Systemy wykorzystania energii geotermalnej (SWEG)

Na system wykorzystania energii geotermalnej (SWEG) składają się wszystkie urządzenia techniczne i media umożliwiające wykorzystanie energii zawartej w wodzie geotermalnej, odpowiednio: na sposób ciepła w ciepłowniach, na sposób pracy w elektrowniach lub w elektrociepłowniach. W ramach tej pracy analizowane będą tylko możliwości wykorzystania wód termalnych do produkcji energii elektrycznej.

Należy podkreślić, że rodzaj stosowanego rozwiązania systemu wykorzystania energii geotermalnej zależy od parametrów wody geotermalnej, a w szczególności od jej temperatury. Z uwagi na to, że rodzaj zastosowanego systemu wykorzystania energii geotermalnej ma istotny wpływ na efektywność pracy elektrowni charakterystyka poszczególnych systemów naziemnych została przedstawiona w odrębnych podrozdziałach.

1.4.2.1. Systemy bezpośrednie

Cechą systemów bezpośrednich jest to, że wykorzystywana w nich woda geotermalne jest jednocześnie czynnikiem roboczym w obiegu elektrowni. Wśród spotykanych tutaj rozwiązań stosunkowo prostą zasadą działania i budową charakteryzuje się elektrownia na parę wodną nasyconą suchą (z ang. dry – steam) przedstawiona na rysunku 1.6.

Rys. 1.6. Schemat instalacji elektrowni geotermalnej z bezpośrednim wykorzystaniem pary wodnej nasyconej T

s 3 2

1 generator

pompa

~

skraplacz

para wodna

turbina 1

2 3

SPEG SWEG

1. Wstęp

Para wodna wydobywana z otworu wydobywczego kierowana jest bezpośrednio do turbiny parowej skąd po ekspansji płynie do skraplacza. Następnie kondensat zatłaczany jest otworem chłonnym do złoża. Zastosowanie tego rozwiązania ograniczone jest jednak tylko do tych obszarów gdzie występuje woda termalna w stanie pary nasyconej suchej lub pary przegrzanej. Pierwsza elektrownia geotermalna uruchomiona w 1904 roku w Larderello we Włoszech [30] pracowała w systemie dry-steam.

Innym rodzajem systemu bezpośredniego jest elektrownia z odparowaniem wody geotermalnej w rozprężaczu – separatorze. W rozwiązaniach tego typu parę wodną uzyskuje się w wyniku rozprężenia wody geotermalnej od stanu cieczy do stanu dwufazowego ciecz - para w wyniku obniżenia ciśnienia geopłynu poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadającego temperaturze wody geotermalnej.

Uzyskana w rozprężaczu para, po usunięciu kropel wody w separatorze, kierowana jest do turbiny parowej. Rozprężona a następnie skroplona para wodna wraz z wodą wydzielona w rozprężaczu/separatorze zatłaczana jest z powrotem do złoża. Systemy tego typu stosowane są w układzie z jednostopniowym rozprężaniem (single – flash system, rys.1.7) lub w układach z dwustopniowym rozprężaniem (double –flash system, rys. 1.8).

Rys. 1.7. Schemat instalacji elektrowni geotermalnej z jednostopniowym rozprężaniem wody geotermalnej oraz cykl przemian realizowanych w rozpatrywanym systemie [30, 69]

Rys. 1.8. Schemat instalacji elektrowni geotermalnej z dwustopniowym rozprężaniem wody geotermalnej oraz cykl przemian realizowanych w rozpatrywanym systemie [30, 44]

generator

pompa

~

skraplacz woda geotermalna

turbina woda geotermalna

turbina

1.4.2.2. Siłownie z pośrednim wykorzystaniem wody geotermalnej

Gdy parametry termodynamiczne geopłynu (szczególnie temperatura) są niewystarczające, niemożliwa jest budowa elektrowni geotermalnych według zasad podanych w rozdziale 1.4.2.1. Przy odpowiedniej wartości entalpii wydobywanej wody możliwe jest zastosowanie rozwiązania, w którym zamiast wody (pary wodnej) jako czynnik roboczy używany jest płyn o niskiej (niższej niż dla wody) temperaturze wrzenia przy ciśnieniu otoczenia. Czynnik roboczy pracuje wówczas według obiegu porównawczego Clausiusa – Rankine’a, a przykładowy schemat tego typu instalacji przedstawiono na rysunkach 1.9 i 1.10 lub według obiegu Kaliny, którego schemat przedstawiono na rysunku 1.11.

Rys.1.9. Schemat instalacji elektrowni geotermalnej z niskowrzącym czynnikiem roboczym oraz cykl przemian realizowanych w rozpatrywanym systemie [21, 69]

W przypadku systemów z pośrednim wykorzystaniem wody geotermalnej dalszy podział wynika z rodzaju zastosowanego czynnika roboczego, którym mogą być:

ƒ substancje jednoskładnikowe lub mieszaniny o właściwościach azeotropowych [17] – charakteryzujące się tym, że proces odparowania i skraplania przebiega przy stałym ciśnieniu i temperaturze;

ƒ substancje wieloskładnikowe zeotropowe [17] charakteryzującej się tym, że proces odparowania i skraplania przebiegający przy stałym ciśnieniu wiąże się ze zmienią temperatury.

W literaturze dość powszechnie spotykane jest nazwanie rozwiązania z czynnikiem pośrednim elektrownią binarną [20, 21, 36, 42, 52, 84, 87], co zdaniem autorki tej pracy nie jest poprawnym użyciem tego terminu. W elektrowni binarnej występują dwa obiegi z oddzielnie pracującymi, najczęściej różnymi czynnikami, przy czym czynniki te muszą być sprzężone ze sobą cieplnie. Należy podkreślić, że w elektrowni binarnej oba czynniki wykonują pracę rozprężania w turbinach. Natomiast w siłowni przedstawionej na rysunku 1.9 tylko czynnik organiczny jest czynnikiem roboczym, natomiast woda geotermalna jest tylko nośnikiem ciepła (czynnikiem pośrednim) i nie wykonuje pracy. W celu sprecyzowania nazewnictwa woda geotermalna doprowadzająca ciepło do poszczególnych wymienników ciepła siłowni, w tej pracy, nazywana jest czynnikiem pośrednim.

generator skraplacz turbina parowacz

pompy

~

czynnik roboczy

wodageotermalna

przegrzewacz

podgrzewacz

4 5

3 2 1

6 T

s

1

2 3

5 6

4 SWEG

SPEG

1. Wstęp

W przypadku, gdy chemiczne właściwości wody geotermalnej, na przykład agresywność chemiczna wpływająca na zużycie materiałów konstrukcyjnych, nie pozwala na bezpośrednie jej wykorzystanie, jako nośnika ciepła, należy zastosować dodatkowy wymiennik nazywany wymiennikiem geotermalnym.

W wymienniku tym energia wody geotermalnej przekazywana jest wodzie sieciowej pełniącej rolę czynnika pośredniczącego jak to przedstawiono na rysunku 1.10.

Wydaje się, że bardziej odpowiednia nazwa dla rozwiązań przedstawionych na rysunkach 1.9 i 1.10 to określenia: obieg organiczny Rankine’a ORC (skrót z ang. organic Rankine cycle) lub niskotemperaturowy obieg Rankine’a LTC (skrót z ang. low temperature cycle), spotykane dość częsta w literaturze tematu.

Rys.1.10. Schemat instalacji elektrowni geotermalnej z pośrednim wykorzystaniem wody geotermalnej oraz czynnikiem pośredniczącym

Szczególnym przypadkiem obiegu z pośrednim wykorzystaniem wody geotermalnej jest tzw. obieg Kaliny. W obiegu tym płynem roboczym jest mieszanina związków nieorganicznych amoniaku i wody, wykazująca właściwości zeotropowe. Z uwagi na to, że istnieje wiele odmian obiegu Kaliny na rysunku 1.11 przedstawiono przykładowe rozwiązanie siłowni KCS 34.

Rys. 1.11. Obieg Kaliny KCS 34 [67]

turbina

woda sieciowa czynnik pośredniczący przegrzewacz

podgrzewacz woda

geotermalna pompa

SWEG woda geotermalna

separator para

przepływ

W obiegu Kaliny (KCS-34) woda geotermalna przekazuje ciepło czynnikowi roboczemu w parowaczu.

Czynnik roboczy, czyli mieszanina amoniaku i wody w stanie dwufazowym ciecz-para kierowana jest do separatora, w którym następuje oddzielenie kropelek cieczy. Uzyskana w separatorze para, w skład, której wchodzi 95% amoniaku kierowana jest do turbiny parowej. Ciecz z separatora przepływa do wysokotemperaturowego rekuperatora, a następnie mieszana jest z rozprężoną parą z turbiny i kierowana do niskotemperaturowego rekuperatora gdzie następuje ochłodzenie czynnika. Skroplony czynnik o składzie 82% NH3 przepompowywany jest przez rekuperatory nisko i wysokotemperaturowy, w których ulega podgrzaniu.

W podrozdziale 1.4 omówiono, na podstawie danych literaturowych, podstawowe rodzaje siłowni umożliwiających konwersję energii zawartej w wodzie geotermalnej (solance) na energię elektryczną.

Poza wymienionym stosowane są również inne rozwiązania, będące na przykład połączeniem dwóch różnych systemów – niektóre z nich omówiono w rozdziale 2 w ramach przeglądu literatury zagadnienia.