Elektrownie binarne pozwalają wykorzystać energię geotermalną do produkcji prądu.

Obecnie wykorzystuje się geotermię przede wszystkim ciepło zgromadzone w złożach par i wód geotermalnych będących nośnikami ciepła na powierzchnię terenu. Złoża te, eksploatowane głównie z głębokości do czterech tysięcy metrów, zbudowane są ze skał charakteryzujących się wysokimi parametrami porowatości, szczelinowatości oraz przepuszczalności, a za temperaturę graniczną rozróżniającą wody od par przyjmuje się 1500C.

Zasada wykorzystania par i wód geotermalnych polega w pierwszym z przypadków na wykorzystywaniu par do napędzania turbin, połączonych wałem obrotowym z generatorem produkującym prąd elektryczny. Woda geotermalna wydobywana przez otwory wiertnicze najczęściej oddaje natomiast ciepło w wymiennikach ciepła, które następnie przekazywane jest do medium zasilającego sieć ciepłowniczą. Na coraz większą skalę złoża wód geotermalnych wykorzystywane są także do produkcji energii elektrycznej w systemach binarnych opartych głównie na obiegu organicznym Rankine’a oraz cyklu Kalina, w których czynnik roboczy o temperaturze parowania niższej od temperatury wrzenia wody jest odparowywany podczas wymiany ciepła z wodą geotermalną, po czym przechodzi przez turbinę parową połączoną z generatorem, podobnie jak ma to miejsce przy wykorzystaniu złóż par geotermalnych. Zużyta para jest skraplana w kondensatorze i ponownie przepływa do parownika. Artykuł dotyczy właśnie produkcji prądu elektrycznego w systemach binarnych przy wykorzystaniu wód geotermalnych o temperaturze poniżej 1500C.

 

Zobacz także:

Energia geotermalna w produkcji prądu elektrycznego

 

Metody i technologie generacji prądu elektrycznego przy wykorzystaniu par geotermalnych

Aby w pełni zrozumieć istotę produkcji prądu elektrycznego w systemach binarnych, warto zapoznać się z bardziej konwencjonalną metodą, a więc wytwarzaniem elektryczności dzięki wykorzystaniu par geotermalnych. W siłowniach parowych czynnikiem roboczym jest para wodna, będąca nośnikiem energii cieplnej. Zasada działania elektrowni geotermalnych
z bezpośrednim wykorzystaniem suchej pary polega zatem na jej skierowaniu po wydobyciu z otworu produkcyjnego na turbinę parową, w której energia cieplna zawarta  w parze zostaje zamieniona na energię mechaniczną ruchu obrotowego łopatek wirnika,  a następnie na skraplacz (Rys. 1). Skropliny, nazywane także kondensatem, zatłaczane są otworem chłonnym do złoża, co stanowi domknięcie obiegu termodynamicznego. Zastosowanie tego rozwiązania ograniczone jest jednak tylko do obszarów świata, gdzie przy wydobywaniu płynu geotermalnego uzyskuje się parę nasyconą suchą.  Na świecie są dwa miejsca, gdzie takie złoża występują: Larderello (Włochy) oraz The Geysers (California, USA). Systemy te nie są zatem powszechnie wykorzystywane czy spotykane poza wspomnianymi obszarami. Należy podkreślić jednak, że zarówno Larderello, jak i  The Geysers mają duże znaczenie historyczne i są największymi kompleksami elektrowni wykorzystującymi złoża par geotermalnych na skalę przemysłową.

W siłowniach binarnych, w odróżnieniu od siłowni parowych stosowane są dwa płyny robocze zamiast jednego. Jest to płyn geotermalny oraz czynnik roboczy o znacznie niższej niż woda geotermalna temperaturze wrzenia, odbierający od niej ciepło, co odbywa się według obiegu organicznego Clausiusa-Rankine’a bądź cyklu Kalina.

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2009

 

 

Obieg Clausiusa-Rankine´a

Podstawowy obieg Clausiusa-Rankine’a jest obiegiem porównawczym dla procesów,  w których zachodzi parowanie i skraplanie czynnika roboczego. Składają się na niego procesy izentropowego rozprężania pary w turbinie parowej, izobarycznego skraplania rozprężonej pary w skraplaczu, izentropowego pompowania kondensatu w pompie oraz izobarycznego podgrzewania płynu roboczego (najczęściej wody) i jej odparowania oraz przegrzania w kotle parowym lub wytwornicy pary. Sprawność obiegu określa iloraz pracy wykonanej przez układ i dostarczonego do niego ciepła. Dla wody wynosi ona około 40–60%, przy czym można zwiększyć sprawność dzięki podniesieniu temperatury przegrzania pary, zwiększenie ciśnienia pary dopływającej do turbiny, zastosowanie międzystopniowego przegrzewu pary, zmniejszenie ciśnienia w skraplaczu lub zastosowanie regeneracji ciepła. 

Cykl pracy

Pobierana otworem produkcyjnym z użyciem pompy woda geotermalna kierowana jest przez filtr do parownika stanowiącego jednocześnie wymiennik ciepła. Następuje w nim oddanie ciepła zakumulowanego w wodzie geotermalnej czynnikowi roboczemu o niższej niż woda temperaturze wrzenia. Wykorzystana w ten sposób woda geotermalna zatłaczana jest otworem chłonnym do złoża. Czynnik roboczy po odparowaniu przemieszczany jest w postaci pary do turbogeneratora produkującego prąd elektryczny dzięki zmianie energii potencjalnej zakumulowanej  w czynniku roboczym na energię mechaniczną łopatek wirnika. Wykorzystany w ten sposób czynnik roboczy kierowany jest następnie do kondensatora w celu skroplenia do stanu pierwotnego, co stanowi domknięcie obiegu. Proces skraplania możliwy jest dzięki wykorzystaniu chłodni kominowej. Reasumując, w przypadku instalacji binarnych woda geotermalna jedynie oddaje ciepło czynnikowi roboczemu, po czym jest zatłaczana do złoża. Czynnik roboczy wykonuje natomiast pracę w instalacji wewnętrznej na powierzchni terenu, bez kontaktu ze środowiskiem zewnętrznym. 

Czynniki robocze

Czynniki robocze stosowane w obiegu organicznym Clausiusa-Rankine’a powinny być stosunkowo tanie, powszechnie dostępne oraz łatwe do transportowania, oczywiście przy wysokim współczynniku wymiany ciepła. Ich temperatura krytyczna powinna być wyższa lub równa temperaturze górnego źródła ciepła, natomiast temperatura punktu potrójnego powinna być niższa od temperatury dolnego źródła ciepła. Ponadto, czynniki organiczne powinny mieć stabilny skład chemiczny we wszystkich zakresach temperatur, którym są poddawane podczas cyklu pracy, a co za tym idzie nie mogą być podatne na eksplozje czy mieć palny charakter. 

Efektywność

Efektywność obiegu organicznego Clausiusa-Rankine’a zależy od temperatury wody geotermalnej na głowicy, temperatury odparowania i skraplania czynnika roboczego, rodzaju czynnika roboczego oraz sprawności poszczególnych urządzeń stanowiących elementy instalacji. Istotne jest, że realny wpływ na poziom efektywności ma z punktu widzenia projektanta jedynie wybór czynnika roboczego, determinujący dobór pozostałych urządzeń (turbina, generator, wymienniki ciepła itp.). Oczywiście wpływ czynnika roboczego na rodzaj zastosowanych urządzeń oraz koszty projektu jest istotny wówczas, gdy zapewnione są odpowiednie temperatury górnego i dolnego źródła.

Przykład – Altheim, Austria

Przykładem instalacji binarnej opartej na obiegu organicznym Clausiusa-Rankine’a jest elektrociepłownia w Altheim, pięciotysięcznej miejscowości zajmującej powierzchnię około 22 km2, położonej 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 1060C, przy wydajności otworu eksploatacyjnego 85–100 m3/h.  Na głębokości 290 m umieszczona została odporna na wysokie temperatury pompa, dzięki której wydobycie jest możliwe. W ten sposób uzyskuje się około 9000 kWt energii cieplnej, co zaspokaja potrzeby 40% mieszkańców Altheim.

Cykl Kalina

W latach 70. ubiegłego wieku Dr Alexander Kalina wynalazł  i opatentował nową technikę wymiany ciepła w celu produkcji pary napędzającej turbinę  w elektrowniach binarnych. Cykl Kalina wykorzystuje jako czynnik roboczy mieszaninę amoniak–woda, odparowującą w temperaturze około 1000C, zależy to jednak od stosunku zawartości amoniaku do wody mającego indywidualny charakter dla każdej elektrowni binarnej (zazwyczaj 70% amoniaku, 30% wody). Powszechnie wiadomo, że mieszanina zachowuje się zupełnie inaczej niż jej pojedyncze składniki w przypadku termodynamicznych procesów parowania oraz skraplania. Mieszaniny ewaporują oraz kondensują w zmiennym przedziale temperatur, co zwiększa sprawność odbioru energii w nich zawartej, a co za tym idzie zwiększa efektywność całego obiegu. Szacuje się, że rozwiązanie to może być sprawniejsze od organicznego obiegu Clausiusa-Rankine’a, stosowanego powszechnie  w systemach binarnych, nawet o 25%. Pierwsza tego typu elektrownia w Europie o mocy  2 MWe powstała w 2002 roku na Islandii, w miejscowości Husavik.

Przykład – Unterhaching, Niemcy

Przykładem zastosowania rozwiązania bazującego na cyklu Kalina jest elektrociepłownia w Unterhaching. Instalacja binarna została wykonana  w dwudziestodwutysięcznej gminie o powierzchni około 9 km2, położonej 10 km na południe od Monachium (Bawaria, Niemcy) i oddana do użytku w sierpniu 2007 roku. Inicjatywą prowadzącą do powstania kompleksu była możliwość wykorzystania energii geotermalnej (odnawialnej) do celów energetycznych przy jednoczesnym ograniczeniu emisji CO2 do atmosfery na poziomie 30000–40000 t/rok w porównaniu z instalacjami bazującymi na konwencjonalnych źródłach energii. Dla skutecznej realizacji przedsięwzięcia powołana została spółka Geothermie Unterhaching GmbH & Co. KG. Zarządzanie całym projektem zostało natomiast powierzone firmie konsultingowej Rödl & Partner. 

ENHANCED GEOTHERMAL SYSTEM

Obecnie istnieje tendencja do wykorzystywania zasobów geotermalnych zakumulowanych niemal wyłącznie w parach lub wodach geotermalnych. Wraz z rozwojem technologii oraz świadomości racjonalnego gospodarowania paliwami kopalnymi pojawiła się jednak inicjatywa związana bezpośrednio z produkcją prądu elektrycznego w systemie binarnym, na którą warto zwrócić uwagę.  Enhanced Geothermal System (EGS) jest definiowany jako projekt wykorzystania nieeksploatowanych dotąd zasobów energii geotermalnej (ciepła) zgromadzonych  w tzw. suchych gorących skałach (ang. Hot Dry Rocks) i niewymagających występowania zjawiska naturalnej konwekcji hydrotermalnej. Dotychczas energia geotermalna w postaci par lub wód geotermalnych eksploatowana była ze zbiorników akumulacyjnych zbudowanych głównie ze skał o wysokiej porowatości oraz przepuszczalności, a więc parametrów sprzyjających gromadzeniu się dużych ilości wód czy par będących nośnikami ciepła. Suche gorące skały są skałami nieporowatymi i nieprzepuszczalnymi, przy czym same  w sobie stanowią naturalne rezerwuary ciepła, co jest wynikiem występowania tego typu budowy geologicznej między innymi w strefach subdukcji (konwergencji). Wykorzystanie tych zasobów będzie odbywać się przez sztuczne zwiększanie hydraulicznej wydajności zbiornika geotermalnego, dla którego minimalne kryterium temperatury powinno wynosić 85–1000C, biorąc pod uwagę obecne ograniczenia technologiczne przy przetwarzaniu (konwersji) energii cieplnej w energię elektryczną. Podstawowym celem EGS jest wykorzystanie niekonwencjonalnych metod eksploatacji oraz rozwoju, które z powodów nieopłacalności ekonomicznej nie są stosowane przy wykonywaniu tego typu prac metodami konwencjonalnymi.
Równie istotnymi założeniami EGS są: rozwój prac nad wykorzystaniem niekonwencjonalnych zasobów geotermalnych, jak i wspomniane suche gorące skały, oraz odnowienie zainteresowania sektora energetycznego wykorzystaniem energii zgromadzonej na większych niż dotychczas głębokościach eksploatowania (suche gorące skały zalegają zwykle na głębokościach większych niż 3–5 km). Ponadto celem koncepcji EGS jest czerpanie wiedzy ze stosowania najlepszych praktyk oraz identyfikowania ryzyka i zagrożeń związanych z wprowadzeniem projektu w życie. Szczególnie istotne jest zdefiniowanie potencjalnych obszarów dla wprowadzenia założeń EGS, przy wykorzystaniu zaawansowanych metod, takich jak modelowania 3D, łączącego najlepsze praktyki i doświadczenia z dziedzin geologii, geochemii oraz geofizyki, z których dane mogą zostać wspólnie zestawione i przeanalizowane. Program EGS to także założenia wprowadzenia innowacyjnych metod wierceń, zapobiegania uszkodzeniom zbiorników geotermalnych oraz wprowadzenia nowych technik monitoringu dna otworu wiertniczego. Wszystkie te założenia mają prowadzić ostatecznie do podzielenia się uzyskanym doświadczeniem i wiedzą.

Michał Kaczmarczyk, Redakcja GLOBEnergia

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2009