Zagreb, 19. veljače 2010. - marjan.fesb.hrmarjan.fesb.hr/~fbarbir/PDFs Obnovljivi izvori/Dodatni materijali i... · UVOD Geotermalna energija: • energija sadržana u Zemljinoj

SEMINAR OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE:

Geotermalna energija

Prof. dr.sc. Zvonimir Guzović

Zagreb, 19. veljače 2010.

Katedra za turbostrojeve

UVODUVOD

Geotermalna energija:• energija sadržana u Zemljinoj unutrašnjosti, slika 1;• uglavnom je to fosilna nuklearna energija;• snaga kondukcijskog toka iz Zemljine unutrašnjosti je 42x1012 W;• cjelokupna toplinska energija Zemlje je 12,6 x 1024 MJ;• temperatura na 6000 km iznosi oko 50000C, slika 2;• porast temperature po jedinici dubine naziva se geotermalni gradijent.

Slika 1. Zemljina unutrašnjost(http://geothermal.marin.org)

Slika 2. Temperatura Zemljine unutrašnjosti (http://geothermal.marin.org)

UVODUVODIzvor “čiste energije” pošto ispunjava za današnje vrijeme dva značajna koncepta pri iskorištavanju energetskih izvora: obnovljivost i održivost.Mnoga područja na Zemlji imaju dostupne geotermalne resurse, slika 3.

Slika 3. Područja na Zemlji s najznačajnijim geotermalnim resursima (http://geothermal.marin.org)

UVODUVOD

Geotermalna energija nisko-temperaturnih izvora (do 1000C) može se “direktno” koristiti kao što prikazuje slika 4.

Slika 4. Mogućnosti “direktnog” korištenja geotermalne energije: a- za kupanje i medicinske svrhe; b- zagrijavanje staklenika; c- uzgajanje riba; d- zaštita od

poledice; e- zagrijavanje zgrada; f- dizalice topline (http://geothermal.marin.org)

a) b) c)

d) e) f)

UVODUVOD

Geotermalna energija visoko-temperaturnih (preko 2000C) i srednje-temperaturnih izvora (100 do 2000C) može se koristi za proizvodnju električne energije, slika 5.

Slika 5. Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije u geotermalnoj elektrani (http://geothermal.marin.org)

DANADANAŠŠNJE STANJE KORINJE STANJE KORIŠŠTENJA GEOTERMALNE ENERGIJETENJA GEOTERMALNE ENERGIJEU REPUBLICI HRVATSKOJU REPUBLICI HRVATSKOJ

U Republici Hrvatskoj su dva bitno različita područja (slika 6):• Dinaridi i Jadran s geotermalnim gradijentom 0,0180C/m, te• Panonski bazen s geotermalnim gradijentom 0,0490C/m;• geotermalni gradijent za Europu iznosi 0,030C/m.

Stoga je jasno da se glavni geotermalni potencijali u Republici Hrvatskoj nalaze u Panonskom bazenu, slika 7.

Slika 6. Geotermalni gradijenti za područje Republike Hrvatske (www.eihp.hr)

Slika 7. Lokacijegeotermalnih ležišta u Republici Hrvatskoj(www.eihp.hr)

UkUkupno postoji 28 upno postoji 28 geotermalnih poljageotermalnih polja od kojih je 18 u upood kojih je 18 u uporabirabi..UU RHRH postoji vipostoji viššestoljetna tradicija iskoriestoljetna tradicija iskorišštavanja geotermalne energije iz tavanja geotermalne energije iz prirodnih izvora u medicinske svrhe i za prirodnih izvora u medicinske svrhe i za kupanjekupanje:: brojne toplice brojne toplice (Vara(Varažždinske, Daruvarske, dinske, Daruvarske, StubiStubiččkeke TTopliceoplice, Lipik, , Lipik, TopuskoTopusko,, itd.). itd.). ZaZa potrebe individualnog grijanja prostora instalirano je potrebe individualnog grijanja prostora instalirano je oko 40oko 40 MW MW toplinske snage, dok se za kupanje koristi toplinske snage, dok se za kupanje koristi oko 80oko 80 MW toplinske snage. MW toplinske snage. ZaZa sada se geotermalna energija ne koristi za proizvodnju elektrisada se geotermalna energija ne koristi za proizvodnju električčne ne energije.energije.

DANADANAŠŠNJE STANJENJE STANJE KORIKORIŠŠTENJA GEOTERMALNE ENERGIJETENJA GEOTERMALNE ENERGIJEU REPUBLICI HRVATSKOJU REPUBLICI HRVATSKOJ

DANADANAŠŠNJE STANJENJE STANJE KORIKORIŠŠTENJATENJA GEOTERMALNE ENERGIJEGEOTERMALNE ENERGIJEU REPUBLICI HRVATSKOJU REPUBLICI HRVATSKOJ

Tablica 1. Geotermalna polja u Republici Hrvatskoj s geotermalnom vodom toplijom od 100°C za proizvodnju električne energije (www.eihp.hr)

1/01/01/03/02/02/0Broj izrađenih / aktivnih bušotina

1111011Mogući broj elemenata razrade

2 (1+1)3 (2+1)3 (2+1)3 (2+1)5 (3+2)2 (1+1)Broj bušotina na elementu (proizvodne + utisne)

125120125125170170Temperatura vode, 0C

0,20,10,10,1560,3470,11566Izdašnost elementa razrade, m3/s

samoizljevcrpkasamoizljev.samoizljev.samoizljev.samoizljev.Način pridobivanja vode

2 5002 5002 5002 5002 8002 800Dubina bušotina, m

vjerojatnevjerojatnevjerojatnevjerojatnevjerojatno dokazanedokazaneKategorija rezervi

Babina GredaRečicaFerdinandovacLunjkovecVelika

CiglenaVelika CiglenaLokacija (ležište)

ŽupanjaKarlovacĐurđevacLudbregBjelovarBjelovarPodručje

DANADANAŠŠNJE STANJENJE STANJE KORIKORIŠŠTENJATENJA GEOTERMALNE ENERGIJEGEOTERMALNE ENERGIJEU U REPUBLICIREPUBLICI HRVATSKOJHRVATSKOJ

Tablica 2. Toplinska snaga srednje-temperaturnih geotermalnih polja u Republici Hrvatskoj (www.eihp.hr)

986,64755,79Uz potpunu razradu ležišta

218,07168,74Iz već izrađenih bušotina

do 250Cdo 500CMW (toplinska snaga)

Tablica 3. Procjena proizvodnje električne energije iz srednje-temperaturnih izvora u Republici Hrvatskoj (www.eihp.hr)

47,88Uz potpunu razradu ležišta

10,95Iz već izrađenih bušotina

MW (električna snaga)

Slika 8. Područja primjene osnovnihtipova geotermalnih elektrana zavisno o temperaturi geotermalnog izvora

PROIZVODNJA ELEKTRIPROIZVODNJA ELEKTRIČČNE ENERGIJE IZ GEOTERMALNE ENERGIJENE ENERGIJE IZ GEOTERMALNE ENERGIJE

Danas se električna energija proizvodi iz geotermalne energije u tri tipa geotermalnih elektrana zavisno o temperaturi geotermalnog izvora(slika 8):1. geotermalne elektrane na suhozasićenu paru iz visokoeotermalne elektrane na suhozasićenu paru iz visoko--temperaturnih temperaturnih geotermalnih izvora (slika 9);geotermalnih izvora (slika 9);2. geotermalne elektrane s jednostrukim ili dvostrukim isparava2. geotermalne elektrane s jednostrukim ili dvostrukim isparavanjem njem geotermalne vode iz visokogeotermalne vode iz visoko--temperaturnih i srednjetemperaturnih i srednje--temperaturnih temperaturnih geotermalnih izvora (slika 10); geotermalnih izvora (slika 10); 3. geotermalne elektrane s binarnim ciklusom, organskim Rankineo3. geotermalne elektrane s binarnim ciklusom, organskim Rankineovim vim ciklusom (ORC) ili Kalina ciklusom, na geotermalnu vodu iz srednciklusom (ORC) ili Kalina ciklusom, na geotermalnu vodu iz srednjeje--temperaturnih geotermalnih izvora (slika 11).temperaturnih geotermalnih izvora (slika 11).

Slika 9. Geotermalna elektrana na suhozasićenu paru



Slika 10. Geotermalna elektrana s dvostrukim isparavanjem geotermalne vode

Slika 11. Geotermalna elektrana s binarnim ciklusom –s organskim Rankineovim ciklusom (ORC)



Prema najnovijim Europskim izvorima:• cijena instaliranja geotermalnih elektrana s isparavanjem i binarnim ciklusom snage 5 MW i više je 1500 – 2000 € /kW odn. 2000- 2500 € /kW;• troškovi rad i održavanja su 1 – 3 €c;• sve to skupa daje cijenu električne energije uz 15-godišnji životni vijek, 7,5% kamatu i 90% raspoloživost postrojenja 5 €c/kWh kod geotermalnih elektrana s isparavanjem i 5,8 €c/kWh kod geotermalnih elektrana s binarnim ciklusom.

Tablica 4. Pojedinačne i ukupna cijena instaliranja geotermalnih elektrana s isparavanjem i binarnim ciklusom snage 5 MW i više (prema SAD izvorima):

$100/kW $100/kW popo godinigodini$100/kW $100/kW popo godinigodiniTroTrošškovikovi radarada i i odrodržžavanjaavanja

$2100/kW$2100/kW$1400$1400--1500/kW1500/kWUkupnoUkupno$1600/kW$1600/kW$700$700--800/kW800/kWPostrojenjaPostrojenja

$500/kW$500/kW$700/kW$700/kWIstraIstražživanjaivanja i i bubuššenjaenja

GeotermalneGeotermalne elektraneelektrane s s binarnimbinarnim ciklusomciklusom

GeotermalneGeotermalne elektraneelektranes s isparavanjemisparavanjem

TroTroššakak


Slika 12. Geotermalne elektrane danas proizvode preko 9730 MW električne energije u preko 20 zemalja Svijeta, opskrbljujući oko 60 milijuna ljudi, uglavnom

u zemljama u razvoju

PROJEKT GEOTERMALNEPROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANEELEKTRANE VELIKA CIGLENA VELIKA CIGLENA

temperatura geotermalne vode temperatura geotermalne vode 17517500CC;;

proizvodnost buproizvodnost buššotine 83 otine 83 l/sl/s;;

tlak tlak samoizljevanjasamoizljevanja 20 20 bar;bar;

kamenac se počinje taložiti pri kamenac se počinje taložiti pri tlakutlakunižemnižem od 20 od 20 bar;bar;

geotermalna voda sadrži:geotermalna voda sadrži:42 g/l otopljenih 42 g/l otopljenih minerala;minerala;

27 27 mm³³ COCO22 /m/m³³ HH22O;O;

59 59 ppmppm HH22S;S;

Karakteristike geotermalnog polja Velika Ciglena:

Predložena binarna postrojenja

Organski RankineCiklus (ORC) – slika 13

Kalina ciklus –slika 14

Radni fluid: izopentan(C5H12)

maseni protok: 80,13 kg/s

Radni fluid: NH3-H2O(88,5 %NH3)

maseni protok: 35,72 kg/s

Uvjeti kod termodinamičkog proračuna:• hlađenje geotermalne vode sa 175°C na 69°C, i• srednja godišnja temperatura zraka za hlađenje 15°C.

PROJEKT GEOTERMALNEPROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANEELEKTRANE VELIKA CIGLENAVELIKA CIGLENA

S obzirom na temperaturu geotermalnog polja Velika Ciglena u prvi plan dolazi binarno postrojenje s ORC (slika 13) ili Kalina ciklusom (slika 14) nad kojima će biti provedeni termodinamički proračuni u svrhu usporedbe njihovih termodinamičkih karakteristika:

PROJEKT GEOTERMALNEPROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANEELEKTRANE VELIKA CIGLENAVELIKA CIGLENA

Slika 13. Organski Rankineov CiklusSlika 13. Organski Rankineov Ciklus (ORC) binarne(ORC) binarne geotermalne elektrane Velika geotermalne elektrane Velika Ciglena: a) tCiglena: a) toplinska shema postrojenja (TB-parna turbina; GN-električni

generator; EV-isparivač; PH-predgrijač; AC-zračni kondenzator; PP-napojna pumpa; HPP-visokotlačna pumpa geotermalne vode); b) T-s dijagram ciklusa

Slika 14. Slika 14. KalinaKalina ciklus binarne geotermalne elektrane Velika ciklus binarne geotermalne elektrane Velika CiglenaCiglena: a) t: a) toplinska shema postrojenja (TB-parna turbina; GN-električni generator; EV-isparivač; HTR-visokotlačni predgrijač; LTR-niskotlačni predgrijač; SP-separator; MX-mikser; TR-

prigušni ventil; AC-zračni kondenzator; PP-napojna pumpa; HPP-visokotlačna pumpa geotermalne vode); b) T-s dijagram ciklusa

PROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANEPROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANE VELIKA CIGLENAVELIKA CIGLENA

Tablica 5. Rezultati termodinamičkih proračuna ORCTablica 5. Rezultati termodinamičkih proračuna ORC ii KalinaKalina ciklusaciklusa

PROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANE VELIKAPROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANE VELIKA CIGLENACIGLENA

7,77,710,910,9Iskoristivost na pragu elektrane, %Iskoristivost na pragu elektrane, %2872287240894089Snaga na pragu elektrane, kWSnaga na pragu elektrane, kW

510510510510Snaga za pogon visokotlačne pumpe Snaga za pogon visokotlačne pumpe geotermalne vode, kWgeotermalne vode, kW

343343326326Snaga za pogon ventilatora zračnog Snaga za pogon ventilatora zračnog kondenzatora, kWkondenzatora, kW

3725372549254925Snaga na stezaljkama električnog Snaga na stezaljkama električnog generatora, kWgeneratora, kW

10,610,614,114,1Termodinamička iskoristivost ciklusa, %Termodinamička iskoristivost ciklusa, %3949394952705270Neto snaga ciklusa, kWNeto snaga ciklusa, kW136136130130Snaga za pogon napojne pumpe, kWSnaga za pogon napojne pumpe, kW

4085408554005400Ukupna snaga ciklusa, kWUkupna snaga ciklusa, kW

KalinaKalinaORCORC


Na temelju dobivenih rezultata Na temelju dobivenih rezultata termodinamitermodinamiččkeke analizeanalize mogu se izremogu se izrećći i sljedesljedećći i zakljuzaključčci:ci:

•• u konkretnom sluu konkretnom sluččaju aju srednjesrednje--temperaturnogtemperaturnog geotermalnog geotermalnog izvora s visokom temperaturom geotermalne vode (175izvora s visokom temperaturom geotermalne vode (175°°C)C)ORC je ORC je termodinamitermodinamiččkiki bolji od Kalina bolji od Kalina ciklusaciklusa;;

•• prednosti Kalina ciklusa prednosti Kalina ciklusa mogu domogu doćći i dodo izraizražžaja aja u sluu sluččajuajusrednjesrednje--temperaturnih geotermalnih izvora s relativno nitemperaturnih geotermalnih izvora s relativno nižžomomtempertemperaaturom vode (turom vode (120120--125125°°C)C);;

•• relativnorelativno visoka temperatura zraka za hla visoka temperatura zraka za hlađđenje u enje u kondenzatorukondenzatoru ((1515°°C)C)ima nepovoljniji utjecaj kod Kalina ciklusa ima nepovoljniji utjecaj kod Kalina ciklusa negonego kodkod ORC; tlakORC; tlakkondenzacije kod Kalina ciklusa je 8 bar spram 1,055 kondenzacije kod Kalina ciklusa je 8 bar spram 1,055 barbar kodkod ORCORC..


Postoji opasnost od kavitacije napojne pumpe.Tijekom procesa ekspanzije radni fluid je vlažna para pa postoje veliki problemi s erozijom lopatica turbine.

Zbog niske gustoće i niže latentne topline lakohlapljivih ugljikovodika nema opasnosti od kavitacije napojne pumpe.Tijekom procesa ekspanzije radni fluid je pregrijana para pa nema problema s erozijom lopatica turbine.

Radni fluid i njegov utjecaj na komponente postrojenja

Radni fluid mijenja sastav.Amonijak je škodljiv po okoliš i agresivan na materijal elemenata postrojenja.Godišnji gubici radnog fluida su veći zbog složenijeg brtvljenja turbine.

Izopentan, zapaljiv ali nije škodljiv za okoliš i nije agresivan na materijal elemenata postrojenja. Godišnji gubici radnog fluida su manji zbog jednostavnijeg i efikasnijeg brtvljenja turbine.

Radni fluid i njegov utjecaj na okoliš

Prisutnost vode u mješavini radnog medija nepovoljnije utječe na rad evaporatora, turbine, pumpe i kondenzatora.

Povoljnija fizikalna svojstva medija omogućuju veću iskoristivost evaporatora, turbine, pumpe i kondenzatora.

Složenost opreme

Složeniji a sastoji se od:•Pumpa geotermalne vode•Evaporator s mikserom•Turbina•Kondezator s mikserom•Pumpa radnog fluida•Predgrijač

Jednostavniji a sastoji se od:•Pumpa geotermalne vode•Evaporator•Turbina•Kondezator•Pumpa radnog fluida•Predgrijač

Složenost postrojenja (ciklusa)

Kalina ciklusORC

Tablica 6. Usporedba ORC i Kalina ciklusa s tehničkog Tablica 6. Usporedba ORC i Kalina ciklusa s tehničkog i ekološkog aspektai ekološkog aspekta

Niska, prema dostupnim referencama i malom broju postrojenja u eksploataciji.

Velika, prema dostupnim referencama i velikom broju postrojenja u eksploataciji.

Pouzdanost

Viši zbog agresivnog radnog fluida. Vrlo intenzivna korozija I erozija.

Niži zbog neagresivnog radnog fluida. Potrebna zaštita od požara.

Troškovi održavanja postrojenja

Složenija konstrukcija pošto se ne može koristiti unutarnje ležajeve zbog agresivnog radnog fluida.Brtvljenje puno kompliciranije.

Turbina ima tek nekoliko stupnjeva u kojima se specifični volumen mijenja neznatno, što pozitivno djeluje na njenu unutarnju iskoristivost. Brzina vrtnje rotora je također niža što doprinosi mehaničkoj sigurnosti turbine (niža naprezanja), a također nema problema u slučaju momenta kratkog spoja.

Konstrukcija komponenti postrojenja

Veći zbog složenijeg ciklusa pa shodno tome i složenije opreme izvedene od skupljeg materijala.

Manji zbog jednostavnijeg ciklusa pa shodno tome i jednostavnije opreme izvedene od jeftinijeg materijala.

Investicijski troškovi

Kalina ciklusORC

Nastavak tablice 6. Usporedba ORC i Kalina ciklusa s Nastavak tablice 6. Usporedba ORC i Kalina ciklusa s tehničkog i ekološkog aspektatehničkog i ekološkog aspekta

PROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANE VELIKA CIGLENAPROJEKT GEOTERMALNE ELEKTRANE VELIKA CIGLENA

Na temelju dobivenih rezultata Na temelju dobivenih rezultata termodinamitermodinamiččkeke analizeanalize te usporedbe ste usporedbe stehnitehniččkog i ekolokog i ekološškog aspekta binarnih postrojenja s kog aspekta binarnih postrojenja s ORCORC i Kalina i Kalina ciklusom mogu se izreciklusom mogu se izrećći sljedei sljedećći zakljui zaključčci:ci:

uzuz relativno relativno visokvisokuu prosjeprosječčnunu temperaturtemperaturuu zraka za hla zraka za hlađđenje uenje ukondenzatorukondenzatoru ((1515°°C)C) i visoku temperaturu geotermalne vode i visoku temperaturu geotermalne vode kkonkretnoonkretnogg srednjesrednje--temperaturnogtemperaturnog geotermalnoggeotermalnog polja Velika Ciglenapolja Velika Ciglena(175(175°°C)C) ORC jeORC je termodinamitermodinamiččki bolji od Kalina ciklusaki bolji od Kalina ciklusa; ; postrojenjepostrojenje s Kalina ciklusom je znatno skuplje s Kalina ciklusom je znatno skuplje zbog svoje slozbog svoje složženostienosti

uvjetovane izme uvjetovane izmeđđu ostalog jako otrovnim i agresivnim (korozivnim)u ostalog jako otrovnim i agresivnim (korozivnim)radnim fluidom;radnim fluidom;postojepostoje brojna binarna postrojenja s ORC sa stotinama instaliranih brojna binarna postrojenja s ORC sa stotinama instaliranih MWMW diljem svijeta, dok je trenutno u pogonu samo jedno binarnodiljem svijeta, dok je trenutno u pogonu samo jedno binarnopostrojenjepostrojenje s Kalina ciklusom (geotermalna elektrana s Kalina ciklusom (geotermalna elektrana HusavikHusavik nanaIslanduIslandu) koje je ukazalo na znatne pote) koje je ukazalo na znatne potešškokoćće e tijekom rada;tijekom rada;kkako za geotermalno polje Velika Ciglena tako i ostale geotermalneizvore s nižim temperaturama u Republici Hrvatskoj (Lunjkovec,Ferdinandovac, Babina Greda i Rečica) predlaže se primjena binarnihpostrojenja s ORC.



• Projekt su zajednički pokrenuli INA, HEP i grad Bjelovar, no izradom studije isplativosti te dolaskom recesije, od gradnje se odustalo, a jedina zainteresirana je ostala tvrtka GEOEN d.o.o;• Tvrtka GEOEN d.o.o., je temeljem Rješenja o predhodnomenergetskom odobrenju stekla status nositelja projekta te je time dobilanalog od Ministarstva gospodarstva-Upravnog odjela za energetiku dapoduzme sve radnje u svrhu realizacije ovog projekta;• INA je nakon povlačenja iz projekta na korištenje ostavila bušotine na tom području, a nakon dobivanja dozvole za eksploataciju polja, prethodnicu rudarske koncesije, GEOEN d.o.o. će INA-i vratiti njezina sredstva kroz koncesijsku cijenu;• Projekt se trenutno nalazi u fazi ishođenja građevinske dozvole; • Projektnu dokumentaciju razvijaju ENERKON d.o.o. i INA d.d., dok su konzultanti na projektu FSB i RNG;• Bit će ugrađena oprema, binarno postrojenje s ORC, najpoznatijeg svjetskog proizvođača Ormart Systems-a koji je i potencijalni investitor;• Ugovor o prodaji električne energije se sklapa sa Hrvatskim operatoromtržišta energije (HROTE) na 12 godina, a poticajna cijena električne energije iz geotermalnih elektrana za 2009. je 1,37 kn/kWh.


Slika 15. Geografski položaj Geotermalne elektrane “Marija 1” –Velika Ciglena


Slika 16. Izgled buduće Geotermalne elektrane “Marija 1” –Velika Ciglena


Slika 17. Izgled buduće Geotermalne elektrane “Marija 1” –Velika Ciglena


Slika 18. Druga faza projekta: izgradnja uz Geotermalnu elektranu “Marija 1” – Velika Ciglena staklenika i spa


HVALA NA HVALA NA PAŽNJI!PAŽNJI!([email protected])([email protected])

Slika 19. Budući spa u okviru Geotermalne elektrane “Marija 1” –Velika Ciglena

Documents

Zagreb, 19. veljače 2010. - marjan.fesb.hrmarjan.fesb.hr/~fbarbir/PDFs Obnovljivi izvori/Dodatni materijali i... · UVOD Geotermalna energija: • energija sadržana u Zemljinoj