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 posłużyć 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 powyższym,

opisane zostały elektrownie, na podstawie pracy których, możliwe jest wyciągnięcie

wniosków, a następnie ich wykorzystanie przy analizie możliwości wprowadzenia w życie

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

,

położona

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 możliwe. 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 także do produkcji prądu elektrycznego w układzie binarnym (obieg

organiczny Rankine’a), przy czym należy dodać, że do produkcji energii elektrycznej

wykorzystywana jest mniej więcej połowa wody geotermalnej czerpanej z otworu

produkcyjnego, a druga połowa służy 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 obciążenie

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 złoża. 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

, położona we wschodniej Austrii. Eksploatowany zbiornik geotermalny charakteryzuje

się wartościami strumienia cieplnego na poziomie 95 mW/m

2

oraz temperaturą powyżej 100

0

C na głębokości 2000 m (J. W. Lund et al., 2007). Pierwotnym założeniem wykonania

otworów wiertniczych w Bad-Blumau była eksploatacja złoża 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 zagrożeniem 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 położoną na północnym wybrzeżu

Islandii o powierzchni około 270 km

2

. Instalacja binarna została oddana do użytku 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 użytkowej (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

, położoną w północnych Niemczech. Instalacja została oddana do użytku w 1995 roku,

przy czym pierwotnie energia geotermalna wykorzystywana była jedynie do celów

ciepłowniczych produkując 6000 kW

t

. Należy dodać, że całkowita moc instalacji wynosi

11000 kW

t

, jednak pozostała część ciepła produkowana jest przy użyciu kotła gazowego co

pozwala na zaspokojenie szczytowego zapotrzebowania na ciepło. Od 2003 roku energia wód

geotermalnych wykorzystywana jest także 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 wyższy priorytet ma produkcja ciepła. Wydajność otworu

produkcyjnego wynosi 110 m

3

/h, a strumień wody geotermalnej dzielony jest zgodnie

z zapotrzebowaniem według powyższych 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 złoża (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

, położonej 10 km na południe od Monachium

(Bawaria, Niemcy) i oddana do użytku 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 umożliwia w pierwszym kroku wykorzystanie płynu geotermalnego do produkcji

prądu elektrycznego (elektrownia binarna typu Kalina) na poziomie 3360 kW

e

oraz w drugim

sprzedaż ciepła służącego do ogrzewania pomieszczeń oraz wody użytkowej 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). Należy dodać, że 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

każdy (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 użytku instalacja binarna (obieg organiczny Rankine’a) produkująca brutto

200 kW, która zastąpiła zespół prądnicowy z silnikiem wysokoprężnym. 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 najniższą temperaturą wykorzystywaną

w celu produkcji prądu elektrycznego na świecie. Czynnikiem roboczym wykorzystywanym

w cyklu organicznym Rankine’a jest R-134a, który charakteryzuje się niższą temperaturą

wrzenia niż woda, a odbiera ciepło wodzie geotermalnej o wspomnianej już 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 różnicę 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, iż w stosunku do instalacji wykorzystujących cykl

organiczny Rankine’a wykorzystują one sposób zdecydowanie efektywniejszy w warunkach

analizowanych temperatur 74-121

0

C. Należy także zauważyć 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