Jak można produkować prąd z geotermii? Single flash, double flash, dry-steam, ORC – porównanie

Zdjęcie autora: Nova Energia

Nova Energia

Koło Naukowe działające na AGH w Krakowie

Na świecie zasoby paliw kopalnych wyczerpują się z roku na rok. Kolejne złoża surowców nieodnawialnych znikają, a na horyzoncie pojawia się coraz mniej nowych – musielibyśmy czekać miliony lat. Stąd wzmożone wysiłki firm świata z sektora energetycznego, jak i państw, w poszukiwaniu nowych, niskoemisyjnych, wysokoenergetycznych źródeł energii cieplnej i elektrycznej. Jednym z takich źródeł jest geotermia.

Wody geotermalne służą przede wszystkim do: 

  • rekreacji w specjalnych basenach termalnych, 
  • leczniczo w uzdrowiskach, 
  • odzysku substancji mineralnych (np. potas, wapń), czy pierwiastków krytycznych (np. lit
  • ciepłownictwa,
  • wytwarzania energii elektrycznej.

Skupimy się na tej ostatniej formie wykorzystania geotermii. 

Jak wygląda sytuacja z wytwarzaniem energii elektrycznej z geotermii na świecie?

Geotermia jako źródło energii elektrycznej cieszy się coraz to większą popularnością na świecie. Już ponad 88 krajów korzysta z tych odnawialnych zasobów. Prawie 37% takich elektrowni to jednostki typu flash o łącznej mocy 8598 MW (52,7% całości), następnie typu ORC (25,1% całości) oraz dry-steam (17,8% całości). 

W statystykach produkcyjnych przodują państwa azjatyckie i amerykańskie, takie jak: USA (3700 TWh/rok), Indonezja (2289 TWh/rok) oraz Filipiny (1918 TWh/rok). Za to kraje, w których największy procent krajowej energii pochodzi z tego źródła to Kenia (42%), Islandia (30%) oraz Nowa Zelandia (19%). 

Mimo tego pozyskiwanie energii elektrycznej w ten konkretny sposób cały czas stanowi zaledwie 1% w globalnym miksie odnawialnych źródeł energii. Po biomasie koszt wytworzenia 1 MW energii geotermalnej jest drugim najdroższym (114 USD, dla porównania: energia słoneczna – 36 USD). Są to liczby, które nie przemawiają za tą formą pozyskiwania tak potrzebnej światu energii. 

Więc dlaczego stawia na nią coraz to więcej krajów? Do głównych zalet tej formy energii zalicza się:

  • nieszkodliwość dla środowiska,
  • niezależność od warunków pogodowych,
  • elektrownie geotermalne mają dużo mniejszy metraż niż konwencjonalne,
  • wysoka wydajność,
  • stabilne dostawy energii.

Obecnie istnieją cztery typy elektrowni geotermalnych, którymi są:

  • elektrownia parowa single flash, 
  • elektrownia parowa double flash, 
  • elektrownia parowa dry-steam, 
  • elektrownia binarna ORC (Organic Rankine Cycle).

Przyjrzymy się teraz charakterystycznym cechom każdej z nich.

ORC – Organiczny Cykl Rankine’a (ang. Organic Rankine Cycle)

W typie elektrowni ORC do uruchomienia turbiny zamiast wody stosuje się płyn wtórny (węglowodór lub fluorowęglowodór).

Płyn wtórny jest podgrzewany i odparowywany w wymienniku ciepła (parowniku) poprzez wymianę ciepła, między płynem geotermalnym a płynem wtórnym (ma on niską temperaturę wrzenia i wysokie ciśnienie pary). Wytworzona para z płynu wtórnego jest kierowana do turbiny, gdzie dochodzi do jej rozprężania i w efekcie napędzania generatora, co prowadzi do wytworzenia energii elektrycznej. Para opuszczająca turbinę przechodzi przez regenerator, w którym przegrzana para jest wykorzystywana do podgrzewania skroplonego płynu opuszczającego skraplacz przed wejściem do parownika.

orc geotermia
Zdjęcie 1 – schemat działania elektrowni geotermalnej ORC
Źródło: researchgate.com

Elektrownia ORC ma kilka zalet, takich jak:

  • praca w niskiej temperaturze (70-180°C),
  • brak erozji łopatek turbiny (brak wilgoci podczas rozprężania pary),
  • mniejszy rozmiar od innych elektrowni geotermalnych,
  • płyn wtórny przemieszczający się w obiegu zamkniętym,
  • wysoka niezawodność działania,
  • nie wytwarza żadnej emisji CO2 do otoczenia,
  • redukcja kosztów o 32,2% w porównaniu z elektrownią single flash,
  • wymaga tylko około 160 m2/GWh użytkowania gruntu, co jest bardzo małym obszarem w porównaniu z innymi elektrowniami.

Elektrownie wykorzystujące organiczny cykl Rankine'a występują m.in. w Chena Hot Springs na Alasce (74°C, najniższa temperatura na świecie wykorzystywana do produkcji prądu elektrycznego z geotermii, odwiert 1000 m ), Neustadt-Glewe w Niemczech (98°C, odwiert 1280 m).

Single flash

W elektrowni parowej typu single flash płyn geotermalny jest rozprężany przez zawór rozprężny, co powoduje przepływ dwufazowy. Ta mieszanina cieczy i pary (solanki) jest kierowana do separatora, utrzymywanego w stałej temperaturze i ciśnieniu. Proces oddzielania pary od solanki zachodzi albo w poziomym separatorze pod wpływem grawitacji, albo w pionowym separatorze pod wpływem ruchu cyklonowego. Wytworzona para jest kierowana do turbiny w celu wytworzenia energii elektrycznej, podczas gdy pozostała ciecz jest ponownie wstrzykiwana do odwiertu wtryskowego.

single flash
Zdjęcie 2 – schemat działania elektrowni geotermalnej single flash
Źródło: researchgate.com

Zalety elektrowni geotermalnej single flash:

  • Płyn geotermalny w odwiercie ma temperaturę powyżej 182°C,
  • Zasoby o wyższej temperaturze wytworzą więcej cieczy i pary w warunkach naturalnego ciśnienia,
  • Płyn geotermalny zwykle zawiera nieskraplające się gazy, które są zbierane w skraplaczu.

Przykładami elektrowni typu Flash jest m.in.: Coso w USA (odwiert 2400-4000 m), Hellishioi w Islandii (odwierty od 1000 do 2200 m), czy Nga Awa Purua w Nowej Zelandii (odwiert 2500 m).

Double flash

Działa identycznie jak wcześniej wymieniona, z tym że w niej stosuje się dwa separatory, co skutkuje przepływami pary o wysokim i niskim ciśnieniu.

W elektrowni double flash nasycona ciecz opuszczająca pierwszy separator jest kierowana do drugiego separatora o niższym ciśnieniu, co skutkuje większą produkcją pary. Po wytworzeniu pary przy wysokim i niskim ciśnieniu cała para jest kierowana do turbiny parowej za pomocą oddzielnych rurociągów. Turbina parowa może być turbiną o podwójnym wlocie, oddzielną turbiną lub może składać się z dwóch oddzielnych turbin tandemowych, które działają w oparciu o ciśnienie wlotowe pary. 

Koszt takiej elektrowni jest oczywiście wyższy, niż single flash, przez to, że wymaga on większej ilości rur, separatorów oraz turbin parowych niskiego i wysokiego ciśnienia.

double flash
Zdjęcie 3 – schemat działania elektrowni geotermalnej double flash
Źródło: researchgate.com

Zalety elektrowni geotermalnej double flash:

  • wytwarzają do 15–25% więcej energii niż elektrownie single flash,
  • zastosowanie dwóch separatorów pary,
  • wytwarzają większą moc wyjściową niż single flash,

Dry-steam (instalacje suchej pary)

Jest to najstarszy, rzadko występujący typ elektrowni geotermalnej. Po raz pierwszy zastosowany w Larderello we Włoszech w 1904 r. (ma obecnie 26 aktywnych jednostek o zainstalowanej mocy 1400 MW). Innymi miejscami występowania takiego typu elektrowni są: The Geysers w USA, czy Cerro Prieto w Meksyku.

Z punktu widzenia termodynamiki, elektrownie dry-steam dostarczają największą ilość energii na kilogram cieczy wyekstrahowanej w celu przekształcenia jej w energię elektryczną. 

W procesie geotermalnego systemu dry-steam sucha para z odwiertu produkcyjnego, jest przepuszczana przez systemy usuwania cząstek i separator (w celu usunięcia mgły i kropel cieczy, aby uniknąć uszkodzeń łopatek) bezpośrednio do turbiny. Zimna para jest następnie podawana do skraplacza (temperatura jest obniżana do około 35–45°C), a po schłodzeniu jest pompowana z powrotem do studni wtryskowej.

dry-steam
Zdjęcie 4 – schemat działania elektrowni geotermalnej dry-steam
Źródło: sciencedirect.com

Zalety elektrowni typu dry-steam:

  • mniej sprzętu niż typy flash (brak separatorów),
  • wytwarzają większą moc wyjściową niż single flash,
  • wyższa wydajność,
  • do wytworzenia 1 kWh energii elektrycznej, potrzebują około 15-25 kg pary,
  • nadmiar pary i bardzo niewielkie ilości gazów cieplarnianych,
  • wykorzystują urządzenia do obróbki parą w celu usuwania chemikaliów, związków, cieczy i ciał stałych, które mogłyby powodować tworzenie się kamienia, korozji lub erozji turbiny parowej.

Podsumowanie

Energetyka geotermalna i jej systemy ciągle się rozwijają. Wpływ na to, w jakim kierunku pójdą dalsze prace nad tą formą energii, zależy na pewno od budżetów przekazywanych na prace przy niej, zasobów termalnych w danych regionach oraz rozwoju tych właśnie technik wydobycia. Jednak można być optymistą i w tej dziedzinie, gdyż zasoby takowych wód na świecie starczą na jeszcze wiele milionów lat.

Źródła: sciencedirect.com, energy.ca.gov, ecoekonomia.pl, wikipedia.org
- M. Hajto, “Stan wykorzystania energii geotermalnej na świecie i w Europie-2020 r”, doi: 10.13140/RG.2.2.36387.17443.
- M. El Haj Assad, E. Bani-Hani, and M. Khalil, “Performance of geothermal power plants (single, dual, and binary) to compensate for LHC-CERN power consumption: comparative study,” Geothermal Energy, vol. 5, no. 1, Dec. 2017, doi: 10.1186/s40517-017-0074-z.
- Polak, R., Dziki, D., Krzykowski, A., Rudy, S., Różyło, R., Techniki Cieplnej, K., & Przyrodniczy Lublinie, U. (n.d.). Elektrownie geotermalne oparte na systemach binarnych (Vol. 16, Issue 1).
- Gutiérrez-Negrín, L. C. A. (2024). Evolution of worldwide geothermal power 2020–2023. In: Geothermal Energy (Vol. 12, Issue 1). Springer Science and Business Media Deutschland GmbH. https://doi.org/10.1186/s40517-024-00290-w

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Maciej Kulawik