ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII - ENERGIA GEOTERMALNA

ENERGIA GEOTERMALNA (GEOTERMICZNA)

Ziemia:

• Skorupa o grubości 5-80km, temperatura 200-700*C

• Płaszcz - do głębokości 2900km, temperatura do 4500*C

• Jądro zewnętrzne - głebokość 2900-5100 km, temperatura do 6000*C

• Jądro wewnętrzne - poniżej 5100km, temperatura do 6200*C

Średnia gęstości strumienia ciepła geotermicznego - 87 kW/km2

- kontynenty - około 63 mW/m2

- oceany - średnio 101 mW/m2

Ziemia - budowa:

• Rdzeń globu: jądro wewnętrzne zewnętrzne

• Półpłynny płaszcz - ciśnienie u podstawy ok. 140 GPa (Cro-Fe-Si-Ma, Ni-Fe-Si-Ma)

• Skorupa ziemska: kontynentalna i oceaniczna

Energia geotermiczna:

• Energia rezydualna z okresu tworzenia Ziemi

• Energia naturalnego rozpadu promieniotwórczego

• Ciepło krystalizacji substancji tworzących jądro

• Ciepło dyssypacji pływów w płynnym wnętrzu wywołane działaniem Księżyca i Słońca

Wśród naturalnych pierwiastków radioaktywnych największy udział w produkcji ciepła, szacowany na 40-90% mają zgromadzone w warstwach bazaltowych i granitowych skorupy ziemskiej izotopy uranu U235, U238, toru i potasu.

Ciepło radiacji

Z istniejących trzech izotopów potasu (39K, 40K, 41K), radioaktywny jest tylko potas 40K.

Bilans cieplny ziemi - około 46 TW przy strumieniu doprowadzanym z jądra wynoszącym od 4 do 15 TW.

Skorupa kontynentalna - obszary:

• Prekambryjskie

• Po-prekambryjskie (nieorogeniczne)

• Paleozoiczne (orogeniczne)

• Mezozoiczno-kenozoiczne (orogeniczne)

Skorupa oceaniczna:

• Baseny

• Grzbiety śródoceaniczne

• Rowy oceaniczne

• Granice kontynentalne

Wiek Ziemi to około 4,6 miliarda lat. W celu poznania dziejów Ziemi oprócz wieku bęzwzględnego skał ustala się też ich wiek względny.

Gradient geotermiczny - zmiana temperatury skał wraz z głębokością; dla ziemi średni gradient geotermiczny to ~30 K/km

Temperatura skał złożowych:

T=Tgo+E*H

H - głębokość [km]

E - gradient geotermiczny [K/km]

Tgo - średnia temperatura na powierzchni [*C]

Energia geotermiczna:

• Zasoby hydrogeotermalne - nośnikiem ciepła są naturalne wolne wody podziemne eksploatowane otworami wiertniczymi -> tzw. energia geotermalna

• Zasoby petrogeotermalne - energia suchych gorących skał lub wysadów solnych pozyskiwana przez wprowadzenie wody do formacji nagrzanych skał

Zbiornik geotermiczny - zasoby gorącej wody i/lub pary znajdującej się w strukturze skał porowatych pomiędzy warstwami nieprzepuszczalnej skały; temp.zbiorników geotermicznych - do 370*C

Wody geotermalne

• Wody ciepłe (niskotemperaturowe): 20-35*C

• Wody gorące (średniotemperaturowe): 35-80*C

• Wody bardzo gorące (wysokotemperaturowe): 80-100*C

• Wody przegrzane: >100*C

Systemy pozyskiwania energii geotermalnej

Zespół elementów pozwalających wydobywać energię z wnętrza Ziemi na jej powierzchnię za pomocą płynu jako nośnika ciepła:

• Złoże geotermalne

• Kanały dostępu do złoża

• Płyn jako nośnik ciepła (najczęściej woda)

• Specjalne oprzyrządowanie (filtry, pompy głębinowe, wymienniki ciepła...)

Złoże geotermalne

Czynniki decydujące o podjęciu eksploatacji wód geotermalnych na skalę przemysłową w sposób ekonomicznie uzasadniony:

• Korzystne warunki naturalne ośrodka skalnego

- wystarczająca miąższość

- dobra przepuszczalność

- wymagana temperatura

• Odpowiednie właściwości wody geoternalnej

- wydajność i wielkość zasobów w założonym okresie eksploatacji

- gęstość strumienia cieplnego

- gradient temperatury wgłębnej

*rysunek: system jednootworowy, system dwuotworowy*

1. System jednootworowy

odbiornik ciepła -> pompa -> geotermalny wymiennik ciepła -> zbiornik retencyjny

warstwa wodonośna -> pompa głębinowa -> geotermalny wymiennik ciepła

2. System dwuotworowy - stosowany sporadycznie

Potencjalne możliwości pozyskania ciepła geotermalnego:

W praktyce to, na ile schłodzimy wodę zależy od temperatury otoczenia. Jeśli mamy niską temperaturę, temp.wody opuszczająca kaloryfer będzie wyższa.

Instalacje geotermalne w Polsce są uwarunkowane parametrami pracy instalacji odbioru ciepła. Ważny jest również czas pracy.

Wykorzystanie wód geotermalnych: ogrzewanie, balneologia, suszarnie, szklarnie, farmy rybne, przemysł, odladzanie i chłodzenie, pompy ciepła, energia elektryczna i inne.

Zasady zagospodarowania energii wód geotermalnych

• Układ monowalentny - ciepłownia geotermalna -> odbiorcy ciepła; całkowicie pokrywa zapotrzebowanie z wód geotermalnych

• Układ biwalentny - kocioł wspomagający -> ciepłownia geotermalna -> odbiorcy ciepła; ciepłownia geotermalna pokrywa tylko część zapotrzebowania (ciepła woda użytkowa i centralne ogrzewanie), resztę pokrywa kocioł wspomagający

Elektrownie geotermalne:

• Napędzane parą suchą (180-300 stopni Celsjusza wody geotermalnej)

• Napędzane parą mokrą (single-flash 200-260 stopni, double-flash 240-320 stopni)

• Z obiegami binarnymi (ORC, Kalina) z czynnikiem pośrednim (125-165 stopni)

Czynniki wpływające na efektywność ORC:

• Temperatura górnego źródła ciepła

• Temperatura dolnego źródła ciepła

• Właściwości termodynamiczne płynu roboczego

• Sprawność elementów instalacji (turbiny itd.)

Sposoby wykorzystania wody geotermalnej

Geotermalny nośnik ciepła:

• Użycie bezpośrednie

• Czynnik pośredni

POMPY CIEPŁA

Źródła dolne: ciepło odpadowe, woda gruntowa, ciepło gruntu, powietrze.

Najgorsze są instalacje powietrzne, najlepsze na ciepło odpadowe (najwyższe temperatury dolnego źródła).

Powietrze

Najtańszy i najłatwiejszy sposób dostarczenia energii dla pompy ciepła. Odebrać ciepło od powietrza jest łatwo, ale musi być spełniony warunek - powietrze nie powinno być zbyt zimne, gdyż ilość dostarczonej energii spada wraz z temperaturą.

---