ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ. Εισαγωγικά

Transcript

1 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγικά Γενικότερα, το ενεργειακά ζητήματα, αν και αποτελούν κατ εξοχήν πεδίο δραστηριότητας των μηχανολόγων και ηλεκτρολόγων μηχανικών, αποτελούν σύνθετα κοινωνικά ζητήματα που απαιτούν διεπιστημονική αντιμετώπιση. Ειδικότερα, η γεωθερμία αποτελεί πεδίο στο οποίο είναι απαραίτητη η συνεργασία πολλών επιστημονικών ειδικοτήτων, προκειμένου να υλοποιηθούν με αποτελεσματικότητα και ασφάλεια οι απαραίτητες μελέτες και κατασκευές εγκαταστάσεων. Η ίδια η φύση της γεωθερμικής ενέργειας που σχετίζεται με τη γη, τα ρευστά εντός αυτής και τα πετρώματα αποτελεί κατ εξοχήν πεδίο απασχόλησης των μεταλλειολόγων μηχανικών. Γι αυτό και στο πλαίσιο του μαθήματος «Στοιχεία Μηχανολογίας» κρίνεται σκόπιμη η ειδική αναφορά σε αυτήν την κατηγορία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Προέλευση της γεωθερμικής ενέργειας Ως γνωστόν, η θερμοκρασία της γης αυξάνεται συναρτήσει του βάθους και ο πυρήνας της γης φτάνει να έχει θερμοκρασία περί τους o C. Λαμβάνοντας υπ όψιν ότι το έδαφος, στην επιφάνεια της γης, έχει μια θερμοκρασία της τάξης των 10 o C, από τον πυρήνα προς την επιφάνεια της γης απελευθερώνεται θερμότητα. Αυτή η ροή θερμότητας κατά κύριο λόγο πραγματοποιείται μέσω αγωγής, διαμέσου των πετρωμάτων. Σπανιότερα έχουμε ροή θερμότητας μέσω ρευμάτων κυκλοφορίας μάγματος ή νερού. Η γεωθερμική ενέργεια είναι, ακριβώς, η θερμότητα που φτάνει στην επιφάνεια της γης και η οποία ήδη εμπεριέχεται στο εσωτερικό της. Επίσης, ως γεωθερμική ενέργεια νοείται και η θερμότητα που παράγεται στο εσωτερικό της γης (και μεταφέρεται στην επιφάνεια) λόγω της διάσπασης ραδιενεργών στοιχείων, όπως του ουράνιο, το ράδιο και το θόριο αλλά και λόγω χημικών αντιδράσεων εντός των διαφόρων στρωμάτων της γης. Ως γεωθερμική βαθμίδα ορίζεται ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας συναρτήσει του βάθους, ο οποίος κατά μέσο όρο είναι 30 o C/km. Λαμβάνοντας υπ όψιν τα χαρακτηριστικά του φλοιού της γης, η μέση γεωθερμική ροή θερμότητας στην επιφάνεια της γης είναι ίση προς 60 mw/m 2. Το μέθεθος αυτό είναι μικρό σε σχέση με των λοιπών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (κυμαίνεται στα 500 W/m 2 για την ηλιακή ενέργεια) αλλά αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε περιοχές, όπου ιδιαίτερες γεωλογικές συνθήκες οδηγούν σε ροές της τάξης των 20 W/m 2.

2 Σχήμα 1. Τομή του εσωτερικού της γης (Πηγή: Γελεγενής και Αξαόπουλος, 2005) Γεωθερμικά πεδία Τα γεωθερμικά πεδία είναι οι περιοχές που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως προς τη γεωθερμική ενέργεια. Στις περιοχές αυτές: Η θερμότητα από το εσωτερικό της γης απελευθερώνεται με ταχύτερους ρυθμούς Παρατηρούνται υψηλότερες τιμές στη γεωθερμική βαθμίδα Υπάρχουν δυνατότητες για μεγάλα ποσοστά απόληψης της θερμότητας Υπάρχουν τρεις βασικές προϋποθέσεις για το σχηματισμό ενός γεωθερμικού πεδίου: Α) Ύπαρξη συνεχούς τροφοδοσίας ρευστών Τα γεωθερμικά πεδία πρέπει να είναι ανοικτά και να υπάρχει η δυνατότητα αναπλήρωσης των θερμών ρευστών που εκφεύγουν από αυτά. Τα ρευστά συνήθως προέρχονται από κατακρημνίσεις (βροχή, χιόνι κλπ.), ενώ σπανιότερα είναι μαγματικά νερά τα οποία προέρχονται από συμπυκνούμενους ατμούς κατά την πήξη μαγματικών υλικών. Β) Ύπαρξη διόδων

3 Συνήθως οι δίοδοι είναι ρήγματα και χρειάζονται για να μπορούν να εισχωρήσουν τα ρευστά σε μεγάλα βάθη και, έτσι, να αποκτήσουν υψηλή θερμοκρασία. Μετά τη θέρμανσή τους τα ρευστά ακολουθούν ανοδικές πορείες και δημιοργούνται ρεύματα φυσικής κυκλοφορίας. Γ) Ύπαρξη πετρωμάτων με σημαντικό πορώδες και διαπερατότητα Είναι καλό τα πετρώματα να έχουν πορώδες, προκειμένου τα θερμανθέντα ρευστά μέχρι την τελική διαφυγή τους να μπορούν να «απποθηκευτούν». Αυτό το πέτρωμα ορίζεται ως ο γεωθερμικός ταμιευτήρας και είναι και ο γεωτρητικός στόχος μιας εγκατάστασης εκμετάλλευσης γεωθερμίας. Το πορώδες ορίζεται ως φ = Vπορ/Vπετρ Vπορ: Ο όγκος των πόρων Vπετρ: Ο όγκος του πετρώματος Η δυνατότητα να διαπερνάται ένα πέτρωμα από ρευστά ονομάζεται διαπερατότητα και είναι επίσης χρήσιμη για τις περιπτώσεις εκμετάλλευσης της γεωθερμίας. Για περίπτωση μονοδιάστατης ροής, εφαρμόζεται η σχέση του Darcy: u = (-k/μ)*(δp/δl) u: Η φαινόμενη ταχύτητα ροής του ρευστού μέσω του πετρώματος σε m/sec k: Η διαπερατότητα του πετρώματος σε m 2 (η μονάδα αυτή είναι ιδιαίτερα μεγάλη και στη θέση της συνήθως χρησιμοποιείται το Darcy [D] που ισούται με m 2 ) μ: Το δυναμικό ιξώδες του ρευστού σε Pa*sec Δp: Η διαφορά πίεσης, στην οποία οφείλεται η ροή σε Pa ΔL: Η απόσταση, στην οποία παρατηρείται η διαφορά πίεσης σε m Τέλος, σημειώνεται ότι ένα σημαντικό μέγεθος για έναν γεωθερμικό ταμιευτήρα είναι το ενεργό του πάχος (h), το οποίο αντιστοιχεί στο τμήμα του ταμιευτήρα, όπου υπάρχει δίκτυο πόρων και ρωγμών για τη ροή των ρευστών. Το γινόμενο του ενεργού πάχους επί τη διαπερατότητα ονομάζεται μεταδοτικότητα (Τ). Δ) Ύπαρξη στρώματος με αδιαπέρατο πέτρωμα Πάνω από τον γεωθερμικό ταμιευτήρα είναι καλό να υπάρχει «πέτρωμα κάλυμμα», ώστε να παρεμποδίζεται η διαφυγή των θερμών ρευστών προς την επιφάνεια κι έτσι να παρατείνεται ο χρόνος παραμονής τους στον ταμιευτήρα. Παρατηρείται το φαινόμενο, ένα πέτρωμα κατά το

4 παρελθόν διαπερατό να γίνεται σταδιακά αδιαπέρατο λόγω επικαθήσεων που προκαλούνται από τα ρευστά που το διαρρέουν. Ε) Ύπαρξη μάγματος Η ύπαρξη μάγματος σε σχετικά μικρό βάθος (έως 15km) συντελεί, ώστε το γεωθερμικό πεδίο να μπορεί να αξιοποιηθεί και για παραγωγή ηλεκτρισμού, αφού οι θερμοκρασίες μπορεί να φτάσουν έως και τους 900 o C. Σχήμα 2. Γεωλογική δομή σε γεωθερμικό πεδίο (Πηγή: Γελεγενής και Αξαόπουλος, 2005) Διάκριση των γεωθερμικών πεδίων Ανάλογα με τη θερμοκρασία τους, τα γεωθερμικά πεδία διακρίνονται σε: Υψηλής ενθαλπίας: Η θερμοκρασία ξεπερνά τους 150 ο C. Τα πεδία αυτά είναι, συνήθως, στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Προσφέρονται για ηλεκτροπαραγωγή και γι αυτό το σκοπό, κυρίως, χρησιμοποιούνται. Μέσης ενθαλπίας: Η θερμοκρασία τους κυμαίνεται από 100 έως 150 o C. Τα πεδία αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ηλεκτροπαραγωγή αλλά με χαμηλότερους βαθμούς

5 απόδοσης και, κυρίως, χρησιμοποιούνται για την αξιοποίηση της θερμότητας π.χ. με εγκαταστάσεις τηλεθέρμανσης. Χαμηλής ενθαλπίας: Πρόκειται για τα πεδία που επικρατούν θερμοκρασίες άνω των 30 o C. Τα πεδία αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια ευρεία γκάμα εφαρμογών, χωρίς απαιτήσεις για υψηλές θερμοκρασίες (θερμοκήπια, ιχθυοτροφεία, υποβοήθηση αντλιών θερμότητας κ.ο.κ.) Αναφορικά με την κυριαρχούσα φάση στον ταμιευτήρα, τα γεωθερμικά πεδία διακρίνονται σε: Γεωθερμικά πεδία νερού: Σε αυτά η πίεση ελέγχεται από μια υγρή φάση. Το νερό περνά στο έδαφος από μεγάλες επιφανειακές εκτάσεις έως και μερικών χιλιάδων km2 και κινείται προς μεγαλύτερα βάθη. Σε βάθη έως 6 με 7 km το νερό θερμαίνεται από τα θερμά πετρώματα, διαστέλλεται κι αρχίζει να ανέρχεται σε μια στήλη μικρής σχετικά έκτασης, έως 50 km 2. Ενίοτε, το εκτονούμενο νερό φτάνει στην επιφάνεια με μορφή ατμού. Γεωθερμικά πεδία ατμού: Η πίεση στο σύστημα ελέγχεται από μια φάση ατμού. Συνήθως σε μεγάλο βάθος υπάρχει νερό, το οποίο εξατμίζεται υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασίων και ανέρχεται ως ατμός. Μέρος του ατμού αυτού συμπυκνώνεται στα πετρώματα από τα οποία διέρχεται. Τμήμα του συμπυκνώματος ακολουθεί καθοδική πορεία και επιστρέφει στην περιοχή που υπάρχει νερό. Θερμά ξηρά πετρώματα: Στις περιπτώσεις αυτές, το πέτρωμα δεν παρουσιάζει διαπερατότητα κι έτσι δεν υπάρχουν ρευστά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην κατηγορία αυτή παρουσιάζουν τα γρανιτικά πετρώματα. Για να μετατραπεί ένα τέτοιο σύστημα σε πεδίο, πρέπει να δημιουργηθεί διαπερατότητα και να τροφοδοτηθεί με ρευστά. Γι αυτό, χρησιμοποιούνται εκρηκτικά και στη συνέχεια εφαρμόζεται συνεχής ανακυκλοφορία ρευστών από την επιφάνεια μέσα στο σύστημα των θερμών πετρωμάτων. Ανανεωσιμότητα γεωθερμικής ενέργειας Για να είναι η ενεργειακή εκμετάλλευση των γεωθερμικών πεδίων ανανεώσιμη θα πρέπει να αξιοποιείται με τέτοιο ρυθμό, ώστε να διατηρείται η ποσότητα των ρευστών στον ταμιευτήρα και, επιπλέον, να διατηρείται η θερμότητα εντός αυτού. Για να γίνει αυτό απαιτείται: Α) Αναπλήρωση των ρευστών Τα συστήματα εκμετάλλευσης της γεωθερμίας είναι υδραυλικά ανοικτά συστήματα. Έτσι, η απομάκρυνση ρευστών από τον ταμιευτήρα προκαλεί αναπλήρωσή τους. Όμως, σε μια ενεργειακή εγκατάσταση, ο ρυθμός απόληψης είναι συνήθως μεγαλύτερος της φυσικής αναπλήρωσης. Για το λόγο αυτό διενεργείται η διαδικασία της επανεισαγωγής (reinjection)

6 ρευστών στον ταμιευτήρα. Αυτό μπορεί να γίνει π.χ. από το κύκλωμα ψύξης της εγκατάστασης, όπως θα φανεί και παρακάτω. Β) Αναπλήρωση της θερμότητας Και όσον αφορά στη θερμότητα η φυσική ανατροφοδότηση δεν επαρκεί για να καλύψει τη μείωση της θερμικής ενέργειας στον ταμιευτήρα, λόγω απόληψης. Όμως, σε αντίθεση με την αναπλήρωση των ρευστών μέσω επανεισαγωγής δεν υπάρχει κάποια δυνατότητα αναπλήρωσης της θερμικής ενέργειας. Αυτό το χαρακτηριστικό έχει οδηγήσει στο να θεωρείται η γεωθερμική ενέργειας ημι-ανανεώσιμη μορφή ενέργειας. Ο μόνος τρόπος για να μην υπάρξουν μη αντιστρεπτές επεμβάσεις σε ένα γεωθερμικό πεδίο είναι να υπάρξει κατάλληλος σχεδιασμός και διαχείριση της ενεργειακής εκμετάλλευσης. Για παράδειγμα, χρειάζεται να γίνει αναλυτικός υπολογισμός του απολήψιμου δυναμικού του ταμιευτήρα. Στη συνέχεια, θα πρέπει να εγκατασταθεί μια μονάδα, που θα έχει ισχύ και χρόνο λειτουργίας εντός πλαισίων που δε θα εξαντλούν το γεωθερμικό πεδίο. Έτσι, μετά το πέρας λειτουργίας της μονάδας θα γίνει αναπλήρωση της θερμότητας και έπειτα από κάποιο διάστημα, θα υπάρχει ξανά η δυνατότητα εκμετάλλευσης. Παραγωγή των γεωθερμικών ρευστών Για την απόληψη των γεωθερμικών ρευστών διανοίγονται γεωτρήσεις. Γενικώς, χρησιμοποιούνται αντλίες για την ενίσχυση της αρτεσιανής ροής. Επειδή το περιβάλλον είναι ιδιαίτερα διαβρωτικό και οι θερμοκρασίες μεγάλες χρησιμοποιούνται σε πολλές περιπτώσεις ειδικού τύπου αντλίες (στροβιλαντλίες), των οποίων όλα τα ηλεκτρικά μέρη βρίσκονται στην επιφάνεια, εκτός της γεώτρησης. Οι αντλίες αυτές αποτελούνται από αντλία και υδροστρόβιλο προσαρμοσμένα στον ίδιο άξονα και εμβυθισμένα στη γεώτρηση. Με αντλία επιφανείας εισπιέζονται τα ρευστά στη γεώτρηση μέσω σωλήνα που οδηγεί στο στρόβιλο. Ο στρόβιλος περιστρέφεται και κινεί την αντλία που φέρνει στην επιφάνεια από άλλο σωλήνα τα γεωθερμικά ρευστά μαζί με αυτά που εισπιέστηκαν. Το πρόβλημα της διαδικασίας αυτής είναι ο χαμηλός βαθμός απόδοσης, της τάξης του 60% καθώς και η πιθανότητα εμπλουτισμού των ρευστών σε οξυγόνο και, συνεπαγόμενα, η αύξηση της διαβρωτικότητάς τους. Η απόδοση μιας γεώτρησης εξαρτάται από την πίεση στην κεφαλή της γεώτρησης, τη διάμετρό της, το τμήμα του ενεργού πάχους του ταμιευτήρα που έχει διατρηθεί, τα υδραυλικά χαρακτηριστικά του ταμιευτήρα, της γεωμετρία του ταμιευτήρα και άλλους παράγοντες. Η πίεση σε μια γεωθερμική γεώτρηση μειώνεται συναρτήσει του χρόνου, αναλόγως του ρυθμού παραγωγής.

7 V: ο ρυθμός παραγωγής σε m 3 /sec h: το ενεργό πάχος του ταμιευτήρα σε m t: ο χρόνος από την έναρξη της άντλησης σε sec V μ k t Δp = ln (2,246 4 π k h φ μ σ r 2) σ: η συμπιεστότητα των ρευστών του ταμιευτήρα σε 1/Pa r: η απόσταση από την παραγωγική γεώτρηση σε m (για τον υπολογισμό της πτώσης πίεσης στη θέση της γεώτρησης, αρκεί να τεθεί στη θέση του r η ακτίνα της γεώτρησης) Η συμπιεστότητα του ρευστού εκφράζει τη μεταβλητότητα της πυκνότητας του ρευστού συναρτήσει της πίεσης και δίνεται από τη σχέση: σ = 1 ρ Δρ Δp Εάν πάψει η παραγωγή γεωθερμικών ρευστών, η πίεση θα αρχίσει να αυξάνεται, με τον εξής ρυθμό: Δt: ο χρόνος παραγωγής Δp = V μ 4 π k h + Δt ln (t ) t t: ο χρόνος που έχει παρέλθει από το κλείσιμο της γεώτρησης Αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας Θα εστιάσουμε στις δυνατότητες ηλεκτροπαραγωγής μέσω αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας, δηλαδή στην πιο σύνθετη διεργασία ενεργειακής αξιοποίησης. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμία στην Ευρωπαϊκή Ένωση ήταν περίπου 6 TWh το Αυτό αναλογεί σε περίπου 0,3% των ενεργειακών αναγκών σε ηλεκτρισμό. Το αξιοποιήσιμο δυναμικό υπολογίζεται σε 174 TWh με ορίζοντα το Πρέπει, όμως, να επιλυθούν τόσο τεχνοοικονομικά όσο και κοινωνικά ζητήματα, προκειμένου το δυναμικό αυτό να αξιοποιηθεί πλήρως. Όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι απαραίτητο να υπάρχει γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας, προκειμένου να υπάρξει δυνατότητα ηλεκτροπαραγωγής. Τα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας, συνήθως, παράγουν άλμη (νερό με αλάτι) και ατμό. Για την ηλεκτροπαραγωγή, σε γενικές γραμμές, πραγματοποιούνται τα ακόλουθα:

8 Σε σχετικά υψηλή πίεση γίνεται διαχωρισμός του ατμού και απομακρύνεται το υγρό κλάσμα Ο ατμός στη συνέχεια οδηγείται σε ατμοστρόβιλο Ο ατμοστρόβιλος κινεί ηλεκτρογεννήτρια και παράγεται ηλεκτρική ενέργεια Μετά την έξοδο από τον ατμοστρόβιλο ο ατμός υγροποιείται σε συμπυκνωτή Το υγρό από το διαχωριστή ατμού σε συνδυασμό με το υγρό από την έξοδο του συμπυκνωτή οδηγούνται με κατάλληλες διατάξεις πίσω στο γεωθερμικό ταμιευτήρα Υπάρχει και ένας απλούστερος τρόπος για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, χωρίς να υπάρχει διαχωρισμός ατμού. Εφαρμόζεται σε γεωθερμικά πεδία που παράγουν ατμό μαζί με πολλά ασυμπύκνωτα αέρια. Ο ατμός αυτός οδηγείται άμεσα σε κατάλληλο στρόβιλο. Σε περιπτώσεις με μεγάλες συγκεντρώσεις ασυμπύκνωτων (π.χ. άνω του 20%) δε μεσολαβεί συμπυκνωτής και ο ατμός απομακρύνεται σε ατμοσφαιρική πίεση. Η απόδοση αυτών των μονάδων είναι ιδιαίτερα χαμηλή. Κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της γεωθερμικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε σχέση με τους κλασικούς ατμοηλεκτρικούς σταθμούς είναι: Το γεγονός ότι είναι μια ανοικτή διεργασία και όχι ένας κλειστός κύκλος Οι θερμοκρασίες και πιέσεις στην είσοδο του στροβίλου είναι χαμηλότερες από τις συμβατικές μονάδες και η πίεση στην έξοδο του στροβίλου υψηλότερη από τις συμβατικές μονάδες λόγω της ύπαρξης ασυμπύκνωτων αερίων. Έτσι, η απόδοση των γεωθερμικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλότερη από τις μονάδες κλειστού κύκλου. Χρειάζεται να λαμβάνεται ειδική μέριμνα για τη συλλογή και διάθεση των γεωθερμικών ρευστών από το διαχωριστή και από την έξοδο του στροβίλου

9 Εικόνα 1. Άποψη του γεωθερμικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Nesjavellir στην Ισλανδία

10