Energia geotermalna

Energia geotermalna

W-7a

Co to jest energia geotermalna

Nadwyżka energii cieplnej w stosunku do energii odpowiadającej średniej temperaturze powierzchni Ziemi. (ok.8^.10³⁰ J)

Wewnętrzne ciepło Ziemi nagromadzone w skałach oraz wodach wypełniających wody i szczeliny skalne

http://www.ekologiczne.info.pl

Budowa Ziemi

Skorupa Ziemi

Mezosfera –Płaszcz Ziemi Barysfera – Jądro Ziemi

Budowa Ziemi – skorupa ziemska

- najbardziej zewnętrzna sfera

- od powierzchni Ziemi do powierzchni nieciągłości Moho (Mohorovicica) - głębokość: 7-10 km pod oceanami oraz 30-80 pod kontynentami

Skorupa Ziemska składa się z dwóch części:

-Warstwa granitowa – w obrębie kontynentów, glin i krzem (SiAl)

-Warstwa bazaltowa – dno oceanów, pod kontynentami; krzemiany magnezu

Powierzchnia nieciągłości Conrada

Budowa Ziemi – Płaszcz Ziemi

Płaszcz górny (CrOFeSiMa) Płaszcz dolny (NiFeSiMa)

Powierzchnia nieciągłości

Moho Powierzchnia nieciągłości

Wiecherta-Gutenberga 2900 km

Budowa Ziemi –płaszcz ziemski

Płaszcz górny (CrOFeSiMa)

chrom, tlen, żelazo, krzem, magnez od pow. nieciągłości Moho do 1000km

Warstwa perydotytowa – zewnętrza część płaszcza, graniczy ze skorupą ziemską warstwa sztywna

Astenosfera – 70-120 km pod oceanami i 350km pod kontynentami;

- prądy konwekcyjne

- właściwości półplastyczne i sprężyste

- zjawiska wulkaniczne, plutoniczne, ruchy poziome płyt, powstawanie gór, ruchy sejsmiczne

Budowa Ziemi – Płaszcz Ziemi

Płaszcz dolny (NiFeSiMa)

Nikiel, żelazo, krzem, magnez od 1000-2900 km

Gęstość 6 g/cm³

Budowa Ziemi – jądro Ziemi

Barysfera – jądro Ziemi - NIFE (nikiel i żelazo)

Jądro zewnętrzne Jądro wewnętrzne (2900 - 5100) (5100 – 6371 km)

2900 km 6371 km

Jądro zewnętrzne – grubość ok. 2200 km, oddzielone od płaszcza pow. nieciągłości Gutenberga; płynne o temperaturze ok.4000-5000^oC ;

prądy konwekcyjne

Jądro wewnętrzne – promień ok. 1270 km, wykazuje charakter ciała stałego o dużej sztywności; temperatury ok. 6000 ^oC, duża gęstość

Strefa przejściowa Lehman (140km)

Właściwości wnętrza Ziemi

1. Wzrost temperatury wraz z głębokością.

Stopień geotermiczny –

głębokość liczona w metrach, o jaką temperatura wrośnie o 1^oC

SG_av=33m

Neapol 1,6 m

Wyspy Bahama 180 m

2. Wzrost gęstości skał wraz z głębokością

3. Wzrost cieśnienia wraz z głębokością

od 2.2.7 g/cm³ do 20 g/cm³

1 atm co 3.7m

Energia geotermalna

Przyjmuje się, że średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi 15 ^oC.

Temperatura zależy od: szerokości geograficznej, pory roku i dnia.

Wartość temperatury jest wynikiem ustalenia się równowagi cieplnej między najważniejszymi trzema strumieniami ciepła:

• doprowadzonego przez promieniowanie ze Słońca

• doprowadzonego przez przewodzenie lub konwekcję z jądra Ziemi,

• wypromieniowanego do przestrzeni kosmicznej.

Zasoby energii geotermalnej

C T

C T

o j

o

6000

0

15





J kgK cp

kg Mz

8 . 0

10 6

.

5







J C _wp  4 . 5  10 ²⁷

Prognozowane zużycie 2^.10²¹ J

Natura źródeł ciepła

Rejony o normalnym gradiencie temperatury

Rejony radiogeniczne

Obszary o dużym strumieniu ciepła

Źródła geociśnieniowe

T

q    

Rejony geotermalne

Ze względu na możliwość wykorzystania gradientu temperatury rozróżnia się rejony geotermalne:

Hipertermiczny (>80 K/km)

Semitermiczny (od 40 K/km do 80 K/km)

Normalny (< 40 K/km)

Zasoby energii geotermalnej

HYDROTERMICZNE

PETROTERMICZNE

Wysokotemperaturowe warstwy ogrzanej mieszaniny dwuskładnikowej

wody i pary wodnej o temperaturze 200 ÷ 300 ^oC lub pokładów gorącej wody o temperaturze 50 ÷ 70 ^oC.

Energia termiczna zgromadzona w suchych ,ogrzanych i porowatych skałach

Zasoby hydrotermalne

Złoża par geotermalnych – złoża o wysokiej entalpii, do produkcji energii elektrycznej.

temperatury powyżej 150 ^oC

Złoża wód geotermalnych – złoża o niskiej entalpii, wykorzystywane bezpośrednio.

Temperatury do 140 ^oC.

Zalety złóż geotermalnych

• teoretyczna nieograniczoność i odnawialność;

• powszechność występowania wód geotermalnych;

• niezależność od zmiennych warunków klimatycznych i pogodowych;

• możliwość użytkowania bez powodowania zakłóceń w środowisku naturalnym;

• jako lokalne źródło energii - konkurencyjność cenowa i mała wrażliwość na zmiany cen tradycyjnych nośników energii na rynkach światowych;

• możliwość wykorzystania wód i energii termalnej do celów grzewczych

• możliwość generacji prądu w elektrowniach geotermicznych a także w ostatnich latach w instalacjach binarnych.

Górecki, Hajto 2006; Kępińska 2006

Wady złóż geotermalnych

Podczas eksploatacji elektrowni wytwarzane są zanieczyszczenia takie jak, dwutlenek węgla, tlenki siarki, siarkowodór oraz metan.

Może powodować osuwanie się ziemi

Produkcja energii geotermalnej jest powiązana ze wzrostem aktywności sejsmicznej na danym terenie, jednakże jest to temat dyskusyjny, gdyż

elektrownie są usytuowane na terenach gdzie jest możliwe trzęsienie ziemi.

Budowa elektrowni zwiększa hałas na danym terenie jednakże podczas samej eksploatacji hałas jest minimalny

Możliwości techniczne

Bariery techniczne

temperatura ciśnienie

Pod względem technicznym możliwe jest wykonanie odwiertów i wykorzystanie energii hydrotermicznej lub petrotermicznej do głębokości 5 km.

Ekonomicznie opłacalne jest dokonywanie odwiertów jedynie do głębokości 2 km, ale nie w każdym rejonie do tej głębokości zalegają złoża geotermalne o

odpowiednio wysokiej temperaturze

Najgłębszym odwiert na świecie, SG-3 – gębokość 12 262 m, (Rosja, obwód murmański, Półwysep Kolski) 1970-1989 planowano 15 000 m

Polska - Kuźmina k. Przemyśla. Głębokość otworu badawczego ponad 7 500 m

• artezyjskie, które jest pod ciśnieniem hydrostatycznym, stąd wody geotermalne po wykonaniu odwiertu wypływają samoczynnie,

•subartezyjskie, o niższym ciśnieniu hydrostatycznym niż złoża artezyjskie, dlatego wodę geotermalną

eksploatuje się przy zastosowaniu agregatów pompowych

zapuszczonych do odwiertu.

Rodzaje złóż

Gejzer w Parku Yellowstone; http://picasaweb.google.com/lh

Wykorzystanie

ciepła geotermalnego

W energetyce cieplnej, ogólnie przyjmuje się, że wody o temperaturze 40–90°C znajdują zastosowanie w produkcji ciepła użytkowego, natomiast z wód o

temperaturze 120°C i wyższej, opłacalna staje się produkcja energii elektrycznej

Diagram Lindalla pokazujący możliwości wykorzystania wody geotermalnej w zależności od temperatury

Rodzaje energii geotermalnej

ENERGIA MAGMY

ENERGIA GEOCIŚNIEŃ

ENERGIA GORĄCYCH SUCHYCH SKAŁ

ENERGIA NAGROMADZONA W WODACH PODZIEMNYCH

ENERGIA magmy

Magma

Magma lub stopione skały są największym z geotermalnych źródeł. Jednakże dostęp do niego jest ograniczony z powodu dużych głębokości znajdowania się tego zasobu - 3 km do 10 km i głębiej. Temperatura wynosi od 700 do 1200^oC. Złoże to nie zostało do tej pory odpowiednio zbadane pod

względem możliwości pobierania z niego ciepła.

W astenosferze istnieją komórki konwekcyjne z krążącą magmą

ENERGIA geociśnień

Składają się z gorącej solanki nasyconej metanem znajdującej się we wnętrzu ziemi. Znajdują się one w dużych i głęboko położonych warstwach wodonośnych gdzie ciśnienie jest ogromne. Metan oraz woda jest uwięziona w warstwie

osadów na głębokości od 4 km do 6 km.

Temperatura wody jest w przedziale od 90 ^oC do 200^oC.

Głównym miejscem występowania zasobów geopresyjnych jest Zatoka meksykańska.

ENERGIA gorących suchych skał

Formacja geologiczna nie zawierająca w ogóle wody. Zasób ten jest praktycznie nieograniczony i jest najbardziej dostępny. Potencjał do pozyskiwania energii z tego rodzaju źródła jest bardzo duży.

HRP

Energia wód podziemnych

Jednootworowe

Dwuotworowe

Wielootworowe

Odwiert produkcyjny

Wody słabo zmineralizowane lub zasolone

Odwiert produkcyjny i zatłaczający

Odwiert produkcyjny i kilka zatłaczających

Układy z obiegiem Clausiusa-Rankine’a

85–150^oC

izobutanu, propanu, toluenu

Obieg Kaliny

temperatura źródła ciepła nie przekracza 200^oC

Pompy ciepła

Cykl Carnota

Pompa ciepła

Odwrotny cykl Carnot

Obieg termodynamiczny pomp ciepła odbywa się w odwrotnym cyklu Carnota, współczynnik efektywności –COP (ang. Coefficient of Performance)

określa oddaną moc grzewczą w stosunku do zastosowanej mocy napędowej.

gdzie:

COP - współczynnik efektywności wg Carnota, T_u - temperatura dolnego źródła ciepła,

T - temperatura górnego źródła ciepła,

ΔT - różnica temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła.

Dla różnych warunków stosowania nowoczesnych pomp ciepła wynoszą one szacunkowo ok. 4-5, co znaczy, że 1 kWh energii elektrycznej pozwala uzyskać 4-5 kWh energii cieplnej

T T

 



Kolektory poziome

Literatura

(Kępińska, Łowczowska, 2002).

http://www.planetaziemia.pan.pl