Εγκρίνεται η Πτυχιακή Εργασία Καβάλα, / /2010

Εγκρίνεται η Πτυχιακή Εργασία Καβάλα, / /2010 Η επιβλέπουσα Καθηγήτρια Ο Προϊστάμενος του Τμήματος Κόγια Φωτεινή Σωτηρόπουλος Φίλιππος Η Εξεταστική Επιτροπή 1. Κόγια Φωτεινή 2. Ανδρεάδου Ελισάβετ 3. Αντωνιάδης Αντώνιος ii

Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΗΠΕΙΡΟΥ Σπουδαστές Δαμάλας Ι. Θωμάς Α.Ε.Μ.: 4186 Ντούβαλης Π. Άγγελος Α.Ε.Μ.: 4205 Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα, Μάιος 2010 iii

Αφιερώνεται σε όλη μου την οικογένεια και ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους αγαπημένους μου γονείς Μαρία και Παναγιώτη που σε όλες τις στιγμές της ζωής μου είναι δίπλα μου και με τη μοναδική τους αγάπη και την έμπρακτη συμπαράστασή τους με βοηθούν έτσι ώστε να πετύχω τους στόχους που έχω θέσει στη ζωή μου. Ντούβαλης Π. Άγγελος Αφιερώνεται σε όλη μου την οικογένεια και ιδιαίτερα στους αγαπημένους μου γονείς Ιωάννη και Κωνσταντίνα που ήταν το έναυσμα για να ακολουθήσω αυτόν τον κλάδο και έτσι θα είναι πάντα δίπλα μου, να στηρίζουν κάθε μου κίνηση και μου δίνουν δύναμη και κουράγιο να προχωρώ στη ζωή. Δαμάλας Ι. Θωμάς iv

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την καθηγήτρια του Τ.Ε.Ι. Καβάλας κ. Κόγια Γρ. Φωτεινή για την εμπιστοσύνη που μας έδειξε με την ανάθεση της παρούσας Πτυχιακής Εργασίας και για τη γενική καθοδήγηση που μας παρείχε για τη διεκπεραίωσή της. v

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μας Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μας στο Τμήμα Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε το Σεπτέμβριο του 2009 και ολοκληρώθηκε το Μάιο του 2010, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα Εργασία είχε ως σκοπό τη μελέτη της αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας της Ηπείρου. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στην ενέργεια και στα ορυκτά καύσιμα γενικά. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναδρομή στη γεωθερμία, που είναι και η ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που μελετούμε στην παρούσα Πτυχιακή Εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται παρουσίαση της γεωμορφολογίας και γενικών στοιχείων της Ηπείρου. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται η αναλυτική παρουσίαση όλων των στοιχείων του γεωθερμικού πεδίου, όπως παραγωγικές και ερευνητικές γεωτρήσεις, χημική ανάλυση των στοιχείων υγρών, αερίων και στερεών που εντοπίστηκαν κατά τη διάρκεια των γεωτρήσεων, καθώς και αναφορά των τομέων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί η γεωθερμική ενέργεια βάσει των θερμοκρασιών του νερού του συγκεκριμένου πεδίου. Τέλος στο Κεφάλαιο 5 διατυπώνονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την πραγματοποιούμενη μελέτη των γεωθερμικών πεδίων στην εν λόγω περιοχή και παρουσιάζονται οι διαδικασίες και το κόστος αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας. Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί σημαντική Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειας καθώς είναι αξιοποιήσιμη εικοσιτέσσερις ώρες το εικοσιτετράωρο, είναι φθηνότερη, συνεπώς και ανταγωνιστικότερη σε σχέση με τις άλλες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Στην περιοχή της Ηπείρου η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας βρίσκεται σε στάδια ανάπτυξης, οπότε η μελλοντική εκμετάλλευσή της θα είναι σημαντικό πλεονέκτημα για την περιοχή. Καβάλα, Μάιος 2010 vi

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΓΚΡΙΝΕΤΑΙ ΕΞΩΦΥΛΛΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΑΦΙΕΡΩΝΕΤΑΙ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ ii ii iii iii iv iv v vi vi viii ix xii xiii x xi xvi ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1.1 ΓΕΝΙΚΑ 1 1.2 ΑΠΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΑ ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 7 1.3 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 11 2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ 11 2.2 Η ΦΥΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ 12 2.3 ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΠΟΥ ΕΥΝΟΟΥΝ ΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ 17 2.4 ΦΥΣΙΚΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΠΕΔΙΑ 19 2.5 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 20 2.6 ΙΣΤΟΡΙΚΟ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ 22 2.7 ΑΜΕΣΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ 26 2.8 ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 34 2.9 ΤΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΠΕΔΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 35 vii

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΟΧΗ 38 3.1 ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΗΠΕΙΡΟΥ 38 3.1.1 ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑ 38 3.2 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑΤΟΣ ΗΠΕΙΡΟΣ 40 3.2.1 ΘΕΣΗ ΚΑΙ ΟΡΙΑ ΤΗΣ ΗΠΕΙΡΟΥ 40 3.3 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΕΔΑΦΟΥΣ 40 3.3.1 ΟΡΕΙΝΟΙ ΟΓΚΟΙ 40 3.4 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 43 3.4.1 ΠΟΤΑΜΙΑ 43 3.4.2 ΛΙΜΝΕΣ 44 3.4.3 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΛΕΚΑΝΕΣ 44 3.5 ΚΛΙΜΑ 48 3.6 ΣΕΙΣΜΟΙ 48 3.6.1 ΓΕΩΛΟΓΙΚΑ ΓΕΩΤΕΚΤΟΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 48 3.6.2 ΣΤΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΕΔΑΦΟΥΣ 51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΤΗΝ ΗΠΕΙΡΟ 54 4.1 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΗΠΕΙΡΟ 54 4.2 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΠΕΔΙΑ ΤΗΣ ΗΠΕΙΡΟΥ 55 4.2.1 ΠΗΓΕΣ ΚΑΒΑΣΙΛΩΝ 56 4.2.2 ΠΗΓΕΣ ΑΜΑΡΑΝΤΟΥ 57 4.2.3 ΠΕΡΙΟΧΗ ΣΥΚΙΩΝ 67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 70 5.1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 70 5.2 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΑΜΑΡΑΝΤΟΥ 72 5.3 ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΓΕΝΙΚΟΥ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΟΣ 72 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 74 viii

ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1 Λονδίνο 1952 3 Εικόνα 1.2 Πετρελαϊκή κρίση 1973 4 Εικόνα 1.3 Όξινη βροχή 1982 5 Εικόνα 1.4 Exxon Valdez 6 Εικόνα 1.5 Chernobyl 1986 6 Εικόνα 2.1 Καλυμμένη λιμνούλα στην περιοχή Larderello 24 Εικόνα 2.2 H μηχανή που χρησιμοποιήθηκε στο Larderello 25 Εικόνα 2.3 Εφαρμογές γεωθερμίας 37 Εικόνα 3.1 Η οροσειρά της Τύμφης 41 Εικόνα 3.2 Η κορυφή Γκαμήλα στην Κόνιτσα 42 Εικόνα 3.3 Η πύργοι της Αστράκας 42 Εικόνα 3.4 Ποταμός Βοιδομάτης 43 Εικόνα 3.5 Εικόνα 3.6 Εικόνα 3.7 Εικόνα 3.8 Εικόνα 4.1 Πέτρινη γέφυρα στο Βοιδομάτη 44 Λίμνη Παμβώτιδα 45 Η Δρακολίμνη 45 Ασβεστολιθικά πετρτώματα 51 Γεωφυσικός χάρτης Ελλάδας στον οποίο είναι μαρκαρισμένη η περιοχή της Ηπείρου 55 ix

ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1 Ενέργεια υπάρχει παντού 2 Σχήμα 2.1 Προέλευση γεωθερμικής ενέργειας 11 Σχήμα 2.2 Τεκτονικές πλάκες, μεσωκεάνιες ράχες, ωκεάνιες τάφροι, ζώνες καταβύθισης και γεωθερμικά πεδία 16 Σχήμα 2.3 Πρότυπο (μοντέλο) ενός γεωθερμικού συστήματος 21 Σχήμα 2.4 Ο φλοιός, ο μανδύας και ο πυρήνας της Γης 23 Σχήμα 2.5 Χρήσεις γεωθερμικής ενέργειας 27 Σχήμα 2.6 Διάγραμμα ροής του συστήματος τηλεθέρμανσης του Reykjavik 29 Σχήμα 2.7 Επίδραση της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη κάποιων φυτών 30 Σχήμα 2.8 Συστήματα θέρμανσης σε γεωθερμικά θερμοκήπια 32 Σχήμα 2.9 Επίδραση της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη ή παραγωγή ζώων που εκτρέφονται για κατανάλωση 33 Σχήμα 3.1 Σχήμα 4.1 Σχήμα 4.2 Σχήμα 4.3 Σχήμα 4.4 Χάρτης Ηπείρου Σύστημα γεωθερμικού πεδίου Χάρτης περιοχής Καβάσιλων και Αμαράντου Παραγωγική γεώτρηση στις Συκιές Άρτας Χάρτης Συκιών Άρτας 39 56 57 66 69 Σχήμα 5.1 Γεωθερμικά πεδία της Ελλάδας 71 x

ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 4.1 Οριοθέτηση βεβαιωμένου γεωθερμικού πεδίου 67 Πίνακας 4.2 Γεωτρήσεις πεδίου 68 Πίνακας 4.3 Χημικές αναλύσεις δειγμάτων νερού γεωτρήσεων περιοχής Συκιών 68 xi

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓH 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Ζωή και ενέργεια είναι δυο έννοιες άρρηκτα δεμένες. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί για να επιζήσουν απαιτούν ενέργεια, αλλά και οι φυσικές όπως και οι ανθρωπογενείς διαδικασίες απαιτούν ενέργεια. Οτιδήποτε κινείται ή προκαλεί κίνηση διαθέτει ενέργεια, ο Ήλιος ακτινοβολεί την ενέργειά του, όταν καίμε ξύλα στο τζάκι απελευθερώνεται ενέργεια που τη νιώθουμε σαν ζέστη, οι πυλώνες της Δ.Ε.Η. μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια, ακόμη στους πυρηνικούς αντιδραστήρες η πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Δε μπορούμε πάντοτε να την παρατηρήσουμε, αλλά αισθανόμαστε πάντα την επίδρασή της σε εμάς και γενικότερα στον κόσμο μας. Η ενέργεια λοιπόν υπάρχει παντού, μας περιβάλλει, αλλά εμφανίζεται και μέσα στους οργανισμούς μας. Ενέργεια ονομάζεται η ικανότητα παραγωγής έργου ή ακόμη η ικανότητα οργάνωσης ή αλλαγής της ύλης. Ο όρος ενέργεια αποτελείται από τα συνθετικά εν και έργο, δηλαδή έργο μέσα σε κάποιο σώμα. Το έργο σχετίζεται με την αλλαγή, την κίνηση ή τη στήριξη και ισοδυναμεί με την ενέργεια που δόθηκε στο αντικείμενο. Η ύλη, όταν προσλάβει ενέργεια, μπορεί να αποκτήσει διαφορετική οργάνωση στη δομή της (από στερεή να γίνει υγρή ή αέρια), ακόμη και να αλλάξει τη δομή της π.χ. με χημική αντίδραση. Η ενέργεια είναι φυσική ποσότητα που μπορεί να μετρηθεί και καθορίζει ποιες αλλαγές, γεγονότα ή φυσικά φαινόμενα είναι δυνατόν να συμβούν. Δεν καθορίζει όμως αν θα συμβούν, μια που αυτό εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες. Για παράδειγμα, η ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ απαραίτητη συνθήκη για να θερμανθεί το περιβάλλον από ένα θερμό σώμα (έχει αποθηκευμένη ενέργεια) είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος να είναι χαμηλότερη από αυτήν του θερμού σώματος. Η έννοια της ενέργειας χρησιμοποιείται και ευρύτερα, όταν αναφερόμαστε σε κοινωνικές, πολιτικές, πολιτιστικές, αισθητικές δραστηριότητες. Σχήμα 1.1 Ενέργεια υπάρχει παντού Σήμερα, σε Παγκόσμιο επίπεδο η ενέργεια παράγεται, κατά κύριο λόγο, από την καύση των ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο, το ενεργειακό μοντέλο που ξεκίνησε από τις αρχές του 20 ου αιώνα και συνεχίζεται μέχρι σήμερα, δημιουργεί δύο σημαντικά προβλήματα: ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Επάρκειας εφοδιασμού. Οι Παγκόσμιες απαιτήσεις για ενέργεια αυξάνουν συνεχώς, ενώ τα ορυκτά καύσιμα εξαντλούνται με ταχείς ρυθμούς, χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα ανανέωσής τους. Περιβαλλοντικής επιβάρυνσης. Η χρήση των ορυκτών καυσίμων και της πυρηνικής ενέργειας επηρέασε τις κλιματικές συνθήκες του Πλανήτη, συσσώρευσε αέριους ρύπους στην ατμόσφαιρα, ρύπανε σε σημαντική έκταση τα επιφανειακά ύδατα του πλανήτη, μείωσε τη βιοποικιλότητα και ακόμη μόλυνε περιοχές λόγω των πυρηνικών αποβλήτων. Ενδεικτικά : Το 1952 στο Λονδίνο αναφέρονται χιλιάδες θάνατοι, όταν η άπνοια παγίδεψε τους αέριους ρύπους των εργοστασίων πάνω από την πόλη και δημιούργησε το τραγικό αυτό συμβάν. Εικόνα 1.1 Λονδίνο 1952 ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το 1973 εκδηλώνεται η πρώτη ενεργειακή κρίση όταν η τιμή του πετρελαίου πενταπλασιάστηκε μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα. Διαπιστώνεται η άμεση σχέση της ενεργειακής πολιτικής και της εθνικής ανεξαρτησίας μιας χώρας, αλλά και συνειδητοποιείται το γενικότερο πρόβλημα του εξαντλήσιμου των ενεργειακών αποθεμάτων. Εξαγγέλλονται προγράμματα εξοικονόμησης ενέργειας και αναζητούνται άλλες ενεργειακές πηγές. Εικόνα 1.2 Πετρελαϊκή κρίση 1973 ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το 1982 εμφανίζονται τα πρώτα συμπτώματα καταστροφής των δασών της Κεντρικής Ευρώπης λόγω της όξινης βροχής. Αιτία η καύση των υδρογονανθράκων ή γαιανθράκων σε μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 1.3 Όξινη βροχή 1982 Το 1989, το ναυάγιο του πετρελαιοφόρου Exxon Valdez στον κόλπο Prince William Sound της Αλάσκας, μας υπενθύμισε το κόστος της χρήσης εξήντα εκατομμύριων βαρελιών πετρελαίου την ημέρα. Το 1986 στην Ουκρανία γίνεται έκρηξη στην πυρηνική μονάδα του Τσέρνομπιλ. Το ραδιενεργό νέφος, εκτός από την γύρω περιοχή, έπληξε το μεγαλύτερο μέρος της Κεντρικής και Δυτικής Ευρώπης αλλά και μέρος της χώρας μας. Τα δυσμενή αποτελέσματα καταμετρούνται ακόμη και σήμερα. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικόνα 1.4 Exxon Valdez Εικόνα 1.5 Chernobyl 1986 Για να ανασταλούν τα επιβλαβή περιβαλλοντικά φαινόμενα πρέπει να ληφθούν μέτρα. Επισημαίνεται όμως, ότι κάθε μέτρο πρέπει να μην αναστέλλει την οικονομική ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ανάπτυξη, αλλά ούτε και τη συνεχή προσπάθεια για καλύτερες συνθήκες καθημερινής διαβίωσης για όλο και μεγαλύτερα τμήματα του πληθυσμού της Γης. 1.2 ΑΠΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΑ ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Τα ορυκτά καύσιμα, που συντελούν τα μέγιστα στην αλλαγή του κλίματος, τελειώνουν. Μαζί τους όμως παρασύρουν τον Πλανήτη σε μια φλεγόμενη πορεία καταστροφής. Όσοι, λοιπόν, περιορίζουν το πρόβλημα της ενέργειας στην έλλειψη πόρων και τις υψηλές τιμές των καυσίμων, προφανώς αδιαφορούν για την υπερθέρμανση του πλανήτη και την ανάγκη για άμεση μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Οι μερικές χιλιάδες επιστήμονες από όλο τον κόσμο που μετέχουν στη διακυβερνητική επιτροπή του Ο.Η.Ε. για την κλιματική αλλαγή (IPCC) είναι σαφέστατοι όταν αναφέρουν ότι το 2050 θα πρέπει να έχουμε μειώσει τις εκπομπές κατά τουλάχιστον 60-80% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990, αν θέλουμε να αποφύγουμε τα χειρότερα της κλιματικής αλλαγής. Δηλαδή, αν θέλουμε να αποφύγουμε τη δημιουργία εκατομμυρίων περιβαλλοντικών προσφύγων, τις διαμάχες για το νερό, την απώλεια χιλιάδων ειδών βιοποικιλότητας. Πέρα από κάθε αμφιβολία, πρέπει να μπούμε σε μια πορεία σταδιακής απεξάρτησης από πετρέλαιο και λιθάνθρακα, για να μειώσουμε τις εκπομπές και να περισώσουμε ότι είναι δυνατό. Η ερώτηση όμως είναι αν μπορούμε να το κάνουμε και πόσο θα στοιχίσει. Ξεκινώντας από το δεύτερο σκέλος της ερώτησης, ας τονίσουμε ότι το κόστος καταπολέμησης της κλιματικής αλλαγής είναι σημαντικό, αλλά όχι απαγορευτικό. Αντιθέτως, το κόστος της αδράνειας θα είναι πολλαπλάσιο και θα επιφέρει συντριπτικό πλήγμα στο σύνολο της παγκόσμιας οικονομίας. Σύμφωνα με έρευνα του Πανεπιστημίου Tufts των Η.Π.Α., η Παγκόσμια δαπάνη δύο (2) τρισεκατομμυρίων ευρώ ετησίως για επαρκή μείωση των εκπομπών, μπορεί να αποτρέψει ζημιές ύψους εννέα (9) τρισεκατομμυρίων ευρώ. Επιπλέον, ο διάσημος οικονομολόγος Nicholas Stern δημοσίευσε πρόσφατα μια νέα μελέτη, όπου σημειώνει πως είχε υποεκτιμήσει το κόστος της Παγκόσμιας υπερθέρμανσης. Θυμίζουμε ότι στη διάσημη πρώτη έκθεσή της, η ομάδα Stern είχε υπολογίσει ότι η κλιματική αλλαγή θα προκαλέσει σωρευτικές ζημιές ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ της τάξης του 5-20% του Παγκοσμίου Α.Ε.Π., ενώ η έγκαιρη δράση θα στοιχίσει μόλις το 1% του Α.Ε.Π. Επιστρέφοντας στο πρώτο σκέλος της ερώτησης, η απάντηση είναι μία και μοναδική: Λύσεις υπάρχουν και είναι άμεσα διαθέσιμες, αρκεί να υπάρξει πολιτική βούληση. Ειδικά για την Ελλάδα, μια χώρα που ευτυχώς δεν διαθέτει άκαμπτες ενεργειακές δομές και βαριές Βιομηχανίες (με θλιβερή εξαίρεση τη Δ.Ε.Η.), οι λύσεις είναι ακόμα πιο εύκολα υλοποιήσιμες. Ενδεικτικά, για την ηλεκτροπαραγωγή έως το 2020 είναι εφικτή η εξοικονόμηση ενέργειας κατά 20% σε σχέση με το σενάριο αναμενόμενης εξέλιξης, η είσοδος των ανανεώσιμων πηγών κατά 35% στην τελική κατανάλωση ενέργειας, η σταδιακή απόσυρση λιγνιτικών μονάδων και η αποτροπή κάθε επένδυσης σε λιθάνθρακα. Το WWF Ελλάς, μάλιστα, σύντομα θα ανακοινώσει τη δική του συνεισφορά στον διάλογο για την πορεία της χώρας προς μια «οικονομία χαμηλής έντασης άνθρακα», δημοσιεύοντας έναν «οδικό χάρτη» μείωσης των εκπομπών και κάλυψης των ενεργειακών αναγκών έως το 2050. Η ενεργειακή κρίση μπορεί να αποτελέσει την αφορμή για μια νέα «ενεργειακή επανάσταση» χαράζοντας τη «μετά το πετρέλαιο εποχή». Αν η διεθνής οικονομία, όμως, συνεχίσει να σκοντάφτει στην αδράνεια όσων έχουν βολευτεί με τη σημερινή κατάσταση, τότε η πορεία προς έναν κοινωνικά άδικο και περιβαλλοντικά και οικονομικά καταστροφικό ενεργειακό χάρτη είναι αναπόφευκτη. Η έξοδος από την ενεργειακή κρίση είναι και εφικτή και ορατή (χωρίς τη χρήση πυρηνικών). Απαιτεί όμως γενναία στροφή τόσο σε πολιτικό όσο και σε κοινωνικό επίπεδο. 1.3 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αφού, λοιπόν, μεγάλο μέρος των περιβαλλοντικών προβλημάτων προέρχεται από τον τομέα της ενέργειας, στόχος είναι: η παραγωγή καθαρής ενέργειας, για τον περιορισμό των εκπομπών καυσαερίων από τους συμβατικούς θερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ η βέλτιστη αξιοποίηση των καυσίμων και της διατιθέμενης ενέργειας, με τη μείωση των απωλειών: κατά τη μετατροπή της ενέργειας από μια μορφή σε άλλη (π.χ. της θερμικής σε μηχανική, της μηχανικής σε ηλεκτρική κ.λπ.), κατά τη μεταφορά της ενέργειας από την παραγωγή στην κατανάλωση (π.χ. στις γραμμές μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας, στα δίκτυα ζεστού νερού ή ατμού κ.λπ.) και στην τελική χρήση της ενέργειας, με τη χρήση συσκευών και εξοπλισμού χαμηλής ενεργειακής απόδοσης, όπου για το επιθυμητό αποτέλεσμα (θέρμανση, ψύξη, εξαερισμό ή φωτισμό χώρων, παραγωγή ή επεξεργασία πρώτων υλών ή προϊόντων κ.λπ.) καταναλώνεται περισσότερη ενέργεια από όση θα ήταν απαραίτητη. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με: την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.), με τις οποίες παράγεται χρήσιμη (αξιοποιήσιμη) ενέργεια χωρίς τη χρήση ορυκτών καυσίμων, τη βέλτιστη αξιοποίηση των καυσίμων, χρησιμοποιώντας διαδικασίες παραγωγής ενέργειας με υψηλή απόδοση, ώστε να αξιοποιείται πληρέστερα η χημική ενέργεια που εμπεριέχουν τα ορυκτά ή άλλα καύσιμα. Τις απαιτήσεις της βέλτιστης αξιοποίησης των διατιθέμενων καυσίμων τις καλύπτουν τα συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (Σ.Η.Θ.). τη μείωση των απωλειών κατά τη μεταφορά, διανομή και, κυρίως, κατά την τελική χρήση της ενέργειας, με τη χρήση ενεργειακά αποδοτικών εγκαταστάσεων και εξοπλισμού και φυσικά με την αύξηση της εξοικονόμησης ενέργειας, αποφεύγοντας τη χρήση ενεργοβόρων συσκευών ή λειτουργώντας τις συσκευές όποτε και όσο είναι απαραίτητο (αναμμένα φώτα την ημέρα, ανοιχτός κλιματισμός και ανοιχτά παράθυρα για εξαερισμό κ.λπ.). ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με τον τρόπο αυτό αξιοποιούνται: οι φυσικά ανανεώσιμοι πόροι (Α.Π.Ε.: Ήλιος, άνεμος, νερά, βιομάζα, γεωθερμία), περιορίζοντας τα εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα τα ορυκτά καύσιμα, συμβάλλοντας στην παράταση του χρόνου χρήσης τους, αλλά κυρίως βελτιστοποιώντας το ενεργειακό μίγμα των επιχειρήσεων και της χώρας, που σημαίνει μεγαλύτερη ασφάλεια εφοδιασμού με ενεργειακούς πόρους και η διατιθέμενη ενέργεια, μειώνοντας αφενός το κόστος χρήσης της, με συνέπεια την εκλογίκευση της μεταφοράς του κόστους αυτού στα παραγόμενα προϊόντα και υπηρεσίες και αφετέρου τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την παραγωγή, μεταφορά και αξιοποίησή της. Όπως προαναφέρθηκε, ένας από τους βέλτιστους τρόπους αξιοποίησης των καυσίμων είναι η συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (Σ.Η.Θ.). Η Σ.Η.Θ. δεν είναι ιδιαίτερη τεχνολογία, αλλά συνδυασμός δοκιμασμένων, αξιόπιστων και οικονομικά αποδοτικών τεχνολογιών που, συμβάλλοντας στην κάλυψη της ζήτησης σε ηλεκτρική και θερμική ενέργεια, οδηγούν σε σημαντική εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ Η ίδια η ετυμολογία της λέξης γεωθερμία, μας παραπέμπει σε θερμότητα, η οποία εκπέμπεται από τη Γη και έχει συνήθως υψηλή θερμοκρασία. Με τον όρο γεωθερμία, ορίζουμε τη θερμότητα που εκλύεται από τους γεωλογικούς σχηματισμούς, από τους σχηματισμούς πετρωμάτων και από τον υπόγειο και επιφανειακό υδροφόρο ορίζοντα. Σύμφωνα με την εκάστοτε θερμοκρασία του υπεδάφους ή του υπόγειου ή του επιφανειακού υδροφόρου ορίζοντα, η γεωθερμία, διαχωρίζεται σε γεωθερμία με γεωθερμικό δυναμικό χαμηλής, μέσης ή υψηλής ενθαλπίας. Σχήμα 2.1 Προέλευση γεωθερμικής ενέργειας Η ενθαλπία, η οποία σε γενικές γραμμές θεωρείται ότι είναι ανάλογη της θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται για να εκφράσει την περιεχόμενη θερμική ενέργεια των ρευστών και δίνει μια γενική εικόνα της ενεργειακής «αξίας» τους. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ανάλογα με τη θερμοκρασία των ρευστών που ανέρχονται στην επιφάνεια, η γεωθερμική ενέργεια χαρακτηρίζεται ως υψηλής ενθαλπίας (για θερμοκρασίες πάνω από 150 o C), μέσης ενθαλπίας (για θερμοκρασίες 100-150 o C) και χαμηλής ενθαλπίας (για θερμοκρασίες μικρότερες από 100 o C). Η γεωθερμική ενέργεια υψηλής ενθαλπίας χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισμού σε όλον τον κόσμο. Όταν η θερμοκρασία είναι μικρότερη των 25 o C και είναι κατάλληλη τόσο για τη θέρμανση όσο και για την ψύξη χώρων, τότε αναφερόμαστε στην αβαθή γεωθερμία, που εφαρμόζεται σε ολόκληρη την Ελληνική επικράτεια και χρησιμοποιείται για ιδία ενεργειακή χρήση - απαγορεύεται η μεταπώληση του ενεργειακού φορτίου. Οποιαδήποτε άλλη περίπτωση, όπου πρόκειται για συστήματα αξιοποίησης γεωθερμικού δυναμικού, ενδιαφέρει κυρίως επενδυτές και βρίσκεται σε συγκεκριμένα μήκη και πλάτη επί της Ελληνικής επικράτειας. Η χρήση του γεωθερμικού δυναμικού, προορίζεται για τηλεθέρμανση, για τον ιαματικό τουρισμό και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η προέλευση της θερμότητας της Γης δεν είναι με ακρίβεια γνωστή. Υπάρχουν διάφορες θεωρίες που αναφέρονται στους μηχανισμούς που συμμετέχουν στην παραγωγή της. Επικρατέστερη θεωρείται αυτή που αναφέρεται στη διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων του ουρανίου, του θορίου, του καλίου και άλλων στοιχείων. Η μάζα της Γης είναι πολύ μεγάλη σε σχέση με την επιφάνειά της και καλύπτεται από υλικά χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα η θερμότητά της να συγκρατείται στο εσωτερικό της. 2.2 Η ΦΥΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Η γεωθερμική βαθμίδα ορίζεται ως ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας της Γης σε συνάρτηση με το βάθος, μέσα στο γήινο φλοιό. Σε βάθη που είναι προσβάσιμα με τις σύγχρονες γεωτρητικές μεθόδους, δηλαδή μέχρι τα 10000 m, η μέση γεωθερμική βαθμίδα κυμαίνεται περίπου στους 2,5 3 ο C/100 m. Για παράδειγμα, εάν η θερμοκρασία στα πρώτα μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ανταποκρίνεται ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ κατά μέσο όρο στη μέση ετήσια θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα, δηλαδή στους 15 ο C, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι η θερμοκρασία στο βάθος των 2000 m θα είναι περίπου 65-75 ο C, στα 3000 m, 90-105 ο C κ.ο.κ. για μερικά ακόμα χιλιάδες μέτρα. Παρόλα αυτά, υπάρχουν πολλές περιοχές στις οποίες η γεωθερμική βαθμίδα αποκλίνει πολύ από τη μέση τιμή. Εκεί όπου το γεωλογικό υπόβαθρο έχει υποστεί πολύ γρήγορη βύθιση και η λεκάνη έχει πληρωθεί με γεωλογικά «πολύ νέα» ιζήματα, η γεωθερμική βαθμίδα μπορεί να είναι μικρότερη και από 1 ο C/100 m. Αντίθετα, σε μερικές «γεωθερμικές» καλούμενες περιοχές, η τιμή της γεωθερμικής βαθμίδας μπορεί να είναι και δεκαπλάσια της μέσης γήινης. Λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς ανάμεσα στα διάφορα στρώματα, προκαλείται ροή θερμότητας από τις βαθιές και θερμές ζώνες του υπεδάφους προς τις ρηχές και ψυχρότερες, τείνοντας έτσι στη δημιουργία ομοιόμορφων συνθηκών. Στην πραγματικότητα όμως, όπως πολύ συχνά συμβαίνει στη φύση, κάτι τέτοιο ουδέποτε επιτυγχάνεται πλήρως. Οι μέσες γήινες ροές θερμότητας στις ηπείρους και στους ωκεανούς είναι 65 και 101 MW/m 2 αντίστοιχα, οι οποίες, υπολογίζοντας την έκταση των περιοχών, δίνουν έναν Παγκόσμιο μέσο όρο της τάξης των 87 MW/m 2 (Pollack et al., 1993). Οι τιμές αυτές προέκυψαν μετά από 24774 μετρήσεις σε 20201 θέσεις, που καλύπτουν το 62% περίπου της γήινης επιφάνειας. Υπάρχουν βέβαια και κάποιοι εμπειρικοί υπολογισμοί που αναφέρονται σε γεωλογικές χαρτογραφικές μονάδες και επιτρέπουν την εκτίμηση της θερμικής ροής χωρίς να προηγηθούν μετρήσεις. Η ανάλυση της θερμικής ροής από τους Pollack et al. (1993) είναι η πιο πρόσφατη και η μόνη σε έντυπη μορφή. Το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Ντακότα, επιτρέπει σήμερα την πρόσβαση μέσω του Διαδικτύου σε μια ανανεωμένη βάση δεδομένων θερμικής ροής, που περιλαμβάνει στοιχεία τόσο από ωκεάνιες όσο και από ηπειρωτικές περιοχές. Η θερμοκρασία αυξάνεται με το βάθος, και τα ηφαίστεια, οι θερμοπίδακες (geysers), οι θερμές πηγές κ.λπ., αποτελούν κατά μία έννοια την ορατή εκδήλωση της θερμότητας του εσωτερικού της Γης. Η θερμότητα αυτή όμως προκαλεί και τη δημιουργία άλλων φαινομένων, που είναι λιγότερο διακριτά από τον άνθρωπο, τέτοιου μεγέθους όμως ώστε η ύπαρξή τους να οδηγεί στην παρομοίωση της Γης με μια τεράστια «θερμική μηχανή». Τα φαινόμενα αυτά αναφέρονται συνοπτικά στη «θεωρία των ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ τεκτονικών πλακών». Στη συνέχεια θα προσπαθήσουμε να τα περιγράψουμε με απλό τρόπο και να αναλύσουμε τη σχέση τους με τους γεωθερμικούς πόρους. Ο Πλανήτης μας αποτελείται από το φλοιό, το πάχος του οποίου κυμαίνεται από 20-65 km περίπου στις ηπειρωτικές περιοχές και 5 6 km στις ωκεάνιες, από το μανδύα, το πάχος του οποίου είναι κατά προσέγγιση 2.900 km και τον πυρήνα με ακτίνα περίπου 3.470 km. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του φλοιού, του μανδύα και του πυρήνα διαφέρουν από την επιφάνεια προς το κέντρο της Γης. Το εξωτερικό στερεό περίβλημα της Γης, γνωστό ως λιθόσφαιρα, αποτελείται από το φλοιό και το ανώτερο τμήμα του μανδύα. Έχοντας μεταβαλλόμενο πάχος, από λιγότερο των 80 km στις ωκεάνιες ζώνες μέχρι πάνω από 200 km στις ηπειρωτικές, η λιθόσφαιρα συμπεριφέρεται σαν ένα συμπαγές σώμα. Κάτω από τη λιθόσφαιρα βρίσκεται η ζώνη που ονομάζεται ασθενόσφαιρα, πάχους 200-300 km και με μια λιγότερο «συμπαγή» και περισσότερο «πλαστική» συμπεριφορά. Με άλλα λόγια, στη γεωλογική κλίμακα, όπου ο χρόνος μετριέται σε εκατομμύρια χρόνια, αυτό το τμήμα της Γης συμπεριφέρεται πιο κοντά με ένα ρευστό σε κάποιες διαδικασίες. Εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας ανάμεσα στα διάφορα τμήματα της ασθενόσφαιρας, δημιουργήθηκαν πριν από μερικές δεκάδες εκατομμύρια έτη μεταφορικές (συναγωγικές) κινήσεις μεταξύ της στερεάς βάσης αυτού του στρώματος και της βάσης του φλοιού και πιθανώς κάποιοι συναγωγικοί θύλακες. Οι κινήσεις αυτές θεωρούνται τα βασικά αίτια μετατόπισης των λιθοσφαιρικών πλακών. Είναι εξαιρετικά αργές, παρόλα αυτά σταθερές, λόγω της συνεχούς παραγωγής θερμότητας από τη διάσπαση των ραδιενεργών στοιχείων και της προσφοράς θερμότητας από τα μεγαλύτερα βάθη της Γης. Λόγω των κινήσεων αυτών, τεράστιοι όγκοι βαθύτερων και θερμών λιωμένων πετρωμάτων, με μικρότερη πυκνότητα και συνεπώς μικρότερο βάρος, ανέρχονται προς την επιφάνεια, ενώ ψυχρότερα και βαρύτερα πετρώματα, που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια, βυθίζονται, αναθερμαίνονται και ανεβαίνουν πάλι στην επιφάνεια. Στις ζώνες μικρού λιθοσφαιρικού πάχους, και κυρίως στις ωκεάνιες περιοχές, η λιθόσφαιρα ωθείται προς τα πάνω και στη συνέχεια κατακερματίζεται εξαιτίας της ανόδου των θερμών, και εν μέρει λιωμένων υλικών της ασθενόσφαιρας, εκεί όπου σχηματίζεται ο ανερχόμενος κλάδος των συναγωγικών θαλάμων. Αυτός ακριβώς είναι ο ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 14

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ μηχανισμός που δημιούργησε και συνεχίζει να δημιουργεί τις «εκτεινόμενες ράχες» (spreading ridges), οι οποίες εκτείνονται σε μήκος μεγαλύτερο των 60 km κάτω από τους ωκεανούς. Οι ράχες αυτές σε κάποιες περιοχές, όπως στις Αζόρες και την Ισλανδία, αναδύονται πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, ενώ σε άλλες, όπως στην Ερυθρά Θάλασσα, αναδύονται ανάμεσα στις ηπείρους. Ένα σχετικά μικρό ποσοστό αυτών των ασθενοσφαιρικών λιωμένων υλικών αναδύονται στην επιφάνεια της Γης μέσω των κορυφογραμμών των υποθαλάσσιων οροσειρών (ράχεων) και, ερχόμενα σε επαφή με το θαλασσινό νερό, ψύχονται, στερεοποιούνται και σχηματίζουν με τον τρόπο αυτό νέο ωκεάνιο φλοιό. Το μεγαλύτερο όμως μέρος του ασθενοσφαιρικού αυτού υλικού χωρίζεται σε δύο κλάδους, οι οποίοι κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις κάτω από τη λιθόσφαιρα, στη θέση ακριβώς των «μεσο-ωκεάνιων ράχεων». Η συνεχής δημιουργία νέου φλοιού και η απόκλιση του ωκεάνιου πυθμένα με ένα ρυθμό της τάξης των λίγων εκατοστών ανά έτος, προκαλεί συνεχή αύξηση της ωκεάνιας λιθόσφαιρας. Σε άλλα σημεία της λιθόσφαιρας σχηματίζονται τεράστιες κατακόρυφες διαρρήξεις, εκατέρωθεν των οποίων παρατηρείται οριζόντια μετακίνηση των λιθοσφαιρικών πλακών. Οι διαρρήξεις αυτές μπορούν να φτάσουν σε μήκος μερικών χιλιάδων χιλιομέτρων και ονομάζονται «ρήγματα μετασχηματισμού». Τα φαινόμενα αυτά οδηγούν σε μια εύστοχη παρατήρηση: αφού τελικά η συνολική επιφάνεια των λιθοσφαιρικών πλακών παραμένει περίπου σταθερή στο χρόνο, η συνεχής δημιουργία νέου φλοιού στις μεσωκεάνιες ράχεις και το άνοιγμα των ωκεάνιων τμημάτων θα πρέπει να εξισορροπείται κατά κάποιον τρόπο από συρρίκνωση (καταστροφή) της λιθόσφαιρας σε άλλα σημεία της Γης. Αυτό ακριβώς συμβαίνει στις λεγόμενες «ζώνες καταβύθισης», οι μεγαλύτερες από τις οποίες καταδικνύονται από τις τεράστιες ωκεάνιες τάφρους, όπως αυτές π.χ. που εκτείνονται κατά μήκος των δυτικών ορίων του Ειρηνικού Ωκεανού και των δυτικών ακτών της Νότιας Αμερικής. Στις ζώνες καταβύθισης η λιθόσφαιρα κάμπτεται και βυθίζεται κάτω από την παρακείμενη λιθόσφαιρα και φθάνει μέσα στις πολύ θερμές και βαθιές ζώνες της, όπου αφομοιώνεται από το μανδύα και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Μέρος του υλικού της λιθόσφαιρας επανατήκεται και ανεβαίνει πάλι προς την επιφάνεια μέσω των ρηγμάτων του φλοιού. Συνέπεια αυτών των φαινομένων είναι η δημιουργία «μαγματικών τόξων» με πολλά ηφαίστεια που εντοπίζονται παράλληλα προς τις τάφρους, στην αντίθετη ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ πλευρά των οροσειρών. Όταν οι τάφροι βρίσκονται κατά μήκος των ηπειρωτικών περιθωρίων, τότε τα τόξα αποτελούνται από αλυσίδες οροσειρών με πολλά ηφαίστεια, όπως είναι οι Άνδεις. Όταν οι τάφροι εντοπίζονται σε ωκεάνιες περιοχές, όπως στον Ειρηνικό ωκεανό, τα μαγματικά τόξα αποτελούνται από πολλά ηφαιστειακά νησιά (π.χ. Ιαπωνία, Φιλιππίνες κ.λπ.). Σχήμα 2.2 Τεκτονικές πλάκες, μεσωκεάνιες ράχες, ωκεάνιες τάφροι, ζώνες καταβύθισης και γεωθερμικά πεδία. Τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση κίνησης των λιθοσφαιρικών πλακών προς τις ζώνες καταβύθισης. 1. Γεωθερμικά πεδία όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. 2. Μεσωκεάνιες ράχεις που τέμνονται από μεγάλα ρήγματα μετασχηματισμού. 3. Ζώνες καταβύθισης, όπου η βυθιζόμενη πλάκα κάμπτεται προς τα κάτω και λιώνει μέσα στην ασθενόσφαιρα. Οι μεσωκεάνιες ράχες, τα ρήγματα μετασχηματισμού και οι ζώνες καταβύθισης σχηματίζουν ένα εκτεταμένο δίκτυο που χωρίζει την επιφάνεια της Γης σε έξι τεράστιες και πολλές άλλες μικρότερες λιθοσφαιρικές περιοχές ή καλύτερα πλάκες (Σχήμα 2.2). Εξαιτίας των τεράστιων τάσεων που προκαλούνται από τη γήινη θερμική μηχανή και την ασυμμετρία των ζωνών που δημιουργούν και καταστρέφουν λιθοσφαιρικό υλικό, οι πλάκες αυτές κινούνται αργά η μία προς την άλλη, αλλάζοντας συνεχώς τη σχετική τους θέση. Τα όρια των πλακών αντιστοιχούν σε πολύ διαρρηγμένες ζώνες του φλοιού, που χαρακτηρίζονται από έντονη σεισμικότητα, μεγάλο αριθμό ηφαιστείων και, λόγω της ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ανόδου πολύ θερμών υλικών προς την επιφάνεια, από υψηλή γήινη θερμική ροή. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2, οι πιο σημαντικές γεωθερμικές περιοχές εντοπίζονται κοντά στα όρια των πλακών. 2.3 ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΠΟΥ ΕΥΝΟΟΥΝ ΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΕΔΙΩΝ Η συγκεντρωμένη στο εσωτερικό της Γης θερμότητα μεταφέρεται κοντά στην επιφάνειά της μέσω γεωλογικών φαινομένων, δημιουργώντας έτσι υπέρθερμες περιοχές με γεωθερμική βαθμίδα μεγαλύτερη από 700 ο C/km. Το σημαντικότερο από αυτά τα γεωλογικά φαινόμενα είναι αυτό των λιθοσφαιρικών πλακών: Το εξωτερικό κέλυφος της Γης, η λιθόσφαιρα, δεν είναι ενιαίο αλλά αποτελείται από πολλά κομμάτια, τις λιθοσφαιρικές πλάκες. Οι πλάκες αυτές βρίσκονται σε μια διαρκή κίνηση που πραγματοποιείται με πολύ μικρή ταχύτητα, μερικά μόλις εκατοστά το χρόνο. Ανάλογα με τη σχετική κίνηση των πλακών, στα όριά τους παρατηρούνται τρία διαφορετικά φαινόμενα: Οι δύο πλάκες αποκλίνουν, δηλαδή κινούνται έτσι που να απομακρύνονται η μια από την άλλη. Στο κενό που αφήνουν, αναβλύζει μάγμα που στερεοποιείται, γεμίζει το κενό και δημιουργεί καινούργια λιθόσφαιρα, Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι λεγόμενες «ράχες». Οι δύο πλάκες συγκλίνουν έτσι που η μια να βυθίζεται κάτω από την άλλη και τελικά να απορροφάται από το μανδύα ή να καταστρέφεται. Φαινόμενα τριβής στα όρια των πλακών έχουν σαν αποτέλεσμα, μέρος της μηχανικής ενέργειας να μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτή η θερμότητα εκτονώνεται με τη μορφή ηφαιστειακής δράσης. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι «τάφροι». Στις τάφρους η λιθόσφαιρα καταστρέφεται με το ρυθμό που δημιουργείται στις ράχες. Οι δύο πλάκες «γλιστρούν» η μια παράλληλα στην άλλη με τρόπο που ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται λιθόσφαιρα. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 17

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Τόσο οι «τάφροι» όσο και οι «ράχες» συνδέονται με ηφαιστειακή δράση και κατά συνέπεια με υπέρθερμες περιοχές. Γι' αυτό και τα σημαντικότερα γεωθερμικά πεδία εντοπίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές, δηλαδή στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, τις λεγόμενες «ζώνες σεισμικών εστιών». Περιοχές με μικρότερο γεωθερμικό ενδιαφέρον, δηλαδή με γεωθερμική βαθμίδα λίγο υψηλότερη από τη μέση, μπορεί να βρεθούν και εκτός των εν λόγω ζωνών. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε κάποιον από τους ακόλουθους παράγοντες: Τοπικά υψηλή θερμική ροή από το μανδύα και τη βάση του φλοιού προς την επιφάνεια, σε μεγάλες περιοχές. Αυξημένες συγκεντρώσεις των ραδιενεργών στοιχείων ουρανίου, θορίου και καλίου σε ορισμένες περιοχές στο φλοιό της Γης, που συντελούν στην παραγωγή θερμότητας και κατά συνέπεια στην αύξηση της γεωθερμικής βαθμίδας. Πετρώματα με αυξημένες αυτές τις συγκεντρώσεις είναι τα γρανιτικά με 5-10 ppm σε ουράνιο και 80 ppm σε θόριο. Φαινόμενα συναγωγής που προκαλούνται από κυκλοφορία νερού διαμέσου πορωδών σχηματισμών ή μέσα από συστήματα ρηγμάτων. Με αυτό τον τρόπο μεταφέρεται η θερμότητα σε μικρότερα βάθη και αυξάνεται η γεωθερμική βαθμίδα. Σε μια περιοχή με δεδομένη θερμική ροή στη βάση του φλοιού και απουσία άλλης θερμής πηγής μέσα στο φλοιό, η γεωθερμική βαθμίδα ποικίλλει ανάλογα με τη θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων που αποτελούν το φλοιό. Τα αργιλικά πετρώματα έχουν τη χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα, ενώ τα κρυσταλλικά χαρακτηρίζονται από υψηλή θερμική αγωγιμότητα [περίπου έξι (6) φορές αυτήν των αργίλων]. Οι παραπάνω μηχανισμοί μπορεί να δημιουργήσουν δευτερεύουσας σημασίας γεωθερμικές ανωμαλίες μακριά από τα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Έτσι, ενώ σημαντικές θερμικές ανωμαλίες εντοπίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές, περιοχές με ελαφρά αυξημένη γεωθερμική βαθμίδα απαντώνται σε όλη τη Γη. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 18

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Δεδομένου ότι, η θερμότητα του Πλανήτη μας βρίσκεται στο εσωτερικό του, πρέπει να γίνουν γεωτρήσεις προκειμένου να προσπελαστεί στις ζώνες σεισμικών εστιών, θερμοκρασίες κατάλληλες για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να βρεθούν σε βάθη 2-3 km, ενώ σε αυτά τα βάθη, σε περιοχές με μέση γεωθερμική βαθμίδα, οι θερμοκρασίες είναι πολύ χαμηλότερες, ικανές μόνο για κάλυψη θερμικών αναγκών. Σε αυτές τις περιοχές χρειάζονται γεωτρήσεις βάθους 6-7 km για να βρεθούν θερμοκρασίες κατάλληλες για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτά είναι και τα μέγιστα βάθη γεωτρήσεων που πραγματοποιούνται επειδή οι βαθιές γεωτρήσεις κοστίζουν πολύ, δεν είναι ιδιαίτερα ασφαλείς και επιπλέον σε αυτά τα βάθη είναι πιθανόν να μη υπάρχει υδροφορία. 2.4 ΦΥΣΙΚΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΠΕΔΙΑ Η ύπαρξη υψηλής γεωθερμικής βαθμίδας σε κάποια περιοχή δεν είναι η μοναδική συνθήκη - προϋπόθεση για την ύπαρξη εκμεταλλεύσιμου γεωθερμικού πεδίου. Η γεωθερμική ενέργεια είναι πρωτογενώς αποθηκευμένη μέσα στα πετρώματα, είναι διασκορπισμένη μέσα στη μάζα τους και πρέπει να συγκεντρωθεί και να μεταφερθεί στην επιφάνεια της Γης προκειμένου να χρησιμοποιηθεί το μεταλλικό νερό (σε υγρή ή αέρια φάση) που περιέχεται μέσα σε πορώδη πετρώματα ή σε συστήματα ρηγμάτων αποτελεί το μέσο που μεταφέρει τη θερμότητα από τα πετρώματα αυτά στην επιφάνεια της Γης. Έτσι, η παραγωγικότητα μιας θερμικής περιοχής προσδιορίζεται και συχνά καθορίζεται από την υδρολογία των γεωλογικών σχηματισμών. Δεν έχουν όμως όλες οι θερμικές περιοχές κατάλληλη υδρολογία που αποτελεί τη δεύτερη συνθήκη για την ύπαρξη εκμεταλλεύσιμου γεωθερμικού πεδίου. Κατά συνέπεια, ένα φυσικό γεωθερμικό πεδίο είναι συνδυασμός θερμών πετρωμάτων και ύπαρξης νερού που να κυκλοφορεί μέσα σε αυτά. Τα γεωθερμικά πεδία χωρίζονται σε δύο ομάδες: στα πεδία «υψηλής ενθαλπίας», όπου το ρευστό (άνω των 150 ο C) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 19

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ηλεκτρικής ενέργειας ή για θέρμανση, και στα πεδία «χαμηλής ενθαλπίας» όπου το ρευστό (κάτω των 150 ο C) μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για θέρμανση. Στις ζώνες σεισμικών εστιών, υπάρχουν πεδία χαμηλής και υψηλής ενθαλπίας που σχετίζονται μεταξύ τους. Χαρακτηριστικό τέτοιο παράδειγμα αποτελεί η Ισλανδία, που βρίσκεται πάνω στη μέσο - ωκεάνια ράχη του Ατλαντικού. Το γεωθερμικό ρευστό έχει μετεωρική προέλευση, δηλαδή προέρχεται από τις κατακρημνίσεις. Το νερό από τις βροχές και τα χιόνια εισχωρεί στο έδαφος και σιγά - σιγά προχωρεί στο εσωτερικό της Γης φτάνοντας σε βάθη μέχρι και 5 km. Στην πορεία του θερμαίνεται λόγω της υψηλής θερμικής ροής και στη συνέχεια βρίσκει διόδους μέσα από ρήγματα και ρωγμές και επιστρέφει στην επιφάνεια. Από αναλύσεις βασισμένες σε ραδιοϊσότοπα βρέθηκε ότι ο κύκλος του νερού σε ένα γεωθερμικό σύστημα διαρκεί περίπου πεντακόσια χρόνια. Η περιοχή τροφοδοσίας του συστήματος μπορεί να βρίσκεται πολύ κοντά στο πεδίο ή σε μεγάλη από αυτό απόσταση μέχρι και 200 km, οπότε και η διαδρομή του ρευστού ποικίλλει ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες. Το νερό, λόγω της μεγάλης του θερμοχωρητικότητας, λειτουργεί και σαν «συμπυκνωτής» θερμότητας. Η μέση θερμοχωρητικότητα των πετρωμάτων που βρίσκονται στα πρώτα 10 km από την επιφάνεια της Γης είναι 85 kj/kg, ενώ του νερού στην ίδια μέση θερμοκρασία (1300 ο C) είναι 420 kj/kg, δηλαδή πενταπλάσια. Η θερμοχωρητικότητα του κορεσμένου ατμού στους 2360 ο C είναι 2790 kj/kg δηλαδή τριακονταπλάσια αυτής των πετρωμάτων. Για να απορροφήσει το νερό αυτή τη θερμότητα, είτε πρέπει να έρθει σε επαφή με πολύ μεγάλες μάζες πετρωμάτων που βρίσκονται σε υψηλή θερμοκρασία είτε να διανύσει πολύ μεγάλη διαδρομή μέχρι να φτάσει στις γεωτρήσεις. Και στις δύο περιπτώσεις, οι μάζες των πετρωμάτων που συμμετέχουν στο σύστημα πρέπει να είναι πολύ μεγάλες, της τάξης των εκατοντάδων κυβικών χιλιομέτρων. 2.5 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα γεωθερμικά συστήματα εντοπίζονται στις περιοχές με κανονική ή λίγο μεγαλύτερη από τη μέση γήινη γεωθερμική βαθμίδα και κυρίως στις περιοχές γύρω από τα περιθώρια των τεκτονικών πλακών. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 20

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ένα «γεωθερμικό σύστημα» σχηματικά μπορεί να περιγραφεί ως ένα «σύστημα» που βρίσκεται σε περιορισμένο χώρο στον ανώτερο φλοιό της Γης και αποτελείται από «κινούμενο νερό» το οποίο μεταφέρει θερμότητα από μια «πηγή» σε μια «δεξαμενή» θερμότητας, που συνήθως είναι μια ελεύθερη επιφάνεια (Hochstein, 1990). Έτσι λοιπόν, ένα γεωθερμικό σύστημα αποτελείται από τρία στοιχεία: την εστία θερμότητας, τον ταμιευτήρα και το ρευστό, το οποίο λειτουργεί ως μέσο μεταφοράς της θερμότητας. Σχήμα 2.3 Πρότυπο (μοντέλο) ενός γεωθερμικού συστήματος, White, 1973 Η εστία θερμότητας μπορεί να είναι είτε μια πολύ υψηλής (>600 ο C) θερμοκρασίας μαγματική διείσδυση που έχει φτάσει σε σχετικά μικρά βάθη (5-10 km) ή, στα χαμηλής θερμοκρασίας συστήματα, η κανονική θερμοκρασία των πετρωμάτων του εσωτερικού της Γης, η οποία όπως αναφέρθηκε αυξάνεται με το βάθος. Ο ταμιευτήρας είναι ένας σχηματισμός από θερμά υδατοπερατά πετρώματα, που επιτρέπει την κυκλοφορία των ρευστών μέσα σε αυτόν και από τον οποίο τα ρευστά αντλούν θερμότητα. Πάνω από τον ταμιευτήρα βρίσκεται συνήθως ένα κάλυμμα ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 21

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ αδιαπέρατων πετρωμάτων. Ο ταμιευτήρας πολλές φορές συνδέεται με μια επιφανειακή περιοχή τροφοδοσίας, δια μέσου της οποίας μετεωρικό ή επιφανειακό γενικά νερό κατεβαίνει και αντικαθιστά μερικώς ή ολικώς τα ρευστά που φεύγουν από τον ταμιευτήρα και εξέρχονται στην επιφάνεια με τη μορφή θερμών πηγών ή αντλούνται από γεωτρήσεις. Το γεωθερμικό ρευστό συνήθως είναι νερό, στις περισσότερες περιπτώσεις μετεωρικής προέλευσης, το οποίο, ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στον ταμιευτήρα, βρίσκεται σε υγρή ή αέρια κατάσταση. Συχνά το ρευστό είναι εμπλουτισμένο σε χημικά στοιχεία και αέρια, όπως CO 2, H 2 S κ.λπ. Οι διεργασίες που μόλις περιγράφηκαν πιθανώς να φαίνονται πολύ απλές, όμως η κατασκευή ενός καλού προτύπου (μοντέλου), το οποίο να αντιστοιχεί σε ένα πραγματικό γεωθερμικό σύστημα, είναι πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθεί. Μια τέτοια εργασία απαιτεί πολύπλευρες ικανότητες, ειδικές γνώσεις και μεγάλη εμπειρία, ιδιαίτερα όταν αφορά συστήματα υψηλής θερμοκρασίας. Εξάλλου, τα γεωθερμικά συστήματα εμφανίζονται στη φύση με πάρα πολλές ιδιαιτερότητες και ιδιομορφίες, οι οποίες σχετίζονται με διάφορους συνδυασμούς γεωλογικών, φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών που μπορεί να οδηγήσουν σε διάφορους τύπους συστημάτων. 2.6 ΙΣΤΟΡΙΚΟ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ Η παρουσία ηφαιστείων, θερμών πηγών και άλλων επιφανειακών εκδηλώσεων θερμότητας είναι αυτή που οδήγησε τους προγόνους μας στο συμπέρασμα ότι το εσωτερικό της Γης είναι ζεστό. Όμως, μόνο κατά την περίοδο μεταξύ του 16 ου και 17 ου αιώνα, όταν δηλαδή κατασκευάστηκαν τα πρώτα μεταλλεία που αναρύχθηκαν σε βάθος μερικών εκατοντάδων μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, οι άνθρωποι, με τη βοήθεια κάποιων απλών φυσικών παρατηρήσεων, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η θερμοκρασία της Γης αυξάνεται με το βάθος. Οι πρώτες μετρήσεις με θερμόμετρο έγιναν κατά πάσα πιθανότητα το 1740, σε ένα ορυχείο κοντά στο Belfort της Γαλλίας (Bullard, 1965). Ήδη από το 1870, για τη μελέτη της θερμικής κατάστασης του εσωτερικού της Γης χρησιμοποιούνταν κάποιες ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 22

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ προχωρημένες για την εποχή επιστημονικές μέθοδοι, ενώ η θερμική κατάσταση που διέπει τη Γη, η θερμική ισορροπία και εξέλιξή της κατανοήθηκαν καλύτερα τον 20 ο αιώνα. Σχήμα 2.4 Ο Φλοιός, ο Μανδύας και ο Πυρήνας της Γης. Πάνω δεξιά: τομή του φλοιού και του ανώτερου μανδύα Ως μια γενική ιδέα της φύσης και της κλίμακας του εμπλεκόμενου φαινομένου, μπορεί να αναφερθεί η λεγόμενη «θερμική ισορροπία», όπως διατυπώθηκε από τους Stacey and Loper (1988). Σύμφωνα με αυτήν, η ολική ροή θερμότητας από τη Γη (αγωγή, ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ συναγωγή και ακτινοβολία) εκτιμάται ότι ανέρχεται στα 42x10 12 W. Από αυτά, 8x10 12 W προέρχονται από το φλοιό, που αντιπροσωπεύει μόνο το 2% του συνολικού όγκου της Γης αλλά είναι πλούσιος σε ραδιενεργά ισότοπα, 32,3x10 12 W προέρχονται από το μανδύα, ο οποίος αντιπροσωπεύει το 82% του συνολικού όγκου της Γης, και 1,7x10 12 W προέρχονται από τον πυρήνα, ο οποίος αντιπροσωπεύει το 16% του συνολικού όγκου της Γης και δεν περιέχει ραδιενεργά ισότοπα (βλέπε Σχήμα 2.4, ένα σχήμα της εσωτερικής δομής της Γης). Όπως λοιπόν προκύπτει από τα παραπάνω, η θερμική ενέργεια της Γης είναι απέραντη, όμως μόνο τμήμα αυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί τελικά από τον άνθρωπο. Μέχρι σήμερα η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας έχει περιοριστεί σε περιοχές όπου οι γεωλογικές συνθήκες επιτρέπουν σε ένα μέσο (νερό σε υγρή ή αέρια φάση) να «μεταφέρει» τη θερμότητα από τις βαθιές θερμές ζώνες στην επιφάνεια ή κοντά σε αυτήν. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται οι γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources). Πιθανώς, στο άμεσο μέλλον, νέες πρωτοποριακές τεχνικές θα μας προσφέρουν καινούργιες προοπτικές στον τομέα αυτόν. Εικόνα 2.1 Η καλυμμένη «λιμνούλα» (covered lagoon), που χρησιμοποιούνταν κατά το πρώτο μισό του 19 ου αιώνα στην περιοχή του Larderello, για τη συλλογή των βοριούχων υδάτων και την παραγωγή βορικού οξέος ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 24

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σε πολλούς τομείς της ανθρώπινης ζωής οι πρακτικές εφαρμογές προηγούνται της επιστημονικής έρευνας και της τεχνολογικής ανάπτυξης. Η γεωθερμία αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα του φαινομένου αυτού. Αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχόμενου των γεωθερμικών ρευστών γινόταν ήδη από τις αρχές του 19 ου αιώνα. Εκείνη την περίοδο, στην Τοσκάνη της Ιταλίας, και συγκεκριμένα στην περιοχή του Larderello, λειτουργούσε μια χημική Βιομηχανία για την παραγωγή βορικού οξέος από τα βοριούχα θερμά νερά που ανέβλυζαν από φυσικές πηγές ή αντλούνταν από ρηχές γεωτρήσεις. Η παραγωγή του βορικού οξέος γινόταν με εξάτμιση των βοριούχων νερών μέσα σε σιδερένιους «λέβητες», χρησιμοποιώντας ως καύσιμη ύλη ξύλα από τα κοντινά δάση. Το 1827, ο Francesco Larderel, ιδρυτής της Βιομηχανίας αυτής, αντί να καίγονται ξύλα από τα διαρκώς αποψιλούμενα δάση της περιοχής, ανέπτυξε ένα σύστημα για τη χρήση της θερμότητας των βοριούχων ρευστών στη διαδικασία εξάτμισης. Εικόνα 2.2 Η μηχανή που χρησιμοποιήθηκε στο Larderello το 1904 κατά την πρώτη πειραματική απόπειρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικό ατμό. Διακρίνεται επίσης ο εφευρέτης της, πρίγκηπας Piero Ginori Conti Η εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του φυσικού ατμού ξεκίνησε περίπου την ίδια περίοδο. Ο γεωθερμικός ατμός χρησιμοποιήθηκε για την ανέλκυση των ρευστών, αρχικά με κάποιους πρωτόγονους αέριους ανυψωτήρες και στη συνέχεια με παλινδρομικές και φυγοκεντρικές αντλίες και βαρούλκα. Ανάμεσα στο 1850 και 1875, οι ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 25

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ εγκαταστάσεις του Larderello κατείχαν το μονοπώλιο παραγωγής βορικού οξέος στην Ευρώπη. Μεταξύ του 1910 και του 1940, στην περιοχή αυτή της Τοσκάνης ο χαμηλής πίεσης ατμός άρχισε να χρησιμοποιείται για τη θέρμανση Βιομηχανικών κτιρίων, κατοικιών και θερμοκηπίων. Εν τω μεταξύ, ολοένα και περισσότερες χώρες άρχισαν να αναπτύσσουν τους γεωθερμικούς τους πόρους σε Βιομηχανική κλίμακα. Το 1892, το πρώτο γεωθερμικό σύστημα τηλεθέρμανσης (district heating) τέθηκε σε λειτουργία στο Boise του Άινταχο των Η.Π.Α. Το 1928, μια άλλη πρωτοπόρος χώρα στην εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας, η Ισλανδία, ξεκίνησε επίσης την εκμετάλλευση των γεωθερμικών ρευστών (κυρίως θερμών νερών) για τη θέρμανση κατοικιών. Το 1904, έγινε η πρώτη απόπειρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικό ατμό και πάλι στο Larderello της Ιταλίας. Η επιτυχία της αυτής πειραματικής προσπάθειας έδωσε μια ξεκάθαρη ένδειξη για τη Βιομηχανική αξία της γεωθερμικής ενέργειας και σηματοδότησε την έναρξη μιας μορφής εκμετάλλευσης, που επρόκειτο έκτοτε να αναπτυχθεί σημαντικά. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Larderello αποτέλεσε πράγματι μια εμπορική επιτυχία. Το 1942, η εγκατεστημένη γεωθερμο - ηλεκτρική ισχύς ανερχόταν στα 127650 kw. Σύντομα, πολλές χώρες ακολούθησαν το παράδειγμα της Ιταλίας. Το 1919 κατασκευάστηκαν οι πρώτες γεωθερμικές γεωτρήσεις στο Beppu της Ιαπωνίας, ενώ το 1921 ακολούθησαν εκείνες στο The Geysers της Καλιφόρνιας των Η.Π.Α. Το 1958 ένα μικρό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τέθηκε σε λειτουργία στη Νέα Ζηλανδία, ένα άλλο στο Μεξικό το 1959, στις Η.Π.Α. το 1960 και ακολούθησαν πολλά άλλα σε διάφορες χώρες. 2.7 ΑΜΕΣΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ Οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τη θέρμανση. Το 1988, η εγκατεστημένη ισχύς για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε όλον τον κόσμο ήταν 5,15 GW, ενώ η εγκατεστημένη θερμική ισχύς ήταν 7 GW. Οι πιο σημαντικές θερμικές εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας είναι η θέρμανση κτιρίων και θερμοκηπίων. ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 26

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σχήμα 2.5 Χρήσεις γεωθερμικής ενέργειας Οι άμεσες χρήσεις της θερμότητας των γεωθερμικών ρευστών για θέρμανση είναι οι παλαιότερες, οι πιο πολύπλευρες και οι πλέον συνηθισμένες μορφές αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας. Η λουτροθεραπεία, η θέρμανση χώρων και η τηλεθέρμανση, οι ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 27

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ αγροτικές εφαρμογές, οι υδατοκαλλιέργειες και κάποιες Βιομηχανικές χρήσεις είναι οι πιο γνωστές μορφές χρήσεων, όμως οι αντλίες θερμότητας αποτελούν την πιο διαδεδομένη μορφή αξιοποίησης (12,5% της συνολικής χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας κατά το έτος 2000). Υπάρχουν φυσικά και κάποιοι άλλοι μικρότερης κλίμακας τρόποι εκμετάλλευσης της γεωθερμίας, οι οποίοι όμως δεν είναι τόσον συνηθισμένοι. Ανάλογα με τη θερμοκρασία, η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές: Ηλεκτροπαραγωγή (>90 ο C). Θέρμανση χώρων (με καλοριφέρ > 60 ο C, με αερόθερμα >40 ο C, με ενδοδαπέδιο σύστημα >25 ο C). Ψύξη και κλιματισμό (με αντλίες θερμότητας απορρόφησης >60 ο C, με υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας <30 ο C). Θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών (>25 ο C) ή και για αντιπαγετική προστασία. Ιχθυοκαλλιέργειες (>15 ο C). Βιομηχανικές εφαρμογές όπως η αφαλάτωση (>60 ο C). Θερμά λουτρά (25 40 ο C). 1. Η θέρμανση χώρων και η τηλεθέρμανση (space and district heating) παρουσίασαν μεγάλη ανάπτυξη στην Ισλανδία, όπου η συνολική ισχύς του γεωθερμικού συστήματος τηλεθέρμανσης ανέρχονταν στα τέλη του 1999 σε περίπου 1200 MW (Σχήμα 2.6). Αποτελούν επίσης ιδιαίτερα διαδεδομένες εφαρμογές και στις χώρες της Ανατολικής Ευρώπης, καθώς και στις Η.Π.Α., Κίνα, Ιαπωνία, Γαλλία κ.λπ. 2. Οι αγροτικές εφαρμογές της γεωθερμίας συνίστανται κυρίως στις ανοικτές καλλιέργειες και στη θέρμανση θερμοκηπίων. Το θερμό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις ανοικτές καλλιέργειες για την άρδευσή τους και / ή τη θέρμανση του εδάφους. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της άρδευσης με χλιαρό νερό εντοπίζεται στο γεγονός ότι, για να επιτευχθεί κάποια αξιόλογη μεταβολή της θερμοκρασίας του εδάφους θα πρέπει οι μεγάλες ποσότητες νερού να έχουν θερμοκρασία τόσο χαμηλή ώστε να μην προκαλούν ζημιές στις αρδευόμενες καλλιέργειες. Πιθανή λύση αυτού του προβλήματος θα ήταν η χρήση υπεδάφιων αρδευτικών συστημάτων σε συνδυασμό με ένα υπόγειο σύστημα ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ σωλήνωσης, το οποίο θα λειτουργεί ως το μέσο θέρμανσης του εδάφους. Η θέρμανση του εδάφους με υπεδάφιους σωλήνες χωρίς την ύπαρξη του αρδευτικού συστήματος θα προκαλούσε μείωση της θερμικής αγωγιμότητάς του, εξαιτίας της μείωσης της υγρασίας γύρω από τους σωλήνες, και κατ επέκταση θα οδηγούσε σε θερμική μόνωση. Η βέλτιστη λύση φαίνεται λοιπόν ότι θα ήταν ο συνδυασμός θέρμανσης εδάφους και άρδευσης. Η χημική σύσταση των γεωθερμικών νερών που χρησιμοποιούνται για άρδευση θα πρέπει να εξετάζεται και να παρακολουθείται προσεκτικά, ώστε να αποφεύγονται τυχόν βλαβερές συνέπειες στα φυτά. Ο θερμοκρασιακός έλεγχος στις ανοικτές καλλιέργειες έχει τα εξής πλεονεκτήματα: (α) αποτρέπει τις ζημιές λόγω χαμηλών θερμοκρασιών, παγετού κ.λπ., (β) επεκτείνει την περίοδο ανάπτυξης των φυτών και δίνει σημαντική ώθηση στην παραγωγή και (γ) αποστειρώνει το έδαφος (Barbier and Fanelli, 1977). Σχημα 2.6 Απλοποιημένο διάγραμμα ροής του συστήματος τηλεθέρμανσης του Reykjavik (Από Gudmundsson, 1988) Η πιο συνηθισμένη γεωθερμική εφαρμογή στον αγροτικό τομέα είναι η θέρμανση θερμοκηπίων, η οποία αναπτύχθηκε ιδιαίτερα σε πολλές χώρες. Η εκτός εποχής ΔΑΜΑΛΑΣ Ι. ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ.: 4186 ΝΤΟΥΒΑΛΗΣ Π. ΑΓΓΕΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4205 29