Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας

Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας Ενότητα : Γεωθερμική Ενέργεια IΙ Σκόδρας Γεώργιος, Αν. Καθηγητής gskodras@uowm.gr Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Σκοποί Η ενασχόληση με την Γεωθερμική ενέργεια δημιουργεί μια δυναμική τεχνολογία στον ενεργειακό τομέα Η κατανόηση της αξίας επενδύσεων για την παραγωγή ενέργειας από γεωθερμία Ορολογία Γεωθερμική ενέργεια Υδροθερμικές δεξαμενές Υδροθερμικές δεξαμενές ξηρού ατμού Δεξαμενές υγρού ατμού Θερμό-ξηρό πέτρωμα 4

Γεωθερμική ενέργεια (1/6) Σύμφωνα με ορισμένες απόψεις, η Γεωθερμική ενέργεια θεωρείται μορφή έμμεσης ηλιακής ενέργειας Είναι η θερμότητα που βρίσκεται κάτω από τον εξωτερικό φλοιό της γης Θεωρείται ως αποτέλεσμα του αρχικού σχηματισμού του πλανήτη, πριν από 5 δις χρόνια και του ηλιακού πεδίου βαρύτητας που συνετέλεσε στον σχηματισμό αυτό 5

Γεωθερμική ενέργεια (2/6) Πηγές της γεωθερμικής ενέργειας είναι και τα ραδιενεργά στοιχεία, όπως το ουράνιο και το θόριο, που έχουν συσσωρευτεί στο εσωτερικό της γης Άλλες πηγές θερμικής ενέργειας είναι η παραγόμενη θερμότητα από την συμπίεση των εσωτερικών στρωμάτων και την βύθιση των βαρέων μετάλλων προς τον πυρήνα 6

Γεωθερμική ενέργεια (3/6) Τα Γεωθερμικά αποθέματα θεωρούνται ανεξάντλητη πηγή ενέργειας Τα στρώματα που αποτελούν την γη είναι: Ο εξωτερικός φλοιός που περιβάλλει την γη (λιθόσφαιρα) Ο μανδύας, το εσωτερικό τμήμα που αποτελείται από πετρώματα, μέταλλα, υγρά και αέρια Ο πυρήνας που αποτελείται από λιωμένα υλικά 7

Γεωθερμική ενέργεια (4/6) 8

Γεωθερμική ενέργεια (5/6) Η θερμοκρασία είναι υψηλότερη σε σημεία πλησίον του πυρήνα της γης Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας λέγεται κανονική θερμική διαβάθμιση Η κανονική θερμική διαβάθμιση υπολογίζεται σε 23,4 C για κάθε χιλιόμετρο προς τον πυρήνα της γης 9

Γεωθερμική ενέργεια (6/6) Για την παραγωγή ατμού 150 ως 180 C, που απαιτείται για την λειτουργία ατμοστροβίλων, οι γεωτρήσεις πρέπει να έχουν βάθος από 4,8 ως 8 km Οι γεωθερμικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής βρίσκονται πάνω σε περιοχές ρηγμάτων οπότε το βάθος των γεωτρήσεων είναι μικρότερο 10

Ανάπτυξη της Γεωθερμικής ενέργειας (1/4) Η γεωθερμική ενέργεια έχει χρησιμοποιηθεί καθ όλη την διάρκεια της ανθρώπινης ιστορίας Στην αρχαία Ρώμη, οι πηγές αυτές χρησιμοποιούνταν για δημόσια και ιαματικά λουτρά (spas) Τα νερά αυτά είναι πλούσια σε μέταλλα και θεωρούνται θεραπευτικά 11

Ανάπτυξη της Γεωθερμικής ενέργειας (2/4) Η γεωθερμική ενέργεια παρέμεινε στις λουτροθεραπείες μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, οπότε και τα μέταλλα χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή εκμαγείων της κεραμοποιίας Αργότερα η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε στην βιομηχανία και την θέρμανση σπιτιών με ατμό Το 1904 η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε στην Ιταλία για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 12

Ανάπτυξη της Γεωθερμικής ενέργειας (3/4) Η γεωθερμική ενέργεια πλησίον του πυρήνα της γης προέρχεται κυρίως από ραδιενεργά υλικά Η λιθόσφαιρα είναι πολύ λεπτή, με αποτέλεσμα να εμφανίζει ρήγματα και τα τμήματα της (πλάκες) να μετακινούνται 13

Ανάπτυξη της Γεωθερμικής ενέργειας (4/4) Αυτά τα γεωλογικά χαρακτηριστικά προκαλούν την διαφυγή της υπό πίεση θερμικής ενέργειας προς την ατμόσφαιρα, μέσω των λιθοσφαιρικών πλακών Περιοχές στην γη με γεωθερμική δραστηριότητα είναι τα νησιά Σαμόα και Φίτζι, η Κεντρική Ασία, η Ανατολική Αφρική και το δαχτυλίδι της φωτιάς στον Ειρηνικό ωκεανό (ring of fire) 14

Γεωθερμικά πεδία (1/5) Το δυναμικό των αποθεμάτων της γεωθερμικής ενέργειας είναι τεράστιο Μόνο για τις ΗΠΑ υπολογίζεται ότι στη γήινη λιθόσφαιρα υπάρχουν διαθέσιμες περισσότερα από 100 τετράκις εκατ. MW, απόθεμα μερικές χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από την παγκόσμια ετήσια ενεργειακή κατανάλωση Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μορφή ανεξάντλητης πηγής ενέργειας 15

Γεωθερμικά πεδία (2/5) Παρά ταύτα, μεγάλο μέρος της γεωθερμικής ενέργειας βρίσκεται είτε διάσπαρτο είτε σε μεγάλο βάθος, οικονομοτεχνικά μη εκμεταλλεύσιμο Μια πιο ρεαλιστική εκτίμηση για τα τρέχοντα γεωθερμικά αποθέματα κυμαίνεται από 400.000 έως 148.000.000 MW 16

Γεωθερμικά πεδία (3/5) Οι ΗΠΑ βρίσκονται στην πρώτη θέση στην παγκόσμια γεωθερμική ενέργεια, όμως σχεδόν ολόκληρη η ενέργεια που παράγεται από το απόθεμα αυτό βρίσκεται στην Βόρεια Καλιφόρνια Εκεί η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται από το 1960, και το 1974 η παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύς ήταν 412 MW, που αντιστοιχούσε στο 0,1% της συνολικής ηλεκτρικής ισχύος των ΗΠΑ 17

Γεωθερμικά πεδία (4/5) Τα επόμενα χρόνια εκτιμάται ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από γεωθερμία θα φθάσει το 2% της συνολικής Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από γεωθερμία είναι μικρότερο από αυτό της παραγόμενης από υδρογονάνθρακες ή/και πυρηνικά 18

Γεωθερμικά πεδία (5/5) Γεωθερμικό εργοστάσιο στην Μανίλα των Φιλιππίνων 19

Δυναμικό Αποθεμάτων (1/8) Τύποι γεωθερμικών αποθεμάτων (δεξαμενών) Υδροθερμικά Γεωπιεστικά Θερμά-ξηρά πετρώματα Ξηρός ατμός Υγρός ατμός 20

Δυναμικό Αποθεμάτων (2/8) Υπάρχουν πολλοί τύποι γεωθερμικών αποθεμάτων Τα υδροθερμικά αποθέματα (δεξαμενές) διαθέτουν φυσική κυκλοφορία θερμού νερού ή ατμού Ορισμένα υδροθερμικά αποθέματα έχουν περισσότερο ατμό, ενώ άλλα περιέχουν μίγμα νερού-ατμού 21

Δυναμικό Αποθεμάτων (3/8) Οι υδροθερμικές δεξαμενές ξηρού ατμού είναι οι περισσότερο ελκυστικές οικονομικά Οι δεξαμενές υγρού ατμού έχουν συνήθως χαμηλότερες θερμοκρασίες και απαιτούν διάφορα φίλτρα απομάκρυνσης νερού, που μειώνουν την απόδοση του στροβίλου 22

Δυναμικό Αποθεμάτων (4/8) Οι δεξαμενές υγρού ατμού είναι 20 φορές πιο διαδεδομένες από τις γεωθερμικές πηγές ξηρού ατμού Επειδή τα αποθέματα υγρού ατμού έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία, χρησιμοποιούνται με διάφορα χαμηλού σημείου βρασμού ψυκτικά μέσα, (πχ. ισοβουτάνιο, freon TM) 23

Δυναμικό Αποθεμάτων (5/8) Στο σύστημα αυτό (δυαδικού κύκλου) η γεωθερμική ενέργεια εξατμίζει το ψυκτικό σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία Το εξατμισμένο ψυκτικό ακολούθως εκτονώνεται για την λειτουργία κάποιας στροβιλογεννήτριας Το ίδιο σύστημα εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρή κλίμακα στον κλιματισμό (θέρμανση ή ψύξη) κατοικιών 24

Δυναμικό Αποθεμάτων (6/8) Τα γεωπιεστικά αποθέματα αποτελούνται από πορώδη πετρώματα και άμμο που περιέχει νερό, συνήθως υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασία Η ενέργεια των αποθεμάτων αυτών παράγεται από θερμό νερό, υδραυλική πίεση και διαλυμένο φυσικό αέριο Το θερμό νερό όταν μετατραπεί σε ατμό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την λειτουργία κάποιας στροβιλογεννήτριας 25

Δυναμικό Αποθεμάτων (7/8) Η πίεση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την λειτουργία κάποιου υδροστροβίλου, όπως και στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια Το φυσικό αέριο εξάγεται και χρησιμοποιείται ως καύσιμος υδρογονάνθρακας Αν και μέχρι σήμερα δεν υφίσταται εκμετάλλευση των αποθεμάτων αυτών, μελλοντικά αναμένεται η εκμετάλλευση τους 26

Δυναμικό Αποθεμάτων (8/8) Ένας άλλος τύπος γεωθερμικού αποθέματος (δεξαμενής) είναι το θερμό-ξηρό πέτρωμα Το πέτρωμα αυτό θερμαίνεται από ραδιενεργά υλικά και δεν έρχεται σε επαφή με το νερό Το στοιχεία δείχνουν ότι το θερμό-ξηρό πέτρωμα αποτελεί ίσως το μεγαλύτερο διαθέσιμο γεωθερμικό απόθεμα Αν και δεν έχει αναπτυχθεί κάποια ευρείας κλίμακας τεχνολογία για την αξιοποίηση του ενεργειακού αυτού αποθέματος έχουν προταθεί ορισμένες τεχνικές, με επικρατέστερο τον υδραυλικό θρυμματισμό 27

Η Γεωθερμική ενέργεια στην Ελλάδα (1/4) Στην χώρα μας έχουν εντοπιστεί αξιόλογα γεωθερμικά πεδία στις νήσους Μήλο και Νίσυρο σε βάθος πάνω από 1.300 m Και τα δύο κοιτάσματα αποτελούνται από μίγμα ατμού νερού (άλμης) σε αναλογία περίπου δύο προς ένα (2 : 1) και είναι αξιοποιήσιμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Στο άμεσο μέλλον προγραμματίζεται η εγκατάσταση δύο μικρών μονάδων πιλότων που θα αντικαταστήσουν τους πετρελαϊκούς σταθμούς των νησιών 28

Η Γεωθερμική ενέργεια στην Ελλάδα (2/4) Έχουν εντοπιστεί επίσης και άλλα γεωθερμικά πεδία τα οποία ήδη αξιοποιούνται για γεωργικούς σκοπούς (θερμοκήπια) στην Ν. Κεσσάνη Ξάνθης και στον Πολυχνίτο Λέσβου Οι έρευνες συνεχίζονται για την ανακάλυψη και αξιοποίηση και άλλων πεδίων (Θερμοπύλες, Αιδηψός, Καρδίτσα κλπ) 29

Η Γεωθερμική ενέργεια στην Ελλάδα (3/4) Με νομοθετική διάταξη (2009) ρυθμίζονται θέματα χρήσης της γεωθερμίας για την θέρμανση και ψύξη χώρων και εγκαταστάσεων Έτσι, γίνεται εκμετάλλευση υπόγειων και επιφανειακών νερών με θερμοκρασία κατώτερη των 25 C 30

Η Γεωθερμική ενέργεια στην Ελλάδα (5/4) Απλοποιούνται οι διαδικασίες για αδειοδότηση ανοιχτού τύπου εγκαταστάσεων χρήσης της γεωθερμίας για θέρμανση και ψύξη κτιρίων και εγκαταστάσεων με ταυτόχρονη εξοικονόμηση ενέργειας Επιτρέπεται η χρήση κλειστών συστημάτων θέρμανσης και ψύξης χωρίς άδεια για χρήση νερού και σε περιοχές που απαγορεύονται οι υδρογεωτρήσεις, όπως και η χρήση γεωθερμίας στα θερμοκήπια 31

Υδραυλικός θρυμματισμός (1/2) Η διαδικασία του υδραυλικού θρυμματισμού εφαρμόζει την υπό πίεση αποστολή ψυχρού νερού σε κάποιο θερμό-ξηρό πέτρωμα (σε βάθος 2.500 m) Το ψυχρό νερό θρυμματίζει το πέτρωμα και ακολούθως διερχόμενο από αυτό απορροφά την θερμική του ενέργεια Το παραγόμενο θερμό νερό και ο ατμός, επιστρέφουν στην επιφάνεια για την λειτουργία κάποιας στροβιλογεννήτριας 32

Υδραυλικός θρυμματισμός (2/2) 33

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας ταξινομούνται σε συστήματα ανοιχτού και κλειστού κύκλου Τα συστήματα ανοιχτού κύκλου ή συστήματα πηγής νερού, χρησιμοποιούν νερό από την γη ως μέσο μεταφοράς θερμότητας και στην συνέχεια, με κάποια μέσα, επιστρέφουν το νερό στη γη Το νερό συνήθως προέρχεται από κάποια πηγή, ποτάμι ή λίμνη Για την σωστή λειτουργία ενός συστήματος ανοιχτού κύκλου απαιτούνται μεγάλες ποσότητες καθαρού νερού Το νερό αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως πόσιμο 34

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Τα συστήματα κλειστού κύκλου επαναχρησιμοποιούν το ίδιο ρευστό μεταφοράς θερμότητας που κυκλοφορεί μέσα στους υπόγειους πλαστικούς σωλήνες, που διέρχονται κάτω από το έδαφος ή μέσα από μια πηγή ή λίμνη νερού Τα συστήματα κλειστού κύκλου χρησιμοποιούνται όταν το νερό είναι πλούσιο σε μεταλλικά άλατα απαγορεύεται για περιβαλλοντικούς λόγους η χρησιμοποίηση συστημάτων ανοιχτού κύκλου δεν υπάρχει αρκετό νερό για την υποστήριξη ενός συστήματος ανοιχτού κύκλου 35

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Συστήματα ανοιχτού κύκλου: Μεταφέρουν την θερμότητα από μια πηγή νερού προς τον αέρα που κυκλοφορεί για τον κλιματισμό ενός χώρου και αντίστροφα Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν νερό από την γη ως μέσο μεταφοράς της θερμότητας, το οποίο νερό στην συνέχεια επιστρέφει στην γη 36

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, η θερμότητα μεταφέρεται από την πηγή του νερού προς τον κλιματιζόμενο χώρο, ενώ κατά την διάρκεια της ψύξης η θερμότητα αφαιρείται από τον κλιματιζόμενο χώρο και απορρίπτεται στο νερό Στα συστήματα γεωθερμικών αντλιών θερμότητας δεν απαιτούνται συστήματα αποπάγωσης (απόψυξης) 37

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 38

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 39

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 40

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Συστήματα κλειστού κύκλου: Στα συστήματα αντλιών θερμότητας κλειστού κύκλου, χρησιμοποιούνται πολλά μέτρα πλαστικού σωλήνα που θάβεται κάτω από τη γη Ο σωλήνας μπορεί να τοποθετείται οριζόντια ή κατακόρυφα, γεγονός που εξαρτάται από την ηλιοφάνεια του τόπου και από την έκταση της γης που υπάρχει διαθέσιμη 41

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 42

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Συστήματα κλειστού κύκλου: Μέσα στους πλήρως στεγανούς σωλήνες που είναι θαμμένοι κάτω από τη γη, κυκλοφορεί υπό πίεση νερό και αντιψυκτικό διάλυμα, με την βοήθεια μιας φυγοκεντρικής αντλίας, χαμηλής ισχύος Δια μέσου αυτών των σωλήνων και κατά τους χειμερινούς μήνες (θέση θέρμανσης) μεταφέρεται η θερμότητα του εδάφους προς τον θερμαινόμενο χώρο, ενώ κατά τους θερινούς μήνες (θέση ψύξης) απορρίπτεται θερμότητα από το ρευστό που κυκλοφορεί προς το έδαφος 43

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Το ρευστό που κυκλοφορεί μέσα στους πλαστικούς σωλήνες εναλλάσσει ενέργεια με ένα ψυκτικό μέσο Η εναλλαγή θερμότητας μεταξύ αντιψυκτικού και ψυκτικού μέσου γίνεται σε εναλλάκτη θερμότητας ομοαξονικών αυλών 44

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας Συστήματα κλειστού κύκλου: Δεν υπάρχουν επικαθήσεις ή φθορές στους αυλούς του εναλλάκτη καθώς στο εσωτερικό του κυκλοφορεί το ίδιο επεξεργασμένο και βελτιωμένο νερό Αυτό αποτελεί βασικό πλεονέκτημα των συστημάτων κλειστού κύκλου ως προς αυτά του ανοιχτού κύκλου 45

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 46

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 47

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 48

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 49

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 50

Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 51

Τέλος Ενότητας 52

Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Σκόδρας Γεώργιος. «Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https:// eclass.uowm.gr/courses/mech244/ 53

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Όχι Παράγωγα Έργα Μη Εμπορική Χρήση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] h t t p ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό 54

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 55