Michał KACZMARCZYK
os. Rosochy 40/19
27-400 Ostrowiec Św.
PRZEGLĄD INSTALACJI BINARNYCH NA ŚWIECIE
Elektrownie binarne są instalacjami wykorzystującymi wody geotermalne o niskiej
entalpii do produkcji prądu elektrycznego. Biorąc pod uwagę kryterium wynikające
z ograniczonych temperatur wód geotermalnych, których występowanie zostało
udokumentowane na obszarze Polski, opisane zostały instalacje binarne spośród pracujących
na świecie, które posłuŜyć mogą jako podstawa do projektu powstania takiej instalacji w
Polsce. Są to elektrownie w Altheim, Bad-Blumau, Husaviku, Neustadt-Glewe, Unterhahing
i na Alasce. Procesami technologicznymi wykorzystanymi do produkcji prądu elektrycznego
w tych miejscach są: obieg organiczny Rankine’a oraz cykl Kalina.
słowa kluczowe: woda geotermalna, instalacja binarna, cykl organiczny Rankine’a, cykl
Kalina
BINARY POWER PLANTS IN THE WORLD - REVIEW
Binary power plant installations were chosen from working in the world on the basic
of geothermal water temperature used to produce electricity. Reason for that are geothermal
water resources documented in Poland. This paper should be good ground to get conclusion
and use it in the process of making project using geothermal water energy to produce
electricity in Poland.
key words: geothermal water, binary power plant, Rankin cycle, Kalina cycle
1. Wstęp
O
pisane instalacje zostały wybrane, spośród pracujących na świecie, według kryterium
temperatury wód geotermalnych wykorzystywanych do produkcji energii elektrycznej. Jest to
kryterium wynikające z ograniczonych temperatur wód geotermalnych, których
występowanie zostało udokumentowane na obszarze Polski. W związku z powyŜszym,
opisane zostały elektrownie, na podstawie pracy których, moŜliwe jest wyciągnięcie
wniosków, a następnie ich wykorzystanie przy analizie moŜliwości wprowadzenia w Ŝycie
projektu elektrowni binarnej na terenie Polski, co precyzyjnie zostało opisane w rozdziale
szóstym.
1. Austria
2.1. Altheim
Parametry
Wartość
Jednostka
temperatura
106
0
C
wydajność
85-100
m
3
/h
moc elektryczna
500
kW
e
moc cieplna
10000
kW
t
cykl pracy
ORC
-
czynnik roboczy
dichloro-fluorometan
-
Tab. 1. Parametry instalacji w Altheim.
Altheim to pięciotysięczna miejscowość zajmująca powierzchnię około 22 km
2
,
połoŜona
w północnej Austrii. Pierwszy z wydobywczych otworów wiertniczych wykorzystywanych
przez instalację został wykonany w 1989 roku, przy czym początkowo wykorzystywany był
jedynie do celów ciepłowniczych. Woda geotermalna jest eksploatowana z głębokości 2300
m, a charakteryzuje ją temperatura około 106
0
C, przy wydajności otworu eksploatacyjnego
85-100 m
3
/h. Na głębokości 290 m umieszczona została wysokotemperaturowa pompa, dzięki
której wydobycie jest moŜliwe. W ten sposób uzyskuje się około 9000 kW
t
energii cieplnej,
co zaspokaja potrzeby 40% mieszkańców Altheim (Rys. 1). Od 2000 roku płyn geotermalny
wykorzystywany jest takŜe do produkcji prądu elektrycznego w układzie binarnym (obieg
organiczny Rankine’a), przy czym naleŜy dodać, Ŝe do produkcji energii elektrycznej
wykorzystywana jest mniej więcej połowa wody geotermalnej czerpanej z otworu
produkcyjnego, a druga połowa słuŜy do ogrzewania budynków. Czynnikiem roboczym
wykorzystywanym w instalacji binarnej jest dichlorofluorometan, który odbiera ciepło wody
geotermalnej w wymienniku ciepła. Temperatura parowania czynnika roboczego wynosi 28-
30
O
C, a powstała w ten sposób para napędza turbinę (Rys. 2). Odparowane medium jest
następnie chłodzone, ulega kondensacji, poczym trafia ponownie do turbiny (G. Pernecker et
al., 2002). Moc wyjściowa netto wynosi 500 kW
e
po doliczeniu 350 kW
e
na obciąŜenie
pompą głębinową (R. Bertani, 2007), co daje niespełna 100 kW
h
miesięcznie, a zatem około
1100 kWh sprzedanych do sieci w ciągu roku. Po wykorzystaniu płyn geotermalny
chłodzony jest do temperatury 70
0
C i zatłaczany otworem chłonnym do złoŜa. W związku
z działaniem instalacji wykorzystującej energię wód geotermalnych, zanotowano w Altheim
od 1989 roku redukcję zanieczyszczenia powietrza CO
2
na poziomie 58-72%, oszczędzając
około 2500 t/rok paliw kopalnych (J. W. Lund et al., 2007).
Rys. 1. Schemat elektrowni i systemu ciepłowniczego w Altheim (za J. W. Lund et al., 2007).
Rys. 2. Schemat turbogeneratora (za G. Pernecker et al., 2002).
2.2. Bad-Blumau
Parametry
Wartość
Jednostka
temperatura
110
0
C
wydajność
80
m
3
/h
moc elektryczna
180
kW
e
moc cieplna
5100
kW
t
cykl pracy
ORC
-
czynnik roboczy
izopentan
-
Tab. 2. Parametry instalacji w Bad-Blumau.
Bad-Blumau to miejscowość zamieszkana przez około 1600 osób, o powierzchni 37
km
2
, połoŜona we wschodniej Austrii. Eksploatowany zbiornik geotermalny charakteryzuje
się wartościami strumienia cieplnego na poziomie 95 mW/m
2
oraz temperaturą powyŜej 100
0
C na głębokości 2000 m (J. W. Lund et al., 2007). Pierwotnym załoŜeniem wykonania
otworów wiertniczych w Bad-Blumau była eksploatacja złoŜa węglowodorów, przy czym
podczas wykonywania odwiertu Bad-Blumau 1a (3046 m) napotkano wodę geotermalną
o wspomnianej temperaturze około 100
0
C, co rozpoczęło proces jej wydobycia
z wydajnością 17 m
3
/h. Perspektywa wykorzystania energii geotermalnej do celów
ciepłowniczych oraz produkcji energii elektrycznej spowodowała wykonanie dwóch
kolejnych odwiertów Bad-Blumau 2 oraz Bad-Blumau 3. Pierwszy z nich o głębokości 2360
m osiąga wydajność 80 m
3
/h przy temperaturze płynu 110
0
C. Drugi sięga 1200 m
charakteryzując się wydajnością 1,5 m
3
/h przy temperaturze płynu 47
O
C. Woda geotermalna
ma charakter wodoro-węglanowo-chlorkowa, przy mineralizacji 17,9 g/dm
3
. W związku
z zagroŜeniem wystąpienia korozji do otworu wiertniczego wprowadzane są inhibitory,
którymi w przypadku Bad-Blumau są polifosforany. Instalacja binarna (obieg organiczny
Rankine’a) o mocy wyjściowej netto 180 kW
e
została zainstalowana w 2001 roku.
Wykorzystuje ona płyn geotermalny o temperaturze 110
0
C. Czynnikiem roboczym jest
izopentan (Rys 3). Woda wylotowa z turbiny, o temperaturze 85
0
C, kierowana jest do
systemu ciepłowniczego, gdzie wykorzystuje się ją do celów grzewczych (produkcja ciepła)
dla kompleksu „Rogner Bad-Blumau Hotel and Spa” o łącznej powierzchni 2500 m
2
. Moc
cieplna osiąga łączną wartość 5100 kW
t
, z czego 3500 kW
t
przypada na ogrzewanie
pomieszczeń, a 1600 kW
t
przeznaczone jest dla basenów. Wykorzystana w ten sposób woda
zatłaczana jest do otworu chłonnego na głębokość 3000 m.
Rys. 3. Schemat instalacji geotermalnej w Bad-Blumau. (1) ORC, (2) CO
2
, (3) ogrzewanie
(za J. W. Lund et al., 2007).
3. Islandia, Husavik
Parametry
Wartość
Jednostka
temperatura
121
0
C
wydajność
90
m
3
/h
moc elektryczna
1600
kW
e
moc cieplna
44000
kW
t
cykl pracy
Kalina
-
czynnik roboczy
amoniak-woda
-
Tab. 3. Parametry instalacji w Husaviku.
Husavik jest niespełna trzytysięczną miejscowością połoŜoną na północnym wybrzeŜu
Islandii o powierzchni około 270 km
2
. Instalacja binarna została oddana do uŜytku w 2001
roku, a bazuje na systemie, którego projektantem był dr. Alexander Kalina (dokładny opis
w rozdziale 3). Czynnikiem roboczym wykorzystywanym przy produkcji energii elektrycznej
jest mieszanina amoniak-woda, która osiąga w parowniku temperaturę 121
0
C. Jest ona
odparowywana w 75% i po oddzieleniu 25% części płynnej czynnika (mniej zasobna
w amoniak) w separatorze, para kierowana jest do turbiny generującej prąd elektryczny.
Produkcja prądu elektrycznego z wód geotermalnych wspomagana jest, dzięki wymiennikom
ciepła, przez ciepło z procesu pracy silnika napędzającego generator instalacji na biomasę
(paliwem dla silnika jest gaz odzyskany w procesie fermentacji) osiągając całkowitą wartość
1600 kW
e
. Wykorzystany w ten sposób czynniki roboczy ochładzany jest następnie do
temperatury około 80
0
C i wykorzystywany do ogrzewania budynków oraz podgrzewanie
wody uŜytkowej (moc cieplna na poziomie 44000 kW
t
) gwarantując 80% zapotrzebowania
Husaviku na energię cieplną. Do chłodzenia instalacji binarnej wykorzystywane są wody
pobliskiego potoku górskiego o temperaturze 5
0
C. Woda opuszcza chłodnicę z temperaturą
około 25
0
C i kierowana jest między innymi do szklarni oraz farm pstrągów, co stanowi
doskonały przykład wykorzystania bezpośredniego.
Rys. 4. Schemat połączenia instalacji binarnej i na biomasę w Husaviku (za B. Kapp et al. 2007).
4. Niemcy
4.1. Neustadt-Glewe
Parametry
Wartość
Jednostka
temperatura
98
0
C
wydajność
110
m
3
/h
moc elektryczna
230
kW
e
moc cieplna
6000
kW
t
cykl pracy
ORC
-
czynnik roboczy
n-pentan
-
Tab. 4. Parametry instalacji w Neustadt-Glewe.
Neustadt-Glewe jest niespełna siedmiotysięczną miejscowością, o powierzchni 94
km
2
, połoŜoną w północnych Niemczech. Instalacja została oddana do uŜytku w 1995 roku,
przy czym pierwotnie energia geotermalna wykorzystywana była jedynie do celów
ciepłowniczych produkując 6000 kW
t
. NaleŜy dodać, Ŝe całkowita moc instalacji wynosi
11000 kW
t
, jednak pozostała część ciepła produkowana jest przy uŜyciu kotła gazowego co
pozwala na zaspokojenie szczytowego zapotrzebowania na ciepło. Od 2003 roku energia wód
geotermalnych wykorzystywana jest takŜe do produkcji prądu elektrycznego w systemie
binarnym (obieg organiczny Rankine’a), gdzie czynnikiem roboczym jest węglowodór
nasycony C
5
H
12
(n-pentan). Moc zainstalowana wynosi około 230 kW. Temperatura wody
geotermalnej wykorzystywanej do ogrzewania czynnika roboczego w układzie binarnym
wynosi 98
0
C (R. Bertani, 2007). Wpływ bardzo wysokiej mineralizacji wód geotermalnych,
na poziomie 227 g/dm
3
, został ograniczony dzięki zastosowaniu przy budowie elementów
instalacji z materiałów tytanowych i włókna szklanego (S. Köhler, 2005). Energia cieplna
i elektryczna produkowana jest w oparciu o równoległe połączenie elektrowni oraz stacji
ciepłowniczej, przy czym wyŜszy priorytet ma produkcja ciepła. Wydajność otworu
produkcyjnego wynosi 110 m
3
/h, a strumień wody geotermalnej dzielony jest zgodnie
z zapotrzebowaniem według powyŜszych kryteriów. Część płynu geotermalnego
wykorzystanego do produkcji prądu elektrycznego opuszcza elektrownie ze stałą temperaturą
i zostaje skierowana do stacji ciepłowniczej. Zakres temperatur niezbędnych do spełnienia
wymagań stacji ciepłowniczej to 73
0
C latem oraz 98
0
C zimą. Po wykorzystaniu płyn
geotermalny o temperaturze około 50
0
C zatłaczany jest otworem chłonnym do złoŜa (J. W.
Lund et al., 2007). Produkcja energii elektrycznej kształtuje się na poziomie 1500 kWh
rocznie, zmniejszając emisję CO
2
do atmosfery o 2700 t/rok. Koszt całej inwestycji wyniósł
9,45 milionów euro przy czym na geotermalną część instalacji przypadło 6,55 milionów euro.
Koszt elektrowni wyniósł 950 tysięcy euro.
Rys. 5. Schemat technologiczny elektrowni binarnej w Neustadt-Glewe (za S. Köhler, 2005).
Rys. 6. Schemat równoległego połączenia elektrowni ze stacją ciepłowniczą w Neustadt-Glewe (za S.
Köhler, 2005).
4.2. Unterhaching
Parametry
Wartość
Jednostka
temperatura
115
0
C
wydajność
150
m
3
/h
moc elektryczna
3360
kW
e
moc cieplna
31000
kW
t
cykl pracy
Kalina
-
czynnik roboczy
amoniak-woda
-
Tab. 5. Parametry instalacji w Unterhaching.
Instalacja
binarna
została
wykonana
w
dwudziestodwutysięcznej
gminie
Unterhaching, o powierzchni około 9 km
2
, połoŜonej 10 km na południe od Monachium
(Bawaria, Niemcy) i oddana do uŜytku w sierpniu 2007 roku. Intencją do powstania
kompleksu była chęć wykorzystania energii geotermalnej (odnawialnej) do celów
energetycznych przy jednoczesnym ograniczeniu emisji CO
2
do atmosfery na poziomie
30000-40000 t/rok w porównaniu z instalacjami bazującymi na konwencjonalnych źródłach
energii. Dla skutecznej relizacji przedsięwzięcia powołana została spółka Geothermie
Unterhaching GmbH & Co. KG. Zarządzanie całym projektem zostało natomiast powierzone
firmie konsultingowej Rödl & Partner.
Geotermalna instalacja kogeneracyjna (Rys. 7) wykorzystuje wydobywczy otwór
wiertniczy Gt Unterhaching 1a (Gt Uha1a) oraz chłonny otwór wiertniczy Gt Unterhaching 2
(Gt Uha2) sięgające głębokości odpowiednio 3350 m oraz 3580 m. Mineralizacja
eksploatowanych wód mieści się w przedziale 60-100 g/dm
3
. Temperatura wód
geotermalnych warstwy wodonośnej Malmu wynosi około 115
O
C, przy czym maksymalna
zarejestrowana temperatura w odwiercie Gt Uha1a to 123
O
C, a w odwiercie Gt Uha2 nawet
133,7
O
C (M. Wolfgramm et al., 2007). Prędkość przepływu wody geotermalnej na poziomie
150 dm
3
/s umoŜliwia w pierwszym kroku wykorzystanie płynu geotermalnego do produkcji
prądu elektrycznego (elektrownia binarna typu Kalina) na poziomie 3360 kW
e
oraz w drugim
sprzedaŜ ciepła słuŜącego do ogrzewania pomieszczeń oraz wody uŜytkowej dla potrzeb
mieszkańców Unterhaching na poziomie 31000 kW
t
(w przyszłości przewiduje się 70000
kW
t
), po czym woda o temperaturze około 60
0
C kierowana jest do otworu chłonnego (E.
Knapek, 2008). NaleŜy dodać, Ŝe płyn geotermalny doprowadzany jest dwiema równoległymi
nitkami, przy czym 125 dm
3
/s trafia do elektrowni, a 25 dm
3
/s jest kierowane do ciepłowni.
W celu zapewnienia stałych dostaw ciepła w okresie bardzo niskich temperatur,
zainstalowano dodatkowo dwa kotły opalane paliwem konwencjonalnym o mocy 23500 kW
t
kaŜdy (E. Knapek et al., 2007). Czynnikiem roboczym wykorzystywanym w instalacji
binarnej jest mieszanina amoniaku i wody, co pozwala na optymalizacje temperatury
parowania, a co za tym idzie efektywną produkcję energii elektrycznej. Dla takich
parametrów gmina uzyskała gwarancję, od rządu niemieckiego, opłacalności inwestycji
zgodnie z ustawą (EEG) dotyczącą energii odnawialnej przez okres 20 lat, co polega na
dofinansowaniu na poziomie 15 cent/kWh
e
(C. Schönwiesner-Bozkurt, 2007).
Rys. 7. Schemat produkcji prądu elektrycznego oraz ciepła w Unterhaching (za E. Knapek et al.,
2007).
5. USA, Alaska
Parametry
Wartość
Jednostka
temperatura
74
O
C
wydajność
32
dm
3
/s
moc elektryczna
400
kW
el
moc cieplna
-
kW
t
cykl pracy
ORC
-
czynnik roboczy
R-134a
-
Tab. 6. Parametry instalacji na Alasce.
Chena Hot Springs usytuowana jest około 100 km na północny-wschód od miejscowości
Fairbanks, w stanie Alaska, w jego centralnej części. W sierpniu 2006 roku została oddana
w tym miejscu do uŜytku instalacja binarna (obieg organiczny Rankine’a) produkująca brutto
200 kW, która zastąpiła zespół prądnicowy z silnikiem wysokopręŜnym. Była to inwestycja
uzasadniona ekonomicznie, przy cenie 30 cent/kWh dla instalacji konwencjonalnej oraz
7 cent/kWh dla elektrowni binarnej, co pozwoliła na oszczędności rzędu 50000 USD/rok
(J. W. Lund, 2006). Instalacja wykorzystuje temperaturę wody geotermalnej, czerpanej
z głębokości około 1000 m, wynoszącą 74
0
C, co jest najniŜszą temperaturą wykorzystywaną
w celu produkcji prądu elektrycznego na świecie. Czynnikiem roboczym wykorzystywanym
w cyklu organicznym Rankine’a jest R-134a, który charakteryzuje się niŜszą temperaturą
wrzenia niŜ woda, a odbiera ciepło wodzie geotermalnej o wspomnianej juŜ temperaturze 74
0
C i wydajności otworu produkcyjnego 32 dm
3
/s. Dzięki niskiej temperaturze około 4
0
C
wody chłodzącej (rzeka), uzyskuje się wysoką róŜnicę temperatur
∆
T, dzięki czemu system
charakteryzuje wysoka efektywność. Ostatnio dodano drugą jednostkę zwiększając całkowitą
zainstalowaną moc do 400 kW brutto. Inwestycja ma się zakończyć uzyskaniem 1000 kW
całkowitej mocy zainstalowanej (R. Bertani, 2007).
Rys. 8. Schemat elektrowni binarnej w Chena Hot Springs (za www.chenahotsprings.com).
6. Wnioski
Spośród opisanych instalacji binarnych, których parametry zostały przedstawione w
tabeli 7, na szczególną uwagę zasługują elektrownie pracujące w cyklu Kalina.
Charakteryzują się one bowiem największymi wartościami uzyskanej mocy cieplnej i
elektrycznej, co pozwala na stwierdzenie, iŜ w stosunku do instalacji wykorzystujących cykl
organiczny Rankine’a wykorzystują one sposób zdecydowanie efektywniejszy w warunkach
analizowanych temperatur 74-121
0
C. NaleŜy takŜe zauwaŜyć szczególnie niską temperaturę
wód geotermalnych wykorzystywanych w Chena Hot Springs na Alasce, wykorzystywanych
mimo to do produkcji energii elektrycznej, co wydaje się być faktem zdecydowanie
najbardziej inspirującym działania zmierzające w kierunku wykorzystania energii
geotermalnej do produkcji prądu elektrycznego na terenie Polski.
Lokalizacja Elektrowni
Parametr
Jednost
ka
Altheim
Bad-
Blumau
Husavik
Neustadt-
Glewe
Unterhaching
Alaska
temperatura
0
C
106
110
121
98
115
74
wydajność
m
3
/h
85-100
80
90
110
150
32
moc
elektryczna
kW
e
500
180
1600
230
3360
400
moc cieplna
kW
t
10000
5100
44000
6000
31000
-
cykl pracy
-
ORC
ORC
Kalina
ORC
Kalina
ORC
Tab. 7. Zestawienie parametrów instalacji binarnych.
Literatura:
1.
Bertani R., 2007: World Geothermal Generation in 2007, Proceeding European
Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 30 May – 1 June 2007.
2.
Kapp B. and Kreuter H., 2007: The Concept of Hybrid Power Plants in Geothermal
Applications, Proceeding European Geothermal Congress 2007, Unterhaching,
Germany, 30 May – 1 June 2007.
3.
Knapek E. and Kittl G., 2007: Unterhaching Power Plant and Overall System,
Proceeding European Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 30 May –
1 June 2007.
4.
Knapek E., 2008: Unterhaching Power Plant and Overall System, RESTMAC
Workshop: “Geothermal Electricity & CHP in Europe: A technology for our future”,
Strasbourg, France 18.06.2008.
5.
Köhler S., 2005: Analysis of the Combined Heat and Power Plant Neustadt-Glewe,
Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.
6.
Lund J.W., Chiasson A., 2007: Examples Of Combined Heat And Power Plants Using
Geothermal Energy, Proceeding European Geothermal Congress 2007, Unterhaching,
Germany, 30 May – 1 June 2007.
7.
Lund J.W., 2006: Chena Hot Springs – Low temperature power plant dedication, IGA
NEWS Newsletter of the International Geothermal Association, October – December
2006.
8.
Pernecker G., Uhlig S., 2002: Low-Enthalpy power generation with ORC-
turbogenerator the Altheim project, Upper Austria, GHC Bulletin, March 2002.
9.
Schönwiesner-Bozkurt Ch., Rödl & Partner, 2007: Status Quo of the Geothermal
Project Unterhaching Significance of a Professional Project Management, Proceeding
European Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 30 May – 1 June
2007.
10.
Wolfgramm M., Bartels J., Hoffmann F., Kittl G., Lenz G., Seibt P., Schulz R.,
Thomas R., Unger H.J., 2007: Unterhaching geothermal well doublet: structural and
hydrodynamic reservoir characteristic; Bavaria (Germany), Proceeding European
Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 30 May – 1 June 2007.
11.
www.chenahotsprings.com