KoriŠtenje geotermalne energije

TIPIČNE PRIMJENE

Najčešće korištenje geotermalne energije ostvaruje se konvektivnim prenošenjem topline pomoću fluida, koji je obično topla voda ili smjesa vrele vode i pare, uz nazočnost raznih primjesa (plinovi, soli, minerali … ).Toplinska energija geotermalnog ležišta sadržana u geotermalnom fluidu kod nekog tlaka i temperature, koristi se izravno za zagrijavanje ili za pretvorbu u električnu energiju.
Mogućnost korištenja geotermalne energije u ovisnosti o radnoj temperaturi geotermalnog fluida prikazana je na slijedećoj slici. Osnovna podjela temelji se na izravnom korištenju toplinske energije, te na pretvorbi toplinske u električnu energiju.

slika: Mogućnost korištenja geotermalne energije u ovisnosti o radnoj temperaturi geotermalnog fluida na ušću bušotina

Primjena geotermalne energije za proizvodnju električne energije

Geotermalni fluid u obliku vruće vode ili pare, temperature iznad 120 °C, svoju latentnu toplinu pretvara u mehanički rad, odnosno električnu energiju.
Geotermalni fluid u obliku vruće vode ili pare, temperature iznad 120 °C, svoju latentnu toplinu pretvara u mehanički rad, odnosno električnu energiju.

Ovisno o termodinamičkim svojstvima geotermalnih fluida, moguće je primjeniti nekoliko tehnoloških procesa za pretvorbu toplinske u električnu energiju. Odabir procesa ovisi o količini fluida, tlaku i temperaturi, omjeru vruće vode i pare, sadržaju nekondenzirajućih plinova, uvjetima odlaganja kamenca i pojavi korozije. U nastavku će biti opisani osnovni procesi u proizvodnji električne energije.

Jednostavni proces: Na ovaj se način proizvodi električna energija iz ležišta suhe vodene pare. Vodena para se pod pritiskom iz geotermalnog izvora izravno dovodi na lopatice turbine i nakon kratke adijabatske ekspanzije kod atmosferskog tlaka od 1 bara, umjesto kondenzatorskog pritiska od 0,04 bara ispušta u zrak. Ovo je najjednostavniji i najekonomičniji proces proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora.

Clausius – Rankine proces: Mješavina vode, vodene pare i krupnih čestica koja dolazi iz proizvodne bušotine najprije ulazi u centrifugalni separator sa svežnjem tankih limova za sušenje i odvajanje pare. Ovako dobivena suho zasićena para privodi se parnoj turbini zajedno sa popratnim plinovima, kao što su ugljični i sumporni dioksid. Za hlađenje kondenzatora upotrebljava se ista voda koja je već prošla radni proces, ali prije toga se hladi u rashladnom tornju. Popratni plinovi se dvostupanjskom kompresijom sa hlađenjem u međustupnju najprije podižu na atmosferski pritisak, a zatim izbacuju u okolinu.

Flash proces: Zaostala vruća voda, koja je odvojena u separatoru, može se djelomično pretvoriti ponovo u paru, pomoću tako zvanog “flash-separatora” , pod nižim pritiskom. Ovako dobivena dodatna para privodi se u srednjem stupnju turbine, a proces teče dalje na isti način kao i kod Clausius-Rankine ciklusa.

Slika: Shematski prikaz flash procesa

Binarni proces: Binarni proces primjenjuje se u slučajevima srednjetemperaturnih geotermalnih izvora, a uz to sadrži veće količine nepoželjnih popratnih plinova. U ovom procesu geotermalni fluid u izmjenjivaču topline predaje toplinu sekundarnom lako hlapljivom fluidu koji pokreće lopatice turbine, a geotermalni fluid se ponovo vraća u zemlju kroz utisnu bušotinu.

Slika: Shematski prikaz binarnog procesa

Stirling proces: Binarni ciklus, koji koristi helij kao radni medij, može također raditi po Stirling-ovom ciklusu, posebice nakon japanskog uspjeha niskotemperaturnim motorom. Ovaj motor prikazan je na Međunarodnom kongresu o Stirling motorima u Tokiu 1995. godine, te na istom Kongresu u Anconi 1997. godine, ali znatno poboljšan i prilagođen primjeni.
Postrojenja za pretvorbu geotermalne toplinske u električnu energiju, zadržavaju u izlaznom fluidu značajnu količinu topline (Qiz), zbog relativno visoke izlazne temperature (Tiz) u odnosu na temperaturu okoliša (To), te je zbog toga učinkovitost takovih postrojenja relativno mala u odnosu na toplinski kapacitet geotermalnog fluida.
Ekonomičnost procesa pretvorbe toplinske u električnu energiju povećava se s porastom radne temperature i količine protoka geotermalnog fluida, u kombinaciji sa korištenjem izlazne topline u direktnoj primjeni za različite vrste grijanja.
Cijena proizvedene električne energije u geotermalnim elektranama zavisi od temperature geotermalne bušotine, izdašnosti dotoka fluida i troškova izrade bušotine. Ova tri parametra uglavnom određuju ekonomsku valorizaciju geotermalnih resursa.
Za velike geotermalne elektrane rentabilnost, tj. odnos ekonomske benificije outputa, i ulaznih troškova, inputa limitira njihovu fizičku veličinu. To znači da su u sadašnjim trenucima gornji limiti rentabilnosti veličine, za geotermalnu elektranu na paru iznosi 135 MW, a za geotermalnu elektranu na toplu vodu 55 MW.
Pored toga danas se redovno proizvode i male geotermalne elektrane, kapaciteta 5 do 10 MW, modularnog tipa pogona za uporabu u udaljenim, nepristupačnijim krajevima, odnosno kao start-up postrojenja pri razvoju geotermalnih izvora.
Proizvode se i postrojenja veoma malog kapaciteta 100 do 1000 kW, samostalne binarne jedinice za modularnu uporabu u udaljenim područjima, koje su veoma rentabilne i prilagodljive.

• EKOLOGIJA. Geotermalne elektrane, isto kao elektrane na vjetar i solarne elektrane, nemaju izgaranje goriva za proizvodnju pare koja pokreće turbine. Proizvodnja električne energije geotermalnom toplinom štedi neobnovljive, fosilne energente. Smanjenjem upotrebe fosilnih goriva umanjuje se i njihova štetna emisija, koja onečišćuje atmosferu.
• SMJEŠTAJ. Geotermalne elektrane zauzimaju puno manje prostora po proizvedenom megawattu, nego što ga zauzimaju ostali tipovi elektrana. Kod geotermalnih instalacija nisu potrebni riječni nasipi niti sječa šuma, a isto tako nema rudnih tunela, otvorenih okana, otpadnih hrpa ili razlijevanja nafte.
• POUZDANOST. Geotermalne elektrane dizajnirane su za pogon tijekom 24 sata na dan, gotovo kroz cijelu godinu. One pripadaju vrhunskom izvoru goriva, jer ne dolazi do prekida proizvodnje zbog vremenskih neprilika, prirodnih nepogoda ili političkih utjecaja, koji mogu spriječiti transport ostalih vrsta goriva.
• PRILAGODBA. Geotermalne elektrane su uglavnom modularne konstrukcije, s više instaliranih jedinica, koje se uključuju kod povećanih potreba za električnom energijom.
• EKONOMIČNOST. Nema potrebe za trošenjem novca radi uvoza goriva, jer se geotermalne elektrane uvijek grade na geotermalnim izvorima. Ušteđen novac ostaje građanima pripadnih područja, u kojima na taj način ne dolazi do naglih promjena cijene goriva.
• RAZVOJ. Geotermalni projekti omogućuju sve gore navedene prednosti uz istovremeni razvoj države i energetski rast, ali bez zagađenja okoline. Čak i instalirani objekti na udaljenim područjima mogu podići životni standard dovođenjem struje pučanstvu koje je daleko od “elektrificiranih” naseljenih centara.
  

Direktno korištenje energije topline

Geotermalna voda, odnosno njena toplina, danas se širom svijeta većinom koristi direktno, što znači bez pretvorbe u neki drugi oblik energije, a manje za proizvodnju električne energije. Direktna upotreba toplinske energije zamjenjuje energente koji onečišćuju zrak i okolinu. Izravno korištenje geotermalne energije može se primijeniti u razne svrhe, što se vidi iz prikaza u odnosu na temperaturni raspon. Međutim, od svih nabrojenih primjena danas su najčešće slijedeće :
1. Grijanje prostora – energija geotermalnog izvora se ili direktno ili preko izmjenjivača topline (ovisno o čistoći geotermalnog fluida) dovodi do potrošača topline. Za potrebe dogrijavanja ili potrošnje u vršnim satima koriste se toplinske crpke ili kotlovi na klasična gorive

Od pet navedenih upotreba geotermalne topline u izvornom obliku, najviše je zastupljeno grijanje zgrada, stanova ili cijelih naselja. U ovakvim sistemima za grijanje vruća voda se iz proizvodne bušotine preko pumpe dovodi direktno u sustav za grijanje ili izmjenjivaču topline, kao što se vidi na slici.

Slika: Osnovni sustavi za grijanje prostora

Kod indirektnog sustava grijanja vruća voda u izmjenjivaču topline predaje svoju toplinu drugom cirkulacijskom krugu , u kojem je neki fluid ili gradska voda. Ona ima toplinu Q, te kroz sekundarni krug cijevi dolazi do korisnika. Geotermalna voda, nakon što je predala svoju toplinu odvodi se iz izmjenjivača topline i pomoću utisne pumpe vraća se nazad u ležište kroz utisnu bušotinu.
Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje, za industrijske procese ili za bilo koju drugu svrhu uvijek se sastoji od sistema sa tri osnovne komponente :

1. proizvodna bušotina - za dovod vruće vode na površinu;
2. mehanički sistem - obuhvaća pumpe, toplinske izmjenjivače i kontrolne elemente, da bi se toplina dovela prostoru ili procesu;
3. utisna bušotina - za prihvat ohlađenog geotermalnog fluida.

Prednost korištenja geotermalne energije u izvornom obliku ( direktno ) :

Prednosti navedene kod korištenja geotermalne energije za proizvodnju električne energije vrijede i ovdje. To su ekologija, smještaj, pouzdanost i prilagodba, ali u ovom slučaju ne odnose se na elektrane, već na geotermalne bušotine i fluide.

Ostale prednosti su:

• EKONOMIČNOST: Direktnim korištenjem geotermalne energije potrošačima se smanjuju izdaci za energiju. Ušteda ovisi o primjeni i industriji, a smanjenje troškova može biti čak i 80% u odnosu na cijene ostalih vrsta goriva. Izvorni način korištenja geotermalne topline zahtijeva veća početna ulaganja, ali ima niže troškove pogona, te pruža neovisnost o cijeni i manjku ostalih ogrijeva na tržištu.
• Poljoprivreda – u poljoprivredi se geotermalna energija može koristiti za različite metode grijanja stakleničkog prostora (radijatorsko grijanje tla, radijatorsko grijanje tla i zraka, grijanje tla i/ili zraka upuhavanjem i sl.) ili direktno ili preko izmjenjivača topline kao kod grijanja prostora.

Termalna voda niže temperature i mineralizacije može se vrlo uspješno primijeniti za navodnjavanje i/ili zagrijavanje obradivih površina pri uzgoju agrikultura.
Stijenke staklenika mogu biti od različitog materijala ; fiberglasa, stakla, plastike i folije, koji iskorištavaju dio solarne energije da bi se podigla temperatura. To nije dovoljno u svim uvjetima (noću) , prema tome je upotreba geotermalne energije kao dodatnog izvora topline koju možemo regulirati zadovoljavajuća. Staklenici se zbog praktičnosti i svojih prednosti najčešće izrađuju od plastičnih folija.
Upotrebom termalne energije u staklenicima smanjuju se troškovi proizvodnje koji iznose i do 35% udjela u troškovima ukupne proizvodnje.

Četiri su osnovna fizička uvjeta koji igraju glavnu ulogu u kreiranju klime staklenika to su :

• sunčano djelovanje
• zrak u staklenicima
• biljna masa
• toplina

Fizički parametri koji se kontroliraju u procesu rasta biljaka u staklenicima su:

• svjetlost
• temperatura
• koncentracija CO2
• kretanje zraka
• protjecanje vode, navodnjavanje
• instalacija za grijanje
• instalacija za hlađenje
• U staklenicima se uzgajaju biljke u kontroliranim navedenim uvjetima.

Faktori koji utječu na odabir rješenja za grijanje staklenika su:

• Vrste koje se uzgajaju u staklenicima (kontrolirana klima po mjesecima ili cijelu godinu)
• Uloga instalacije grijanja ( da li dopunsko dogrijavanje ili totalno zagrijavanje staklenika)
• O tipu bušotine ( da li proizvodi eruptivno ili je podizanje pumpom)
• Kemijska karakteristika termalnog fluida
• Ograničenja koja su postavljena od drugih korisnika geotermalne vode

Sistem transporta vode

Sistem transporta vode zavisi o tipu bušotine (eruptivne ili ne), kemijskim karakteristikama vode i investicijskim i operativnim troškovima.

Upotreba direktnim spajanjem:
Niskotemperaturna (oko 40?C) i niskomineralizirana voda direktno se koristi - skuplja u deaerizirani rezervoar, koji je smješten iznad zemljinog nivoa da bi voda slobodnim padom tekla do instalacija grijanja. Toplina se regulira sa jednim ili više ručnih ventila.

1 geotermalna bušotina, 2 rezervoar za termalnu vodu, 3 instalacija za zagrijavanje, 4 spojni i regulacioni ventil ,
5 cijev za deaerizaciju, 6, 8 ispusni ventili, 7 razina, 9 spojne cijevi, 10 odvod iskorištene vode, 11 plastični staklenik
Slika: Direktno spajanje od geotermalnog izvora ili bušotine

Indirektno spajanje:
Ako agrikultura zahtijeva veće investiranje i ako je voda niskomineralizirana, jednostavni sistem transporta može se spojiti na složeniji sistem zagrijavanja , koji uključuje toplinske pumpe i podiže temperaturu vode. Firma “Alfa Laval" proizvodi komplet toplinskih izmjenjivača.
Visokomineralizirana voda zahtijeva još složenije sisteme transporta , uključivanje opreme za deaerizaciju, regulaciju CO2, PH i korozivnu zaštitu.
Toplinski izmjenjivači sa pločama predstavljaju najbolje rješenje kod upotrebe geotermalne vode sa visokim sadržajem soli.

1 plastični staklenik, 2 bušotina, 3 ispust vode, 4 isparivač, 5 kompresor, 6 kondenzator, 7 akumulacioni bazen

Slika: Toplinska pumpa u spoju sa izvorom

Sustavi grijanja staklenika

Sustav za grijanje tla
Glavni zadatak ovakvog načina grijanja je grijanje korijenskog sustava biljke. Ovakav sustav grijanja može samo djelomično pokriti potrebe za grijanjem i može se koristiti bez drugih sustava grijanja samo u područjima s blažom klimom. Ovakav sustav grijanja ekonomičan je kod kultura koje trebaju točnu regulaciju temperature korijenskog sustava ili u kombinaciji s nekim drugim sustavom grijanja staklenika.

Slika: Sustav grijanja tla u staklenicim

Sustav za grijanje tla i zraka
Ovakav način grijanja izrađen je tako da se cijevi za grijanje postave na tlo. Na ovaj način grije se i tlo i zrak. Pravilno postavljanje toplinskih elemenata (slika 3.17 ) omogućuje optimalan transfer topline do biljke i najmanji gubitak topline u okolinu.
Ovakav sustav grijanja odličan je za pokrivanje svih toplinskih potreba u područjima s blažom klimom, ili da pokrije osnovne potrebe za toplinom u područjima sa umjerenom ili oštrom klimom.

Slika: Sustav za grijanje tla i zraka u staklenicima

Sustav za grijanje zraka
Kod ovakvog načina grijanja koristimo metalne cijevi ili izmjenjivače topline postavljene iznad površine zemlje. Prednost ovakvog sustava grijanja je što omogućuje brzu i preciznu regulaciju grijanja i može se samostalno koristiti u područjima s umjerenom i oštrom klimom. Nedostatak ovakvog sustava je što je koeficijent prelaska topline kod niskotemperaturnih fluida vrlo nizak pa je potrebno koristiti veću površinu grijača, što može smanjiti razinu rasprostiranja svjetlosti i ugroziti uvjete rasta biljki.

Slika: Sustav za grijanje zraka u staklenicima

Sustavi s ventilatorskim provođenjem topline
Uvođenjem u sustav korištenja ventilatora znatno se može povećati koeficijent prelaska topline, čak i kod sustava s niskotemperaturnim fluidima. Ovakav način grijanja staklenika veoma je jednostavan , jeftin i podoban za automatsku regulaciju i omogućuje brz odziv sustava na promjenu vanjske temperature.

Slika: Sustav s grijanjem zraka ventilatorskim provođenjem topline

Drugi sustavi za grijanje staklenika
Na slici je prikazan sustav za grijanje staklenika geotermalnim fluidom s visokom razinom otopljenih minerala. Sustav za grijanje je izrađen od jeftinog polietilenskog materijala koji se može zamijeniti nakon jedne ili dvije proizvodne sezone.

Slika: Sustav grijanja tla i zraka s "agresivnim" geotermalnim fluidom

Balneologija – upotreba u bazenima za rekreacijske ili terapeutske svrhe ili direktno ili preko izmjenjivača topline.

Industrijska upotreba – korištenje geotermalne toplinske energije u raznim industrijskim toplinskim procesima (pasterizacija, sušenje, dehidracija i sl.).

Uzgajanje riba – upotreba toplinske energije u procesima proizvodnje riblje mlađi i sl.

Kombinirano korištenje geotermalne energije
Jedan od glavnih nedostataka upotrebe geotermalne vode u staklenicima je visoka investicija, a da se koristi mali dio godine. Problem rješenja je pronalaženje drugih potrošača geotermalne vode, što bi smanjilo cijenu zagrijavanja staklenika. Na slici je shematski prikaz kombinirane upotrebe geotermalne energije za grijanje staklenika na različitim temperaturnim nivoima, prostora i tople sanitarne vode. Na ovaj način se znatno povećava faktor iskorištenja cijelog sustava za iskorištavanja geotermalne energije.

Slika: Prikaz geotermalnog sistema “Bansko” (Makedonija) sastavljen od grijanja staklenika
i različitih drugih hotelskih potrošača

Slika: Kaskadno iskorištavanje geotermalne energije (proizvodna bušotina, proizvodnja EE,
grijanje prostora, grijanje staklenika, rekreacija, utisna bušotina)

Toplinske pumpe - posebni oblik direktnog korištenja geotermalne energije
Geotermalne toplinske pumpe, u svijetu poznate pod skraćenicom GHP (Geothermal heat pumps), imaju široku primjenu u mnogim zemljama Evrope i u SAD-u. Toplinske pumpe troše električnu energiju za cirkulaciju geotermalnog (otvoreni krug) ili drugog sekundarnog fluida koji preuzima toplinu zemlje (zatvoreni krug) kroz cijevi. Na taj način geotermalna toplina dovodi se domaćinstvima, gdje se većim dijelom koristi za grijanje, zatim za hlađenje i pripremu tople vode. Upotrebom geotermalnih pumpi uvelike se smanjuje potrošnja električne energije. Tipična shema geotermalne pumpe prikazana je na slici .

Slika: Geotermalna toplinska pumpa (zatvoreni krug )

Toplina koja izlazi iz toplinske pumpe može se koristiti za grijanje prostora i za pripremu tople sanitarne vode.

Postoje dva osnovna sustava iskorištavanja geotermalne energije sustavom s toplinskim pumpama. Prvi sustav ne koristi izravno geotermalni fluid nago sustavom s ukopanim izmjenjivačem topline preuzima toplinu zemljine kore ili geotermalnog fluida iz bušotine takozvanim bušotinskim izmjenjivačem topline.
Drugi sustav iskorištava geotermalnu vodu koja se proizvodi iz bušotine, a nakon predaje topline sekundarnom krugu ili se utiskuje nazad u sloj, ili ispušta u vodotoke ili kanalizacijske sustave.

Slika: Sustavi grijanja s geotermalnim toplinskim pumpama

Za sve sisteme s toplinskim pumpama vrijedi slijedeće :

• Ako se geotermalna toplinska pumpa koristi za grijanje, tada se dovedena toplina iz "podzemlja" provodi kroz položene cijevi, prenosi na fluid u njima i dovodi do korisnika.
• Za hlađenje se toplinske pumpe koriste tako da cirkulirajući fluid u cijevima zgrade ili stana, odvodi tj. “kupi” toplinu koja je na njega prenesena u prostoriji, te se utiskuje u zemlju.

Prednosti korištenja geotermalnih toplinskih pumpi:

• EKONOMIČNOST. Smanjeni troškovi grijanja i hlađenja u stambenim i poslovnim objektima za 50%.
• TRAJNOST. Trajnost geotermalnih toplinskih pumpi je duža u odnosu na konvencionalne sisteme, zbog zadovoljavajuće zaštite od vremenskih nepogoda. Mehanički dio sistema nalazi se u zatvorenom prostoru, a cijevi za dovod geotermalne energije su pod zemljom.
• NISKI TROŠKOVI ODRŽAVANJA. Sustav sa geotermalnim toplinskim pumpama ima nekoliko mehaničkih komponenata, koje povećavaju pouzdanost sustava. Podzemne cijevi imaju predviđen rok trajanja bez održavanja od 50 godina.
• EKOLOGIJA. Geotermalne pumpe gotovo ne zagađuju okolinu, pa su važan čimbenik u smanjenju onečišćenja atmosfere, za razliku od fosilnih goriva.
• TIHI RAD. Kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku, pa su zbog toga vrlo pogodni za upotrebu u domaćinstvima ili u poslovnim prostorima.
• PRILAGODBA. Koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Ljeti za hlađenje, a zimi za grijanje.
• FLEKSIBILNOST. Ovakvi geotermalni sustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne vrste potrošača. To mogu biti privatni ili poslovni objekti povezani u jedinstvenu mrežu.