog plina iznosila bi 9 329 000m3, odnosno oko 0,3 % godišnje ukupno utrošene količine prirodnog plina u RepubliciHrvatskoj (2006).

Slika: Proizvodna bušotina Kt-1 i utisna Lunj-1 na lokalitetu Legrad



44

8. STRUKTURA TROŠKOVA ULAGANJA U GEOTERMALNE PROJEKTE ZAPROIZVODNJU ELEKTRIČNE ENERGIJE

U Hrvatskoj trenutno postoji nekoliko geotermalnih projekata za proizvodnju električneenergije u početnoj fazi razvitka. Dok su tehnološka rješenja direktno ovisna o

karakteristikama samog izvora, ekonomska analiza se često izvodi sa znatnim pretpostavkamai usklađivanjem preko povećane stavke nepredviđenih troškova. U svijetu postoje značajnerazlike između troškova koji se mogu pronaći u literaturi i troškova direktno pridobivenih sgeotermalnih postrojenja. Unatoč znanstvenim radovima gdje se ističe kompetitivnostgeotermalne energije s fosilnim energentima, nedostatak povećanog razvoja novih projekata,a s time i relevantnih podataka, unatrag zadnjih deset godina još više ističe razliku izmeđustvarnih troškova i troškova iz zastarjele literature.Trošak proizvodnje geotermalne energije sastoji se od dvije važne komponente: amortizacijepočetnih kapitalnih investicijskih ulaganja te operativnih i troškova održavanja prilikomproizvodnog ciklusa. Početni kapitalni investicijski troškovi odnose se na sve troškove vezaneza razvoj projekta, u što su uključeni sljedeći troškovi: najam, dozvole, istraživanje,

potvrđivanje rezervi, razvoj projekta te niz troškova izraženih kao uvjetni troškovi. Kapitalnitroškovi geotermalnih projekata općenito su zavisni o lokaciji i specifičnostima ležišta, aležišna temperatura, dubina, kemizam vode i propusnost faktori su koji imaju najveći utjecajna troškove razvoja geotermalnih projekata. Struktura kapitala investitora i financijski uvjeti(vrijeme zaduženja i kamatna stopa) također imaju veliki utjecaj na krajnju cijenuproizvedene energije u vidu plaćenih kamata za vrijeme same gradnje i razvoja ili troškovazbog kašnjenja projekta.Operativni i troškovi održavanja odnose se na sve troškove neophodne za neprekidni pogonelektrane u normalnom sistemu rada, a također su direktno ovisni o lokaciji i ležišnimkarakteristikama (prvenstveno dubina ležišta i kemizam vode). Tržišni parametri takođerigraju važnu ulogu u konačnom trošku energije, ali su izvan kontrole investitora. Pogodnijipravni okvir bi mogao reducirati dopuštene procedure i odgađanja, i osigurati garancijeinvestitorima za uvođenje jeftinijeg kapitala te tako na taj način potaknuti veće zanimanje iulaganje u geotermalne projekte.

8.1. TROŠAK KAPITALNIH ULAGANJA

Razrada i razvijanje novog geotermalnog resursa je dugotrajan i skup posao, a početnipostupci istraživanja i razvoja su rizični čime se kapitalnim investicijskim troškovimapridodaje poseban značaj. Prema tome, glavna stavka koja utječe na cijenu energije bit ćevrijeme povrata uloženih sredstava. Otprilike 65% od ukupnih troškova proizvodnje

geotermalne energije otpada na otplatu kapitalnih investicija i kamatu, što približno odgovaracijeni goriva za pogon konvencionalnih termoelektrana na fosilno gorivo. Razvijanjegeotermalnih projekata sastoji se od niza uzastopnih razvojnih faza koje imaju za cilj otkriti iistražiti geotermalni resurs, potvrditi kapacitet ležišta za proizvodnju energije te izgraditielektranu i prateću infrastrukturu.

8.1.1 Faza istraživanja i potvrđivanja ležišnih kapaciteta

Faza istraživanja resursa ima za zadatak locirati geotermalno ležište s potencijalomdostatnim za proizvodnju električne energije, a započinje s nizom istražnih postupaka ianaliza na samom lokalitetu koji za cilj imaju bušenje i opremanje prve proizvodne bušotine

na geotermalnom ležištu. Trošak istraživanja resursa može se podijeliti u tri sljedeće istražnefaze.



45

a) Regionalno ispitivanje - U ovoj fazi istražuju se područ ja većih površina kako bi se suzilo iidentificiralo područ je od posebnog geotermalnog značaja. Ova istraživanja uključujuregionalne geološke studije, analize dostupnih geofizičkih podataka te geokemijska ispitivanjakako bi se utvrdila određena područ ja za detaljnija istraživanja. Troškovi ovakvih istraživanjaiznose otprilike 7,7 $/kWe instalirane snage, a direktno ovise o količini već dostupnih

regionalnih podataka te pristupačnosti terena.

b) Lokalna istraživanja - Uključuju istraživanja područ ja manjih površina s ciljemodređivanja lokacije za bušenje prve istražne bušotine, a geofizička istraživanja i ispitivanjageotermalnih gradijenata su najvažniji postupci u ovoj fazi ispitivanja. U ovisnosti okarakteristikama lokacije i drugih istražnih zahtjeva geofizička ispitivanja mogu obuhvatitigravimetrijska ispitivanja, magnetska i magnetotelurska ispitivanja, seizmiku te ispitivanjaotpornosti, a koja će dati odgovore o stijenskim formacijama te vjerojatnosti otkrićageotermalnog ležišta. Bušenje je najskuplji dio istraživanja ali i jedini mogući način kako bise potvrdila ležišna temperatura i proizvodni kapaciteti resursa. Ako se investitor odluči nabušenje bušotine malog promjera radi utvrđivanja geoloških podataka i geotermalnog

gradijenta trošak će iznositi otprilike $22/kWe. Istražne bušotine rijetko dopiru do samogležišta i najčešće se ne koriste kao proizvodne ili utisne bušotine.

c) Istraživanja u svrhu vrednovanja ležišta - Daljnja procjena ležišta usmjerena je naodređivanje najboljih lokacija za bušenje proizvodnih bušotina s visokim temperaturama iizdašnošću. Bušotine izbušene u ovoj fazi nazivaju se wildcats (istražne bušotine) i imajustopu uspjeha od 20-25%. Podaci prikupljeni u ovoj fazi kao što su temperatura, dubina i tlakte protok, daju neophodne smjernice razvoja nadzemnog iskorištavanja toplinske energijeležišta. Ova faza vrednovanja ležišta iznosi otprilike 77 $/kWe.Kumulativni prosječni troškovi faze istraživanja variraju između 100-200 $/kWe, a ovise oprirodi samog projekta, odnosno da li je povećanje kapaciteta postojećeg ili potpuno noviprojekt, količini dostupnih početnih informacija o lokalitetu, odabiru tehnologije u svakoj odistražnih faza te veličini samog projekta. Ostali parametri koji utječu na troškove istraživanjasu cijene najma opreme i duljina samog istraživanja, pristupačnost lokalitetu te topografija.

Faza potvrđivanja ležišnih kapaciteta uglavnom se sastoji od bušenja dodatnih bušotina teprotočnih testova dok se ne potvrdi 25% od kapaciteta ležišta neophodnog za proizvodnuenergije. Ova faza također uključuje modeliranje i razradu ležišta te bušenje utisnih bušotinaradi podržavanja ležišnog tlaka. Troškovi samog bušenja obično čine 80% troškova ove fazepotvrđivanja ležišnih kapaciteta. Ostatak troškova uglavnom se odnosi na izgradnju cesta,testiranja bušotina, ishođenje dozvola te troškova administracije. Troškovi faze potvrđivanja

ležišnih kapaciteta pri ekonomski opravdanim projektima iznose otprilike 150 $/kWe, a ovavrijednost odgovara približno jednoj četvrtini od ukupnih troškova bušenja. Kao i u faziistraživanja, investicije u fazi potvrđivanja rezervi su uglavnom u obliku poduzetničkogrizičnog kapitala što zahtjeva vrlo visoku stopu povrata investicija te time direktno utječe nasve troškove u samom projektu. Svaki vremenski zastoj u provedbi projekta tijekom ove faze,ili nakon nje, utječe na porast ukupnih troškova projekta. Ponekad je teško razlučiti početnefaze istraživanja, potvrđivanja kapaciteta te ranog procesa bušenja pogotovo kod projekatamanjih snaga koji ne zahtijevaju velik broj bušotina na geotermalnom polju. Ako se fazeistraživanja i potvrđivanja ležišnih kapaciteta financijski promatraju kao jedna cjelina, njihovzajednički trošak iznosi otprilike 250 $/kWe.

8.1.2. Tehničko-tehnološki razvoj geotermalnog projekta



46

Faza razvoja geotermalnog projekta obuhvaća sve preostale radnje koje su nužne kako bipočela proizvodnja električne energije, a uključuje bušenje i testiranje bušotina dok se nezadovolji veličina protoka na površini, projektiranje i izgradnja elektrane te odabir tehnologijei priključenje elektrane na naponsku mrežu. Jednom kada su ležišne karakteristike poznate,

investitori mogu lako procijeniti ukupna ulaganja u projekt te odrediti minimalnu cijenuenergije kako bi projekt ekonomski bio opravdan.

8.1.2.1. Bušenje

Troškovi bušenja najvećim dijelom ovise o karakteristikama samoga ležišta, a dubina ležišta je najvažniji parametar pri proračunu troškova. Ovaj faktor, uz karakteristike stijenskeformacije, direktno utječe na vremensko trajanje bušenja te promjer i broj potrebnih zaštitnihcijevi, a korozivnost geotermalne vode direktno određuje na odabir materijala. Prema analiziekonomski isplativih geotermalnih projekata diljem svijeta moguće je razviti relaciju kojaopisuje prosječne troškova bušenja:

Troškovi bušenja (US$) = 240 000 + 689×(dubina u m) + 0,2052×(dubina u m)2



47

Za ovu relaciju, koeficijent determinacije je R=0,558 odnosno veličina dubine bušotineobjašnjava 56% varijabilnih troškova geotermalnih bušotina. Ovakav korelacijski faktor jerelativno nizak što znači da stvarni troškovi bušotine mogu znatnije varirati u odnosu napretpostavljenu vrijednost preko navedene relacije. Troškovi bušenja ovise i o duljini radabušećeg postrojenja, a cijene se mogu kretati od 1 000 000 $ pa sve do 9 000 000 $ kod

zahtjevnih bušotina s prosječnom vrijednošću između 2 - 5 000 000 $.Tijekom procesa bušenja, prikupljaju se različiti podaci o ležištu koji mogu znatno umanjititroškove pri bušenju sljedećih bušotina na istoj lokaciji te povećati uspješnost bušenja iraskrivanja proizvodnih formacija. Relevantne troškove bušenja teško je pretpostaviti., aprikupljanjem relevantnih informacija s terena i konkretnih troškova razvoja geotermalnihprojekata, stvarni troškovi kreću se u rasponu 500 $/kWe i 1200+ $/kWe s prosječnimtroškom bušenja od 950 $/kWe.

8.1.2.2. Pribavljanje dozvola

Geotermalni projekti proizvodnje električne energije moraju se pridržavati niza zakonskihakata, uglavnom vezanih na ekološke i građevinske značajke projekta. Pribavljanje dozvolauvjetuje sagledavanje niza raznih utjecaja projekta na lokalitetu, primjerice ekoloških,arheoloških, kulturnih, bioloških, hidroloških utjecaja itd. Pribavljanje dozvole uključuje usebi također nužnost izrade studije utjecaja na okoliš. Jednom kada je studija utjecaja naokoliš izrađena, investitor mora pribaviti ostale dozvole kako bi počela razrada projekta(građevinske, lokacijske dozvole) koje izdaje lokalna uprava.

8.1.2.3. Sabirni sustav

Sabirni sustav je mreža cjevovoda koje povezuju elektranu sa svim proizvodnim i utisnimbušotinama, a cijena ovih sustava ovisi prvenstveno o udaljenosti proizvodnih i utisnihbušotina od elektrane, tlaku u cjevovodu te kemizmu geotermalnih fluida. Najčešće se koristecjevovodi od ugljičnih čelika te je njihova cijena u rasponu od 50 $ - 80 $ po inču promjera ipo metru duljine cijevi (npr. 24“ cijev × 1000 metara × 65 $ = 1 560 000 $). Za visokokorozivne geotermalne fluide, potrebne je primjena različitih legura kao što su nehrđajućičelici, legure nikla ili obloženih cijevi što može povisiti trošak za dva do pet puta. Trošakcjevovoda i kontrolne opreme (ventili, instrumentacija, mjerači protoka) tada mogu varirati iod 150$ do 250+$/kWe.

8.1.2.4. Konstrukcija elektrane

Izgradnja geotermalne elektrane inženjerski je zahtjevna obzirom da konstrukcijska rješenjadirektno utječu na konstrukcijske troškove te operativne troškove i troškove održavanja krozduže vremensko razdoblje. Projektiranje elektrane uključuje definiranje optimalne veličineugrađene opreme te odabir odgovarajuće tehnologije i konstrukcijskih materijala, ovisno okarakteristikama i specifičnosti svakog ležišta, što znači da je svaka elektrana unikatna posvojoj izradi.



48

A) Utjecaj ležišnih karakteristika i lokaliteta na odabir tehnologije i trošak sustava za proizvodnju energije

Temperatura ležišta

Temperatura geotermalnog ležišta je najvažniji parametar koji utječe na trošak opremeelektrane (na primjer izmjenjivači topline), a s porastom temperature stupanj iskorištenja sepovećava uz smanjenje specifične cijene opreme. Unatoč većoj kompleksnosti izvedbe,binarni sustavi su ekonomski povoljniji u usporedbi sa sustavima koji koriste paru zatemperature ispod 180°C., specifična cijena binarnih sustava također raste smanjenjemtemperature.Optimalni stupanj iskorištenja također je u funkciji sa sadržajem energije sustava (entalpija) itlakom fluida na turbini, a kod binarnih sustava tlak ovisi prvenstveno o predanoj toplini naizmjenjivaču topline.

Slika: Kapitalne investicije u ovisnosti o temperature geotermalne vode

Kemizam geotermalnog fluida

Za pravilno projektiranje sustava elektrane posebnu pozornost nužno je usmjeriti na kemizamgeotermalnog fluida, a četiri najvažnije stavke su: mogućnost odlaganja kamenca,korozivnost, udio plina i sadržaj sumporovodika. Svaka od ovih karakteristika geotermalnogfluida zahtijeva ugradnju dodatne opreme što može znatnije utjecati na veličinu sameelektrane i ukupne troškove izgradnje. Geotermalni fluid često je vrlo korozivan te postojiopasnost od korodiranja metalnih komponenti elektrane (cijevi, izmjenjivači topline,rezervoari). Kako bi se izbjegao ovaj efekt, investitor najčešće mora koristiti otpornematerijale ili obložene cijevi što odgovara višim kapitalnim troškovima.



49

Utjecaj karakteristika lokaliteta na odabir tehnologije i trošak sustava

Klimatološke prilike i dostupnost vode za hlađenje na lokalitetu su bitni parametri koji utječuna odabir sustava za hlađenje. Postoje dva različita sustava: hlađenje zrakom i hlađenjevodom. Sustav hlađenja vodom se općenito smatra ekonomičnijim za izgradnju (rashladni

tornjevi) i korištenje sve dok je voda jeftina i dostupna. Binarne elektrane najčešćereinjektiraju svu geotermalnu vodu nazad u ležište radi poštivanja ekoloških normi ipodržavanja ležišnog tlaka. U sušnim područ jima, usprkos većim troškovima izgradnje,sustav hlađenja zrakom, može biti ekonomičniji i efikasniji izbor. Veličina proizvedeneelektrične energije u elektranama opremljenim sustavom hlađenja zrakom može variratiovisno o dnevnim i sezonskim vremenskim prilikama (temperatura zraka i vlažnost), tako daproizvodnja neto električne energije obično varira 20-25% na dnevnoj i sezonskoj bazi.Proizvodnja energije na turbini u binarnom sustavu ovisi o protutlaku kondenzatora radnogsredstva (ugljikovodik: izobutan, izopentan), a koji ovisi o potencijalu hlađenja rashladnogsustava.Vlastita potrošnja energije sustava zračnog hlađenja, odnosno operativni troškovi, obično je

veća nego kod rashladnih tornjeva (električna energija potrebna za pokretanje ventilatoranasuprot pumpama za vodu), ali sustav rashladnih tornjeva hlađenja vodom zahtijeva takođerbiološki i kemijski tretman vode kako bi se spriječio razvoj algi ili taloženje kamenca. Krozcijeli operativni vijek elektrane stvarni porast kapitalnog troška sustava hlađenja na zrakodgovara vrijednosti od 84 $/kWe, a procijenjeno je da su inicijalni troškovi konstrukcijesustava hlađenja zrakom veći za 222 $/kWe. Dakle, u usporedbi sa sustavom hlađenja navodu, kumulativna ušteda operativnih i troškova održavanja primjenom sustava hlađenja nazrak, za vrijeme životnog vijeka elektrane, iznose 138 $/kWe.

B) Sustav za prijenos energije u mrežu

Pojedini projekti mogu uključivati trošak izgradnje nove dalekovodne mreže koja povezujeelektranu s distribucijskom mrežom, a izgradnja dalekovoda i prateće infrastrukture znatna jeinvesticija što može biti zapreka konkurentnosti projekta. Trošak izgradnje mreže ovisi oduljini, kapacitetu ali također i o topografiji i dostupnosti lokaliteta. Visokonaponska mrežaod 115 kV i 345 kV iznosi otprilike 100 000 odnosno 240 000 $/km (Geothermex 2004).Drugi bitni parametar koji utječe na specifični trošak umrežavanja elektrane je instaliranasnaga projekta, odnosno za elektrane od 10 MWe i 100 MWe specifični troškovi prijenosa zaveći projekt bit će i do deset puta niži obzirom da se trošak razdjeljuje na mnogo većuproizvodnju energije. Projekti koji se prema GeothermEx (2004) smatraju ekonomskiodrživima, imaju troškove prijenosa u područ ju od 13 do 236 $/kWe, s prosjekom od 100

$/kWe.C) Ekonomija razmjera geotermalne elektrane

Ekonomija razmjera može značajno smanjiti specifične troškove nekih komponenti sustavageotermalne elektrane. Prema Sanyal (2005) procijenjeno je da se kapitalni troškovigeotermalnih projekata s rasponom kapaciteta od 5 do 150 MWe smanjuju eksponencijalno uodnosu na svoj kapacitet prema sljedećoj jednadžbi: CC=2500e-0.0025(P-5), gdje CC označavakapitalne troškove, a P instaliranu snagu postrojenja u MWe.Veličina ekonomije razmjera se odnosi na troškove koji nastaju neovisno o kapacitetuprojekta (izgradnja ceste, električne, telefonske i ostale veze) obzirom da su geotermalni

izvori često locirani u zabačenim područ jima sa slabom pratećom infrastrukturom. Elektranevećih instaliranih kapaciteta su također termodinamički efikasnije što se objašnjava porastom



50

efikasnosti zbog boljeg dizajna. Tako su na primjer kapitalni troškovi za elektranu od 5MWe otprilike 2500 $/kWe, dok je za snagu od 50 MWe otprilike 2240 $/kWe.

D) Varijabilni troškovi vezani uz razvoj geotermalne elektrane

Varijabilni troškovi uključuju seriju troškova vezanih uz razvoj projekta i financiranje, imajuudio od 6 do 10% u ukupnim troškovima, te uključuju sve troškove vezane za inženjerske,pravne, regulacijske aktivnosti te aktivnosti vezane za dokumentaciju i izvještaje. Drugavažna komponenta varijabilnih troškova su financijske obveze i pristojbe za prikupljanjekapitala za financiranje projekta te dodatni troškovi. Investitori također amortizirajuneuspješne istraživačke poduhvate s uspješnim projektima. U procjenu troška projektauključene su i nepredviđene situacije, koje obično korespondiraju do 10% u ukupnimtroškovima obuhvaćenim proračunom.Investitori radije uzimaju u najam zemljište nego da ga kupuju, stoga se troškovi zemljištatrebaju prije razmatrati kao operativni i troškovi održavanja nego li kapitalni troškovi. Najampovršine zemljišta predstavlja minimalne troškove, dok pravo na korištenje podzemnog

mineralnog bogatstva u svijetu obično korespondira do 10% vrijednosti topline izgeotermalnog fluida.Troškovi radne snage su prema Bloomquist, Geyer & Sifford (1989) procijenjeni na 41% uukupnim troškovima projekta, dok materijali i ostali vezani troškovi sudjeluju s udjelom od40% i 19%. Prema dostupnim statističkim pokazateljima troškovi radne snage u sektorugrađevinarstva porasli su za 9% u proteklih 20 godina. Troškovi sirovine (čelik, beton, nafta)bit će veći za nove projekte budući da cijene sirovine značajno rastu u posljednjem desetljeću,posebno zbog činjenice da raste potražnja iz Kine i Indije što nepovoljno utječe nakonkurentnost razvojnih projekata.

8.2. FINANCIJSKI MEHANIZMI I PROFITABILNOST

Primarni cilj svakog projekta je profitabilnost. Za geotermalni projekt, dobit je rezultat razlikeizmeđu cijene energije i troška njezine proizvodnje. Financijska struktura, uvjeti i uz to vezanitroškovi važan su faktor koji utječe na nominalne troškove energije i profitabilnost projekta.

8.2.1. Kamatna stopa

Vjerojatnost uspjeha ili rizik od neuspjeha projekta je bitan parametar koji značajno utječe nakamatnu stopu, odnosno svaki projekt karakterizira specifični rizik vezan uz tehničko rješenje

samog projekta ili ekonomsku i političku okolinu. U kamatnu stopu uključen je prosječnitrošak zajma novca kojemu vjerovnik pridodaje vrijednost kompenzacije rizika vezanog uznjegovu investiciju. Većina projekata je financirana s dvije različite vrste kapitala kojegakarakteriziraju različite kamatne stope; ravnopravno partnerstvo ili zaduženje. U slučajuravnopravnog partnerstva, može se očekivati veća stopa povrata, a poduzetnički kapital(kapital uložen uz određeni rizik) može imati godišnju stopu povrata na razini od 35% ili više.Dioničari su investitori koji žele dijeliti vlasnički udio, profit, i rizik vezan uz projekt ilikompaniju. U slučaju neuspjeha projekta ili bankrota kompanije, dioničari zadnji dobivajupovrat uloženog kapitala. Da bi kompenzirali ovaj rizik, dioničari očekuju visoku stopupovrata (16-20% godišnje). Nasuprot tomu, financijski vjerovnici su neskloni relativnomriziku (npr. komercijalne banke), a vjerovnici su na prvom mjestu povrata novca u slučaju

neuspjeha projekta, stoga je kamatnjak namijenjen njima relativno nizak (od 6-8%).Financijska konstrukcija je zapravo kratkoročno dugovanje, koje se zamjenjuje s dugoročnim



51

dugovanjem nakon dovršetka projekta. Međutim, iznos kamate za vrijeme izgradnje je bitnatroškovna komponenta projekta.Uzimajući u obzir razlike troška između ovih dviju vrsta financiranja, investitori najvišepreferiraju financijski kredit odnosno zaduženje. Međutim, vjerovnici obično zahtijevaju da seodređeni dio kapitala investira u projekt radi osiguranja kredita. S obzirom na postojeći pravni

okvir i regulativu, kapitalna struktura geotermalnih projekata se obično sastoji od 70% kreditai 30% kapitala uloženog direktno u projekt od strane investitora. Kamatna stopa kredita će selagano smanjivati s rastom udjela investitorskog kapitala u projektu. Velike kompanije mogutakođer smanjiti kamatnu stopu kredita osiguranjem kapitala imovinom kompanije.Vjerovnici (komercijalne banke) također zahtijevaju potvrđivanja zaliha ležišta od 25%planiranog kapaciteta izvora, prije odobravanja kredita što znači da se sve prethodne fazeprojekta moraju financirati vlastitim kapitalom investitora.

8.2.2. Razdoblje otplate

Da bi se osigurao tok prihoda od projekta, komercijalne banke zahtijevaju također od

investitora da sklopi ugovor o prodaji energije ( power purchase agreement -PPA) koji pokrivaminimalno razdoblje otplate. Ugovor se sklapa s lokalnim distributerima električne energije iosigurava da će elektrana redovito opskrbljivati energijom mrežni sustav, uz fiksnu cijenuenergije u određenom vremenskom razdoblju. Razdoblje otplate je obično vezano uz trajanjeugovora, iako PPA ugovor obično traje neznatno duže.Geotermalne elektrane obično imaju radni vijek od približno 30 godina. Međutim, ugovori oprodaji energije obično traju 10 do 20 godina što znači da period otplate projekta trebauklopiti u period trajanja ugovora o prodaji energije. Period trajanja ugovora je važan faktorkoji određuje minimalnu cijenu električne energije koja projekt čini održivim.Pokazatelj opsega otplate duga je druga zapreka koja može utjecati na minimalnu cijenuenergije uzimajući u obzir ekonomsku održivost projekta. Opseg otplate duga ( DSCR-DebtService Coverage Ratio) je financijska zapreka nametnuta od strane vjerovnika koji traži daukupni godišnji prihod projekta premaši ukupni godišnji kredit (anuiteti) u određenom omjeru(obično više 1,5 puta za geotermalne projekte). Jedan od načina da se smanji DSCR jesmanjenje udjela kredita u strukturi kapitala, ali viši udio investitorskog kapitalapodrazumijeva višu stopu povrata kapitala. Prema Brandon Owensu (2002), minimalna cijenaenergije geotermalnih projekata stoga odgovara optimalnoj strukturi kapitala, gdje se objeograničavajuće linije presijecaju (npr. DSCR i ROI (Stopa prinosa od investicija; Return ofinvestment constraints)). Ograničenje ROI zahtijeva da se minimalna nominalna cijenaelektrične energije povećava s povećanjem udjela vlastitih investicija u financijskoj strukturikapitala zbog povećanja stope povrata investicija.

Primjer iz slike 3-1 odnosi se na kapitalne troškove od 2500 $/kWe, kamatnu stopu zaduženjaod 6,5 %, stopu povrata kapitala od 17% te period zaduženja od 10 godina. Iz grafikona jevidljivo da će nominalna cijena električne energije pri ovim uvjetima iznositi 4,4 ¢/kWe, akapitalna struktura odgovarat će 68% zaduženja i 32% kapitala investitora.



52

Tablica 3-1: Primjer tipične financijske strukture za investitore, (EPRI, 1997)

Vrsta financiranja Struktura kapitalaProsječna

kamatna stopaRazdoblje

otplateLokalna zajednica, općina ( MunicipalUtility)

100% kredit uz 5.5% 5.5% 30 godina

Privatni investitor ( Regulated IOU )

-47% kredit uz 7.5%-6% povlaštenihdionica uz 7.2%

-47% običnih dionica uz 12%

9.6% 30 godina

Tvrtke (Generating Company)35% kredit uz 7.5%65% kapital uz 13%

11.1% 28 godina

Nezavisni proizvođač energije( Independent power producer IPP)

70% kredit uz 8%30% kapital uz 17% 10.7% 15 godina

Analiza nominalnog troška investicijskog kapitala (npr. anuiteti osnovice i kamate podijeljeniproizvedenom količinom energije na godišnjoj razini) projekta s početnom investicijom

kapitala od $2400/kWe, $2900/kWe i $3400/kWe, prikazuje da je trošak za 89.4% veći zatipični financijski paket Neovisnog proizvođača energije (IPP) u usporedbi s financijskimpaketom lokalnih zajednica.

Tablica 3-2: Nominalni trošak kapitalnih investicija i cijena električne energije (uUS¢/kWhe)

Kapitalnainvesticija

Lokalna zajednica,općina

Privatniinvestitor

TvrtkeNezavisni

proizvođač energije2400 $/kW 1,99 (3,99) 2,85 (4,85) 3,20 (5,20) 3,76 (5,76)2900 $/kW 2,40 (4,40) 3,44 (5,44) 3,89 (5,89) 4,54 (6,54)3400 $/kW 2,81 (4,81) 4,06 (6,04) 4,54 (6,54) 5,33 (7,33)

Kako bi se stimuliralo geotermalne projekte često se odobrava takozvani grace period ,odnosno poček otplate kredita. Ovo razdoblje definira vrijeme počeka od početka korištenjakredita do prijenosa kredita u otplatu. Za vrijeme počeka otplata kredita miruje, a investitor-korisnik kredita plaća samo kamatu na sredstva koja koristi. Razlog za odobravanje kredita spočekom otplate je projekt koji traži vrijeme za implementaciju (npr. nabavka opreme koja seplaća iz kredita), vrijeme do naplate potraživanja, vrijeme potrebno da se repromaterijal –zalihe prerade plasiraju i naplate, te projekti koji na taj način postaju ekonomski isplativi.U razvojima geotermalnih projekata za proizvodnju električne energije poček otplate možeznatno varirati, od nekoliko godina pa sve do jednog desetljeća, ovisno o financijskoj strukturi

projekta, državnim potporama te cijeni finalnog produkta na danom tržištu.

8.3. OPERATIVNI TROŠKOVI I TROŠKOVI ODRŽAVANJA

Operativni troškovi uključuju sve troškove vezane za operativni rad elektrane, a važan dioovih troškova je trošak radne snage. Ostale troškovne komponente se odnose na potrošenesirovine (na primjer kemikalije za sniženje H2S, kontroliranje korozije i kamenca, gorivo zatransportna sredstva, rezervni dijelovi), porezi i takse, i ostali raznovrsni troškovi (vlastitapotrošnja energije različite vrste pumpa, interna uporaba električne energije samogpostrojenja). Uzimajući u obzir da je potrebno 40 zaposlenika za elektranu od 50 MWe,

procjenjuje se da su operativni troškovi oko $7/MWhe. Međutim, za novo izgrađene elektraneočekuje se da će biti manja potreba za radnom snagom, a ovo smanjenje je rezultat



53

konkurencije između proizvođača energije, nagli porast suradnje s proizvođačima za pojedineaktivnosti, kao i integracija različitih tehnoloških inovacija. Male elektrane imaju značajnoveće troškove rada nego velike elektrane, a za neke poslove, radna snaga se zamjenjujeračunalnim sustavima. Osim troškova radne snage, troškovi vezani za kemijske i ostalepotrošne sirovine su također značajni, te mogu značajno varirati ovisno o geokemijskom

sastavu vode. Ostali razni troškovi ovise o karakteristikama izvora, geografskoj lokaciji iklimatološkim uvjetima itd. Troškovi osiguranja su dodatna komponenta operativnih troškovakoja se znatno povećava u posljednjih par godina.Troškovi održavanja odnose se na sve troškove vezane uz održavanje opreme (cjevovod,turbine, generator, vozila, objekti). Održavanje i opremanje bušotina ima za cilj kompenziratiprirodnu deklinaciju proizvodnje bušenjem dodatnih proizvodnih bušotina ili stimulacijomostojećih radi poboljšanja protočnih svojstava. Općenito, stopa pada produktivnosti izvora jedirektno vezana za njegov kapacitet opskrbe energijom elektrane. Izvor i kapacitet elektranetrebaju biti uravnoteženi kako bi se osigurala održiva proizvodnja energije kroz cijeli životnivijek elektrane.Operativni troškovi i troškovi održavanja su varijabilni tijekom operativnog vijeka elektrane

te ovise o veličini projekta, kao i o različitostima izvora i karakteristikama odredišta, a čestose prikazuju u određenom intervalu, nego li kao precizna vrijednost. Za vrijeme prvih godinarada, ovi troškovi su relativno niski, ali zato progresivno rastu kako oprema stari i zahtjevaviše održavanja ili zamjena.

Njihova vrijednost, iz prikupljenih podataka rada geotermalnih elektrana diljem svijeta, iznosinajčešće oko 2 US¢/kWhe (20 $/MWhe), a smanjuje se eksponencijalno porastom instaliranesnage preko relacije:

O&M troškovi(US¢/kWhe) = 2e-0,0025(P-5) , gdje je P instalirana snaga u MWe.

8.3.1. Takse i porezi

Pod taksama se podrazumijeva plaćanje koje su obavezni platiti proizvođači energije državikao vlasniku rudnih mineralnih resursa. Točne vrijednosti taksa je teško odrediti s obzirom dasu uvjeti zakupa geotermalnih područ ja različiti, što posebno ovisi o tome tko je vlasnikizvora (privatno vlasništvo ili vlada), a vrijednost takse se obično računa kao postotak prihodaod prodaje energije, a vrijednosti takse se kreće od 0.5 do 5.5% od bruto prihoda (npr. cijenaenergije) i obično sudjeluju s 10 do 15% u operativnim troškovima i troškovima održavanja.

8.4. ZAKLJUČAK EKONOMSKIH POKAZATELJA

Cijela analiza pokazuje kako je varijabilna većina troškovnih komponenti geotermalnihprojekata. Ugovor o prodaji energije (PPA) je važan instrument osiguranja, koji omogućujeinvestitorima umanjiti rizik od promjenjivosti cijena energije. Ugovorom se sprječavaneuspjeh projekta kada cijene energije padaju, i garantira opskrbu energijom pri prihvatljivojcijeni, kada cijene fosilnih goriva rastu ekstremno. Budući da se troškovi geotermalnograzvoja moraju ocjenjivati na temelju slučaja do slučaja obzirom da se budući projekti mogusuočiti s težim pronalaskom i iskorištavanjem izvora, čini se mnogo prikladnijim gledatibuduće troškove geotermalnog razvoja, kao dinamički razvoj različitih parametara. S obzirom

da bi raspon konačnog troška kapitala budućih projekata geotermalne energije bio oko 3000$/kWhe, analiza sugerira da će korespondirajući minimalni troškovi proizvodnje energije biti



54

oko 5.7 c/kWhe. U tablici 5.1. prikazan je tipičan raspon troškova za izgradnju geotermalneelektrane za proizvodnju električne energije.

Tablica 5-1: Struktura prosječnih troškova ulaganja u nove geotermalne projekte zaproizvodnju električne energije

Faktoriutjecaja

Istraživanje Dozvole BušenjeSabirnisustav

Izgradnjaelektrane i

oprema

Distribucijskisustav

Prosječnitrošak

Prosječnitrošak

$250/kW $20/kW $950/kW $200/kW $1500/kW $100/kW $3020/kW

Udio 8,3 % 0,7 % 31,5 % 6,6 % 49,7 % 3,3 % 100 %Raspontroška

100-300+ 10-50+ 500-1200+ 55 - 400+ 1300-2000+ 15-250+ 2500-3500

Sadašnja visoka cijena sirovina dijelom objašnjava rast troškova, ali različite studije takođersugeriraju da je nedostatak novih razvojnih projekata za vrijeme zadnje dekade otežao

regularno ažuriranje procjena troškova izgradnje i doveo do oslanjanja na pretpostavljeneoptimalne redukcije troškova. Danas, visoke cijene nafte i nedavna primjena vladinihinicijativa diljem svijeta osiguravaju geotermalne projekte u ekonomskim okvirimaodrživosti. Inicijative o zaštiti okoliša i potpora vlade (zeleni certifikati, obnovljivi portfoliostandard i povrat poreza, itd.) su instrumenti koji će pomoći da se prevlada trenutna razinacijena sirovina. Promjene pravnog okvira vezanog za geotermalni razvoj (npr. provizijazakupa, procedura dobivanja dozvola, inicijativa potpore istraživanja, garancija raspoloživostivlasničkog kapitala, itd.) imaju povoljan utjecaj na razvoj čistog i obnovljivog izvora energije.



55



56

GEOTERMALNE TOPLINSKE PUMPE

Geotermalne toplinske pumpe (GTP) koriste se pri temperaturama geotermalnog fluida ili tlaod 5–35 °C, kada izravni sustavi grijanja ili hlađenja geotermalnom energijom nisu

ekonomski isplativi. Instaliranje geotermalnih toplinskih pumpi u EU ima značajan porast uzadnjem desetljeću, s 20% godišnjim prirastom. Individualni sustavi GTP mogu biti u rasponuod 5 kW za grijanje kuća, pa sve do velikih sustava, snaga većih i od 150 MW. GTP sustavinajčešće služe za potrebe grijanja, a faktor iskorištenja kapaciteta kreće se od 2 000 do 6 000sati godišnje, ovisno o namjeni grijanje/hlađenje ili oboje.

Princip rada geotermalnih toplinskih pumpi

Osnovne komponente toplinske pumpe su kompresor s elektromotorom, povratni i prigušniventil te dva izmjenjivača topline (kondenzator i isparivač). Dodatni izmjenjivač topline

(pregrijač) može se pridodati zbog grijanja potrošne tople vode. Rashladno sredstvo je običnoR-407C ili R-410A, koja za razliku od prvobitno korištenog freona 12 (CF2Cl2) ne djelujunegativno na ozon.

Slika 2-1: Shema geotermalne toplinske pumpe [10]



57

U ciklusu hlađenja rashladno sredstvo ulazi u usisne otvore kompresora u obliku plina nisketemperature i tlaka. Proces kompresije podiže tlak i temperaturu, a u ovom dijelu moguće jepridodati pregrijač za potrošnu toplu. Plin na izlasku iz kompresora preusmjeren je povratnimventilom na izmjenjivač topline (kondenzator) u kontaktu s okolišem (bušotinski izmjenjivač topline). Kako je plin na višoj temperaturi, toplina se prenosi na rasolinu u bušotinskom

izmjenjivaču topline te na okolne stijene. Snižavanje temperature plina rezultirakondenzacijom, a obzirom na malen pad tlaka u kondenzatoru, rashladno sredstvo ga napuštau obliku kapljevine s temperaturom neznatno višom od okoliša. Kapljevina zatim ulazi uprigušni ventil gdje se naglo snižava tlak, a što uzrokuje i znatan pad temperature. Nakontoga ulazi u isparivač gdje se obavlja prijelaz topline s toplog zraka na ohlađenu kapljevinu.Rekuperator s prisilnom konvekcijom osigurava distribuciju hladnog zraka u unutrašnjostiprostora. Povišenjem temperature dolazi do isparavanja rashladnog sredstva, a plin potomkroz povratni ventil ponovno ulazi u kompresor čime je završen jedan ciklus hlađenja.U procesu grijanja povratni ventil preusmjerava plin visoke temperature pri izlasku izkompresora na izmjenjivač topline (kondenzator) u kontaktu s unutrašnjosti prostorije. Urekuperatoru plin prenosi toplinu na hladniji okolni zrak pri čemu dolazi do kondenzacije, a

zatim kapljevina ulazi u prigušni ventil gdje se snižava tlak, a time i temperatura, te zatimulazi u isparivač gdje se na rashladno sredstvo prenosi toplina iz bušotinskog izmjenjivačatopline što dovodi do isparavanja. Plin je potom preusmjeren povratnim ventilom na usisnekomore kompresora gdje mu se povisuje temperatura i tlak čime je završen ciklus grijanja.

Postoje dva osnovna tipa sustava geotermalnih toplinskih pumpi, GTP s otvorenim izatvorenim krugom Ova dva tipa se mogu podijeliti na sljedeće podsustave (slika 2-3).

1) Sustav sa zatvorenim krugom: a) vertikalanb) horizontalanc) zatvoreni sustav s površinskom vodom

2) Sustav s otvorenim krugom: d) dvije bušotine (proizvodna i utisna, ili izljev)

a) b)

c) d)Slika 2-3: Osnovni sustavi geotermalnih toplinskih pumpi



58

2.1 Geotermalne toplinske pumpe sa sustavom zatvorenog kruga

Sustav GTP sa zatvorenim krugom ne iskorištava toplinu geotermalnih fluida već koristiplitku geotermalnu energiju okolnih stijena za zagrijavanje ukopanih cijevi (najčešće odplastičnih masa) u kojima protječe radni fluid ili rasolina. Najčešće se koriste kapljevinenižih točaka ledišta kao, na primjer, antifriz mješavine ili metanol. Pod plitkim geotermalnimresursima podrazumijevaju se dubine od 15-200 m gdje ne postoje oscilacije u temperaturiuzrokovane sunčevom radijacijom, a porast temperature s dubinom u funkciji jetemperaturnog gradijenta i karakteristikama stijena. Potrebna duljina položenih cijevi ovisi oklimatskim uvjetima, karakteristikama tla te toplinskim zahtjevima.

Slika 2-4: Porast temperature s dubinom i utjecaj sunčeve radijacije na temperaturu tla zapodruč je Zagreba

Postupak bušenja



59

• Bušenje s ispiranjem vodom je primjenjivo samo na izuzetno stabilnom zemljištu. Ukolikopostoje glineni međuslojevi, ne može se primijeniti zbog bubrenja.• Bušenje s ispiranjem bentonitom. Mješavina bentonit-voda stvara filterski sloj na zidubušotine, koji osigurava i učvršćuje tlo.• Ispiranje zrakom s duplom glavom - Tubex postupak; pri ovom postupku istovremeno s

bušenjem obavlja se i postavljanje zaštitne cijevi koja garantira sigurnu bušotinu.• Bušenje pneumatskim čekićem; bušilicom s pneumatskim čekićem na vrhu se mrvi kamen(stijena) koja se zatim pneumatskim putem odstranjuje iz bušotine.

TEHNOEKONOMSKA ANALIZA GRIJANJA POSLOVNE ZGRADEGEOTERMALNOM TOPLINSKOM PUMPOM

Novosagrađena poslovna zgrada u Zagrebu, primjera radi, ima ukupnu površinu uredskogprostora od 2 000 m2. Nasuprot konvencionalnom sustavu grijanja plinskim kotlom i hlađenjaklima uređajem instalirat će se sustav bušotinskih izmjenjivača topline odnosno geotermalnatoplinska pumpa. Zgrada će, zbog najveće termodinamičke iskoristivosti, imati sustav podnoggrijanja (niskotemperaturno grijanje) te sustav prisilne konvekcije za potrebe hlađenja. Natemelju odabrane opreme, klimatoloških prilika Zagreba i energetskih potreba same zgrade,usporedit će se GTP sustav s konvencionalnim sustavom, a tehno-ekonomskom analizomdokazati moguća isplativost ugradnje. Za ugrađenu opremu i komparaciju različitih sustavagrijanja izabrana je tvrtka Viessmann zbog višegodišnje prisutnosti na domaćem tržištu,razgranate dobavne mreže te servisnih i montažnih usluga. Cijene su izražene u eurima radilakše usporedbe hrvatskog i inozemnog tržišta toplinskim pumpama. Na temelju tehničko-tehnoloških podataka proizvođača opreme, za toplinsku pumpu Vitocal WW232 sustava

voda-voda, obavit će se i termodinamički proračun u skladu sa stvarnim režimom rada.



60

Za kompletni tehnoekonomski proračun odabran je programski paket RETScreen kanadskeinstitucije National Resources of Canada koji sadrži sveobuhvatnu svjetsku bazu podatakaproizvođača toplinskih pumpi i klimatoloških parametara. Programski paket se sastoji od dvadijela: tehnološkog dijela u kojem se dimenzionira bušotinski izmjenjivač topline u ovisnostio karakteristikama lokacije, odabrane opreme te toplinskih potreba, kao i proračun ušteda

GHG emisija; te ekonomskog dijela u kojem je moguće utjecajem na veliki dio ulaznihparametara postaviti najekonomičniji model ugradnje i iskorištavanja plitkih geotermalnihresursa toplinskim pumpama.

3.1. Termodinamički proračun rada toplinske pumpe u krugu sa sustavom bušotinskogizmjenjivača topline

▪ potrebna instalirana toplinska snaga grijanja odabrane poslovne zgrade, za vršnupotrošnju iznosi f og = 62,0 W/m2 (srednje dobra toplinska izolacija) Za odabranusrednje dobru izolaciju zgrade vrijede sljedeće vrijednosti koeficijenta prolaza topline:

za zidove= 0,29 W/m2°C, za krov = 0,20 W/m2°C, za podrum = 0,33 W/m2°C, brojizmjene zraka po satu: 0,25 (izračunato programskim paketom RETScreen)

▪ potrebna rashladna toplinska snaga za vršnu potrošnju:f oh = 61,7 W/m2 (srednje dobra toplinska izolacija). Vrijednost ovisna samo oklimatološkim uvjetima iznosi 40 W/m2 (očitano sa slike 3-3), a potrebno je jošpribrojiti i vrijednost toplinske snage hlađenja u ovisnosti o opremi u zgradi(rasvjeta+tehnička oprema) te broju ljudi (140W/osobi, 130W/osobnom kompjuteru)(izračunato programskim paketom RETScreen)



61

Slika 3-2: Tehnički podaci za toplinsku pumpu Viessmann Vitocal300-WW232 u ovisnosti otemperaturi rasoline (izlaz iz izmjenjivača topline) i temperaturi grijanja [9]

Ulazni podaci nužni za termodinamički proračun:▪ efektivna površina prostora zgrade za grijanje i hlađanje: 2000 m2 ▪ ulazna temperatura rasoline u izmjenjivač topline toplinske pumpe (izlaz iz

bušotinskog izmjenjivača topline): tgu = 15°C▪ temperatura rasoline na izlazu iz toplinske pumpe: tgi = 5°C▪ ulazna temperatura rashladnog sredstva R407C u kompresor : t1 = 10°C▪ temperatura nakon kompresije: t2 = 70°C▪ temperatura kondenzacije: t3 = 40°C



62

▪ temperatura isparivača: t4 = 4°C▪ temperatura podnog grijanja (ulaz): tru=35°C▪ temperatura podnog grijanja (izlaz): tri =20°C

Tablica 3-1: Očitani podaci s p,i dijagrama

Tlak, bar Temperatura, °C Entalpija, kJ/kg

1 6,1 10 419

2 22,0 70 452

3 22,0 40 262

4 6,1 4 262

Ciklus rada geotermalne toplinske pumpe Vitocal300 WW232

(A) Ogrjevni učinak1 ) Površina poslovne zgrade Az = 2 000 m2 (tri toplinske pumpe u sustavu, jediničnapovršina 666,6 m2)2 ) Potrebni ogrjevni učinak:

h MJ kW A f Q t zog / 78,14833,416,666062,0* ==⋅=⋅=

(B) Jedinične veličine3 ) Toplina isparivača (razlika entalpija 1-4):

kgkJ iiqo / 15726241914 =−=−=

4 ) Rad kompresora (razlika entalpija 1-2):kgkJ iie / 3341945212 =−=−=

5 ) Kondenzator (razlika entalpija 2-3):kgkJ iiq / 19026245232* =−=−=

(C) Ukupne veličine6 ) Potrebna dobava freona R407-C:

hkgq

Q D C / 0,783

190

1078,148* 3

*407 =

×==

7 ) Dobava vode u sustavu podnog grijanja:hkg

t c

Q D

pod O pH

O H / 68922)2035(187,4

1078,148* 3

22 =

−⋅

×=

∆⋅=

8 ) Toplina isparavanja, ekvivalentno rashladnom učinku u ciklusu hlađenja:

f oC kW h MJ q DQo 14,34 / 94,122157783407 ==⋅=⋅=

9 ) Dobava antifriz mješavine/rasolina (50% voda/50% etilenglikol):

hkgt c

Qo D

rasras p

ras / 7443)515(284,3

1094,122 3

=−⋅

×=

∆⋅=

10 ) Rad kompresora: hkJ De E C / 8392578333407 =⋅=⋅=



63

11 ) Snaga kompresora:

ek kW E

N 18,76003

83925

3600 ===

12 ) Ukupni termodinamički stupanj djelovanja toplinske pumpe:

76,533

190* ===η e

qCOP

Za utrošenih 1kW električne energije mehaničkog rada kompresora ostvari se 5,76 kWkorisne toplinske energije. Ova računski dobivena vrijednost odgovara nazivnoj vrijednostistupnja iskorištenja toplinske pumpe Vitocal300 iz tehničke dokumentacije proizvođača, zakarakteristične ulazne podatke.

Slika 3-4: Ciklus rada toplinske pumpe Vitocal300 WW232 prikazan na p,i dijagramu R407C

3.2. Rezultati tehnološkog proračuna GTP projekta u komparaciji s konvencionalnimplinskim sustavom

Za klimatološke prilike grada Zagreba izračunate su veličine stupanj dana grijanja i hlađenja(pri nominalnoj vrijednosti temperature od 16°C) te na temelju podataka o tipu i termalnimkarakteristikama tla, geotermalnom gradijentu, te ukupno potrebno instaliranoj snazi za

pokrivanje vršne potrošnje u ciklusu grijanja, izračunata je potrebna dubina bušotinskogizmjenjivača topline.



64

Tablica 3-2: Zemljopisne i klimatološke karakteristike lokacije

Zagreb Jedinica Klimatološkipodaci

Geografska širina ˚N 45,8Geografska dužina ˚E 16,0Nadmorska visina m 123Projektirana vanjska temperatura (grijanje) °C -13,7Projektirana vanjska temperatura (hlađenje) °C 26,7Godišnja amplituda temperature tla °C 22,9Toplinski tok kompaktnog vodonosnika W/m ~60Stupanj dani grijanja (< 16°C) °C-d 2438Stupanj dani hlađenja (> 16°C) °C-d 297

Tablica 3-4: Prikaz tehnoloških i ekonomskih parametara za zadani projekt grijanja i hlađenja

poslovne zgrade konvencionalnim sustavom (prirodni plin + klima uređaj)

Konvencionalni sustav grijanja (prirodni plin) Poslovna zgrada - projekt grijanja

Efektivna grijana površina zgrade 2 000 m2

Tip goriva Prirodni plin

Godišnja efikasnost plinskog kotla 75%

Potrebna jedinična toplinska snaga za grijanje 62,0 W/m²

Energetski udjel grijanja potrošne tople vode 10 %

Ukupno godišnje iskorištena energija 204,0 MWh

Potrebna instalirana toplinska snaga za vršnu potrošnju 124,0 kW

Godišnja potrošnja prirodnog plina 28 781 m³

Jedinična cijena goriva (pretpostavka buduće cijene) 0,342 €/m³ (2,50 kn/m3)Ukupna godišnja cijena goriva (prirodni plin) 8 203 €

Konvencionalni sustav hlađenja (klima uređaj) Poslovna zgrada - projekt hlađenja

Tip goriva Električna energija

Godišnja efikasnost 2,50

Potrebna jedinična toplinska snaga za grijanje 61,7 W/m²

Ukupno godišnje iskorištena energija 86 MWh

Potrebna instalirana toplinska snaga za vršnu potrošnju 123,4 kW

Godišnja potrošnja goriva 34 MWh

Jedinična cijena goriva (HEP) 79,0 €/MWh (0,58 kn/kWh)

Ukupna godišnja cijena goriva 2 720 €

Tablica 3-6: Prikaz tehnoloških i ekonomskih parametara za zadani projekt grijanja i hlađenjaposlovne zgrade geotermalnom toplinskom pumpom

Predloženi sustav grijanja toplinske pumpe s bušotinskim izmjenjivačem topline

Potrebna zemljišna površina oko zgrade 613 m²

Ukupno potrebna dubina izmjenjivača topline 2 115 m (15 bušotina×141 m)

Snaga cirkulacijske pumpe 3,2 kWVolumen rasoline u izmjenjivaču topline 0,37 m³

Potreba duljina polietilenskih cijevi izmjenjivača topline 4 231 m



65

Cijena goriva (električna energija HEP) 79,0 €/MWhUkupni kapacitet grijanja odabranog modela toplinskihpumpi

129,0 kW (104 % pokrivene vršne potrošnje)

Ukupna ostvarena godišnja energija grijanja204 MWh (100 % pokrivene ukupno godišnjepotrebne energije)

Stupanj iskorištenja toplinske pumpe COP = 5,79

Proizvođač i model Viessmann Gmbh, Vitocal300 WW232 (3 jedinice)Utrošena godišnja električ na energija kompresora 35,2 MWh

Godišnji trošak električ ne energije 2780,8 €

Predloženi sustav hlađenja toplinske pumpe s bušotinskim izmjenjivačem topline

Cijena goriva (električna energija HEP) 79,0 €/MWhUkupni kapacitet hlađenja odabranog modela toplinskihpumpi

106,8 kW (86,5% pokrivene vršne potrošnje)

Stupanj iskorištenja toplinske pumpe EER = 5,79

Ukupna ostvarena godišnja energija hlađenja84 MWh (97,2% pokrivene ukupno godišnjepotrebne energije)

Utrošena godišnja električ na energija kompresora 14,5 MWh

Godišnji trošak električ ne energije 1145,5 €

3.3. Ekonomski parametri projekta grijanja i hlađenja geotermalnom toplinskompumpom

Prilikom izvođenja ekonomske analize projekta, a zbog specifičnosti svake lokacije, potrebno je sagledati širok raspon mogućih troškova. U narednoj tablici 3-8 prikazana je ekonomskaanaliza najčešćih troškova, neophodnih za izvođenje samog projekta, a obrađene su različitestavke troškova koje se mogu pojaviti u bilo kojoj fazi projekta. Ovi dodatni troškoviponajprije ovise o specifičnosti svake lokacije, zakonodavstvu, subvencijama i sl. Izvršena je

komparacija s konvencionalnim sustavom grijanja prirodnim plinom i hlađenja klimauređajem. Troškovi ulaganja izraženi su kao razlika u odnosu na ulaganja u konvencionalnisustav te je period povrata investicija izražen ne kao povrat ukupnih kapitalnih investicijaprojekta, već kao povrat razlike ulaganja u sustav geotermalne toplinske pumpe.Financijska struktura razlike između ova dva sustava zatvorena je podizanjem komercijalnogkredita. Vrijednosti izražene crvenom bojom u tablici oduzimaju se od ukupnog troška jer suti troškovi neizbježni i u konvencionalnom sustavu grijanja i hlađenja. Zbog višegodišnjegtrajanja projekta odabrana je cijena prirodnog plina u vrijednosti od 2,50 kn (neophodan ineizbježan rast cijene u odnosu na trenutnih 2,08 kn). Trajanje projekta predviđeno je na 30godina (trajnost PE cijevi položenih u tlo), a za to vrijeme u proračunu su uzeti u obzir ivrijednost inflacije i porasta cijene energije, kao i ekonomski pokazatelji kao NPV i IRR.

Također, izračunato je smanjenje GHG emisija korištenjem novog sustava te mogućesubvencioniranje od strane lokalnih vlasti ili države u vidu povrata poreza (po uzoru na nekezemlje EU), a u skladu s promoviranjem korištenja obnovljivih izvora energije.

Tablica 3-8: Proračun kapitalnih i godišnjih troškova za pojedine faze razvoja projektagrijanja i hlađenja geotermalnom toplinskom pumpom

KAPITALNI TROŠKOVIKOLIČINA/JEDINICA

JEDINIČNACIJENA

UKUPNACIJENA

POSTOTNIUDIO

TROŠKOVA Razvoj projekta

Dozvole i suglasnosti 15h 65 €/h 975 €Ispitivanje lokacije i vlasništva zemljišta 15h 65 €/h 975 €Međusuma 1 950 € 1,9%



66

Strojarski dio

Dizajniranje sustava 20h 50 €/h 1 000 €Ponuda za izvođenje radova i ugovaranje 20h 50 €/h 1 000 €Nadgledanje izgradnje 20h 50 €/h 1 000 €Konto za plinsku tehniku (-3 000 €)Međusuma - 0,0 %

Sustav grijanjaVršno opterećenje toplinska pumpa 129 kWt 323 €/kWt 41 700 €Plinski kotao Vitogas 100/ Vitotronic 300GW2

(-7 100 €)

Međusuma 34 600 € 34,4 %Sustav hlađ enja

Vršno opterećenje toplinska pumpa 106,8 kWf 0 €/kWf -Klima uređaj 107 kWf 130 €/kWf (-13 880 €)Međusuma (-13 880 €) -13,8 %

Optimiziranje sustava i ostali troškovi izgradnje

Specifični troškovi projekta Bušotinski izmjenjivač toplineCirkulacijske pumpe 3,2 kW 850 €/kW 2 740 €

Cirkulacijski fluid 0,37 m

3

2 600 €/m

3

970 €Bušenje i cementiranje 2 115 m 30 €/m 63 460 €Cijevi U-izmjenjivača topline 4 231 m 2 €/m 8 460 €Spojnice i ventili 129 kW 17,6 €/kW 2 280 €Radovi unutar zgrade i dijelovi 12 000 €Radovi unutar zgrade i dijelovi za plinskutehniku

(-12 000 €)

Međusuma 77 910 € 77,5 %

Ukupna razlika kapitalnih troškova 100 580 € 100,0 %

GODIŠNJI TROŠKOVI

Troškovi rada i održavanja O&M

Dijelovi i radna snaga 290 MWh 1 €/MWh 290 €Dijelovi i radna snaga za plinsku tehniku 290 MWh 4 €/MWh (- 1 160 €)Međusuma (- 870 €)

Cijena goriva - predloženi projekt geotermalne toplinske pumpe

Električna energija 50 MWh 79,0 €/MWh 3 950 €Međusuma 3 950 €

Cijena goriva - konvencionalni sustav

Prirodni plin 28 780 m3 0,342 €/m3 9 840 €Električna energija, AC hlađenje 34 MWh 79 €/MWh 2 720 €Međusuma 12 560 €

PERIODIČNI TROŠKOVIZamjena plinskog kotla i klima uređaja

(7100)10 god (- 7 100 €)

Zamjena klima uređaja 15 god (-14 000 €)Zamjena kompresora toplinske pumpe 15 god 20 000 €|



Tablica 3-9: Proračun smanjenja GHG emisija korištenjem GTP sustava u odnosu na konvencionalni sustav s

GHG EMISIJSKI FAKTOR PRI PROIZVODNJI ELEKTRIČNE ENERGIJE ZA REPUBLIK

Hrvatska Udio gorivaCO2 emisijski

faktorCH4 emisijski

faktor N2O emisijski

faktor Efikasnost proizv

električ ne ener

Tip goriva % kg/GJ kg/GJ kg/GJ %

Prirodni plin 15,0% 54,5 0,0040 0,0010 45,0%

Ugljen 5,0% 95,8 0,0150 0,0030 35,0%

Vodne snage 52,0% 0,0 0,0000 0,0000 100,0%

Nuklerna energija 8,0% 0,0 0,0000 0,0000 30,0%

Loživo ulje 20,0% 73,3 0,0020 0,0020 35,0%

Električnaenergija mix. 100,0% 88,9 0,0056 0,0023

KONVENCIONALNI SUSTAV GRIJANJA I HLAĐENJA (PRIRODNI PLIN+AC) - GH

Udio gorivaCO2 emisijski

faktor

CH4 emisijski

faktor

N2O emisijski

faktor Potrošnja gori

Tip goriva % kg/GJ kg/GJ kg/GJ MWh

Prirodni plin 88,7% 54,5 0,0040 0,0010 272

Električna energija 11,3% 88,9 0,0056 0,0023 34

Ukupno 100,0% 58,3 0,0042 0,0011 306

PREDLOŽENI SUSTAV GRIJANJA I HLAĐENJA S GEOTERMALNOM TOPLINSKOM PUMP

Udio gorivaCO2 emisijski

faktor

CH4 emisijski

faktor

N2O emisijski

faktor Potrošnja gori

Tip goriva % kg/GJ kg/GJ kg/GJ MWh

Električna energija 100,0% 88,9 0,0056 0,0023 50

Ukupno 100,0% 88,9 0,0056 0,0023 50

REDUKCIJE GHG EMISIJA KORIŠTENJEM GTP SUSTAVA Emisije

konvencionalnog

sustava

Emisije

predloženog GTP

sustava

Godišnja

redukcija GHG

emisija

tCO2 tCO2 tCO2

Kombinirani

sustav grijanja i

hlađ enja

65 16 49

Godišnja redukcija od 49 tCO2 odbenzina (10 vozila manje na cesta



68

Tablica 3-10: Sažeti pregled financijske strukture projekta grijanja i hlađenja s GTP sustavom

FINANCIJSKA STRUKTURA PROJEKTA

Osnovni makroekonomski pokazatelji

Porast cijene goriva %/god 2,5%Inflacija %/god 2,8%Diskontna stopa % 8,0%Trajanje projekta god 30

Uvjeti financiranja

Dotacije i subvencije € 0Odnos duga (kredit) i vlastitog kapitala % 100,0%Iznos kredita € 100 600Iznos vlastitih sredstava € 0Kamata % 8,00%Razdoblje otplate god 25Godišnja otplata kredita €/god 9 422

Moguć a subvencija na temelju smanjenja emisije GHG

Smanjenje emisija GHG tCO2/god 49Ukupno smanjenje GHG emisija - 30 godina tCO2 1 462Subvencija po toni smanjene emisije €/tCO2 5,00Prinos od smanjenja emisija €/god 244Godišnji porast subvencije (inflacija i porast cijene energije) % 2,5%

TROŠKOVI I UŠTEDE/PRINOSI PROJEKTA - SAŽETI PREGLED

Kapitalni troškovi

Razvoj projekta (1,9%) € 1 950Sustav za grijanje (34,4%) € 34 601Sustav za hlađenje (-13,8%) € (-13 884)Optimiziranje sustava i izgradnja (77,5%) € 77 914Ukupna razlika kapitalnih troškova u odnosu na konvencionalni sustav € 100 580

Godišnji troškovi i otplata kredita

Troškovi rada i održavanja € (-580)Godišnja cijena energije - predloženi GTP sustav € 3 922Otplata kredita - 25 godina € 9 422Ukupni godišnji izdaci € 12 764

Periodič ni troškovi

Zamjena plinskog kotla (10 god) € (-7 100)Zamjena klima uređaja (15 god) € (-14 000)Zamjena kompresora toplinske pumpe (15 god) € 20 000

Godišnja ušteda i primici

Godišnja cijena goriva - konvencionalni sustav (plinski kotao + AC) € 12 564

Godišnja subvencija na temelju smanjenja GHG emisija - 30 godina € 244Ukupna godišnja ušteda i primici € 12 807

Ekonomskim proračunom pokazana je isplativost ugradnje sustava geotermalne toplinskepumpe u novosagrađenoj zgradi, ukoliko se koristi niskotemperaturno podno grijanje kojim sepostiže najviša termodinamička učinkovitost sustava. Financiranjem razlike troška izmeđukonvencionalnog sustava prirodnog plina + klima uređaj i skupljeg sustava toplinske pumpepodizanjem kredita moguće je već u prvoj godini imati pozitivan tok novca obzirom da sugodišnje uštede u energiji veće nego godišnji anuitet kredita (tablica 3-11). U obzir suuračunate i minimalne subvencije na temelju smanjenja CO2 po uzoru na neke europskedržave. Porezne olakšice i subvencije na korištenje visoko učinkovite tehnologije nisu uzete u

obzir jer u RH još uvijek ne postoji sustav poticanja korištenja ovakvih tehnologija, no ubudućnosti će svakako i ovaj faktor ubrzati daljnji razvoj i implementaciju.



Tablica 3-11: Godišnji priljev novca za vrijeme trajanja projekta

GODIŠNJI PRILJEV NOVCAGodina Prije oporezivanja Kumulativno

# € €

0 0 01 281 281

2 526 807

3 776 1 583

4 1 033 2 617

5 1 297 3 913

6 1 566 5 480

7 1 843 7 323

8 2 127 9 450

9 2 418 11 868

10 24 332 36 200

11 3 022 39 222

12 3 335 42 557

13 3 657 46 214

14 3 986 50 200

15 -25 940 24 260

16 4 670 28 930

17 5 025 33 955

18 5 389 39 345

19 5 762 45 107

20 34 636 79 743

21 6 537 86 280

22 6 939 93 219

23 7 351 100 571

24 7 774 108 345

25 8 207 116 55226 18 074 134 626

27 18 529 153 155

28 18 996 172 151

29 19 475 191 626

30 11 722 203 349



70

ZAKLJUČAK

Tehnologija grijanja i hlađenja toplinskim pumpama s plitkim geotermalnim resursima kao izvoromtopline, u Republici Hrvatskoj još nije primijenjena, niti u komercijalnom niti u privatnom sektoru.

Obzirom da u Europskoj Uniji porast korištenja geotermalnih toplinskih pumpi ima kontinuirani rastod približno 20% tijekom ovog desetljeća, nužno je u skladu s ciljem povećanja korištenjaobnovljivih izvora energije pokrenuti pilot projekt koji će financirati država ili lokalne zajednice.Prije svega, potrebno je donijeti zakon, po uzoru na njemački ili švedski model, o dopuštenoj dubinibušenja i aspektima sigurnosti pri izvođenju radova, što je trenutno najveći problem i prepreka uznatnom razvoju ove tehnologije. Na područ ju RH postoji niz poduzeća koja se bave rudarskim igeotehničkim radovima, a koja su iskazala namjeru da kao jednu od svojih osnovnih djelatnostiobavljaju bušenja s ciljem polaganja izmjenjivača topline.U tehnoekonomskoj analizi jednog mogućeg projekta grijanja i hlađenja poslovne zgrade sagledan je čitav niz troškova koji se mogu pojaviti prilikom izvođenja radova te je konzultirana stranaliteratura i pilot projekti kako bi se došlo do što ujednačenijih i točnijih podataka o specifičnim

troškovima, kao što je primjerice bušenje i cementiranje. Proračun isplativosti izračunat je zaspecifičnosti područ ja Zagreba, te na osnovu supstitucije prirodnog plina, kao primarnog energenta,geotermalnim toplinskim pumpama. Modeliranjem trenutnog i budućeg omjera cijene energenata,makroekonomskim pokazateljima, kapitalnih i operativnih troškova, kao i predloženomfinancijskom strukturom kreditiranja projekta, pokazalo se da je ovakav projekt ne samo ekonomskikonkurentan trenutnim konvencionalnim tehnologijama, već i ekološki prihvatljiv u vidu smanjenjaemisije ugljičnog dioksida.



71

4. UPOTREBA GEOTERMALNE ENERGIJE U STAKLENICIMA

Grijanje staklenika je jedna od najčešćih izravnih upotreba geotermalne energije.

Staklenici mogu direktno koristiti temperature u rasponu od 40 oC do 90 oC. Uzimajući u obzircijenu bušotine, površinske opreme i uređaja, upotreba geotermalne energije može godišnje uštedjetiizmeđu 5 – 8 % u komparaciji s troškovima grijanja.

Slika 4 –1: Shematski prikaz primjera korištenja geotermalne energije za zagrijavanje

staklenika s kotlom za pokrivanje vršne potrošnje, [20]

4.1. Načini izvedbe staklenika



72

Tipični oblici staklenika koji se danas izgrađuju su:

Slika 4 –2: Konstrukcijske izvedbe staklenika

Nekada su se staklenici većim dijelom izrađivali od stakla i okvira od čempresa.

U današnje vrijeme konstrukcija se izrađuje od čelika ili aluminija, a za pokrov najčešće služi jedanod slijedećih materijala:

(A) STAKLO

Primjenom stakla izvedba je najčešće klasična s oštrim krovom. Unatoč tomu što stakleni tip imanajveću propusnost za dnevno svijetlo, istovremeno ima i najslabiju energetsku efikasnost. Troškovigrijanja su veći u odnosu na druge tipove zbog slabije izolacije koja je uzrokovana mnogimpukotinama na spojevima konstrukcije. Problem gubitaka topline je riješen uvođenjem dvostrukihstaklenih ploča, ali uz povećanja troškova izrade staklenika.

(B) PLASTIČNE MASE

Novije su dobi i gotovo uvijek su u izvedbi cilindričnog krova ili ″quonset-hut″ dizajna (koliba).Vertikalni bočni zidovi, kao i oni s prednje i stražnje strane, gotovo su uvijek načinjeni odpleksiglasa. Plastične mase je potrebno mijenjati otprilike svake 3 godine, a većina ovakvihstaklenika ima dvostruki plastični omotač između kojih se pomoću ventilatora upuhuje zrak.

Dvoslojni pokrov je energetski djelotvoran budući da smanjuje toplinske gubitke za 30 – 40%.Nasuprot boljoj energetskoj efikasnosti smanjuje se količina propusnosti sunčeve svjetlosti.

(C) PLEKSIGLAS

Upotreba pleksiglasa slična je upotrebi stakla. Najčešće su klasične izvedbe s oštrim krovom, ali zarazliku od stakla imaju manju težinu po metru pa je konstrukcija od lakšeg materijala. Iako



73

pleksiglas ima manju provodljivost topline nego li staklo, ukupno gledajući imaju sličan gubitaktopline.

4.2. PRIMJER TOPLINSKOG PRORAČUNA STAKLENIKA KOJI ISKORIŠTAVAGEOTERMALNU ENERGIJU BUŠOTINE NEDJELJA-1 U OKOLICI SAMOBORA

Od četiri osnovna tipa odabran je staklenik oblika kolibe koji se najčešće koristi u agronomskomsektoru, a ima standardizirane dimenzije prikazane na slici 4-3. Kako bi se odredio pravilan sustavgrijanja prvo se mora odrediti vršna potrošnja toplinske energije za staklenik koja je u funkcijiunutrašnje temperature staklenika, klimatskih prilika te karakteristika dostupnog geotermalnogizvora. Ukupni toplinski gubici sastoje se od gubitaka uslijed odvođenja topline kroz zidove i krovte uslijed prodora vanjskog zraka u staklenik. Krov staklenika je načinjen od dvoslojne plastičnemase, a prednji i stražnji zid od pleksiglasa.

Slika 4 –3: Primjer staklenika za proračun

4.2.1. METODOLOŠKI PRORAČUN UKUPNIH TOPLINSKIH GUBITAKA

STAKLENIKA:

- površina krova na primjeru dimenzija sa slike 4-3 ( dvoslojna plastična masa ):

A1 = 3,5m × π× 50,0m = 549,78 m2

- ukupna površina prednjeg i stražnjeg zida ( pleksiglas ):

A2 = 7,52 × π = 176,71 m2

(A) Toplinskih gubici uslijed odvođenja topline (qot), Wt:



74

qot = ( A1 × ∆t × k1m ) + ( A2 × ∆t × k2m ) (4 –1)

A1,2 - ukupne površine dvoslojne plastike i pleksiglasa, m2

∆t – razlika unutarnje temperature staklenika u odnosu na vanjsku, oC

k1,2m – koeficijent ukupnog prolaza topline materijala (plastika i pleksiglas), W/m2oC

-Potrebna toplina za grijanje staklenika određuje se obzirom na uzgoj koji se želi ostvariti, štoilustrira tablica 4-1, i klimatološke prilike koje uvjetuju potrebnu specifičnu toplinu po m3

staklenika. Tako je za uzgoj povrća u stakleniku odabrana unutarnja temperatura staklenika: tUTS =21oC

Tablica 4 –1: Temperaturni zahtjevi za pojedine usjeve u staklenicima, [20]

Povrće Dan (o

C ) Noć (o

C)Rajčica 21 – 24 17 – 18

Zelena salata 24 18

Krastavac 24 – 25 21

Paprika 18 – 29 16 – 18

Cvijeće Dan (°C) Noć (oC)Ruže 16 – 17 17

Karanfil 24 10

Geranija 21 – 27(max) 21 – 27 (max)

Fuksija 21 (min) 18Ljiljan 16 16

Obzirom na klimatološke prilike Panona (Samobor) srednja vrijednost temperature za vrijemenajhladnijih mjeseci (siječanj) iznosi tVT = -7 oC, a srednja godišnja brzina vjetra iznosi otprilike15,0 km/h (4,17 m/s)

-Projektirana temperaturna razlika za staklenik:

∆t = tUTS – tPVT = 28 oC (4 –2)

Tablica 4 –2: Koeficijent ukupnog prolaza topline za pojedine materijale u ovisnosti o brzini vjetra[20], W/m2oC

Brzina vjetra, km/h (m/s)

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 35,0 45,0Materijal

(0,0) (1,39) (2,78) (4,17) (5,56) (6,94) (9,72) (12,50)Staklo 4,34 5,00 5,52 5,84 6,04 6,22 6,51 6,65

Fiberglas 3,95 4,55 5,03 5,32 5,51 5,66 5,92 6,07

Plastika-jednoslojna 4,60 5,27 5,80 6,12 6,33 6,50 6,80 6,94



75

Plastika-dvoslojna 3,04 3,38 3,64 3,80 3,89 3,96 4,09 4,16

-Toplinski gubici krova od dvoslojne plastične mase i prosječnu godišnju brzinu vjetra od 15 km/h:

q1S = 549,78 m2 × 28 oC × 3,80 W/m2oC = 58.500 Wt ili 210,59 MJ/h

-Toplinski gubici za prednji i stražnji zid od pleksiglasa i brzinu vjetra od 15 km/h:

q2S = 176,71 m2 × 28 oC × 5,32 W/m2oC = 26.320 Wt = 94,76 MJ/h

-Ukupni toplinski gubici uslijed odvođenja topline:

qot = q1S + q2S = 305,35 MJ/h ili 84,82 kWt (4 –3)

(B) Toplinski gubici uslijed prodora vanjskog zraka (qpz), Wt:

Metoda se zasniva na broju izmjena zraka po satu u stakleniku uslijed prodora vanjskog zraka. Brojizmjena zraka je funkcija vjetra, konstrukcije staklenika te temperaturne razlike. Pod konstrukcijomstaklenika se podrazumijeva volumen staklenika:

Vs = površina baze polovice valjka × dužina staklenika

Vs = 7,52×π×50 / 2 =4.417,9 m3

Za primjer staklenika s dvostrukim plastičnim krovom i niskim stranama od pleksiglasa broj izmjenazraka po satu iznosi 0,5 – 1,0 (tablica 4-3). Za ovaj slučaj staklenika uz brzinu vjetra od 15 km/h

izabrana je vrijednost: qz /h = 0,75 .

Tablica 4 -3: Broj izmjena zraka po satu za različite materijale, [20]

Materijal Izmjena zraka / satStaklo (jednoslojno) 2,5 – 3,5

Staklo (dvoslojno) 1,0 – 1,5

Pleksiglas 2,0 – 3,0

Plastika (jednoslojno) 0,5 – 1,0

Plastika (dvoslojna) 0,0 – 0,5

Plastika (jednoslojna) / niske strane od pleksiglasa 1,0 – 1,5Plastika (dvoslojna) / niske strane od pleksiglasa 0,5 – 1,0

Plastika (jednoslojna) / visoke strane od pleksiglasa 1,5 – 2,0

Plastika (dvoslojna) / visoke strane od pleksiglasa 1,0 – 1,5

-Gubitak topline uslijed prodiranja vanjskog zraka:

qpz = qz /h × Vs × ∆T × 0,367 (kJ/h) (4 –4)

qpz = 0,75 / h × 4.417,9m3 × 28 oC × 0,102 = 9.463 Wt = 34,05 MJ/h



76

Ukupni toplinski gubici staklenika:

q = Gubitak topline uslijed odvođenja topline kroz staklenik + Gubitak topline uslijed prodoravanjskog hladnog zraka

q = qot + qpz (4 -5)

q = 305,35 MJ/h + 34,05 MJ/h = 339,40 MJ/h = 94,28 kW t (76,82 kJ/m3 staklenika)

4.3. PRORAČUN STAKLENIKA S MOGUĆIM SUSTAVIMA GRIJANJA

U praksi postoje tri osnovne podjele sustava za grijanje:

(1) Prisilna konvekcija topline rekuperatorima ispod krova staklenika

(1a) pri višim temperaturama geotermalne vode,

(1b) pri nižim temperaturama

(2) Površinsko grijanje na tlu

(1a) sustav rebrastih cijevi

(1b) sustav glatkih cijevi

(3) Podno grijanje u kombinaciji s rekuperatorima

Način grijanja staklenika često nije diktiran inženjerskim razmatranjima kao što su maksimalna

iskoristivost geotermalnog fluida ili ekonomičnost sustava, već je odluka vezana na uvjete rasta

uzgajanog bilja. Kako je u Hrvatskoj najveća potražnja za rajčicama i paprikama kao mogućih

kultura za uzgoj u staklenicima proračun će biti napravljen za sva tri načina grijanja.

Primjer staklenika u proračunu iskorištava geotermalnu energiju bušotine Nedjelja-1 blizu

Samobora. Akvifer se nalazi u lit. vapnencima, brečama i dolomitima na dubini od 800 – 1.200m.

Geološki odnosi riješeni su u okviru geotermalnog polja Zagreb. U tablici 4-4 dani su podaci o

karakteristikama bušotine Nedjelja-1 i konstantnim ulaznim podacima koji vrijede za sve

proračunate sustave grijanja.

Tablica 4-4: Ulazni podaci za proračun sustava grijanja staklenika na geotermalnu energiju

bušotine Nedjelja-1 blizu Samobora.



77

Ulazni podaciVrijednost i

jedinica

Protok geotermalne vode iz bušotine Nedjelja-1, (Q) 21 m3 /h (5,83 l /s)

Temperatura vode na izlazu iz bušotine (tG), 65°C

Pad temperature na pločastom izmjenjivaču topline, (∆tIT) 5°C

Dobavna temperatura u radnom krugu staklenika, (tDTV=tG-∆tIT) 60°C

Potrebna toplinska snaga za grijanje staklenika, (q) 339.400 kJ/h

Unutarnja temperatura staklenika, (tUTS) 21°C

Vanjska temperatura (tVT) -7°C

Ulazna temperaturna razlika dobavne vode i zraka,

(∆tUTR= tDTV - tUTS)39°C

Razlika unutrašnje i vanjske temperature, (∆t = tUTS – tVT) 28°C

Koeficijent provodljivosti tla, (kt) 1,38 W/m°K

(1a) SUSTAV PRISILNE KONVEKCIJE TOPLINE ( VISOKO-TEMPERATURNI

REKUPERATOR)

Sastoje se od rebrastih spiralnih cijevi i malog ventilatora koji je ugrađen u samu jedinicu, a postoje

vertikalne i horizontalne izvedbe. Općenito se ugrađuju tako da vise sa stropa staklenika u razini

krova. Kroz rebrastu spiralu protječe radni fluid određene temperature, a ventilator raspršuje

zagrijani zrak u prostor staklenika. Kako ovi rekuperatori sadrže rebraste spirale, konstruirane su na

95 oC dobavnu temperaturu vode (tDTV) i unutarnju temperaturu zraka od 15,6 oC (tUTS) (tablica 4-5).

Promjena bilo koja od ova dva parametra utjecati će na efikasnost same jedinice.

Tablica 4-5: Odnosi različitih modela rekuperatora pri 93 0C tUTV (ulazna temperatura vode) i 15,6oC tUTS (unutarnja temperatura staklenika), [20]



78

Model

Toplinska

snaga

( kJ / h )

Protok vode

( l / s )

Protok zraka

( m3 / min )

Temperatura

izlaznog

zraka

( oC )

Snaga

ventilatora

( W )

A 95.000 0,57 50 43 125

B 140.000 0,84 92 38 250

C 146.000 0,88 82 42 250

D 209.000 1,26 129 39 375

E 236.000 1,39 130 42 375

F 288.000 1,70 145 42 375

Tablica 4 -6: Korekcioni faktori za dobavne temperature vode (tDTV) i unutarnje temperaturestaklenika (tUTS), [20]

Ulazna temperatura zraka (tUTZ), oCUlazna temperatura

vode (tDTV), oC 4,4 15,6 26,7 37,8

27 0,293 0,143 0 0

38 0,439 0,286 0,140 0,069

49 0,585 0,429 0,279 0,137

60 0,731 0,571 0,419 0,27371 0,878 0,714 0,559 0,410

82 1,024 0,857 0,669 0,547

93 1,170 1,000 0,833 0,684

Tijek proračuna:

1.) Za pretpostavljenu uporabu dva rekuperatora ( po jedan na svakom kraju staklenika ),

svaki od njih će morati imati kapacitet:

hkJ hkJ q

qVTR / 700.1692

/ 400.339

2 ===

Kako je ovaj sustav dizajniran za standardne uvjete ulazne temperature vode od tDTV = 95 oC

i unutarnje temperature staklenika tUTS = 15,6 oC, koriste se korekcioni faktori za tDTV i tUTS.

Interpolacijom iz tablice za vrijednosti tDTV=60 oC i tUTS=21 oC dobiva se potrebna toplinska snaga

koju bi morao imati svaki od rekuperatora:

hkJ hkJ

qVTR / 449.341497,0

/ 700.169==



79

Sustav s dva rekuperatora ne uspijeva pokriti toplinske gubitke, jer je najjači model F sa snagom od

288.000 kJ/h nedostatan za potrebnih 341.449 kJ/h po rekuperatoru.

Potrebno je pretpostaviti upotrebu četiri rekuperatora od kojih bi svaki morao imati najmanju

toplinsku snagu od:

hkJ hkJ qVTR / 724.1702 / 449.341 =÷=

Model D snage 209.000 kJ/h zadovoljava potrebnu toplinsku snagu. Da bi se izvršila provjera

rezultata potrebno je toplinsku snagu modela D svesti na uvjete koji vladaju u stakleniku, odnosno

tDTV=60oC i tUTS=21oC.

Stvarni toplinski kapacitet pojedinačnog modela D:

hkJ hkJ qVTR / 873.103497,0 / 000.209 =×= ,

Ukupna toplinska snaga četiri rekuperatora modela D: hkJ hkJ qVTR / 492.4154 / 873.1034 =×= ,

što je dostatno da pokrije toplinske gubitke staklenika od 339.400 kJ/h.

Postupak dimenzioniranja moguće je riješiti i korištenjem tri rekuperatora modela F snage 288.000

kJ/h ili stvarne snage za uvjete u stakleniku: 288.000kJ/h×0,497=143.136 kJ/h. Ukupna toplinska

snaga ova tri rekuperatora iznosi:

hkJ hkJ qVTR / 408.4293 / 136.1433 =×= , što je veće od q = 339.400 kJ/h.

Sustav od tri rekuperatora modela F ekonomski je povoljniji nego li sustav od četiri jedinice modelaD. (1 model F = 1.811$, 1 model D =1.581$ ) [20]

(1b) SUSTAV PRISILNE KONVEKCIJE TOPLINE ( NISKO-TEMPERATURNI

REKUPERATOR)

Konstrukcija ovih rekuperatora je prilagođena za niže ulazne temperature vode. Imaju efikasniji

prijenos topline sa spirala i ventilatore većih kapaciteta. Podaci o učinkovitosti nisko-temperaturnih

rekuperatora dan je u tablici, a koristi se učinkovitost po oC ulazne temperaturne razlike ∆tUTR

(razlika je razlika između unutarnje temperature staklenika (tUTS) i temperature dobavne vode (tDTV).

Tablica 4 –7: Učinkovitost nisko-temperaturnih rekuperatora u ovisnosti dobave radnog fluida i

ulazne temperaturne razlike, [20]



80

kJ / oC ulazne temperaturne razlike (∆∆∆∆tUTR)Dobava radnog

fluida ( l / s )Jedan ventilator (109 m3 /min)

(cijena: ≈2.800 $)

Dva ventilatora (218 m3 /min)

(cijena: ≈5.100 $)

0,3 2.845 4.7450,6 4.175 6.8300,9 4.745 8.1601,3 5.220 9.3001,6 5.410 10.0551,9 5.690 10.7202,2 5.880 11.0052,5 5.880 11.385

Tijek proračuna:

1.) Pretpostavimo upotrebu dva rekuperatora sa sustavom jednog ventilatora (109

m3 /min) s protokom vode od zadanih 5,83 l /s. U tom bi slučaju protok po svakom rekuperatoru

iznosio:

QNTR = 5,83 l /s ÷ 2 = 2,92 l /s.

S obzirom da je u literaturi [20] datirana jedinica s maksimalnim protokom od 2,5 l /s i

pretpostavkom da je protok geotermalne vode i fluida u radnom krugu isti, biti će potrebno smanjiti

protok geotermalne vode pomoću sapnice na bušotini na veličinu od npr. 7m3 /h (1,94 l /s) Svaki od

dva rekuperatora sa sustavom jednog ventilatora (109 m3 /min) imaju protok od:

QNTR = 1,94 l /s ÷ 2 = 0,97 l /s.

Izlazna toplinska snaga jednog rekuperatora pri QNTR=0,97 l /s i tUTR=39 oC interpolacijom iz tablice

4-7 iznosi:

hkJ q NTR / 297.18839828.4 =×=

Stoga bi ukupni kapacitet dva rekuperatora sa sustavom jednog ventilatora iznosio:

hkJ q NTR / 594.3762297.1882 =×= ,

što zadovoljava toplinske potrebe staklenika od q = 349.400 kJ/h.

Zbog veće efikasnosti i potrebnog manjeg protoka ovakav sustav može osigurati znatnu uštedu

električne energije pojnih pumpi.

(2a) POVRŠINSKO GRIJANJE NA TLU REBRASTIM CIJEVIMA



81

Rebraste cijevi su najčešće načinjene od čelika ili bakra s pričvršćenim rebrima od aluminija ili

čelika, a mogu biti kvadratičnog, kružnog i pravokutnog oblika. Sustav je prvenstveno namijenjen

za temperature ulaznog fluida od 95 oC (200 0F) ili više. Spuštanjem dobavne temperature, upotreba

ovog sustava ekonomski je sve manje opravdana zbog potrebne sve veće duljine rebrastih cijevi

kako bi se postigla potrebna količina topline za zagrijavanje staklenika.

Tablica 4 –8: Usporedba troškova rebrastih cijevi, [20]

Kombinacija materijala,

(cijev/ rebra)

Vanjski promjer

cijevi, ( mm )

Broj rebara

po metru

dužine

Cijena, ( $/m' )

čelik / aluminij 19,05mm (3/4 in) 108 17,7

čelik / aluminij 25,40mm (1 in) 108 24,6

čelik / čelik 31,75mm (1 ¼ in) 108 36,1

čelik / čelik 31,75mm (1 ¼ in) 131 40,4

čelik / čelik 50,08mm (2 in) 78 35,4

čelik / čelik 50,08mm (2 in) 108 41,3

Tijek proračuna:1.) Kapacitet se daje obzirom na srednju temperaturu vode u radnom krugu (tSTV), a kako bi se

izračunala ta vrijednost neophodno je prvo izračunati pad temperature u radnom krugu slijedećom

relacijom: [20.]

Q

qt RK

×=∆

187,4 (4 –6)

∆t RK = pad temperature u radnom krugu staklenika, oC

q = potrebna toplina za grijanje staklenika, kJ/hQ = protok dobavne vode, l /h (zadano 21.000 l /h)

4,187 = konstanta, [ )( / C hlh

kJ o××

]

Uvrštavanjem u relaciju 4-6: C C t oo

RK 486,3000.21187,4

400.339≈=

×=∆

Izračunavanje srednje temperature vode u radnom krugu:



82

C t

t t t

oSTV

RK DTV STV

582 / 460

2 /

=−=

∆−= (4 –7)

2.) Kako je sustav grijanja rebrastim cijevima prilagođ en za srednju temperaturu vode od 95oCrač unanje potrebne duljine rebraste cijevi za neku nižu temperaturu od nazivne mora sadržavatikorekcioni faktor ( tablica 4-6).

Za odabranu cijev promjera 50,08mm (2 in.), jednog reda rebara ( 10,80cm ili 4 ½ in.) i 108

rebara/m pri temperaturi vode od 95 oC (200 oF) toplinska snaga po metru iznosi interpolacijom iz

tablice 4.015 kJ/h/m.

Tablica 4 -9: Toplinska snaga po metru dužine rebraste cijevi u ovisnosti o temperaturi vode, brojuredova i broju rebara po jediničnom metru za čeličnu cijev promjera 50,80mm (2 in.), [20]

Tablica 4 –10: Korekcioni faktori za pojedine srednje temperature vode, [20]

Srednja temperatura vode (oC) 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0

Korekcijski faktor 0,941 0,764 0,605 0,470 0,317 0,196

Ukupni kapacitet iznositi će upotrebu korekcijskog faktora ( dobiven interpolacijom iz tablice 4-6 za

srednju temperaturu vode = 58 oC): 0,4394 × 4.015 kJ/h/m = 1.764,4 kJ/h/m

Potrebna duljina rebrastih cijevi da se zadovolji potrebna toplina staklenika:

mmhkJ

hkJ l RC 4,192

/ / 4,764.1

/ 400.339==

Kako se potrebna duljina rebrastih cijevi za pokrivanje toplinskih zahtjeva staklenika sa smanjenjem

temperature povećava tako je upotreba ovog načina grijanja nepraktična za temperature vode manje

od 65 oC, pogotovo u hladnijim klimatskim područ jima.

Broj Nazivne vrijednosti za vruću vodu, [[[[ kJ/h/m ]]]] po srednjoj temperaturiBroj

rebara redova 116oC 110 oC 104 oC 99 C 93 C 88 oC 82 oC 77 oC

1 5.642,4 5.123,2 4.742,4 4.292,4 3.877,0 3.496,2 3.115,4 2.734,7

2 9.727,1 8.896,3 8.169,4 7.407,8 6.715,5 6.092,4 5.365,5 4.742,4108

3 12.669,5 1.156,7 1.066,7 9.623,2 8.723,2 7.927,1 6.992,4 6.196,3

1 6.057,8 5.538,6 5.088,6 4.603,9 4.223,2 3.773,1 3.357,8 2.942,4

131 2 10.142,5 9.242,5 8.515,5 7.684,8 6.957,8 6.334,7 5.573,2 4.950,1



83

(2a) POVRŠINSKO GRIJANJE NA TLU GLATKIM CIJEVIMA

Koriste se glatke cijevi manjeg promjera izrađene od polietilena ili polibutilena. Polažu se direktno

na tlo staklenika. Ako su cijevi položene preblizu jedna drugoj smanjuje se efektivna površina

djelovanja, što dovodi do smanjenja toplinskog kapaciteta. Projektiranje sustava vrši se obzirom na

srednju temperaturu vode u radnom krugu (tSTV).

Tijek proračuna:

Ugrađuju se polibutilenske cijevi promjera: DPB = 25,40 mm, debljine stijenke 4 mm

Računanje pada temperature u radnom krugu (∆tRK) i srednje temperature u krugu (tSTV):

C Q

qt o

GT

GT RK 0.486,3

000.21187,4400.339

187,4 ≈=×

=×

=∆

C t t t o

RK DTV STV 582 / 4602 / =−=∆−=

Prijenos topline po metru duljine polibutilenske cijevi (q/l) računa se po jednadžbi [1.]:

F t t

t t

PB Dl

q

⋅⋅+⋅−+⋅⋅

⋅−⋅+∆⋅+⋅

⋅⋅=

345,11))4)3238.1(4)3228,1((

))10107,15(266,1)1

(181,0)3218.1

1(2,0)

1(422,4((

(4 –7)

t1 = 255,6 + (tSTV + tUTS)/2 = 255,6 + (58oC + 21oC)/2 = 295,1 oC

∆t1 = tSTV – (tUTS + 3) = 58oC – (21oC +3) = 34oC

t2 = 255.6 + tSTV = 255,6 + 58oC = 313,6oC

t4 = (tPTNP + tUTS)/2

Računanje prosječne temperature negrijanih površina u stakleniku, (tPTNP):

n

NPnn NP NPPTNP

A A A

t At At At

+++

×++×+×=

K

K

21

2211 (4 –8)

A = površina određenog materijala, m2

tNP = unutrašnja temperatura na površini negrijanih površina u stakleniku, oC, a računa se:

( )t k t t mUTS NP ∆××−= 0291,0 (4 –9)

km = koeficijent ukupnog prolaza topline pojedinog materijala, kJ/m⋅h⋅oC

(za brzinu vjetra od 15km/h očitati iz tablice 4-2 za pleksiglas i dvoslojnu plastiku)

∆t = razlika u unutrašnjoj i vanjskoj temperaturi, oC

- Za krov od dvoslojne plastične mase površine: A1= 549,78 m2,



84

C t o NP 9,9)2868,130291,0(211 =××−=

- Za zidove od pleksiglasa ukupne površine: A2= 176,71 m2,

C t o

NP 4,5)2815,190291,0(212 =××−= Određivanje prosječne temperature negrijanih površina ( tPTNP):

C t o

PTNP 8,871,17678,549

4,571,1769,978,549=

+

×+×=

Konačno:

t4 = (tPTNP + tUTS)/2 = (8,5oC + 21oC)/2 =14,75oC

t3 = 255,6 + t4 = 255,6 + 14,75oC = 270,35oC

F = vanjska površina cijevi po jediničnom metru, (m2 /m), izračunato 0,105m2 /m

105,0345,11)))4)3235,2708,1(4)326,3138,1((

)10107,15(())266,1)0,34(181,0)321,2958,1

1(2,0)

40,25

1(422,4((

⋅⋅+⋅−+⋅⋅

⋅−⋅+⋅+⋅

⋅⋅=l

q

mhkJ l

q⋅= / 58,177

Potrebna duljina cijevi kako bi se pokrila toplinska potrošnja:

m

mhkJ

hkJ

lq

qlPB 25,911.1

/ 58,177

/ 400.339

/

=

⋅

== (4 –10)

Iz ovako velike potrebne duljine tubinga vidljivo je da ovaj sustav grijanje nije ekonomičan niti

praktičan za hladnije klimatske uvjete

(3) PODNO GRIJANJE U KOMBINACIJI S REKUPERATORIMA

Ovakav sustav grijanja uključuje korištenje tla staklenika kao velikog radijatora. Cijevi, kroz koje

cirkulira vruća voda, zakopane su u tlo staklenika. Kao materijal za cijevi najčešće se koristi

polibutilen, a sposoban je podnijeti temperature do 80 oC. Podni sustav je primarni sustav za

pridobivanje topline, a korištenje rekuperatora je za pokrivanje vršne potrošnje tijekom hladnijih

mjeseci. Emitirana količina topline s tla staklenika u ovisnosti je o podnoj temperaturi staklenika,

temperaturi zraka u stakleniku, te prosječnoj temperaturi negrijanih površina u stakleniku (zidovi i

krov staklenika).

Tijek proračuna:



85

Ugrađuju se polibutilenske cijevi promjera 19,05mm (3/4 in.) koje zbog aktivnosti na površinimoraju biti minimalno ukopane 150mm u tlo.

(1.) Nakon što se odredi gubitak topline staklenika (q = 339.400 kJ/h), podijeli se s

površinom tla staklenika koja će biti iskorištena za grijanje ( obično 90% od ukupne površine tla

staklenika ), te se dobije veličina gubitka topline po površini staklenika (q / A) izraženo u kJ / h⋅m2.

Za primjer staklenika iz površina iznosi : A=15,0 × 50,0 = 750m2

2* / 8,5027509,0

/ 400.339 / mhkJ

hkJ Aq ⋅=

×=

(2.) Ova veličina se koristi u formuli za izračunavanje potrebne temperature tla

staklenika: [1.]

( ) 32.144

87,7100

4928,1100

4928,170,1 UTS PTS PTNPPTS t t t t

Aq −×+

+×−

+××= (4 –11)

q/A = potrebna toplina po jedinici površine, kJ / h⋅m2

tPTS = temperatura površine tla staklenika, oC

tUTS = unutrašnja temperatura zraka, oC

tPTNP = prosječna temperatura negrijanih površina u stakleniku (zidovi i krov),°C

Vrijednost tPTNP je već izračunata za sustav grijanja na tlu glatkim cijevima, a iznosi 8,8°C

Određivanje potrebne temperature površine tla staklenika tPTS , relacija (4 –11):

32.144 )21(87,7))100

4928,88,1()

100

4928,1((70,18,502 −×+

+×−

+××= PTS

PTS t T

Rješavanjem jednadžbe dobiva se: tPTS = 31,2 oC

Kod proračuna ovakvog načina grijanja staklenika često se dobiju relativno visoke temperature kao

rješenje za potrebnu temperaturu tla staklenika. Kada bi se u stvarnosti koristile takve temperature

tla staklenika, vršna potrošnja topline bila bi zadovoljena, ali u ovakvim uvjetima teško je uzgajati

biljke koje su posađene direktno u tlo. Maksimalna preporučena temperatura tla kod ovog sustava je

30oC. [1.] Zato se ovakav sustav grijanja gotovo nikada ne koristi kao samostalan, već u kombinaciji

s drugim sustavima koji igraju ulogu sekundarnog sustava za pokrivanje vršne potrošnje (najčešće

visoko temperaturni rekuperatori).

Kako je temperatura tla od 31,2 °C previsoka, sustav će se dimenzionirati na pokrivanje 80%toplinskih potreba staklenika. U tom slučaju veličina q/A iznosi:

2* / 24,40280,0 / / mhkJ Aq Aq ⋅=×=

Rješavanjem jednadžbe (4 –11) dobiva se: tPTS = 28,5o

C, što je ispod dopuštene temperature tla.



86

Treba obratiti pozornost na dimenzioniranje sekundarnog sustava s visoko temperaturnim

rekuperatorima. Oni moraju pokriti 20% toplinskih gubitaka koji iznose:

hkJ hkJ qSTJ / 800.672.0 / 400.339 =×=

Kako je stvarna snaga rekuperatora modela B iz tablice 4-5 (uzevši u obzir korekcioni faktor za

ulaznu temperaturu vode i zraka koji iznosi 0,497 iz tablice 4-6 ):

hkJ hkJ qVTR / 580.69497,0 / 000.140 =×= , pokrivaju se toplinski gubici od 67.800 kJ/h.

Protok koji će otpasti na ovu jedinicu iznositi će:

slQVTR / 84,0= , očitano iz tablice 4-5.

Protok koji će iskorištavati sustav podnog grijanja tla:

hlslslslslQGT / 000.18 / 0,5 / 993,4 / 84,0 / 833,5 ≈≈=−=

3.) Razmak između cijevi te dubina njihove ugradnje ovisi o srednjoj dobavnoj temperaturi vode.

Dubina ugradnje cijevi je funkcija zaštite cijevi od površinskih aktivnosti, a uobičajene vrijednosti

dubina su između 5 i 15cm.

Također je vrlo važno prilikom dimenzioniranja uzeti u obzir pad temperature u radnom krugu

(∆tRK) iz relacije (4–6) zbog proračuna srednje dobavne temperature vode u stakleniku tSTV prema

relaciji (4 –7).

C hlC hlhkJ

hkJ

Q

qt o

o

GT

GT RK 60,3

/ 000.18 / / 187,4

/ 400.3398,0

187,4 =

×⋅⋅

×=

×=∆

C t t t o

RK DTV STV 2,582 / 6,3602 / =−=∆−=

Iz tablice 4-7 vidi se da za polibutilensku cijev ukopanu 150 mm duboko u tlo i provodljivost tla od

1,30 W/moC, srednja dobavna temperatura vode (tSTV) smije iznositi najviše 61oC. S obzirom da je

za hrvatske prilike provodljivost tla oko 1,38W/m°C interpolacijom iz tablice 4-7 vidi se da je

maksimalna temperatura otprilike 60°C. Kako je proračunata vrijednost 58°C proračun se može

nastaviti.

Tablica 4–11: Maksimalna preporučena srednja temperatura vode (oC) kod različitih uvjeta dubine

zalijeganja (mm), provodljivosti tla (W/moC), i različitih vrsta cijevi, [20]

Čelična cijev Polibutilenska cijevDubina

ukopavanja

(mm)

k = 0,865

(W/moC)

k = 1,30

(W/moC)

k = 0,865

(W/moC)

k = 1,30

(W/moC)



87

25 44 41 51 44

50 47 43 55 49

75 50 46 59 53

100 52 47 62 55125 53 49 64 57

150 57 52 69 61

Kako bi se odredio potreban razmak između položenih cijevi prvo se mora ustanoviti prijenos

topline s jediničnog metra cijevi. Iz dijagrama 4-1 određuje se prijenos topline s metra cijevi po 1oC

temperaturne razlike. Temperaturna razlika se odnosi na razliku srednje dobavne temperature vode

(tSTV) i potrebne temperature tla (tPTS)

Dijagram 4 –1: Prijenos topline za cijevi promjera 19,05mm u ovisnosti o provodljivosti tla, dubini

ukapanja i tipu cijevi, [20]

Prijenos topline po metru polibutilenske cijevi promjera 19,05mm jednak je:

)5,282,58( / 6,9´

)(´ /

C C C mhkJ q

t t qq

ooo

PB

PTS STV C PBPB

−×⋅⋅=

−×= ° (4 –12)

mhkJ qPB ⋅= / 12,285´

Potrebna duljina cijevi po m2 površine staklenika za pokrivanje toplinskih gubitaka m2 površine

određuje se tako da se podijeli potrebna toplina za grijanje staklenika po m 2 površine i prijenos

topline po metru polibutilenske cijevi. Znači:

22

/ 41,1 / 12,285

/ 24,402

´

/ / mm

mhkJ

mhkJ

q

Aq Al

PB

ST PB =⋅

⋅== (4 –13)

Konačno, potreban razmak između cijevi računa se prema slijedećoj jednadžbi:



88

mmm Al

lST PB

PB 71,0 / 41,1

1

/

12 ===∆ (4 –14)

Način razmještanja cijevi u stakleniku ovisi direktno o padu temperature u radnom krugu (∆tRK), a

ukoliko je manji od 8oC upotrebljava se jednostruka petlja položenih cijevi. Ako je pad temperature

veći od 8oC tada se primjenjuje polaganje cijevi s dvostrukom petljom.

Slika 4–4: Polaganje cijevi jednostrukom i dvostrukom petljom s prikazom dimenzija staklenika,

Ukupna potrebna duljina polibutilenskih cijevi iznositi će:

mmmmlPB 056.10,15

71,00,50 =×=

50 0m

15,0m



89

UTJECAJ KORIŠTENJA GEOTERMALNE ENERGIJE NA OKOLIŠ

Korištenje geotermalne energije obično je ograničeno na područ je na kojem je utvrđen geotermalni

akvifer, tako da je i utjecaj na okoliš izazvan njegovim korištenjem najčešće lokalnog značenja.Utjecaj geotermalne energije na okoliš očituje se kroz pojavu slijeganja terena, emisiju plinova čijiintenzitet djelovanja ovisi o geološko-strukturnim i hidrogeološkim značajkama ležišta, fizičkokemijskim obilježjima fluida u ležištu, tehničko-tehnološkim karakteristikama postrojenja.Geotermalna ležišta sadrže također i otopljene plinove čiji udio ovisi o geokemijskim obilježjimaležišta. Najčešće su to ugljični dioksid, dušik, sumporovodik te manje količine amonijaka, metana,žive, radona i broma. Sadržaj plinova ovisi o rasponu temperature i veličini tlaka za pojedino ležište.Emisija plinova geotermalnih elektrana manja je u odnosu na emisiju iz postrojenja koja koristefosilna goriva. Emisija plinova danas se učinkovito spriječava utiskivanjem u ležište primjenom tzv.zatvorenog cirkulacijskog sustava kojeg čine proizvodna bušotina – izmjenjivač topline – utisnabušotina – ležište. Na taj se način plinska komponenta sadržana u geotermalnom fluidu utiskuje

natrag u ležište. Injektiranjem fluida podržava se tlak ležišta, a time i produljuje eksploatacijskivijek.Utjecaj geotermalnih voda na okoliš u izravnoj je vezi s njihovim kemijskim sastavom, sadržajemotopljenih plinova, mineralizacijom, temperaturom, pH vrijednošću te ukupnim tehnološkimpostupkom za istraživanje i korištenje geotermalnog izvora. U vodi su obično najzastupljeniji kloridinatrija, kalija i kalcija, različiti karbonati, sulfati, silikati te magnezij, brom i jod. Nekontroliranispust tih voda u okoliš može dovesti do onečišćenja površinskih i podzemnih pitkih voda te tala skojima su u kontaktu.



90

UTJECAJI NA OKOLIŠ

U procesu proizvodnje geotermalne energije, značajniji utjecaji na okoliš uglavnom se pojavljajukod visoko temperaturnih ležišta s većim proizvodnim količinama. Osnovni utjecaji na okolištijekom izgradnje objekata i proseca pretvorbe geotermalne u električnu energiju odnose se na: jediničnu površinu zemljišta po jedinici proizvedene energije, emisiju plinova i para, emisijuotpadne topline i razinu buke. Ovi utjecaji mogu biti stalni ili povremeni s povratnim ilinepovratnim efektima.Utjecaji na okoliš kod direktnog korištenja topline identični su proizvodnji električne energije.Stupanj utjecaja na okoliš u korištenju geotermalne energije proporcionalan je količini proizvodnje.

Kako je kod direktnog korištenja potrebna manja proizvodnja fluida i topline nego kod proizvodnjeelektrične energije tako su i utjecaji na okoliš kod direktnog korištenja razmjerno manji.

4.1. Korištenje zemljišta

Izgradnja pristupnih putova i izrada bušotina mogu utjecati na vegetaciju i izgled okoliša. Područ jeaktivnosti je relativno malo, jer se obično iz jednog mjesta buši nekoliko bušotina za što je potrebnapovršina zemljišta do 2500 m2. Toplinska energija se koristi što je moguće bliže bušotinama, a štosmanjuje dužinu potrebnih cjevovoda. U tablici 3. prikazana je potrebna površina zemljišta zapostrojenja za proizvodnju električne energije kod različitih energetskih izvora. [3]

Tablica 3. Potrebna površina zemljišta za postrojenja za proizvodnju električne energije

Energetski izvor Potrebna površina zemljišta ( m2 / MW )Geotermalna energija 400 - 3200Nuklearna energija 2000 - 4000Fosilna enegija ( ugljen ) 7600

4.2 Emisija plinova i para



91

Geotermalni fluid uglavnom sadrži otopljene plinove kao na primjer ugljik dioksid, metan i vodikovsulfid, a u neznatnim količinama dušik te lako hlapljive pare arsena i žive. Geotermalno postrojenjeima značajnu ekološku prednost u odnosu na postrojenja s fosilnim gorivima jer nema emisijedušikovih oksida i sumpornog dioksida. Smanjena emisija dušika i sumpora smanjuje opasnost od

pojave kiselih kiša, a smanjena emisija ugljik dioksida smanjuje mogućnost globalnih klimatskihpromjena. Emisija ugljik dioksida može se razlikovati ovisno o karakteristici geotermalnog fluida itipa geotermalnog postrojenja. Binarno postrojenje ne proizvodi emisiju ugljik dioksida, dokprotutlačna i kondezacijska postrojenja za proizvodnju električne energije emitiraju 0.09 kgC02 /kWh proizvedene električne energije, što je deset puta manje u odnosu na pogon postrojenja sugljenom (Tablica 4.). Količina vodikova sulfida u geotermalnom fluidu kreće se u granicama 0.03– 6.4 g/kWh [6], što ne izazivu pojavu kiselih kiša. Vodikov sulfid se može izdvojiti iz pare uStretford procesu te se dobiva elementarni sumpor, što smanjuje emisiju H2S i do 90 %. Uposljednje vrijeme koriste se tehnike spaljivanja H2S za dobivanje sumpornog dioksida koji sepretvora u sumpornu kiselinu čime se dobiva gotov proizvod.

Tablica 4. Usporedba emisije CO2 kod korištenja različitih energenata za proizvodnju električneenergije [1]

Energetski izvor Emisija CO2 ( kg / kWh )Geotermalna energija 0.09Prirodni plin 0.6Nafta 0.9Ugljen 0.95

4.3. Emisija otpadne topline

Na geotermalnim resursima s prevladavajućom parnom fazom, toplina odlazi u atmosferuispuštanjem pare i na površinskim cjevovodima. Na geotermalnim sustavima gdje prevladava tekućafaza, toplina se gubi rashladnim tornjevima i razvodnim cjevovodima. Proces iskorištavanjageotermalne energije obzirom na primjenjenu tehnologiju dovodi do velikih gubitaka topline.Djelotvornost postrojenja za pretvorbu geotermalne u električnu energiju je mnogo manja u odnosuna druga slična postrojenja za proizvodnju električne energije. Binarno postrojenje emitira najvećukoličinu topline u atmosferu glede niskog ukupnog stupnja djelovanja procesa. U tablici 5. prikazanesu vrijednosti emisije topline u okoliš za različite energente korištene u proizvodnji električneenergije

Tablica 5. Količina otpadne topline za različite energente u proizvodnji elekt. energije [2]

Energetski izvor Emisija otpadne topline MWT / MW elektr. en.Plin 1.1Nafta 1.6Ugljen 1.7Nuklearni 2.0Solarni 2.3Geotermalni

Protutlačna turbina 4.4Kondenzacijaska turbina 5.0

Binarno postrojenje 9.0



4.4. Reinjektiranje geotermalnog fluida

Svaki omjer proizvodnje fluida i topline u iskorištavanju geotermalne energije koji se prirodnonadomjesti u podzemlju smatra se obnovljivim. Zbrinjavanje geotermalnog fluida u ovom slučajuobavlja se utiskivanjem u pliće propusne geološke strukture kod kojih neće doći do ugrožavanjakvalitete pitke vode. Tako na primjer povećane proizvodne količine geotermalnog fluida bezreinjektiranja dovele bi do pada proizvodnje. Zbog toga se u gotovo uvijek planira reinjektiranjefluida u ležište čime se nadomješta proizvedena voda i poodržava tlak u ležištu.

4.5. Razina buke

U procesu iskorištavanja geotermalne energije buka se pojavljuje tijekom izrade bušotina i izgradnjepostrojenja za pretvorbu geotermalne u električnu energiju. U tom razdoblju razina buke kreće se od

45 do 120 dB [6] i nije stalnoga karaktera. U procesu proizvodnje razina buke kreće se kao i kodvećine postrojenja koja koriste motorne pogone.

5. ZAKLJUČAK

Utjecaji na okoliš tijekom pretvorbe geotermalne u električnu energiju nemogu se isključiti. Oniovise o smještaju postrojenja, tipu ležišta, njegovoj veličini i primjenjenoj tehnologiji zaproizvodnju električne energije. Postrojenja za proizvodnju električne energije zauzimaju relativnomalo prostora, ne zahtijevaju skladištenje materijala, transport proizvoda ili sagorijevanje goriva, aemisija plinova je izuzetno niska. Binarno postrojenje kod kojeg je turbina pogonjena parom

sekundarnog fluida, a ne direktno geotermalnom parom, ima najmanji utjecaj na okoliš, ali pritomeoslobađa najviše topline.Direktno korištenje topline i uporaba toplinskih pumpi nema značajnihutjecaja na okoliš. Geotermalni resursi u budućnosti primarno će se bazirati na njihovoj održivosti iobnovljivosti, zaštiti okoliša te optimalnom korištenju. Da bi se povećao ukupni godišnji stupanjdjelovanja ciklusa nužno je koristiti kaskadno korištenje topline što omogućava najširu primjenu usvakodnevnoj praksi.

Documents

Skripta-geotermalna Ver 1.1