prof. dr hab. inż. władysław nowak dr hab. inż. aleksander ...· pła ujęcie geotermalne o mocy

  • View
    215

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of prof. dr hab. inż. władysław nowak dr hab. inż. aleksander ...· pła ujęcie geotermalne o mocy

Nr 177

Instalacje elektryczne

69

prof. dr hab. in. wadysaw nowakdr hab. in. aleksander StachelZachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny wSzczecinie

ocena moliwoci pozySkiwania iwykorzyStania enerGii Geotermalnej wpolSce

Do zaSilania ciepowni ielektrociepowni

Streszczenie: Polska ma korzystne warunki do wykorzystania wd geotermalnych do ce-lw energetycznych. Zastosowanie energii geotermalnej dla celw grzewczych jest do dobrze rozpoznane, oczym mog wiadczy istniejce ipracujce ciepownie geotermalne. Obecnie pro-wadzone badania koncentruj si gwnie nad moliwociami wykorzystania energii geoter-malnej do produkcji energii elektrycznej. Wpracy scharakteryzowano istniejce wPolsce zasoby energii geotermalnej, omwiono sposoby jej pozyskiwania iwykorzystania oraz przedstawiono stan iperspektywy rozwoju instalacji energetycznych wykorzystujcych energi geotermaln dla potrzeb ciepowniczych. Przedstawiono istniejce ciepownie geotermalne, a take omwiono realizowane obecnie iplanowane wprzyszoci przedsiwzicia zmierzajce do uruchomienia kolejnych instalacji geotermalnych, wtym elektrowni geotermalnych.

1. wprowadzenieWykorzystanie energii ze rde odnawialnych wie si zlicznymi problemami,

wynikajcymi std, e sposoby jej pozyskiwania s nadal technologiami nowator-skimi, nie do koca sprawdzonymi inastrczajcymi szereg trudnoci technicznych ieksploatacyjnych. Ponadto niektre rda charakteryzuj si brakiem koherentno-ci zpotrzebami odbiorcw, czego klasycznym przykadem moe by wykorzystanie energii soca i wiatru. Z kolei cz technologii niesie zagroenia rodowiskowe, aekologiczny charakter innych nie zosta do koca potwierdzony. Rwnie wanym problemem jest wsppraca instalacji wykorzystujcych odnawialne rda energii z istniejcymi konwencjonalnymi systemami odbioru i dystrybucji, przede wszyst-kim ciepa.

WPolsce istotn rol wrd odnawialnych rde energii odgrywaj zasoby ener-gii geotermicznej i geotermalnej, a take energia wiatru, soca, wody i biomasa. Cz ztych rde ma ograniczone znaczenie lokalne omaej skali stosowania (np. fotowoltaika, kolektory soneczne), akonsumentami wytwarzanej wnich energii s najczciej odbiorcy indywidualni. Cz ma znaczenie wobszarze potrzeb regionu, anawet kraju, np. siownie wiatrowe czy te elektrownie wodne.

Zainteresowanie energetyki konwencjonalnej odnawialnymi rdami energii koncentruje si midzy innymi na energii geotermalnej. Do wsppracy zduymi sys-temami grzejnymi predysponuje j zarwno skala rda, jak iilo pozyskiwanego ciepa. Interesujce s rwnie moliwoci wytwarzania zenergii geotermalnej ener-gii elektrycznej. Natomiast wysokie nakady inwestycyjne, a take osigane moce,

Instalacje elektryczne

70

eliminuj maych odbiorcw, kierujc ofert wsppracy do odbiorcw o duym inajlepiej niezmiennym wczasie zapotrzebowaniu na ciepo [6, 13, 15, 17].

2. energia geotermalna ijej zasoby wpolsceRnica temperatury pomidzy gorcym wntrzem Ziemi, o temperaturze jdra

ocenianej na 4500 C 6200 C, achodn jej powierzchni, wywouje przepyw stru-mienia ciepa oredniej gstoci 63 kW/km2. Jednoczenie ze zmian gbokoci wy-stpuje zmiana temperatury skorupy ziemskiej, definiowana jako gradient geotermicz-ny, decydujcy olokalnej temperaturze ska. Mona przyj, e do gbokoci 10km temperatura skorupy zmienia si liniowo, zprzecit wartoci 33 K/km [8, 13].

Cakowite zasoby energii geotermicznej s bardzo due, jednak tylko niewielka jej cz moe by wykorzystana praktycznie, co wynika zmoliwoci technicznych oraz opacalnoci ekonomicznej. Zuwagi na sposb zakumulowania energii, atake sposb jej pozyskiwania, rda energii geotermicznej mona podzieli na kilka ro-dzajw. Najbardziej interesujce s zasoby energii zgromadzone wgorcych wodach podziemnych znajdujcych si na duych gbokociach, ktre maj temperatur rwn temperaturze otaczajcych je ska. Wody te nazywane s wodami geotermal-nymi, azawarta wnich energia energi geotermaln [8, 13, 15].

Polska naley do krajw posiadajcych bogate zasoby wd geotermalnych oni-skiej i redniej entalpii. Geologiczne uwarunkowania i obszary ich wystpowania omwione s, midzy innymi, wpracach Sokoowskiego, Greckiego iNeya [4, 5, 11, 18]. Wedug tych autorw cakowite zasoby wd termalnych wPolsce szacowane s na okoo 6500 km3, aznajdujca si wnich woda charakteryzuje si temperatur od 25 C do 120 C, co predysponuje j do wykorzystania do celw ogrzewczych, przygotowania ciepej wody uytkowej oraz celw technologicznych i leczniczych. Zasoby te s do rwnomiernie rozmieszczone na znacznej czci obszaru Polski, wwydzielonych basenach isubbasenach zaliczanych do okrelonych prowincji ire-gionw geotermalnych. Najkorzystniejsze warunki geotermalne wystpuj na Niu Polskim, Podhalu iwSudetach.

3. Systemy pozyskiwania energii geotermalnejPyny geotermalne wypeniajce zbiorniki podziemne s rzadko wodami sod-

kimi. Najczciej s to wody zmineralizowane, aich temperatura istopie minerali-zacji s rne wrnych basenach izale od gradientu geotermalnego igbokoci wystpowania. Wykorzystanie wody geotermalnej wie si zwydobyciem jej na po-wierzchni i odebraniem zawartego w niej ciepa. Dostp do zoa geotermalnego umoliwiaj kanay wydobywczo-zataczajce, ktre mona podzieli na dwa pod-stawowe systemy eksploatacyjne, to jest na systemy jedno- idwuotworowe [13, 17].

Systemy jednootworowe s stosowane wprzypadku wd niezmineralizowanych lub sabo zmineralizowanych, czyli omineralizacji poniej 1 g/dm3 (rys. 1a). Wydo-byta na powierzchni woda kierowana jest do wymiennika ciepa, wktrym odda-je zawarte wniej ciepo do wody sieciowej. Schodzona woda zostaje skierowana do

Nr 177

Instalacje elektryczne

71

zbiornika retencyjnego, przy czym moe by ona wykorzystana do rnych celw, np. do nawadniania, hodowli ryb, aniekiedy do celw pitnych. Cz niewykorzysta-nej wody moe by skierowana do naturalnych zbiornikw wodnych. Jednootworo-wy system eksploatacyjny uniezalenia wydobycie wody geotermalnej od chonnoci zoa, ale moe ogranicza intensywno eksploatacji, ze wzgldu na sabe uzupe-nienie zoa przez infiltracj wd gruntowych [13, 15, 17].

W przypadku wd o wysokiej mineralizacji najczciej stosowane s systemy dwuotworowe (rys. 2b), wktrych woda geotermalna jest pobierana ze zoa za po-moc pompy gbinowej, a nastpnie przesyana do wymiennika ciepa, w ktrym podgrzewa wod sieciow, po czym kierowana jest do otworu chonnego, ktrym jest zataczana do tej samej warstwy wodononej [22].

rys. 1. Systemy pozyskiwania wody geotermalnej: a jednootworowy, b dwuotworowy. GWC wymiennik ciepa, OC odbiornik ciepa, P pompa, PG pompa gbinowa, WW warstwa wodonona, ZR zbiornik retencyjny

Oprcz przedstawionych dwch najbardziej rozpowszechnionych ukadw wy-dobywczych wody geotermalnej, moliwy jest szereg innych oryginalnych rozwiza, ktrych szczegowe omwienie mona znale np. wpracach [6, 7, 8, 13, 15, 17].

4. Systemy wykorzystania energii geotermalnejNajprostszym ijednoczenie najbardziej efektywnym sposobem zagospodarowa-

nia energii wd geotermalnych jest ich zastosowanie do ogrzewania w gospodarce komunalnej, w rolnictwie, w procesach technologicznych, jako wspomaganie kon-wencjonalnych ciepowni oraz uycie jako rda energii w siowniach niskotem-peraturowych. Rnorodno moliwych rozwiza technicznych oraz struktura urzdze sucych do pozyskania ciepa zwntrza ziemi wynikaj zkoniecznoci

Instalacje elektryczne

72

dostosowania rodzaju iwielkoci ujcia geotermalnego do potrzeb iparametrw in-stalacji odbioru ciepa, przy uwzgldnieniu lokalnych warunkw technicznych oraz rachunku ekonomicznego [6, 13]. Wie si to z tym, e zapotrzebowanie ciepa przez jego odbiorcw jest najczciej zmienne wczasie, adotyczy to wszczeglnoci zapotrzebowania na ciepo do ogrzewania pomieszcze, ktrego ilo zaley od tem-peratury zewntrznej. Podstaw okrelenia iloci ciepa grzejnego jest tzw. wykres uporzdkowany, pomocny zwaszcza przy wyborze systemu do odbioru energii zwd geotermalnych, przy czym moliwe s tutaj trzy podstawowe ukady, amianowicie [6, 13]: ukad monowalentny, w ktrym cae ciepo grzejne pobierane jest z instalacji

geotermalnej, ukad biwalentny, wktrym rdo geotermalne wspomagane jest kotami, ukad kombinowany, wktrym cz zapotrzebowania odbiorcw zaspokajana

jest przez instalacj geotermaln (ciepo niskotemperaturowe), apozostaa cz przez kotowni konwencjonaln (ogrzewanie tradycyjne).Wwarunkach polskich najbardziej realna jest budowa instalacji, wktrych ujcie

geotermalne wspomagane jest dodatkowym rdem ciepa, przy czym wzalenoci od temperatury wydobywanej wody oraz moliwoci zagospodarowania ciepa geo-termalnego, niezalenie od sposobu pozyskiwania energii geotermalnej, najczciej stosowane s dwa rozwizania, amianowicie [13, 17]: zzastosowaniem wymiennikw ciepa wsppracujcych zkotami szczytowymi, zzastosowaniem wymiennikw ciepa wsppracujcych zpompami grzejnymi

izkotami szczytowymi.

rys. 2. Schemat instalacji geotermalnej zwymiennikiem ciepa ikotem szczytowym

Przedstawiona na rysunku 2 podstawowa koncepcja pozyskania energii geoter-malnej, bazuje na dwuotworowym systemie wydobywczym, wsppracujcym zcie-powni, wskad ktrej wchodzi przeciwprdowy wymiennik ciepa, wktrym ener-gia wody geotermalnej jest przekazywana do wody sieciowej, oraz kocio szczytowy

Nr 177

Instalacje elektryczne

73

wykorzystywany wwczas, gdy ciepo pobrane przez wod sieciow wwymienniku nie pokrywa zapotrzebowania odbiorcw na ciepo lub gdy temperatura wody siecio-wej za wymiennikiem ciepa jest nisza od wymaganej temperatury wody sieciowej na zasilaniu.

Oprcz przedstawionego podstawowego ukadu ciepowni geotermalnej moli-wy jest szereg innych rozwiza, aich omwienie mona znale np. wpracach [6, 8, 13, 15, 17].

Miar wykorzystania energii wody geotermalnej jest ilo ciepa moliwa do uzy-skania wwymienniku geotermalnym. Wielko ta jest uwarunkowana charaktery-styk zoa geotermalnego