Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ» ELECTRICITY PRODUCTION BY USING LOW ENTHALPY GEOTHERMAL ENERGY ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ Μπούτσης Βασίλειος Τανανάκης Βασίλειος Α.Ε.Μ.: 4313 Α.Ε.Μ.: 4274 Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα, Φεβρουάριος 2013
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μας Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μας στο Τμήμα Ηλεκτρολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε το Σεπτέμβριο του 2012 και ολοκληρώθηκε τον Ιανουάριο του 2013, 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 και παρουσίαση των γεωθερμικών πεδίων τόσο στην Ελλάδα όσο και παγκοσμίως. Αισθανόμαστε την υποχρέωση να ευχαριστήσουμε θερμά την Καθηγήτρια κα Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μας παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μας για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μας και για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχαμε από μέρους τους. Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μας να μην αναφερθούμε στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μας, για την προθυμία με την οποία μας παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειαστήκαμε, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μας περιβάλλον, οι οποίοι μας συμπαραστάθηκαν και μας ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μας. Καβάλα, Ιανουάριος 2013 ii
Περιεχόμενα Κατάλογος Σχημάτων... vi Κατάλογος Εικόνων... vi Κατάλογος Πινάκων... vii ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 Εισαγωγή... 1 1.2. Ταξινόμηση Γεωθερμικών Συστημάτων... 3 1.3. Στάδια Γεωθερμικής Έρευνας... 5 1.4. Μετρήσεις και αποτίμηση δυναμικού... 7 1.5. Αξιοποίηση γεωθερμικών πόρων... 10 1.6. Προβλήματα και πλεονεκτήματα... 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 16 2.1. Αποτύπωση ενεργειακού προβλήματος... 16 2.2. Παγκόσμιο Ενεργειακό Πρόβλημα... 17 2.3. Ο ρόλος των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας... 22 2.3.1. Τι είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας... 23 2.3.2. Οι μορφές των Α.Π.Ε.... 24 2.4. Μορφές Α.Π.Ε., τύποι παραγόμενης ενέργειας και κλίμακα εφαρμογής τους... 26 2.5. Οφέλη από την αξιοποίηση των Α.Π.Ε.... 27 2.6. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Α.Π.Ε.... 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ: ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ... 32 3.1. Μετάδοση της θερμότητας στη γη... 32 3.2. Υψηλές γεωθερμικές βαθμίδες... 34 iii
3.3. Θερμική ροή στους ωκεανούς.... 37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ: ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ.. 38 4.1. Αξιοποίηση γεωθερμίας στην Ευρωπαϊκή Ένωση... 38 4.2. Παραδείγματα γεωθερμικών εφαρμογών... 40 4.2.1. Εκμετάλλευση Γεωθερμικών πεδίων στις Η.Π.Α.... 40 4.2.2. Εκμετάλλευση Γεωθερμικών πεδίων στην Ισλανδία... 44 4.2.3. Εκμετάλλευση Γεωθερμικών πεδίων στην Τουρκία... 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 48 5.1. Βασικές αρχές ηλεκτροπαραγωγής... 48 5.2. Διατάξεις αξιοποίησης της γεωθερμίας για ηλεκτροπαραγωγή... 49 5.2.1. Με χρήση ξηρού ατμού (dry steam)... 49 5.2.2. Με στιγμιαία ατμοποίηση εργαζόμενου μέσου (flash steam)...... 52 5.2.3. Με ξεχωριστά εργαζόμενα μέσα (binary cycle)... 55 5.2.4. Με χρήση συνδυασμένου κύκλου (combined cycle)... 59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ: ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ... 60 6.1. Εισαγωγή... 60 6.2. Η παρούσα κατάσταση στον Ελλαδικό χώρο... 61 6.3. Αξιοποίηση μέσης και χαμηλής ενθαλπίας για ηλεκτροπαραγωγή... 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΒΔΟΜΟ: Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ... 65 7.1. Γενικά... 65 7.2. Περιβαλλοντικά και χωροταξικά θέματα... 65 7.3. Τα γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα... 66 iv
7.4. Χρήσεις της γεωθερμίας στην Ελλάδα... 72 7.5. Γεωθερμικά θερμοκήπια... 72 7.6. Γεωθερμία στη Βορειοανατολική Ελλάδα... 76 7.7. Γεωθερμικό πεδίο Νέας Κεσσάνης... 77 7.7.1. Μοντέλο γεωθερμικού Πεδίου Νέας Κεσσάνης... 80 7.8. Γεωθερμικό πεδίο Ερασμίου-Μαγγάνων... 82 7.9. Μήλος... 86 7.9.1. Γεωθερμική δραστηριότητα... 87 7.9.2. Έρευνα γεωθερμικού πεδίου... 88 7.10. Νίσυρος... 90 7.10.1. Γενικές πληροφορίες... 90 7.10.2. Γεωθερμική δραστηριότητα... 91 7.10.3. Έρευνα Γεωθερμικού Πεδίου... 92 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 94 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 96 ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ... 97 v
Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1.1. - Μορφές γεωθερμικής ενέργειας κατά σειρά ενδιαφέροντος χρήσεων σήμερα και προοπτικής στο εγγύς μέλος, από αριστερά προς τα δεξιά.... 3 Σχήμα 1.2 Σχηματική παρουσίαση της αξιοποίησης των θερμών ξηρών πετρωμάτων με μία γεώτρηση τροφοδοσίας και δύο παραγωγικές γεωτρήσεις.... 4 Σχήμα 1.3 - Το τροποποιημένο διάγραμμα Lindal.... 11 Σχήμα 2.1 - Ποσοστό αύξησης της ζήτησης πρωτογενούς ενέργειας... 20 Σχήμα 2.2 - Συμμετοχή των χωρών στην ζήτηση ανά καύσιμο. (Χώρες ΟΟΣΑ με κόκκινο, μεταβατικές οικονομίες με μπλε, αναπτυσσόμενες χώρες με πράσινο) (IEA 2006)... 20 Σχήμα 2.3 - Δείκτης ενεργειακής έντασης της πρωτογενούς ενέργειας... 21 Σχήμα 4.1. - Σύγκριση παραγωγής ηλεκτρισμού κατά τα έτη 2004 και 2005 με το στόχο της Λευκής Βίβλου. (σε MWe)... 40 Σχήμα 5.1. - Διάγραμμα θερμοκρασίας - εντροπίας κύκλου Rankine... 48 Σχήμα 5.2. - Διάταξη ξηρού ατμού με συμπυκνωτή τύπου θερμικού εναλλάκτη... 51 Σχήμα 5.3 - Διάταξη στιγμιαίας ατμοποίησης εργαζόμενου μέσου με συμπυκνωτή τύπου θερμικού εναλλάκτη... 52 Σχήμα 5.4 - Μονάδα στιγμιαίας ατμοποίησης εργαζόμενου μέσου με συμπυκνωτή άμεσου επαφής... 54 Σχήμα 5.5 - Μονάδα με ξεχωριστά εργαζόμενα μέσα και συμπυκνωτή τύπου θερμικού εναλλάκτη... 57 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 3.1 - Παγκόσμια θερμική ροή... 36 Εικόνα 4.1 - Μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην περιοχή The Geysers της Καλιφόρνιας των Η.Π.Α.Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Εικόνα 4.2 - Salton Sea... 43 vi
Εικόνα 4.3 - Εκμετάλλευση γεωθερμικής ενέργειας στην Ισλανδία... 44 Εικόνα 4.4 - Μεγάλο γεωθερμικό εργοστάσιο στο (καταστροφικό) ενεργό ηφαίστειο Κράφλα. Η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισμού... 45 Εικόνα 4.5 - Ξενοδοχειακή - Θερμαλιστική μονάδα στο Αφιόν Καραχισάρ της Τουρκίας. Η γεωθερμική ενέργεια, από γεώτρηση 49 C, αξιοποιείται τόσο στον τομέα του ιαματικού τουρισμού και της αναψυχής (πισίνες) όσο και στη θέρμανση του υπερπολυτελούς ξενοδοχείου.... 47 Εικόνα 7.1 - Γεωθερμικές περιοχές της Ελλάδας... 69 Εικόνα 7.2 - Περιοχή Νέας Κεσσάνης (δεξιά) και Νέου Ερασμίου- Μαγγάνων (αριστερά).... 77 Εικόνα 7.3 - Κατανομή ισοθέρμων καμπυλών σε βάθος 400 m στο γεωθερμικό πεδίο Νέας Κεσσάνης. Σημειώνονται οι θέσεις των 22 γεωτρήσεων (Κολιός, 1993).... 79 Εικόνα 7.4 - Γεωθερμικό μοντέλο του πεδίου Νέας Κεσσάνης 1: Πλειο- Τεταρτογενείς αποθέσεις, 2: Φλύσχης (Ολιγόκαινο), 3: Ανώτερο κροκαλοπαγές (Ολιγόκαινο), 4: χαλικώδης μολασσική σειρά, 5: Νουμουλιτικοί ασβεστόλιθοι και βασικό κροκαλοπαγές, 6: Γνεύσιοι, 7: Ρήγματα... 81 Εικόνα 7.5 - Γεωλογικός χάρτης του γεωθερμικού πεδίου Νέου Ερασμίου- Μαγγάνων (Κολιός, 1993)... 82 Εικόνα 7.6 - Γραφική Αναπαράσταση της Στρωματογραφικής Ακολουθίας της περιοχής της λεκάνης του Νέστου... 83 Εικόνα 7.7 - Χάρτης κατανομής ισόθερμων καμπυλών της κορυφής του γεωθερμικού πεδίου Ερασμίου - Μαγγάνων (Κολιός, 1993).... 85 Εικόνα 7.8 - Διακύμανση της γεωθερμικής βαθμίδας στο νησί της Μήλου89 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1.1 - Σύνοψη των διαφόρων τύπων νερού στα γεωθερμικά συστήματα.... 8 vii
Πίνακας 1.2 - Εκπομπές επιβλαβών αερίων από διάφορες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (σε kg/mwh παραγόμενης ενέργειας). 14 Πίνακας 2.1 - Ζήτηση ενέργειας ανά καύσιμο σε Mtoe... 18 Πίνακας 2.2 - Μορφές παραγόμενης ενέργειας από Α.Π.Ε.... 27 Πίνακας 2.3 - Κλίμακα εφαρμογής των Α.Π.Ε.... 27 Πίνακας 4.1 - Παραγωγή ηλεκτρισμού από εκμετάλλευση γεωθερμικής ενέργειας (υψηλής θερμοκρασίας) το 2004 και 2005.... 38 Πίνακας 4.2 - Παραγωγή γεωθερμικής ενέργειας χαμηλής θερμότητας στην Ευρωπαϊκή ένωση.... 39 Πίνακας 6.1 - Γεωθερμικές Εφαρμογές (MW)... 61 Πίνακας 7.1 - Χαρακτηριστικά στοιχεία γεωθερμικών πεδίων υψηλής ενθαλπίας... 70 Πίνακας 7.2 - Χημική ανάλυση δείγματος γεωθερμικού ρευστού υγρής φάσης από τις γεωτρήσεις του γεωθερμικού πεδίου υψηλής ενθαλπίας της Μήλο, (mg/l)... 89 Πίνακας 7.3. - Η χωροθέτηση του βεβαιωμένου γεωθερμικού πεδίου υψηλής ενθαλπίας της Νισύρου και τα σημεία των γεωτρήσεων παραγωγής... 93 Πίνακας 7.4 - Χημική ανάλυση δείγματος γεωθερμικού ρευστού αέριας φάσης από τις γεωτρήσεις του γεωθερμικού πεδίου υψηλής ενθαλπίας της Μήλο,... 93 viii
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη και παρουσίαση των γεωθερμικών πεδίων στην Ελλάδα αλλά και παγκοσμίως καθώς και ο τρόπος ηλεκτροπαραγωγής από πεδία χαμηλής και μέσης κυρίως ενθαλπίας. ix
ABSTRACT The subject of this thesis is the study and presentation of geothermal fields in Greece and worldwide and how power fields mainly low and medium enthalpy. x
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εισαγωγή Ο ορισμός της Γεωθερμικής Ενέργειας, σύμφωνα με το ASTM E- 957 (Standard Terminology Relating to Geothermal Energy), είναι αρκετά ευρύς: «η θερμική ενέργεια που περιέχεται στα πετρώματα και στα ρευστά της γης». Όμως με τον όρο «γεωθερμική ενέργεια», που συνήθως χρησιμοποιούμε, εννοούμε το τμήμα της γήινης θερμότητας που βρίσκεται αποθηκευμένο με τη μορφή θερμού νερού, ατμού ή θερμών πετρωμάτων σε ευνοϊκές γεωλογικές συνθήκες, δηλαδή περιορίζεται στα πρώτα τρία περίπου χιλιόμετρα από την επιφάνεια της γης (Φυτίκας & Ανδρίτσος, 2004). Η ενέργεια αυτή βρίσκεται συνήθως περιορισμένη σε μία γεωθερμική περιοχή ή πεδίο με συγκεκριμένα επιφανειακά όρια. Ως γεωθερμική χρήση αναφέρεται η οικονομική εκμετάλλευση του ατμού ή των θερμών νερών, είτε αυτά ρέουν φυσικά, είτε βγαίνουν στην επιφάνεια μέσω γεώτρησης. Οι γεωθερμικές χρήσεις ακόμη περιλαμβάνουν την αξιοποίηση της θερμότητας των πετρωμάτων ή του εδάφους. Οι γεωθερμικές χρήσεις ταξινομούνται σε ηλεκτρικές (για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος) και σε άμεσες. Η πλέον εντυπωσιακή απόδειξη της θερμότητας που υπάρχει στο εσωτερικό της γης αποτελεί η ηφαιστειακή δραστηριότητα. Άλλες γεωθερμικές ενδείξεις είναι οι ατμοί, τα θερμά νερά και τα αέρια που σχηματίζουν θερμοπίδακες (γκέιζερ), θερμές πηγές και ατμίδες. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας με το βάθος από την επιφάνεια της γης είναι γνωστός με το όνομα γεωθερμική βαθμίδα. Η γεωθερμική βαθμίδα κυμαίνεται από 5 μέχρι 70 C/km, με μέση τιμή τους 30 C/km. Περιοχές με θεωρητικά γεωθερμικό ενδιαφέρον είναι οι περιοχές που διαθέτουν γεωθερμική βαθμίδα μεγαλύτερη από τη μέση τιμή. Τέτοιες περιοχές είναι πολλές στον πλανήτη μας, αλλά και στη χώρα μας, και οι περισσότερες βρίσκονται στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Σελίδα 1
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η γεωθερμική ενέργεια είναι μια σχετικά ήπια, εναλλακτική μορφή ενέργειας, η οποία με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικό μέρος των αναγκών μας σε ενέργεια. Οι χρήσεις και οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας, η οποία απαντά σε αρκετές περιοχές της γης, ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό και περιλαμβάνουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τις αγροτικές διεργασίες (π.χ. ξήρανση σιτηρών), τη θέρμανση οικιών, τη δημιουργία ψύξης κτλ. Η περιοχή των θερμοκρασιών των θερμών νερών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκτείνεται από τους 20 C (για θέρμανση χώρων με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας) μέχρι τους 280 C (για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος). Επιπλέον, αρκετά γεωθερμικά ρευστά εκτός από τη θερμότητά τους περιέχουν και αξιοποιήσιμες διαλυμένες ποσότητες στερεών ή αέριων ουσιών (κοινό αλάτι, διοξείδιο του άνθρακα, πολύτιμα μέταλλα), τα οποία μπορούν να ανακτηθούν με οικονομικό τρόπο. Ενώ το δυναμικό της γεωθερμικής ενέργειας σε όλο τον κόσμο (αλλά και στην Ελλάδα) είναι σημαντικό, υπάρχουν αρκετοί περιορισμοί στο να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά αυτό το δυναμικό. Οι τύποι των περιορισμών είναι τεχνικής φύσεως (διάβρωση, δημιουργία επικαθίσεων), περιβαλλοντικής φύσεως (εκπομπές τοξικών αερίων, θερμική ρύπανση) και οικονομικής φύσεως. Οι οικονομικοί περιορισμοί παίζουν σπουδαίο ρόλο σε κάθε προσπάθεια αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας. Γενικά είναι πιθανότερη η αξιοποίηση γεωθερμικών ρευστών όταν αυτά βρίσκονται κοντά σε βιομηχανικές, αστικές ή αγροτικές περιοχές, ή όταν υπάρχουν ανάγκες θέρμανσης καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Μπορεί να λεχθεί ότι η χώρα μας είναι ιδιαίτερα ευνοημένη γεωθερμικά και τα τελευταία 30 χρόνια έχει γίνει (κυρίως από το ΙΓΜΕ) συστηματική βασική έρευνα για τον εντοπισμό και χαρακτηρισμό των γεωθερμικών πεδίων. Η Ελλάδα μαζί με την Ιταλία (και την Πορτογαλία στις Αζόρες Νήσους) είναι οι μόνες χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης στις οποίες υπάρχουν πεδία υψηλής ενθαλπίας, δηλαδή περιοχές στις οποίες μπορούν να παραχθούν ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 150 C, τα οποία χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Επίσης η Σελίδα 2
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ χώρα μας διαθέτει πληθώρα περιοχών, κυρίως στην Κεντρική και Βόρεια Ελλάδα, με θερμοκρασίες ταμιευτήρων που ξεπερνούν τους 90 C (Fytikas, 1987, Φυτίκας & Ανδρίτσος, 2004). 1.2. Ταξινόμηση Γεωθερμικών Συστημάτων Τα γεωθερμικά συστήματα μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορα κριτήρια, όπως είναι το είδος των γεωθερμικών πόρων, ο τύπος και η θερμοκρασία των ρευστών, ο τύπος του πετρώματος που φιλοξενεί τα ρευστά, το είδος της εστίας θερμότητας, αν κυκλοφορούν ή όχι ρευστά στον ταμιευτήρα κ.ά. Σε σχέση με το είδος των γεωθερμικών πόρων διακρίνονται πέντε κατηγορίες συστημάτων (Σχήμα 1.1.), που περιγράφονται συνοπτικά ως εξής: Σχήμα 1.1. - Μορφές γεωθερμικής ενέργειας κατά σειρά ενδιαφέροντος χρήσεων σήμερα και προοπτικής στο εγγύς μέλος, από αριστερά προς τα δεξιά. α) Τα υδροθερμικά συστήματα ή πόροι, δηλ. τα φυσικά υπόγεια θερμά ρευστά που βρίσκονται σε έναν ή περισσότερους ταμιευτήρες, θερμαίνονται από μία εστία θερμότητας και συχνά εμφανίζονται στην επιφάνεια της γης με τη μορφή θερμών εκδηλώσεων. Τα συστήματα αυτά συχνά ταυτίζονται με το σύνολο σχεδόν των γεωθερμικών πεδίων, αφού σήμερα ουσιαστικά είναι τα μόνα συστήματα που αξιοποιούνται. β) Αβαθής γεωθερμία (earth energy), κατά την οποία λαμβάνονται (ή και απορρίπτονται) ποσότητες ενέργειας από μικρά βάθη με την ανακυκλοφορία νερού στα πρώτα 100 m από την επιφάνεια της γης ή με την κυκλοφορία υπόγειων νερών ή νερών από λίμνες, ποτάμια και τη Σελίδα 3
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ θάλασσα. Αποτελεί την ταχύτερα αναπτυσσόμενη μορφή της γεωθερμικής ενέργειας. γ) Τα προχωρημένα γεωθερμικά συστήματα (enhanced geothermal systems) αναφέρονται στα θερμά πετρώματα σε βάθος από 2 μέχρι 10 km, από τα οποία μπορεί να ανακτηθεί ενέργεια χρησιμοποιώντας νερό που διοχετεύεται από την επιφάνεια, μέσω κατάλληλων γεωτρήσεων, και ανακτάται αρκετά θερμότερο με τη μορφή νερού ή ατμού μέσω άλλων γεωτρήσεων (Σχήμα 1.2). δ) Τα γεωπεπιεσμένα συστήματα (geopressured systems) αποτελούνται από ρευστά εγκλεισμένα σε μεγάλο βάθος, βρίσκονται περιορισμένα από μη περατά πετρώματα και η πίεσή τους υπερβαίνει την υδροστατική. Σχήμα 1.1 Σχηματική παρουσίαση της αξιοποίησης των θερμών ξηρών πετρωμάτων με μία γεώτρηση τροφοδοσίας και δύο παραγωγικές γεωτρήσεις. Σελίδα 4
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ε) Τα μαγματικά συστήματα (magma systems) αναφέρονται στην απόληψη θερμότητας με κατάλληλες γεωτρήσεις σε μαγματικές διεισδύσεις, που βρίσκονται σε μικρό σχετικά βάθος. Τα κύρια τυπικά τμήματα ενός υδροθερμικού συστήματος είναι η εστία θερμότητας, ο ταμιευτήρας, το αδιαπέρατο κάλυμμα και η περιοχή επαναφόρτισης. Ο ταμιευτήρας είναι το σημαντικότερο τμήμα ενός γεωθερμικού συστήματος από την άποψη της ενεργειακής αξιοποίησης των περιεχόμενων ρευστών. Μία πρώτη ταξινόμηση-τυποποίηση των υδροθερμικών συστημάτων γίνεται συνήθως ανάμεσα στα συστήματα στα οποία το κυρίαρχο ρευστό είναι ο ατμός (συστήματα ατμού, π.χ. στο Larderello, Ιταλία), και τα οποία χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για ηλεκτροπαραγωγή, και στα συστήματα στα οποία κυρίαρχο ρευστό είναι το θερμό νερό (συστήματα θερμού νερού). Το συνηθέστερο κριτήριο για την ταξινόμηση των υδροθερμικών συστημάτων νερού βασίζεται στην ενθαλπία των γεωθερμικών ρευστών, τα οποία είναι και οι φορείς της θερμότητας στην επιφάνεια της γης από τα θερμά βαθιά πετρώματα. Η ενθαλπία των ρευστών, ΔΗ, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ανάλογη της θερμοκρασίας τους, χρησιμοποιείται για να εκφράσει το θερμικό περιεχόμενό τους. Οι γεωθερμικοί πόροι ταξινομούνται συνήθως για λόγους ευκολίας (αν και με κάπως αυθαίρετο τρόπο) σε ρευστά χαμηλής, μέσης και υψηλής ενθαλπίας ή θερμοκρασίας. Υψηλής ενθαλπίας ορίζονται τα ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 150 C, μέσης ενθαλπίας τα ρευστά με θερμοκρασία από 90 C μέχρι 150 C, και χαμηλής ενθαλπίας τα νερά με θερμοκρασία μικρότερη από 90 C (Nicholson, 1993, Dickson & Fanelli, 1995). 1.3. Στάδια Γεωθερμικής Έρευνας Η αναζήτηση των γεωθερμικών περιοχών με ρευστά που να σχηματίζουν ένα εκμεταλλεύσιμο κοίτασμα, γίνεται με κατάλληλη γεωθερμική έρευνα, η οποία πραγματοποιείται κυρίως στην επιφάνεια με τις μικρότερες κατά το δυνατόν δαπάνες. Αν η επιφανειακή έρευνα δείξει θετικά αποτελέσματα Σελίδα 5
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ακολουθεί ανόρυξη ερευνητικών και κατόπιν παραγωγικών γεωτρήσεων, οι οποίες στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ιδιαίτερα δαπανηρές. Η γεωθερμική έρευνα διακρίνεται σε τέσσερα κύρια τυποποιημένα (ή τυπικά) στάδια : i. Γενική επισκόπηση μεγάλης κλίμακας. Χρήση όσο το δυνατόν περισσότερων στοιχείων (γεωλογικοί και τεκτονικοί χάρτες, αεροφωτογραφίες, βιβλιογραφική ανασκόπηση, αναγνωριστικές επισκέψεις, θερμομετρήσεις, δειγματοληψίες-αναλύσεις νερών κτλ.) για την στην επιλογή και υπόδειξη των περιοχών με τις ευνοϊκότερες συνθήκες. ii. Λεπτομερής και συστηματική έρευνα των πιθανότερων γεωθερμικών περιοχών. Ερευνώνται με λεπτομέρεια εκείνοι οι παράγοντες (γεωλογικοί, τεκτονικοί, ηφαιστειολογικοί, στρωματογραφικοί, λιθολογικοί, υδρογεωλογικοί, γεωχημικοί, γεωφυσικοί, θερμοδυναμικοί κτλ.) που μπορούν να χαρακτηρίσουν μια γεωθερμική περιοχή. Τελικός στόχος του σταδίου αυτού είναι ο προσδιορισμός του γεωθερμικού μοντέλου κάθε γεωθερμικού κοιτάσματος και η γνώση της θέσης και κατάστασης στην οποία βρίσκονται τα γεωθερμικά ρευστά ή θερμά πετρώματα. Συγχρόνως προτείνεται η σειρά, το βάθος και τα χαρακτηριστικά των ερευνητικών-παραγωγικών γεωτρήσεων. iii. Εντοπισμός-περιχάραξη των γεωθερμικών πεδίων και μελέτη των χαρακτηριστικών. Το στάδιο αυτό καταλήγει στον προσδιορισμό των πιθανότερων γεωθερμικών περιοχών και των θέσεων στις οποίες προτείνεται η εκτέλεση των πρώτων βαθιών γεωτρήσεων έρευνας και παραγωγής. Στη συνέχεια καταρτίζεται το λεπτομερές πρόγραμμα γεωτρήσεων. Οι γεωθερμικές γεωτρήσεις διακρίνονται, αναφορικά με το σκοπό της ανόρυξής τους, σε ερευνητικές, παραγωγικές ή επανεισαγωγής, και σε σχέση με την ενθαλπία των ρευστών, σε χαμηλής, μέσης ή υψηλής ενθαλπίας. Σελίδα 6
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ iv. Ανάπτυξη και διαχείριση των γεωθερμικών πεδίων. Αναφέρεται στα σπουδαιότερα προβλήματα διαχείρισης και λειτουργίας ενός γεωθερμικού πεδίου. Τα παραπάνω τυποποιημένα (ή τυπικά) στάδια ισχύουν σε όλες τις περιπτώσεις της γεωθερμικής έρευνας, αν και οι επί μέρους γεωλογικές συνθήκες καθορίζουν την ξεχωριστή διάρθρωση και ανάπτυξη του κάθε σταδίου. Μπορεί να αλλάζει η λεπτομερής διάρθρωση και η ανάπτυξη των επί μέρους σταδίων, γενικά όμως οι εργασίες ακολουθούν την προαναφερθείσα τυπική σειρά. Σε κάθε φάση απαιτείται υποχρεωτικά η συνεργασία και ο συντονισμός των διαφόρων επιστημόνων και τεχνικών που εμπλέκονται στην όλη έρευνα. 1.4. Μετρήσεις και αποτίμηση δυναμικού Πρωταρχικός σκοπός ενός προγράμματος έρευνας και αποτίμησης σε μία γεωθερμική περιοχή είναι να προσδιορίσει ταχύτατα, αξιόπιστα και με το λιγότερο δυνατό κόστος τα χαρακτηριστικά των γεωθερμικών ρευστών και την ικανότητα του πεδίου για την παραγωγή αξιοποιήσιμων ποσοτήτων ρευστών. Η γεωχημεία παίζει σημαντικό ρόλο στην γεωθερμική έρευνα και αναζήτηση, αφού μπορεί να απαντήσει σε μεγάλο αριθμό ερωτημάτων με τη μελέτη του χημισμού των γεωθερμικών ρευστών και των πετρωμάτων του ταμιευτήρα. Η γεωθερμική έρευνα περιλαμβάνει τη συλλογή δειγμάτων και την ανάλυση των γεωθερμικών ρευστών από φυσικές εκδηλώσεις και από γεωτρήσεις της περιοχής που ερευνάται. Τα γεωχημικά δεδομένα που συγκεντρώνονται βοηθούν στον εντοπισμό του γεωθερμικού συστήματος, στην εκτίμηση της θερμοκρασίας του ταμιευτήρα, στον προσδιορισμό του χημικού χαρακτήρα των ρευστών και του μηχανισμού τροφοδοσίας του πεδίου, στην εκτίμηση του πιθανού αξιοποιήσιμου δυναμικού κ.α. Οι γεωχημικές μέθοδοι που εφαρμόζονται στα διάφορα στάδια της έρευνας είναι απολύτως απαραίτητες, προτού χρησιμοποιηθούν περισσότερο δαπανηρές μέθοδοι, όπως οι γεωφυσικές και ή ανόρυξη ερευνητικών γεωτρήσεων. Σελίδα 7
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αν και δεν υπάρχει κάποια γενικά αποδεκτή ταξινόμηση των γεωθερμικών νερών, συχνά τα γεωθερμικά νερά διαχωρίζονται σε σχέση με το κυρίαρχο ανιόν, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.1 (Henley et al, 1984). Στα γεωθερμικά συστήματα νερού ο συνηθέστερος τύπος που συναντάται σε κάποιο βάθος είναι τα χλωριούχα νερά, με συγκεντρώσεις που φτάνουν τα 10000 mg/l (Ellis & Mahon, 1977). Σπανιότερα, η συγκέντρωση των χλωριόντων μπορεί να υπερβεί και τα 120000 mg/l. Οι δύο κυριότερες φυσικοχημικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό ενός γεωθερμικού νερού είναι η περιεκτικότητά του σε άλατα (Total dissolved solids-tds) και το ph. Συνήθως, τα γεωθερμικά ρευστά χαμηλής θερμοκρασίας έχουν μικρότερο TDS από ότι τα ρευστά σε υψηλή θερμοκρασία, αν και υπάρχουν εξαιρέσεις αυτού του κανόνα. Οι τιμές του TDS των γεωθερμικών ρευστών κυμαίνονται από λίγες δεκάδες μέχρι και εκατοντάδες χιλιάδες mg/l. Το μέγεθος της αλατότητας ενός νερού προσεγγίζεται στο ύπαιθρο με τη μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του νερού. Πίνακας 1.1 - Σύνοψη των διαφόρων τύπων νερού στα γεωθερμικά συστήματα ΤΥΠΟΣ ΝΕΡΟΥ ΠΕΡΙΟΧΗ ph ΚΥΡΙΑ ΙΟΝΤΑ Υπόγεια 6-7,5 - ΛΙΓΑ HCO 3 Πλούσια σε χλωριόντα 4 9 - Cl, λίγα HCO 3 Πλούσια σε χλωριόντα - ανθρακικά 7 8,5 - Cl, HCO 3 Πλούσια σε θειικά ιόντα 1 3 SO 2-4, λίγα Cl Πλούσια σε θειικά - χλωριόντα 1 5 2- Cl, SO 4 Πλούσια σε όξινα ανθρακικά 5 7 - HCO 3 Αραιά χλωριούχα 6,5-7,5 - Cl, λίγα HCO 3 Οι ιδιότητες των θερμών ρευστών που εκρέουν από φυσικές πηγές ή από γεωτρήσεις ενός γεωθερμικού πεδίου αντιστοιχούν σε μεγάλο βαθμό στα χαρακτηριστικά του υδροθερμικού συστήματος. Τα φυσικοχημικά και ισοτοπικά δεδομένα των γεωθερμικών ρευστών μπορούν να μας βοηθήσουν για: Σελίδα 8
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ i. την εκτίμηση της προέλευσης των ρευστών και του βαθμού ανάμιξής τους με άλλα νερά, ii. την εκτίμηση της θερμοκρασίας του ταμιευτήρα (χημική γεωθερμομετρία), και iii. τον προσδιορισμό των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ρευστών. Η αξιοπιστία και η χρησιμότητα των αναλύσεων των γεωθερμικών ρευστών εξαρτώνται σχεδόν αποκλειστικά από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή των δειγμάτων και από την προσοχή με την οποία γίνεται αυτή η συλλογή. Υπάρχει πληθώρα μεθόδων για τη συλλογή δειγμάτων των ρευστών που εξέρχονται, είτε από διάφορες θερμές εκροές (θερμές πηγές, ατμίδες), είτε από γεωθερμικές γεωτρήσεις. Σε γενικές γραμμές οι αναλυτικές τεχνικές για τα γεωθερμικά ρευστά είναι όμοιες με τις τεχνικές ανάλυσης δειγμάτων νερών και αέριων μιγμάτων. Δείγματα υγρού μπορούν να χαρακτηρισθούν ως προς τη σύστασή τους, χρησιμοποιώντας τυποποιημένες μεθόδους ελέγχου όπως φασματο-φωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (AA), ιοντική χρωματογραφία (1C), φασματοσκοπία Επαγωγικού Συζευγμένου Πλάσματος (ICP), εκλεκτικά ηλεκτρόδια, διάφορες χρωματομετρικές, σταθμικές και υγρές μεθόδους κτλ. (Owen & Michels, 1984). Η αέρια χρωματογραφία είναι η πλέον κατάλληλη μέθοδος για την ανάλυση των γεωθερμικών αερίων. Η μέθοδος είναι αρκετά διαδεδομένη, σχετικά φθηνή, έχει μεγάλη αξιοπιστία, απαιτεί μικρό δείγμα (κλάσμα του ml) και μπορεί να ανιχνεύσει σχεδόν όλα τα γεωθερμικά συστατικά. Κατά τη συλλογή των δειγμάτων, δύο προβλήματα πρέπει να προσεχθούν: i. Η «ρύπανση» των δειγμάτων με αέρα, είτε στη φάση της δειγματοληψίας, είτε στην διάρκεια της εισαγωγής δείγματος στο χρωματογράφο. ii. Η αποφυγή αντίδρασης μεταξύ των αέριων συστατικών και των τοιχωμάτων των οβίδων συλλογής, ιδιαίτερα όταν αυτές είναι μεταλλικές. Σελίδα 9
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι χημικές αναλύσεις των γεωθερμικών ρευστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για να γίνει μία προσεγγιστική εκτίμηση της θερμοκρασίας του υπόγειου ταμιευτήρα. Η πληροφορία αυτή παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον κατά τη διάρκεια της έρευνας, ειδικά όταν δεν είναι διαθέσιμες πληροφορία από μετρήσεις σε βαθιές γεωτρήσεις. 1.5. Αξιοποίηση γεωθερμικών πόρων Τα φυσικά θερμά ρευστά χρησιμοποιήθηκαν από πολύ παλιά, κυρίως για τις θεραπευτικές τους ιδιότητες, σπάνια όμως για τις ενεργειακές δυνατότητές τους. Στη σύγχρονη εποχή η πρώτη βιομηχανική αξιοποίηση της γεωθερμίας πραγματοποιήθηκε στο Larderello της Ιταλίας, όπου από τις αρχές του 19ου αιώνα χρησιμοποιήθηκε υπέρθερμος ατμός για την παραγωγή βορικού οξέος (με εξάτμιση των νερών που περιείχαν σημαντικές ποσότητες του οξέος) και για τη θέρμανση κτιρίων, ενώ ένα αιώνα μετά ξεκίνησε στο ίδιο μέρος η γεωθερμική ηλεκτροπαραγωγή. Η πρώτη συστηματική αξιοποίηση της γεωθερμίας για θέρμανση χώρων ξεκίνησε στην Ισλανδία. Σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού της Ισλανδίας (και ολόκληρη η πόλη του Reykjavik) θερμαίνονται με γεωθερμικά νερά. Οι κυριότερες χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας παρουσιάζονται επιγραμματικά στο Σχήμα 1.3, στο τροποποιημένο διάγραμμα Lindal (1973). Στο διάγραμμα αυτό καταγράφονται παραδείγματα χρήσεων, δοκιμασμένων και πιθανών, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας των ρευστών. Οι περισσότερο καθιερωμένες εφαρμογές είναι η θέρμανση χώρων, οι ιχθυοκαλλιέργειες, η ξήρανση αγροτικών προϊόντων και η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Στο επάνω μέρος του διαγράμματος Lindal ο κορεσμένος ατμός χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, ενώ οι άμεσες χρήσεις καλύπτουν όλη την κλίμακα θερμοκρασιών. Θα πρέπει να τονιστεί ότι διάγραμμα Lindal δεν περιορίζει το είδος των δυνατών χρήσεων, ούτε πρέπει να ληφθούν αυστηρά υπόψη τα όρια των θερμοκρασιών που θέτει. Σελίδα 10
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σχήμα 1.3. - Το τροποποιημένο διάγραμμα Lindal. 1.6. Προβλήματα και πλεονεκτήματα Γενικά, η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας συναντά ορισμένα βασικά προβλήματα, τα οποία θα πρέπει να λυθούν ικανοποιητικά για την οικονομική εκμετάλλευση της εναλλακτικής αυτής μορφής ενέργειας. Οι τύποι αυτοί των προβλημάτων είναι ο σχηματισμός επικαθίσεων (ή όπως συχνά λέγεται οι καθαλατώσεις ή αποθέσεις) σε κάθε σχεδόν επιφάνεια που έρχεται σε επαφή με το γεωθερμικό ρευστό, η διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών, καθώς και ορισμένες περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις (διάθεση των ρευστών μετά τη χρήση τους, εκπομπές τοξικών αερίων, ιδίως του υδροθείου). Όλα αυτά τα προβλήματα σχετίζονται άμεσα με την ιδιάζουσα χημική σύσταση των περισσότερων γεωθερμικών ρευστών. Τα γεωθερμικά ρευστά λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της παραμονής Σελίδα 11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ τους σε επαφή με διάφορα πετρώματα περιέχουν κατά κανόνα σημαντικές διαλυμένων αλάτων και αερίων. Η αλλαγή των θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών των ρευστών στο στάδιο της εκμετάλλευσης μπορεί να δημιουργήσει συνθήκες ευνοϊκές τόσο για τη χημική προσβολή των μεταλλικών επιφανειών, όσο και για την απόθεση ορισμένων διαλυμένων ή αιωρούμενων στερεών και την απελευθέρωση στο περιβάλλον επιβλαβών ουσιών. Ο σχηματισμός επικαθίσεων σε γεωθερμικές μονάδες μπορεί να ελεγχθεί σε κάποιο βαθμό, αν όχι ολοκληρωτικά, με μια πληθώρα τεχνικών και μεθόδων. Μερικές από τις πιο τυπικές πρακτικές είναι ο σωστός σχεδιασμός της μονάδας και η επιλογή των κατάλληλων συνθηκών λειτουργίας της, η ρύθμιση του ph του ρευστού, η προσθήκη χημικών ουσιών (αναστολέων δημιουργίας επικαθίσεων) και, τέλος, η απομάκρυνση των σχηματιζόμενων στερεών με χημικά ή φυσικά μέσα, στη διάρκεια προγραμματισμένων ή όχι διακοπών λειτουργίας της μονάδας. Οι διάφορες δυνατότητες ελέγχου της διάβρωσης στις γεωθερμικές μονάδες επικεντρώνονται (α) στην επιλογή του κατάλληλου υλικού κατασκευής (π.χ. χρήση πολυμερικών υλικών, εναλλακτών θερμότητας από τιτάνιο, Hastelloy κτλ.), (β) στην επικάλυψη των μεταλλικών επιφανειών με ανθεκτικά στη διάβρωση στρώματα, (γ) στην προσθήκη αναστολέων διάβρωσης, και (δ) στον ορθό σχεδιασμό της μονάδας. Η γεωθερμική ενέργεια θεωρείται «ήπια» μορφή ενέργειας, σε σύγκριση με τις συμβατικές μορφές ενέργειας, χωρίς βέβαια οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την εκμετάλλευσή της να είναι συχνά αμελητέες. Η υψηλότερη περιεκτικότητα των γεωθερμικών ρευστών υψηλής ενθαλπίας σε διαλυμένα άλατα και αέρια σε σχέση με τα ρευστά χαμηλής ενθαλπίας επιβάλλουν το διαχωρισμό των επιπτώσεων από την αξιοποίηση της γεωθερμίας. Τα προβλήματα από τη διάθεση των νερών Σελίδα 12
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ που χρησιμοποιούνται για άμεσες χρήσεις είναι κατά κανόνα ηπιότερα (και σχεδόν μηδενικά) από ότι των ρευστών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης θα πρέπει να τονιστεί από την αρχή ότι στην περίπτωση που εφαρμόζεται η άμεση επανεισαγωγή των γεωθερμικών ρευστών στον ταμιευτήρα, όπως στην περίπτωση των μονάδων με δυαδικό κύκλο, οι επιπτώσεις είναι ελάχιστες. Βεβαίως κατά τη φάση της έρευνας, της ανόρυξης των γεωτρήσεων, των δοκιμών και της κατασκευής της μονάδας μπορούν να υπάρξουν διαρροές και διάθεση γεωθερμικών νερών σε υδάτινους αποδέκτες, καθώς και αυξημένος θόρυβος. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την αξιοποίηση των ρευστών υψηλής ενθαλπίας διαφέρουν από περιοχή σε περιοχή και ταξινομούνται σε συνάρτηση της αιτίας όπως τη χρήση γης, εκπομπές αερίων, τη διάθεση υγρών αποβλήτων, θόρυβο, δημιουργία μικροσεισμικότητας και καθιζήσεις. Η έκταση γης που απαιτείται για την αξιοποίηση της γεωθερμίας (π.χ. για την εγκατάσταση της μονάδας, το χώρο για τις γεωτρήσεις, τις σωληνώσεις μεταφοράς και τους δρόμους πρόσβασης) είναι γενικά μικρότερη από την έκταση της γης που απαιτούν άλλες μορφές ενέργειας (ατμοηλεκτρικοί σταθμοί άνθρακα, υδροηλεκτρικοί σταθμοί κτλ.). Το CO 2 που εκπέμπεται από γεωθερμικές μονάδες ποικίλλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του πεδίου, καθώς και την τεχνολογία παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας, αν και οι εκπομπές του είναι κατά πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες εκπομπές ατμοηλεκτρικών μονάδων και συγκρίνονται ευνοϊκά και με τις εκπομπές (έμμεσες ή άμεσες) από άλλες ΑΠΕ. Το H 2 S, λόγω της έντονης οσμής του και της σχετικής τοξικότητάς του, είναι υπεύθυνο τις περισσότερες φορές για τη προκατάληψη που εκδηλώνεται κατά της γεωθερμίας. Οι εκπομπές H 2 S ποικίλλουν από <0,5 g/kwh μέχρι και 7 g/kwh. Οι εκπομπές του H 2 S μπορούν να ελεγχθούν σχετικά εύκολα και να μειωθούν σε συγκεντρώσεις 1 ppb με μια πληθώρα μεθόδων, όπως με τη διεργασία Stredford, με την καύση και επανεισαγωγή, με την οξειδωτική μέθοδο Dow κτλ. Σελίδα 13
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πίνακας 1.2 - Εκπομπές επιβλαβών αερίων από διάφορες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (σε kg/mwh παραγόμενης ενέργειας) Μορφή ενέργειας CO 2 NO x SO x Άνθρακας 1042 4,4 11,8 Πετρέλαιο 839 12,4 1,6 Φυσικό Αέριο 453 1,4 0,0 Γεωθερμική Ενέργεια* 95 0,3 0,1 Φωτοβολταϊκά** 135 0,3 0,4 Βιομάζα 20 1,8 0,5 * Η μέση τιμή οι μονάδες δυαδικού κύκλου έχουν μηδενικές εκπομπές ** περιλαμβάνει τις εκπομπές από τον κύκλο ζωής της τεχνολογίας Η κύρια ανησυχία από την αξιοποίηση της γεωθερμίας υψηλής ενθαλπίας προέρχεται από τη διάθεση των γεωθερμικών νερών στους υδάτινους αποδέκτες. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της περιεκτικότητάς του σε διάφορα χημικά συστατικά, το γεωθερμικό ρευστό προτού διατεθεί σε υδάτινους αποδέκτες θα πρέπει να υποστεί κάποια επεξεργασία και να μειωθεί η θερμοκρασία του. Τονίζεται ξανά ότι η περιβαλλοντικά περισσότερο αποδεκτή μέθοδος διάθεσης των γεωθερμικών ρευστών είναι η επανεισαγωγή τους στον ταμιευτήρα. Συγκρινόμενη με τις άλλες ΑΠΕ, η γεωθερμία δεν υστερεί σε περιβαλλοντικά οφέλη. Αυτό βέβαια έρχεται σε προφανή αντίθεση με την εντύπωση που κυριαρχεί ότι ορισμένες ΑΠΕ (π.χ. φωτοβολταϊκά, αιολική ενέργεια) δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον. Η εντύπωση αυτή μεταβάλλεται όταν κανείς συνυπολογίσει τις επιπτώσεις οποιασδήποτε μορφής ενέργειας σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής μιας τεχνολογίας, αλλά και την επιβάρυνση στο περιβάλλον από την κατασκευή και λειτουργία των μονάδων. Τα περιβαλλοντικά οφέλη της γεωθερμίας μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: (α) Συνεχής παροχή ενέργειας, με υψηλό συντελεστή λειτουργίας (load factor), >90%. Σελίδα 14
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ (β) Μικρό λειτουργικό κόστος, αν και το κόστος παγίων είναι σημαντικά αυξημένο σε σχέση και με τις συμβατικές μορφές ενέργειας. (γ) Μηδενικές ή μικρές εκπομπές αερίων στο περιβάλλον. (δ) Μικρή απαίτηση γης. (ε) Συμβολή στην επίτευξη των στόχων της Λευκής Βίβλου της Ε.Ε. και του Πρωτοκόλλου του Κιότο. (στ) Αποτελεί τοπική μορφή ενέργειας με συνέπεια την οικονομική ανάπτυξη της γεωθερμικής περιοχής. (ζ) Συμβολή στην μείωση της ενεργειακής εξάρτησης μιας χώρας, με τον περιορισμό των εισαγωγών ορυκτών καυσίμων. Σελίδα 15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1. Αποτύπωση ενεργειακού προβλήματος Η προσπάθεια του ανθρώπου για τη συνεχή άνοδο του βιοτικού του επιπέδου και η βιομηχανική ανάπτυξη οδήγησαν στην ταχεία αύξηση της ενεργειακής ζήτησης. Δεδομένου ότι η ενέργεια που χρησιμοποιείται σήμερα προέρχεται από ορυκτές καύσιμες ύλες, όπως γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο και σχάσιμα πυρηνικά υλικά, η αύξηση της ενεργειακής ζήτησης φέρνει την παγκόσμια κοινότητα αντιμέτωπη με δύο σημαντικά προβλήματα: - τη διαθεσιμότητα και την επάρκεια των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων και - τις επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η κύρια επιβλαβής επίδραση στο περιβάλλον της χρήσης των ορυκτών καυσίμων είναι η αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρά που έχει ως αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη. Με την καύση των ορυκτών καυσίμων, εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα, απελευθερώνονται και άλλες επιβλαβείς ουσίες στην ατμόσφαιρα όπως νιτρικά, θειικά ή ανθρακικά οξέα τα οποία είναι υπεύθυνα για τον σχηματισμό όξινης βροχής. Κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα, η χρήση ορυκτών καυσίμων στον κόσμο πολλαπλασιάστηκε επί 12 και η εξόρυξη υλικών πόρων επί 34. Στην διαμόρφωση της κατάστασης αυτής συνέβαλε η έλλειψη ενημέρωσης των πολιτών σχετικά με την ορθολογική χρήση της ενέργειας και η επικράτηση της άποψης ότι τα αποθέματα ενέργειας είναι απεριόριστα. Μόλις πριν από λίγα χρόνια έγινε αντιληπτό το μέγεθος της κατασπατάλησης των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων του πλανήτη από το γεγονός ότι η ανθρωπότητα έχει δαπανήσει τα τελευταία εκατό χρόνια, Σελίδα 16
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ αποθέματα πρώτων υλών και πηγών ενέργειας, τα οποία αποταμιεύτηκαν σε μια μεγάλη χρονική περίοδο. Πολλές χώρες του κόσμου έχουν ήδη συνειδητοποιήσει την επείγουσα ανάγκη για καθαρή παραγωγή ενέργειας, χωρίς δηλαδή πρόκληση ρύπανσης, και βασίζουν την παραγωγή τους σε ηλεκτρισμό ολοένα και περισσότερο στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Όμως, αυτές αποτελούν ακόμη μεμονωμένα λαμπρά παραδείγματα. Οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες στο σύνολό τους παραμένουν έντονα επιβαρυντικές για το περιβάλλον. 2.2. Παγκόσμιο Ενεργειακό Πρόβλημα Σύμφωνα με μελέτη του Οργανισμού των Ηνωμένων Εθνών, το έτος 2005 ο παγκόσμιος πληθυσμός έφτανε τα 6,4 δις ενώ οι προβλέψεις θέλουν να προσεγγίζει τα 8,2 δις το έτος 2030, σημειώνοντας μέση ετήσια αύξηση περίπου 1%. Το μεγαλύτερο μερίδιο της αύξησης αντιστοιχεί στις αναπτυσσόμενες χώρες, από τα 4,9 δις του 2005 στα 6,6 δις του 2030. Ο αριθμός των κατοίκων των δύο χωρών που θα διαδραματίσουν σημαίνοντα ρόλο στην αγορά ενέργειας και κατ επέκταση στην παγκόσμια οικονομία, της Κίνας και της Ινδίας, αναμένεται να φτάσει τα 1,46 δις και 1,09 δις, αντίστοιχα. Ο κύριος παράγοντας που αυξάνει την ενεργειακή ζήτηση είναι η αύξηση του Εθνικού Ακαθάριστου Προϊόντος. Κατά την διάρκεια των τριών τελευταίων δεκαετιών, η ενεργειακή ζήτηση έτεινε σε ευθεία γραμμική αύξηση με το GDP. Από το 1990 και έπειτα, η εξάρτηση αυτή μεταβλήθηκε: μία αύξηση του GDP κατά 1% σήμαινε αύξηση κατά 0,5% στην ζήτηση πρωτογενούς ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια, η ζήτηση αυξάνεται με μικρότερο βαθμό σε σχέση με αυτή του GDP, κυρίως λόγω θερμότερου κλίματος στο βόρειο ημισφαίριο, αλλά και της ενεργειακής βελτίωσης των συσκευών με τεχνολογικά μέτρα. Σελίδα 17
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Παρόλη την αύξηση της τιμής του πετρελαίου από το 2002 και μετά, οι οικονομίες των περισσοτέρων χωρών συνέχισαν να αναπτύσσονται. Το παγκόσμιο GDP αναμένεται να αυξηθεί κατά 3,6% ετησίως στην περίοδο 2004-2030. Οι αναπτυσσόμενες Ασιατικές χώρες αναμένεται να έχουν μεγαλύτερο ρυθμό ανάπτυξης σε σχέση με τις υπόλοιπες σε παγκόσμια κλίμακα, ενώ ακολουθούν η Μέση Ανατολή και η Αφρική. Η χώρα με την μεγαλύτερη ανάπτυξη αναμένεται να είναι η Κίνα με ετήσιο ποσοστό της τάξεως του 5,5% ετησίως. Το εισόδημα ανά κεφαλή αναμένεται να αυξηθεί κατά 2,6% ανά έτος. Στις αναπτυσσόμενες χώρες και κυρίως στην Κίνα, η αντίστοιχη αύξηση είναι 5,6%. Σύμφωνα με εκτιμήσεις της ΙΕΑ, κατά την περίοδο 2005-2030 η παγκόσμια ζήτηση πρωτογενούς ενέργειας εμφανίζει ετήσιο ρυθμό αύξησης 1,8%. Η ζήτηση κατά το έτος 2005 έφτανε τα 11,4 δις τόνους ισοδύναμου πετρελαίου και υπάρχει η πρόβλεψη που θέλει να προσεγγίζει τα 17,7 δις το έτος 2030. Ο Πίνακας 2.1. παρουσιάζει την παγκόσμια ζήτηση για πρωτογενή ενέργεια ανά καύσιμο. Ζήτηση ενέργειας ανά καύσιμο σε Mtoe 1980 2000 2005 2015 2030 2005 2030 Coal 1786 2292 2892 3988 4994 2,2% Oil 3106 3647 4000 4720 5585 1,3% Gas 1237 2089 2354 3044 3948 2,1% Nuclear 186 675 721 804 854 0,7% Hydro 147 226 251 327 416 2,0% Biomass and waste Other renewables 753 1041 1149 1334 1615 1,4% 12 53 61 145 308 6,7% Σελίδα 18
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Παρατηρείται από τον Πίνακα ότι τα ορυκτά καύσιμα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακας, συνεχίζουν να είναι η κύρια πηγή πρωτογενούς ενέργειας. Το πετρέλαιο συνεχίζει να έχει το μεγαλύτερο μερίδιο παρά την μικρή ποσοστιαία αύξηση του, από 81% το 2005 στο 82% το 2030. Τα μερίδια του άνθρακα και του φυσικού αερίου μεταβάλλονται από 25% σε 28% και 21% σε 22%, αντίστοιχα. Αυτή η αύξηση στην χρήση των φυσικών καυσίμων θα έχει ως συνέπεια την αύξηση των εκπομπών του CO 2 κατά 57% για την περίοδο 2005-2030, αν φυσικά δεν ληφθούν υπόψη μέτρα για το περιορισμό αυτών. Μικρότερους ρυθμούς αύξησης της κατανάλωσης εμφανίζουν κάποιες από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η βιομάζα. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι Κίνα και η Ινδία, αναμένεται να έχουν σημαντικό ρόλο στην παγκόσμια αγορά ενέργειας. Αποτελούν δε τις χώρες με την μεγαλύτερη ενεργειακή ζήτηση. Πιο συγκεκριμένα, για την περίοδο 2005-2030, κατέχουν το 45% της συνολικής αύξησης στην χρήση της ενέργειας. Οι μεταβατικές οικονομίες, έχουν μερίδιο 6%, ενώ οι χώρες του Ο.Ο.Σ.Α. περίπου 20%. Μετά το 2010, η Κίνα θα είναι η χώρα με την μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας, σύμφωνα με το Σχήμα 2.1 που παρουσιάζει την αύξηση της ζήτησης πρωτογενούς ενέργειας, αφήνοντας τις Η.Π.Α. στην αμέσως επόμενη θέση. Οι αναπτυσσόμενες χώρες θα κατέχουν το 47% της παγκόσμιας ζήτησης το 2015 και περισσότερο από το 50% το 2030, σε σύγκριση με το σημερινό 41%. Το μερίδιο των χωρών Ο.Ο.Σ.Α. πέφτει από το σημερινό 48% στο 43% το 2015 και στο 38% το 2030. Τα ποσοστά κάθε κατηγορίας χωρών (χώρες Ο.Ο.Σ.Α., αναπτυσσόμενες και μεταβατικές οικονομίες) στην αύξηση της ζήτησης ανά καύσιμο φαίνονται στο Σχήμα 2.1 Σελίδα 19
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σχήμα 2.1. - Ποσοστό αύξησης της ζήτησης πρωτογενούς ενέργειας Σχήμα 22.2.1 - Συμμετοχή των χωρών στην ζήτηση ανά καύσιμο. (Χώρες ΟΟΣΑ με κόκκινο, μεταβατικές οικονομίες με μπλε, αναπτυσσόμενες χώρες με πράσινο) (IEA 2006) Οι αναπτυσσόμενες χώρες κατέχουν το μεγαλύτερο μερίδιο σε κάθε κατηγορία καυσίμου εκτός από τις ανανεώσιμες που δεν περιλαμβάνουν υδροηλεκτρική ενέργεια. Το μερίδιο των αναπτυσσόμενων χωρών είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην πυρηνική ενέργεια αλλά και στην εκμετάλλευση Σελίδα 20
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ του άνθρακα λόγω της ιδιαίτερης προτίμησης σε αυτό από την Κίνα και την Ινδία. Το έτος 2030 το μερίδιο των δύο προαναφερθέντων χωρών φτάνει το 60% σε σχέση με το 45% του έτους 2005. Σε ότι αφορά την κατανάλωση του πετρελαίου, αναμένεται μια αύξηση στην ζήτηση κατά 32 εκ. βαρελιών εκ των οποίων τα 25 εκ. βαρέλια αντιστοιχούν στις Κίνα και Ινδία. Σχετικά με τον δείκτη ενεργειακής έντασης της παγκόσμιας ζήτησης πρωτογενούς ενέργειας αναμένεται μία μέση πτώση κατά 1,8% στην περίοδο 2005-2030 σε σχέση με το 1,6% της περιόδου 1990-2005. Αιτία αυτού του γεγονότος είναι η ταχύτερη οικονομική αλλαγή από την βαριά οικονομία προς μια άλλη που περιλαμβάνει δραστηριότητες μικρότερου δείκτη ενεργειακής έντασης. Καθώς η θερμική απόδοση των μονάδων είναι ο βασικός παράγοντας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ο δείκτης είναι χαμηλότερος στις αναπτυσσόμενες χώρες. Σχήμα 2.2 - Δείκτης ενεργειακής έντασης της πρωτογενούς ενέργειας Η προηγούμενη ανάλυση δείχνει ότι η πρόβλεψη για τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες είναι ότι αυτές αυξάνονται ταχύτατα, κυρίως λόγω της Σελίδα 21
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ αύξησης του GDP των αναπτυσσόμενων οικονομιών (Κίνα, Ινδία) και του σχετικά χαμηλού βαθμού ενεργειακής τους απόδοσης. Έως το 2030, οι απαιτήσεις αυτές θα συνεχίσουν να ικανοποιούνται κατά κύριο λόγο από κατανάλωση ορυκτών καυσίμων. Η εξέλιξη αυτή θα έχει αρνητικές συνέπειες με επιτάχυνση της κλιματικής αλλαγής, περαιτέρω επιδείνωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, και τάχιστη μείωση των ενεργειακών αποθεμάτων. 2.3. Ο ρόλος των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η καύση των ορυκτών καυσίμων, όπως είναι το πετρέλαιο και o άνθρακας, από τα οποία παίρνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς του ο σύγχρονος κόσμος, απελευθερώνει στην ατμόσφαιρα διάφορους αέριους ρύπους (αέρια του θερμοκηπίου), με σημαντικότερο το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Η ύπαρξη του αερίου αυτού στην ατμόσφαιρα ευθύνεται για την υπερθέρμανση του πλανήτη. Η αύξηση της συγκέντρωσής του στην ατμόσφαιρα της γης τις τελευταίες δεκαετίες, λόγω της αλόγιστης χρήσης ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή ενέργειας, έχει επιφέρει την αύξηση της θερμοκρασίας της γης (φαινόμενο του θερμοκηπίου), με αποτέλεσμα να εντείνονται τα ακραία καιρικά φαινόμενα (πλημμύρες, ξηρασία, λιώσιμο των πάγων στους πόλους, τυφώνες, κ.α.). Μετά την Παγκόσμια Σύνοδο για το περιβάλλον και την κλιματική αλλαγή στο Ρίο το 1992, η προστασία του περιβάλλοντος έχει αναδειχθεί σε μείζον θέμα για ολόκληρο τον πλανήτη. Οι κλιματικές αλλαγές είναι ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που καλείται να αντιμετωπίσει σήμερα η ανθρωπότητα. Στις 11 Δεκεμβρίου 1997, στο Κιότο της Ιαπωνίας σημαντικός αριθμός των χωρών του πλανήτη (111 χώρες μέχρι το 2003) υπέγραψαν τη Σύμβαση του Κιότο για τις κλιματικές αλλαγές και δεσμεύτηκαν να μειώσουν τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου κατά 5% στην περίοδο από το 2008 μέχρι το 2012 (MEMO/03/154). Η δέσμευση αυτή επιβάλλει τη χάραξη στρατηγικής σε θέματα ενέργειας, η οποία μεταξύ των άλλων στηρίζεται και στην προώθηση των Σελίδα 22
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, ως μορφών ενέργειας φιλικών προς το περιβάλλον. 2.3.1. Τι είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ως Α.Π.Ε. ορίζονται οι ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Σύμφωνα με την Οδηγία ΕΚ 77/2001 της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ως Α.Π.Ε. ορίζονται οι πιο κάτω μορφές ενέργειας: η αιολική, η ηλιακή και η γεωθερμική ενέργεια, η ενέργεια των κυμάτων, η παλιρροϊκή ενέργεια, η υδραυλική ενέργεια, η βιομάζα, τα αέρια εκλυόμενα από χώρους υγειονομικής ταφής, από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού και τα βιοαέρια. Οι Α.Π.Ε. θεωρούνται ως η πρώτη μορφή ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος, πριν στραφεί έντονα στη χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Το ενδιαφέρον στη σύγχρονη εποχή για την ευρύτερη αξιοποίηση των Α.Π.Ε. και την ανάπτυξη των σχετικών τεχνολογιών, με τη βοήθεια των οποίων μπορεί να αξιοποιείται η περιβαλλοντική ενέργεια, παρουσιάσθηκε αρχικά με αφορμή την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε στη συνέχεια στη συνείδηση της παγκόσμιας κοινότητας και των κέντρων χάραξης πολιτικής λόγω των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προβλημάτων που εντείνονται την τελευταία δεκαετία. Για πολλές χώρες οι Α.Π.Ε. αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας, με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, που συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. Παράλληλα, συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο τομέας που ευθύνεται κατά κύριο λόγο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Σελίδα 23
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.3.2. Οι μορφές των Α.Π.Ε. Οι διάφορες μορφές Α.Π.Ε. που βρίσκουν εφαρμογή σήμερα παρουσιάζονται στην παρούσα ενότητα. Ηλιακή Ενέργεια: Η ηλιακή ενέργεια αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών που αξιοποιούν τη θερμότητα και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ήλιου για τη θέρμανση και ψύξη της κτιριακής υποδομής, αλλά και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, διακρίνονται σε: - Παθητικά Ηλιακά Συστήματα: Τα παθητικά ηλιακά συστήματα εστιάζουν στην κατάλληλη διαχείριση των δομικών στοιχείων του κτιρίου, που αξιοποιώντας τους νόμους μεταφοράς θερμότητας, συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια, την αποθηκεύουν σε μορφή θερμότητας και τη διανέμουν στο χώρο. Η συλλογή της ηλιακής ενέργειας βασίζεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και ειδικότερα, στην είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω του γυαλιού ή άλλου διαφανούς υλικού και τον εγκλωβισμό της θερμότητας στο εσωτερικό του χώρου. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα συνδυάζονται και με τεχνικές φυσικού φωτισμού, καθώς και παθητικά συστήματα και τεχνικές για το φυσικό δροσισμό των κτιρίων το καλοκαίρι. Μπορούν δε να εφαρμοστούν τόσο σε νεοαναγειρόμενα, όσο και σε ήδη υπάρχοντα κτίρια. - Ενεργητικά Ηλιακά συστήματα: Τα ενεργητικά (ή θερμικά) ηλιακά συστήματα αποτελούν μηχανολογικά συστήματα που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια, τη μετατρέπουν σε θερμότητα, την αποθηκεύουν και τη διανέμουν, χρησιμοποιώντας είτε κάποιο ρευστό είτε αέρα ως μέσο μεταφοράς της θερμότητας. Χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση νερού οικιακής χρήσης, για τη θέρμανση και ψύξη χώρων, για βιομηχανικές διεργασίες, για αφαλάτωση, για διάφορες αγροτικές εφαρμογές, για θέρμανση του νερού σε πισίνες κ.λπ. Η πιο απλή και διαδεδομένη μορφή των θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι οι ηλιακοί θερμοσίφωνες. Σελίδα 24
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Φωτοβολταϊκά Συστήματα: Τα φωτοβολταϊκά συστήματα (Φ/Β) μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, λύνοντας έτσι το πρόβλημα της ηλεκτροδότησης περιοχών απομονωμένων από το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (νησιωτικές περιοχές, ορεινές απομακρυσμένες περιοχές, φάροι, κ.α.). Ως ιδέα η εφαρμογή τους χρονολογείται, αφού έχουν χρησιμοποιηθεί καταρχήν για τη λειτουργία μικρών υπολογιστικών συσκευών και ωρολογίων. Αιολική Ενέργεια: Η αξιοποίηση της ενέργειας του ανέμου υπήρξε από την αρχαιότητα μια λύση για την κάλυψη αναγκών του ανθρώπου (π.χ. ανεμόμυλοι). Για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούνται σήμερα οι ανεμογεννήτριες, οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Βιομάζα: Με τον όρο βιομάζα εννοούμε τα καυσόξυλα, τα φυτικά και δασικά υπολείμματα (κλαδοδέματα, άχυρα, πριονίδια, ελαιοπυρήνες, κουκούτσια, κ.α.), τα ζωικά απόβλητα (κοπριά, άχρηστα αλιεύματα), τα φυτά που καλλιεργούνται στις ενεργειακές φυτείες ειδικά για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας, καθώς επίσης και τα αστικά απορρίμματα και τα υπολείμματα της βιομηχανίας τροφίμων και της αγροτικής βιομηχανίας. Οι κυριότερες χρήσεις της βιομάζας είναι: - Θέρμανση θερμοκηπίων και κτιρίων με καύση βιομάζας σε ατομικούς/κεντρικούς λέβητες. - Παραγωγή ενέργειας σε γεωργικές βιομηχανίες, βιομηχανίες ξύλου, μονάδες βιολογικού καθαρισμού και Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ). - Τηλεθέρμανση: θέρμανση χώρων και παροχή θερμού νερού σε ένα σύνολο κτιρίων, έναν οικισμό, ένα χωριό ή μια πόλη, από έναν κεντρικό σταθμό παραγωγής θερμότητας. H θερμότητα μεταφέρεται με προ-μονωμένο δίκτυο αγωγών από το σταθμό προς τα θερμαινόμενα κτίρια. Γεωθερμία: Η γεωθερμία είναι μία ήπια και ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή που μπορεί, με βάση τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες, να καλύψει ενεργειακές ανάγκες θέρμανσης, αλλά και να παραγάγει ηλεκτρική Σελίδα 25
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ενέργεια σε ορισμένες περιπτώσεις. Η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού ή ατμού ποικίλει από περιοχή σε περιοχή και μπορεί να έχει τιμές από 25 C μέχρι 350 C. Στις περιπτώσεις που τα γεωθερμικά ρευστά έχουν υψηλή θερμοκρασία (πάνω από 150 C), η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη, η γεωθερμική ενέργεια αξιοποιείται για τη θέρμανση κατοικιών, θερμοκηπίων, κτηνοτροφικών μονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών κ.λπ. Υδραυλική Ενέργεια: Η υδραυλική ενέργεια, όπως λέγεται η ενέργεια του νερού, είναι μια παραδοσιακή πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται εδώ και πολλά χρόνια από τον άνθρωπο. Υδάτινες μάζες, πέφτοντας από κάποιο ύψος ή ρέοντας με μεγάλη ταχύτητα μπορούν να περιστρέψουν τροχούς με πτερύγια (υδροστροβίλους). Η περιστροφή αυτή αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ειδικές εγκαταστάσεις (υδροηλεκτρικοί σταθμοί). 2.4. Μορφές Α.Π.Ε., τύποι παραγόμενης ενέργειας και κλίμακα εφαρμογής τους Κάθε συγκεκριμένος τύπος Α.Π.Ε. μπορεί να συμβάλει στην παραγωγή μίας ή περισσότερων μορφών ενέργειας. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.4.1, ο ηλεκτρισμός μπορεί να προέρχεται από όλες τις μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε σχέση με τα καύσιμα, που προέρχονται μόνο από τη βιομάζα. Σελίδα 26
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΕ Ενέργεια Πίνακας 2.1 - Μορφές παραγόμενης ενέργειας από Α.Π.Ε. Ηλεκτρισμός Θέρμανση Ψύξη Καύσιμα Άνεμος Υδροδυναμική Χ Χ Γεωθερμία Χ Χ Χ Χ Ενεργειακή Ηλιακή Παθητική ηλιακή Χ Χ Χ Χ Χ Χ Χ Χ Φωτοβολταϊκά Χ Χ Χ Θαλάσσια Ενέργεια Χ Βιομάζα Χ Χ Χ Χ Πηγή: Stratigea και Giaoutzi, 2006. Εδώ θα πρέπει να εξεταστούν ποιες είναι οι δυνατότητες που έχουν οι διάφορες μορφές Α.Π.Ε. να υποκαταστήσουν τις συμβατικές μορφές παραγωγής ενέργειας. Μερικές μορφές έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να αναπτυχθούν σε μεγάλη, άλλες όμως μόνο σε μικρή κλίμακα. Στον Πίνακα 2.2. παρουσιάζονται οι δυνατότητες εφαρμογής της κάθε μορφής Α.Π.Ε. Πίνακας 2.2 - Κλίμακα εφαρμογής των Α.Π.Ε. Μεγάλη κλίμακα Α.Π.Ε. Μικρή κλίμακα Κεντρική παραγωγή ηλεκτρισμού Κεντρική παραγωγή ηλεκτρισμού Κεντρική παραγωγή ηλεκτρισμού Αιολική Υδροηλεκτρική Φωτοβολταϊκά Γεωθερμία Βιομάζα Τοπική παραγωγή ηλεκτρισμού Τοπική παραγωγή ηλεκτρισμού Τοπική παραγωγή θερμότητας Τοπική συμπαραγωγή Ηλιακά Ηλεκτρικά στοιχεία Πηγή: Σωτηρόπουλος, 2000. Θερμό νερό χρήσης Τοπική συμπαραγωγή, κίνηση 2.5. Οφέλη από την αξιοποίηση των Α.Π.Ε. Αν και πολλές από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας βρίσκονται σε σχετικά αρχικό στάδιο της ανάπτυξής τους, κάποιες είναι ήδη ανταγωνιστικές σε Σελίδα 27
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ σχέση με τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Προσφέρουν μάλιστα λύσεις σε αρκετά από τα περιβαλλοντικά και κοινωνικά προβλήματα που συνδέονται με τα ορυκτά και τα πυρηνικά καύσιμα. Εν τούτοις, ενώ αποδεικνύονται τεχνικά ικανές να αντικαταστήσουν σε μεγάλο βαθμό τα τελευταία, εμφανίζονται σε γενικές γραμμές ακριβότερες προς το παρόν, λόγω της υποκοστολόγησης της πραγματικής τιμής της ενέργειας που παράγεται με συμβατικό τρόπο, καθώς σε αυτήν δεν εμπεριέχονται τα περιβαλλοντικά και λοιπά εξωτερικά κόστη. Η ενσωμάτωση του εξωτερικού κόστους στις διάφορες μεθόδους για την παραγωγή ενέργειας (περιβαλλοντικά κόστη και οφέλη), δείχνουν σε ότι αφορά στις Α.Π.Ε. ότι τα κόστη αυτά είναι κατά πολύ μικρότερα από εκείνα των συμβατικών καυσίμων και της πυρηνικής ενέργειας. Το δεδομένο αυτό παραμένει πολύ σημαντικό για την περαιτέρω ανάπτυξη των Α.Π.Ε. Τα κυριότερα οφέλη από την αξιοποίηση των Α.Π.Ε. είναι: - Ενεργειακά και οικονομικά οφέλη: Η παγκόσμια αγορά των τεχνολογιών που αξιοποιούν τις Α.Π.Ε. είναι ταχύτατα αναπτυσσόμενη και μια ενδεχόμενη ταχεία διεύρυνση σε τοπικό, εθνικό και Ευρωπαϊκό επίπεδο, προσφέρει πολύ σημαντικές προοπτικές για την ανάπτυξη των εμπορικών και βιομηχανικών δραστηριοτήτων. Επιπλέον ο αποκεντρωμένος τους χαρακτήρας προσφέρει απασχόληση σε τοπικές εταιρείες, ενώ παρέχει σημαντικές δυνατότητες για την αύξηση της βιομηχανικής συνεργασίας και ανάπτυξης. Ενισχύουν την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια μιας χώρας. Δίνουν τη δυνατότητα, με μικρής κλίμακας εφαρμογές, να καλυφθούν οι ανάγκες σε απομονωμένες περιοχές, καλύπτοντας έτσι την τοπική ζήτηση και μειώνοντας το κόστος επέκτασης του δικτύου διανομής και απωλειών μεταφοράς, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλουν στη διατήρηση της ποιότητας του περιβάλλοντος. - Κοινωνικά οφέλη: Οι Α.Π.Ε. συνεισφέρουν αποφασιστικά στην αειφόρο ανάπτυξη. Υποστηρίζουν την ενίσχυση της κοινωνικής συνοχής (νέες θέσεις εργασίας), παρουσιάζουν μικρότερες Σελίδα 28
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ περιβαλλοντικές επιπτώσεις και ενισχύουν την τοπική ανάπτυξη (ανταποδοτικά οφέλη στις τοπικές κοινωνίες). Επιπλέον εμφανίζουν μικρότερους κινδύνους για την υγεία από τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Επίσης μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις μοχλό για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση των σχετικών επενδύσεων. - Περιβαλλοντικά οφέλη: Οι Α.Π.Ε. μπορούν να δώσουν λύσεις στα περιβαλλοντικά προβλήματα της σύγχρονης εποχής, συμβάλλοντας στη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και των υπολοίπων αερίων του θερμοκηπίου. Περαιτέρω, υποκαθιστώντας τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας από συμβατικές πηγές, οδηγούν σε ελάττωση των εκπομπών από άλλους ρύπων, που συντελούν στη δημιουργία όξινης βροχής. - Οφέλη για την απασχόληση: Η αξιοποίηση των Α.Π.Ε. μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της απασχόλησης. Σε επίπεδο Ευρωπαϊκής Ένωσης, εκτιμάται ότι η επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί για τη διείσδυση των Α.Π.Ε. (υποκατάσταση του 15% στο σύνολο του ενεργειακού ισοζυγίου) θα οδηγήσει στη δημιουργία 400.000 νέων θέσεων εργασίας (Τσούτσος, 1997). Η σχετική βιομηχανία απασχολεί ήδη 110.000 απασχολούμενους σε περίπου 700 μικρομεσαίες επιχειρήσεις (ΜΜΕ), με εργατικό δυναμικό που πολύ συχνά αποτελείται από προσωπικό υψηλού μορφωτικού επιπέδου. 2.6. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Α.Π.Ε. Τα κύρια πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε. είναι τα εξής (Παπαθανασοπούλου, 2007): - Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους (περιορισμένους) συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. Σελίδα 29
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. - Είναι γεωγραφικά διάσπαρτες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομής (μεταφορά ενέργειας) και μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας. - Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας ορθολογικότερη χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. - Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. - Επιτρέπουν τη γρήγορη ανταπόκριση σε ενδεχόμενη αύξηση της ζήτησης ενέργειας, εξορθολογικοποιώντας έτσι την επένδυση πόρων για την παραγωγή ενέργειας. - Οι επενδύσεις των Α.Π.Ε. είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. - Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση επενδύσεων που στηρίζονται στη συμβολή των Α.Π.Ε. (π.χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με γεωθερμική ενέργεια). - Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. Εκτός από τα παραπάνω πλεονεκτήματα, οι Α.Π.Ε. παρουσιάζουν και ορισμένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την αξιοποίηση και ταχεία ανάπτυξή τους. Αυτά είναι: Σελίδα 30
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος, να μεταφερθεί και να αποθηκευτεί. - Έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και συνεπώς για μεγάλη ισχύ απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις. - Παρουσιάζουν συχνά διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους που μπορεί να είναι μεγάλης διάρκειας, απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή γενικά δαπανηρές μεθόδους αποθήκευσης. - Η χαμηλή διαθεσιμότητά τους, όπου αυτή υπάρχει, συνήθως οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή χρησιμοποίησης των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσής τους. - Το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων είναι ακόμη υψηλό. Σελίδα 31
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ: ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ 3.1. Μετάδοση της θερμότητας στη γη Στις γεωεπιστήμες, ο όρος θερμική ροή σημαίνει τον ρυθμό με τον οποίο απάγεται η θερμότητα (θερμική ενέργεια) από το εσωτερικό της Γης προς την επιφάνεια, ανά μονάδα επιφάνειας. Η εκροή θερμικής ενέργειας από την Γη είναι της τάξης των 40 x 109 W και φαντάζει κολοσσιαία, αλλά η μέση θερμική ροή ανά μονάδα επιφάνειας είναι 0,075 W/m 2 και είναι παρόμοια τόσο στις ηπειρωτικές περιοχές, όσο και στους πυθμένες των ωκεανών. Κατά συνέπεια, η θερμότητα εκρέει με τέτοιους αργούς ρυθμούς, ώστε θα χρειαζόταν περίπου ένα έτος για να λιώσει ένα στρώμα πάγου με πάχος μόνο έξι χιλιοστά του μέτρου. Σε σύγκριση, η θερμότητα που δέχεται η επιφάνεια της Γης από τον Ήλιο είναι 2000-3000 φορές μεγαλύτερη. Παρ όλα αυτά, η θερμότητα που έχει παραχθεί στο εσωτερικό της Γης κατά της διάρκεια του γεωλογικού χρόνου έχει παίξει σημαντικότατο ρόλο στην διαμόρφωση του πλανήτη μας και της επιφάνειάς του, και τελικά στην εξέλιξη της ζωής επάνω σε αυτόν. Προκειμένου να προσδιορισθεί το μέγεθος της θερμικής ροής (συμβολίζεται με Q) σε δεδομένη περιοχή επί της Γης, είναι απαραίτητο να μετρηθούν η θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων στην περιοχή αυτή, καθώς και η γεωθερμική βαθμίδα. Η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού (συμβολίζεται με Κ) είναι το μέτρο της ευκολίας με την οποία η θερμότητα διέρχεται (μεταδίδεται) μέσω του υλικού αυτού και η γεωθερμική βαθμίδα είναι ο ρυθμός με τον οποίο αλλάζει η θερμοκρασία (ΔΤ) με την αύξηση του βάθους (ΔΖ) και μετράται σε βαθμούς ανά χιλιόμετρο ( C/km). Η θερμική ροή σχετίζεται με την θερμική αγωγιμότητα και την γεωθερμική βαθμίδα μέσω της απλής σχέσης Q = Κ * ΔΤ/ΔΖ. Σελίδα 32
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Ο ρυθμός μετάδοσης της θερμότητας μέσω της Γης είναι εξαιρετικά αργός διότι τα πετρώματα και τα γεωυλικά γενικότερα, είναι θερμικοί μονωτές. Η αγωγή (conduction) της θερμότητας μέσω της ύλης είναι στην πραγματικότητα τόσο αργή, ώστε η θερμική ενέργεια που παράγεται από την ραδιενέργεια σε βάθη μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων απαιτεί περισσότερα από 4,6 x 109 έτη να φθάσει στην επιφάνεια, περίπου όσο και η ηλικία της Γης! Σε γενικές γραμμές, η θερμική αγωγιμότητα των στερεών, αν και ελάχιστα εξαρτώμενη από την πίεση, ελαττώνεται αρκετά αυξανόμενης της θερμοκρασίας. Εξαίρεση αποτελούν τα υλικά που ταυτόχρονα είναι και ηλεκτρικοί μονωτές (π.χ. τα κρυσταλλικά πετρώματα), η θερμική αγωγιμότητα των οποίων αυξάνεται δραστικά με την θερμοκρασία, περίπου ανάλογα με την τρίτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας. Ο κυρίαρχος μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας σε τέτοια υλικά και συνθήκες είναι η θερμική (υπέρυθρη) ακτινοβολία. Στην επιφάνεια της Γης, η θερμοκρασία ελέγχεται κυρίως από τον Ήλιο και την ατμόσφαιρα. Ελάχιστα μόνον μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, οι ημερήσιες μεταβολές της θερμοκρασίας γίνονται ελάχιστα αισθητές - μέχρι βάθους 60 m περίπου, η θερμοκρασία είναι σχετικά σταθερή γύρω από τους 11 C. Στην ζώνη μέχρι τα 120 m κατά μέσο όρο, η γεωθερμική βαθμίδα μεταβάλλεται από θέση σε θέση, εφόσον επηρεάζεται από τις εποχιακές μεταβολές της ατμόσφαιρας και την κυκλοφορία του υπόγειου νερού. Παρ όλα αυτά, οι επιδράσεις της εποχιακής μεταβολής της θερμοκρασίας μπορεί να γίνουν αισθητές με καθυστέρηση ενός περίπου έτους σε βάθος 100 m. Κάτω από την ζώνη αυτή, η θερμοκρασία αυξάνεται με το βάθος, σχεδόν παντού, αν και ο ρυθμός με τον οποίο αυξάνεται (γεωθερμική βαθμίδα) διαφοροποιείται σημαντικά, ανάλογα με το τεκτονικό καθεστώς και την γεωλογική δομή της περιοχής (θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων). Σελίδα 33
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ 3.2. Υψηλές γεωθερμικές βαθμίδες Υψηλές γεωθερμικές βαθμίδες, μέχρι 200 C/km, παρατηρούνται κατά μήκος των ωκεάνιων επεκτατικών κέντρων όπως η Μεσατλαντική Ράχη, όπου σχηματίζεται καινούριος ωκεάνιος φλοιός λόγω της απόκλισης (απομάκρυνσης) τεκτονικών πλακών και επακόλουθης εξόδου θερμού μαγματικού υλικού από τον μανδύα. Επίσης παρατηρούνται και κατά μήκος νησιωτικών και ηφαιστειακών τόξων, πίσω από τις ζώνες σύγκλισης (σύγκρουσης) τεκτονικών πλακών, όπως είναι το ηφαιστειακό τόξο του Αιγαίου (Νίσυρος - Σαντορίνη - Μήλος - Μέθανα - Σουσάκι Κορινθίας), η Ιαπωνία, Ινδονησία κ.λπ.). Και στην δεύτερη περίπτωση οι υψηλές βαθμίδες οφείλονται σε μάγμα που εξωθείται προς την επιφάνεια, αν και για διαφορετικούς λόγους (βλ. κατωτέρω). Χαμηλές γεωθερμικές βαθμίδες παρατηρούνται κατά μήκος των ζωνών σύγκλισης ηπειρωτικών και ωκεάνιων τεκτονικών πλακών και βύθισης (υπαγωγής) του ωκεάνιου φλοιού κάτω από τον ηπειρωτικό και μέσα στον μανδύα. Σε τεκτονικά σταθερές περιοχές (π.χ. ηπειρωτικές ενδοχώρες, ασπίδες και μεγάλες ιζηματογενείς λεκάνες), η μέση γεωθερμική βαθμίδα είναι 15-30 C/km. Η γεωθερμική βαθμίδα έχει μεγάλη σημασία για την έρευνα και εκμετάλλευση υδρογονανθράκων (πετρελαίου και φυσικού αερίου) και γεωθερμικής ενέργειας. Τα γεωτρητικά εργαλεία και όργανα έρευνας πρέπει να έχουν ειδικές κατασκευαστικές προδιαγραφές για να λειτουργήσουν σε μεγάλα βάθη, σε περιοχές υψηλής βαθμίδας. Ο υπολογισμός των γεωθερμικών βαθμίδων του γεωλογικού παρελθόντος αποτελεί κρίσιμο παράγοντα των ερευνών για τις συνθήκες γένεσης υδρογονανθράκων στις ιζηματογενείς λεκάνες. Τέλος, η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρισμού λαμβάνει χώρα σε περιοχές με γεωθερμικές βαθμίδες γενικά μεγαλύτερες των 40 C/km. Σελίδα 34
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Η δι αγωγής μετάδοση της θερμότητας είναι γενικά βραδύτατη διαδικασία, αλλά κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να επιταχυνθεί με τρόπο δραματικό! Η ύπαρξη ή ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών στον μανδύα της Γης, τέτοιων που να προσεγγίζουν το σημείο τήξης των υλικών του, μπορεί να ελαττώσει την βαθμίδα που απαιτείται για να μεταδώσει μία συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας διότι σ αυτές τις συνθήκες, η δι ακτινοβολίας μετάδοση της θερμότητας είναι πολύ αποτελεσματικότερη από την απλή αγωγή μέσω της ύλης. Εάν ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας με το βάθος παρέμενε σταθερός, σύντομα η θερμοκρασία θα έφθανε σε σημείο τέτοιο, ώστε όλα να γνωστά πετρώματα να τήκονταν ανεξάρτητα από τις συνθήκες πίεσης. Από τις σεισμολογικές μελέτες όμως γνωρίζομε ότι ο μανδύας είναι στερεός (μεταδίδει εγκάρσια σεισμικά κύματα). Η γεωθερμική βαθμίδα ελαττώνεται δραστικά με το βάθος για δύο λόγους. Πρώτον, η παραγωγή ραδιογενούς θερμότητας γίνεται κατά κύριο λόγο στον στερεό φλοιό (λιθόσφαιρα), και μάλιστα στο ανώτερο μέρος του όπου υπάρχουν οι υψηλότερες συγκεντρώσεις Ουρανίου, Θορίου και Καλίου. Δεύτερον, ο μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας αλλάζει από αγωγή/ ακτινοβολία δια της ύλης στον στερεό φλοιό, σε θερμική μεταφορά ύλης εντός του μανδύα. Μπορεί να ηχεί παράδοξο, αλλά παρά το γεγονός ότι ο μανδύας είναι στερεός, σε βάθος γεωλογικού χρόνου συμπεριφέρεται σαν πηκτό (ιξώδες) ρευστό που κυκλοφορεί κατά τρόπο ανάλογο προς την κυκλοφορία του νερού που βράζει μέσα σε ένα μαγειρικό σκεύος, μεταφέροντας θερμότητα από τον πυρήνα προς την επιφάνεια. Έτσι, η γεωθερμική βαθμίδα στο μεγαλύτερο μέρος του μανδύα πέφτει στους 0,3 C/km περίπου και καθορίζεται από την αδιαβατική βαθμίδα που αντιστοιχεί στα υλικά του μανδύα. Σελίδα 35
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Εικόνα 3.1 - ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΘΕΡΜΙΚΗ ΡΟΗ Πηγή: P. Bird, Z. Liu, και W.K. Rucker, Stresses that drive the plates from below: Definitions, computational path, model optimization, and error analysis, δημοσιευμένη στο J. Geophys. Res., 113{B11), B11406, 2008 (doi:10.1029/2007jb005460, plus digital appendices). Στην εικόνα 3.1 βλέπουμε μία αναπαράσταση της παγκόσμιας θερμική ροής βασισμένη στην θερμική αγωγιμότητα των ανώτερων γεωλογικών στρωμάτων και σε περισσότερες από 21000 μετρήσεις ανά τον κόσμο. Μονάδες μέτρησης εδώ είναι τα χιλιοστά του Βαττ (W) ανά τετραγωνικό μέτρο. Τα ψυχρά χρώματα (ιώδες - γαλανό) αντιπροσωπεύουν περιοχές με χαμηλή θερμική ροή, τα ενδιάμεσα χρώματα (πράσινο - κίτρινο) μέση - αυξημένη θερμική ροή και τα θερμά χρώματα υψηλή θερμική ροή. Η μελέτη του χάρτη απαιτεί λίγη προσοχή λόγω της παραμόρφωσης που υπάρχει στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη και προκαλεί φαινομενική αύξηση των εμβαδών. Υψηλή θερμική ροή παρατηρείται στα ενεργά κέντρα απόκλισης τεκτονικών πλακών όπως τα επεκτατικά κέντρα του Ατλαντικού, Ειρηνικού και Ινδικού ωκεανών, καθώς και πίσω από τις ζώνες σύγκλισης πλακών, Σελίδα 36
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΓΑΛΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟΥ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ κατά μήκος μεγάλων νησιωτικών ηφαιστειακών τόξων όπως αυτά του δυτικού Ειρηνικού Ωκεανού (π.χ. Αλεούτιες νήσοι, Ιαπωνία, Πολυνησία - Νέα Ζηλανδία) και ανατολικού Ινδικού Ωκεανού (π.χ. Ινδονησία). Μέση ως αυξημένη θερμική ροή παρατηρείται στις θερμές κηλίδες και περιοχές σύγκρουσης ηπείρων, όπως η ζώνη Άλπεων - Ποντίδων - Ζάγκρος - Ιμαλαΐων στην οποία ανήκει και η περιοχή της Ελλάδας. Όλες οι υπόλοιπες περιοχές του πλανήτη εμφανίζουν χαμηλή - μέση θερμική ροή με τιμές παρόμοιες για τις ηπειρωτικές και νησιωτικές περιοχές αντίστοιχα. 3.3. Θερμική ροή στους ωκεανούς. Αν και τα ραδιενεργά στοιχεία δεν είναι κατανεμημένα με τον ίδιο τρόπο στον ηπειρωτικό και ωκεάνιο φλοιό, από τις μετρήσεις προκύπτει ότι η μέση θερμική ροή είναι περίπου η ίδια. Αυτό θα σήμαινε ότι η ραδιενεργός παραγωγή θερμότητας (που αντιστοιχεί στο 80% της θερμότητας του εσωτερικού ης Γης) είναι περίπου ίδια κάτω από τις ηπείρους και τους ωκεανούς, πράγμα που με την σειρά του θα σήμαινε ότι ο ανώτερος μανδύας είναι πολύ θερμότερος κάτω από τους ωκεανούς, παρά κάτω από τις ηπείρους. Σελίδα 37
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ: ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ 4.1. Αξιοποίηση γεωθερμίας στην Ευρωπαϊκή Ένωση Η παραγωγή γεωθερμικής ενέργειας το 2005 στην Ευρώπη αντιστοιχεί στο 5,5% και η συμμετοχή της στην παραγωγή ηλεκτρισμού ήταν στο 1,2% από το ποσοστό συμμετοχής του συνόλου των ΑΠΕ. (http://europa.eu) Η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δυο μορφές. Για παραγωγή ηλεκτρισμού και παραγωγή θερμότητας. Για παραγωγή ηλεκτρισμού με την χρήση γεωθερμικής ενέργειας χρειάζονται υψηλές θερμοκρασίες (από 150-350 βαθμούς Κελσίου) Η Ιταλία έχει τα μεγαλύτερα αποθέματα γεωθερμικής ενέργειας με τις υψηλότερες θερμοκρασίες. Ακόμη τέσσερις άλλες χώρες της Ευρωπαϊκής ένωσης χρησιμοποιούν την γεωθερμία για παραγωγή ηλεκτρισμού. Αυτές είναι η Πορτογαλία, Γαλλία, Αυστρία και Γερμανία. (http://europa.eu) Πίνακας 4.1 - Παραγωγή ηλεκτρισμού από εκμετάλλευση γεωθερμικής ενέργειας (υψηλής θερμοκρασίας) το 2004 και 2005. 2004 2005 MWe GWh MWe Gwh Italy* 790 5127 810,5 5022 Portugal 16 84 16 71 France** 14,7 29 1,7 95 Austria 1,2 2 1,2 2 Germany 0,2 0,4 0,2 0,2 Total EU 822,1 5242,4 842,6 5190,2 *711 MW en finctionnemen en 2005/711MW in operation in 2005 **En Guadeloupe/in Guadeloupe Source EurObserv ER 2006 Σελίδα 38
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Όπως βλέπουμε η Ιταλία είναι πρώτη στην Ευρώπη στην παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω της γεωθερμικής ενέργειας. Η Πορτογαλία και Γαλλία κυμαίνονται περίπου στα ίδια επίπεδα και ακολουθούν η Αυστρία και Γερμανία με μικρά ποσοστά σε σχέση με τις υπόλοιπες χώρες. Η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή θερμότητας κατατάσσει πρώτη στη Ευρώπη την Ουγγαρία. Η Ουγγαρία έχει εφαρμόσει τη χρήση της για τη θέρμανση δημοσίων λουτρών, πισινών, θερμοκηπίων και δικτύων θέρμανσης. Στους ίδιους τομείς ακολουθεί η Ιταλία δίνοντας μεγαλύτερη έμφαση στα δημόσια λουτρά και στα δίκτυα θέρμανσης. Η Γαλλία επίσης είναι μια από τις χώρες της Ευρώπης που έχει αναπτύξει τα δίκτυα θέρμανσης χρησιμοποιώντας την γεωθερμική ενέργεια. (http://ec.europa.eu) Πίνακας 4.1 - Παραγωγή γεωθερμικής ενέργειας χαμηλής θερμότητας στην Ευρωπαϊκή ένωση. Puissance Power (MW) 2004 2005 Energie prelevee Energy using (ktep/ktoe) Puissance Power (MW) Energie prelevee Energy using (ktep/ktoe) Hungary 680 189,1 715,0 189,1 Italy 486,6 168,5 486,6 168,5 France 14,7 29 1,7 95 Slovakia 186,3 72,2 186,3 72,2 Germany 104,6 17 104,6 17 Greece 70,8 12,6 70,8 12,6 Poland 82,7 6,5 92,7 8,9 Austria 1,2 2 1,2 2 Slovenia 44,7 14,9 44,7 14,7 Portugal 30,4 9,2 30,4 9,2 Spain 22,3 8,3 22,3 8,3 Czech Republic 4,5 2,1 4,5 1,6 Belgium 3,9 2,6 3,9 2,6 United Kingdom 3,0 1,9 3,0 1,9 Ireland 0,4 0,5 0,4 0,5 Total EU 2064,1 654 2109,1 655,6 Σελίδα 39
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Στον πίνακα 4.2 αναφέρεται η παραγωγή και η κατανάλωση ενέργειας από την γεωθερμία στις διάφορες χώρες της Ε.Ε Πρώτη είναι η Ουγγαρία όπως είχαμε προαναφερθεί. Βλέπουμε ότι στο σύνολο της παραγόμενης ενέργειας δεν συμμετέχουν όλα τα κράτη μέλη αλλά το σύνολο προέρχεται από 15 χώρες όπως βλέπουμε πιο κάτω αναλυτικά. Η παραγωγή ηλεκτρισμού με την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας φαίνεται να αυξάνεται εφόσον οι χώρες οι οποίες εμπλέκονται σε αυτήν τη διαδικασία τείνουν προς την αύξηση της παραγωγικότητας της γεωθερμίας. Η Ιταλία σχεδιάζει να εγκαταστήσει 100 MW, η Πορτογαλία 17 MWe και η Γαλλία 35 MWe. Επίσης η Γερμανία και η Αυστρία σχεδιάζουν νέα έργα τα οποία στο σύνολο τους θα φέρουν την συνολική παραγωγή της Ε.Ε κοντά στο στόχο της Λευκής Βίβλου. (σχήμα 4.1) (http://ec.europa.eu) Σχήμα 4.1 - Σύγκριση παραγωγής ηλεκτρισμού κατά τα έτη 2004 και 2005 με το στόχο της Λευκής Βίβλου. (σε MWe) 4.2. Παραδείγματα γεωθερμικών εφαρμογών 4.2.1. Εκμετάλλευση Γεωθερμικών πεδίων στις Η.Π.Α. Την πρωτοκαθεδρία της γεωθερμικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως κρατούν οι Ηνωμένες Πολιτείες που ηγούνται με Σελίδα 40
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ πάνω από 3000 MW εγκατεστημένης ισχύος από 77 σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η μεγαλύτερη ομάδα των γεωθερμικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής στον κόσμο, βρίσκεται στην Καλιφόρνια βόρεια του San Francisco και ονομάζεται "The Geysers". Πρόκειται για ένα συγκρότημα 22 βιομηχανικών μονάδων παραγωγής ενέργειας που συγκεντρώνουν γεωθερμική ενέργεια από 350 σημεία. Η πρωτοπορία της πολιτείας της Καλιφόρνιας στη γεωθερμική ενέργεια, τόσο χρονολογικά, όσο και με βάση τον παραγόμενο ηλεκτρισμό, εξηγείται από την ύπαρξη, σε απόσταση περίπου 120 χιλιομέτρων βορείως του Κόλπου του Αγίου Φραγκίσκου (Bay Area), του μεγαλύτερου στον κόσμο συγκροτήματος γεωθερμίας: πρόκειται για το περίφημο The Geysers, που βρίσκεται πάνω στο Ρήγμα του Αγίου Ανδρέα και αριθμεί συνολικά 22 μονάδες παραγωγής ενέργειας (power plants) σε μια έκταση 78000 στρεμμάτων. Η παραγωγική ικανότητα των The Geysers είναι ακριβώς η μισή της συνολικής παραγωγικής ικανότητας από γεωθερμία των ΗΠΑ (1517 επί συνόλου 3040 MW). Οι 15 από τις 18 ενεργές σήμερα μονάδες του συγκροτήματος ανήκουν στην Calpine Corporation (www.calpine.com), που είναι μακράν η σημαντικότερη εταρεία του κλάδου στις ΗΠΑ. Η ανακάλυψη των πλούσιων γεωθερμικών κοιτασμάτων της περιοχής είχε γίνει ήδη από το 1847 και, λίγο αργότερα, λειτούργησε στην περιοχή ένα ξενοδοχείο με spa. Μια πρώτη και αποτυχημένη (για οικονομικούς λόγους) προσπάθεια κατασκευής ενός μικρού εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρισμού έλαβε χώρα το 1921. Τελικά, η σύγχρονη εμπορική εκμετάλευση των "θερμών πιδάκων" στους The Geysers ξεκίνησε το 1960 και ήταν το πρώτο επιτυχημένο εργοστάσιο του είδους στις ΗΠΑ. Η αξιοποίηση των The Geysers κορυφώθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, όταν η παραγωγή επαρκούσε για την ηλεκτροδότηση 1800000 κατοίκων της περιοχής. (http://www.oryktosploutos.net/2012/01/geysers.html). Σελίδα 41
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Σήμερα, τα «κοιτάσματα» υπόγειου ύδατος αναπληρώνονται χάρη στη διοχέτευση αποβλήτων από τα εργοστάσια διαχείρισης αποβλήτων της Santa Rosa και της Lake County. Καθημερινώς, 72000000 λίτρα ύδατος μεταφέρονται στους The Geysers με δύο τεράστιους αγωγούς (που κατασκευάστηκαν την περίοδο 1997-98) από τη Santa Rosa και τη Lake County. Σημειωτέον ότι ο συντελεστής απόδοσης ή αξιοποίησης της παραγωγικής ικανότητας (capacity factor), δηλαδή η σχέση της πραγματικά παραγόμενης ενέργειας προς τη θεωρητική παραγωγική ικανότητα των The Geysers εκτιμάται στο 63%. Εικόνα 4.1 - Μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην περιοχή The Geysers της Καλιφόρνιας των Η.Π.Α. [Πηγή: Geothermal Education Office, www.geothermal.marin.org] Το δεύτερο μεγαλύτερο συγκρότημα γεωθερμίας στις ΗΠΑ, με παραγωγική ικανότητα 570 MW, βρίσκεται επίσης πάνω στο Ρήγμα του Αγίου Ανδρέα, αλλά πολύ νοτιότερα, στη Salton Sea (στα σύνορα της αμερικανικής με τη μεξικανική Καλιφόρνια). Εκεί λειτουργούν περί τα 15 εργοστάσια, εκ των οποίων τα 10 (κατασκευής από το 1986 έως το 2000) Σελίδα 42
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ ανήκουν στην εταιρεία Cal Energy (www.calenergy.com), οι δραστηριότητες της οποίας επικεντρώνονται ιδίως στο φυσικό αέριο. Και η Calpine και η Cal Energy είναι μέλη της κλαδικής ένωσης Geothermal Energy Association (www.geo-energy.org), με έδρα το D.C. Χάρη στην ώθηση που έλαβε από τον Ενεργειακό Νόμο του 2005 (ο οποίος επέκτεινε τις φοροαπαλλαγές και στη γεωθερμία) και με εκπεφρασμένο το ενδιαφέρον της κυβέρνησης Ομπάμα για στροφή στην «πράσινη ανάπτυξη», οι προοπτικές του κλάδου στις ΗΠΑ διαγράφονται ευνοϊκές: πάνω από 100 μικρά ή μεγάλα έργα βρίσκονται υπό μελέτη ή κατασκευή σε 13 Πολιτείες, τα οποία, όταν ολοκληρωθούν, θα υπερδιπλασιάσουν την παραγωγική ικανότητα της χώρας (από τα σημερινά 3040 MW στα 7010 MW). Σύμφωνα με εκτιμήσεις, η αμερικανική παραγωγική ικανότητα γεωθερμικής ενέργειας θα μπορούσε να ανέλθει στις 15000 MW μέχρι το 2025. (http://www.oryktosploutos.net/2012/01/geysers.html). Εικόνα 4.2 - Salton Sea http://www.rechargenews.com/energy/geothermal/article306814.ece Σελίδα 43
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ 4.2.2. Εκμετάλλευση Γεωθερμικών πεδίων στην Ισλανδία Η Ισλανδία βρίσκεται σε ένα από τα μεγαλύτερα καυτά γεωθερμικά σημεία του κόσμου και μία πρόσφατη ανακάλυψη της υπόγειας λάβας έχει αυξήσει το ποσό γεωθερμικής ενέργειας που θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν οι επαρχιακές της περιοχές. Η Ισλανδία παίρνει ήδη το 81% της ηλεκτρικής της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και έχει ως στόχο να καλύπτεται πλήρως από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως το 2050. Εικόνα 4.3 - Εκμετάλλευση γεωθερμικής ενέργειας στην Ισλανδία Πηγή: http://pigamiavolta.blogspot.gr/2009/08/blog-post.html Σελίδα 44
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Εικόνα 4.4 - Μεγάλο γεωθερμικό εργοστάσιο στο (καταστροφικό) ενεργό ηφαίστειο Κράφλα. Η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισμού Πηγή: http://www.oikologos.gr/index.php?option=com_content&view=article&id=241&itemid=195 Η μεγαλύτερη εταιρεία κοινής ωφελείας της Ισλανδίας, Landsvirkjun, έχει ανακοινώσει ένα σχέδιο για την κατασκευή υποθαλάσσιου συστήματος καλωδίων το μεγαλύτερο στον κόσμο, σε 1180 μίλια, ικανό να μεταφέρει έως και πέντε δισεκατομμύρια kwh ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως στις ευρωπαϊκές χώρες αρκετή για να τροφοδοτήσει 1,25 εκατομμύρια σπίτια. Τόση πολύ ενέργεια θα μπορούσε να στοιχίσει αρκετά εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια. Σίγουρα ένα τέτοιου είδους σύστημα καλωδίων δεν θα είναι φτηνό για να κατασκευαστεί, αλλά σε μακροπρόθεσμη βάση, η Ισλανδία θα μπορεί να έχει μια πολύ καλή πηγή εσόδων και η Ευρώπη θα έχει μια πλούσια πηγή καθαρής ενέργειας (http://www.ecotimes.gr/). Σελίδα 45
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Εικόνα 4.5. - Μονάδα ανάκτησης CO 2 από γεωθερμικά ρευστά στο Haedarendi της Ισλανδίας [Πηγή: Geothermal Development and Research in Iceland, National Energy Authority and Ministries of Industry and Commerce, 2006] 4.2.3. Εκμετάλλευση Γεωθερμικών πεδίων στην Τουρκία Στην Εκμετάλλευση του Τέταρτου Θερμότερου Γεωθερμικού Πεδίου στον Κόσμο Προχωρά η Τουρκία Με αργά αλλά σταθερά βήματα προχωράει η διείσδυση των ΑΠΕ στο τουρκικό ενεργειακό ισοζύγιο. Στο πλαίσιο της προσπάθειας αυτής εντάσσεται και η πρόσφατη έναρξη λειτουργίας ενός γεωθερμικού πεδίου υψηλής ενθαλπίας στην πόλη Μανίσα (Μαγνησία) στα δυτικά παράλια της Μικράς Ασίας. Όπως αναφέρει η τουρκική εφημερίδα Ζαμάν, το πεδίο Kavaklidere Ornekkoy αναπτύσσει θερμοκρασίες που φτάνουν ως και τους 287 ο C, σύμφωνα με τη Γενική Διεύθυνση Μεταλλευτικών Ερευνών της Τουρκίας, γεγονός που το καθιστά το τέταρτο από πλευράς θερμοκρασίας γεωθερμικό πεδίο στον κόσμο. Σελίδα 46
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ Εικόνα 4.64.2.3. - Γεωθερμικός Χάρτης της Τουρκίας Το πεδίο έχει ετήσια δυνατότητα ηλεκτροπαραγωγής 100 εκατ. kwh και μπορεί να τροφοδοτήσει 7000 νοικοκυριά. Υπολογίζεται ότι το πεδίο θα μπορούσε να οδηγήσει στην εξοικονόμηση 40 εκατ. δολ. από τις ενεργειακές εισαγωγές της Τουρκίας. Σήμερα η γεωθερμική παραγωγή της Τουρκίας φτάνει τα 95 MW, ενώ επισήμανε ότι βρίσκονται σε εξέλιξη επενδύσεις σε 11 πεδία για ηλεκτροπαραγωγή. Ως το 2023, η χώρα στοχεύει σε εγκατεστημένη γεωθερμική ισχύ γύρω στα 600 MW. Ας σημειωθεί, τέλος, ότι η Τουρκία προχώρησε σε δημόσιο διαγωνισμό για τρία γεωθερμικά πεδία έναντι 95 εκατ. δολ., ενώ στο άμεσο μέλλον αναμένεται η προκήρυξη για άλλα 29 πεδία. ` Εικόνα 4.2.34.7 - Ξενοδοχειακή - Θερμαλιστική μονάδα στο Αφιόν Καραχισάρ της Τουρκίας. Η γεωθερμική ενέργεια, από γεώτρηση 49 ο C, αξιοποιείται τόσο στον τομέα του ιαματικού τουρισμού και της αναψυχής (πισίνες) όσο και στη θέρμανση του υπερπολυτελούς ξενοδοχείου. Σελίδα 47
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 5.1. Βασικές αρχές ηλεκτροπαραγωγής Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει μια θερμοδυναμική διεργασία που ονομάζεται κύκλος Rankine. Ο κύκλος αυτός, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 5.1, περιγράφει τις μεταβολές στις οποίες υπόκειται το εργαζόμενο μέσο καθώς διέρχεται μέσα από τις διατάξεις μιας εγκατάστασης παραγωγής. Αρχικά, υπάρχει ο ατμοπαραγωγός, ο οποίος προσδίδει στο εργαζόμενο μέσο την θερμότητα που χρειάζεται ώστε να ατμοποιηθεί και να έλθει σε κορεσμένη ή υπέρθερμη κατάσταση (σημείο 1). Στη συνέχεια το εργαζόμενο μέσο διοχετεύεται στον ατμοστρόβιλο όπου και εκτονώνεται ισεντροπικά μέχρι μια συγκεκριμένη πίεση, τη πίεση εξόδου (σημείο 2). Ακολούθως οδηγείται στο συμπυκνωτή όπου συμπυκνώνεται υπό σταθερή πίεση και θερμοκρασία (σημείο 3) με τη βοήθεια του πύργου ψύξης. Τέλος, μια αντλία τροφοδοτεί τον ατμοπαραγωγό με το υγροποιημένο εργαζόμενο μέσο αυξάνοντάς του ταυτόχρονα την πίεση του (σημείο 4). Σχήμα 5.1. - Διάγραμμα θερμοκρασίας - εντροπίας κύκλου Rankine Σελίδα 48
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Μια μονάδα παραγωγής είναι ουσιαστικά μία διάταξη που μετατρέπει μία μορφή ενέργειας σε άλλη. Η αρχική μορφή ενέργειας λοιπόν, μετατρέπεται σε θερμική στον ατμοπαραγωγό ώστε να μπορεί να πραγματοποιηθεί ο κύκλος Rankine και να έχουμε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαφορά μιας συμβατικής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με μία αντίστοιχη που αξιοποιεί τη γεωθερμία είναι η έλλειψη του ατμοπαραγωγού. Αυτό συμβαίνει, διότι στη δεύτερη περίπτωση το εργαζόμενο (γεωθερμικό) μέσο, με το οποίο τροφοδοτείται η εκάστοτε διάταξη, είναι ήδη υψηλής ενθαλπίας, έχει δηλαδή υψηλή θερμοκρασία και πίεση και δεν είναι απαραίτητη η πρόσδοση επιπλέον θερμικής ενέργειας. 5.2. Διατάξεις αξιοποίησης της γεωθερμίας για ηλεκτροπαραγωγή Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω γεωθερμίας επηρεάζεται σημαντικά από τα χαρακτηριστικά του γεωθερμικού ρευστού, δηλαδή τη θερμοκρασία, τη πίεση, τη περιεκτικότητά του σε αέρια και σε σωματίδια καθώς και τη παροχή του. Βάσει λοιπόν, αυτών των χαρακτηριστικών του γεωθερμικού μέσου, το οποίο είναι διαθέσιμο σε κάθε περιοχή, σχεδιάζεται και ο αντίστοιχη μονάδα παραγωγής. Παρακάτω παραθέτονται οι πιο κοινές διατάξεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αξιοποιώντας τη γεωθερμία. 5.2.1. Με χρήση ξηρού ατμού (dry steam) Η διάταξη παραγωγής με χρήση ξηρού ατμού αποτελεί την απλούστερη και οικονομικά ελκυστικότερη διάταξη αξιοποίησης του γεωθερμικού δυναμικού για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Βρίσκει εφαρμογή σε περιοχές όπου το γεωθερμικό μέσο λαμβάνεται από το φρεάτιο παραγωγής σε καθαρή αέρια φάση με μικρό ποσοστό υδρατμών. Στη περίπτωση αυτή λοιπόν, το γεωθερμικό μέσο ταυτίζεται απόλυτα με το εργαζόμενο μέσο, πράγμα το οποίο αποτελεί και την ειδοποιό διάφορα αυτής της διάταξης σε σχέση με τις υπόλοιπες. Σελίδα 49
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Το γεωθερμικό μέσο λοιπόν, το οποίο αποτελείται από υπέρθερμο ατμό, οδηγείται απευθείας και χωρίς να παρεμβάλλεται καμία επεξεργασία (με εξαίρεση κάποια πιθανή χημική επεξεργασία) στο κατάλληλα διαμορφωμένο ζεύγος ατμοστρόβιλου-ηλεκτρογεννήτριας, στο οποίο εκτονώνεται και ως αποτέλεσμα έχουμε την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτού του τύπου η διάταξη μπορεί να λειτουργήσει είτε με συμπυκνωτή, είτε με απευθείας απόρριψη του ατμού στην ατμόσφαιρα. Στη πρώτη περίπτωση, όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.2, ο ατμός μετά τον ατμοστρόβιλο οδηγείται στο συμπυκνωτή, οπού συμπυκνώνεται σε υγρή φάση με τη βοήθεια του πύργου ψύξης. Η διεργασία αυτή συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας η οποία διοχετεύεται στο περιβάλλον μέσω του πύργου ψύξης, όπως ακριβώς και στις συμβατικές μονάδες παραγωγής ενέργειας. Εδώ να σημειώσουμε ότι η συμπύκνωση του ατμού που εξέρχεται από τον ατμοστρόβιλο βελτιώνει το βαθμό απόδοσης του θερμοδυναμικού κύκλου, καθώς αυξάνεται η πτώση πίεσης που επιτυγχάνεται στον ατμοστρόβιλο. Επίσης η κατανάλωση ατμού είναι περίπου η μισή σε σχέση με τη διάταξη της απευθείας απόρριψης του ατμού στην ατμόσφαιρα. Το μοναδικό μειονέκτημά της συγκεκριμένης διάταξης είναι η πολυπλοκότητά της πράγμα που οδηγεί σε αυξημένες απαιτήσεις σε κατασκευαστικό, χωροταξικό και αναπόφευκτα οικονομικό επίπεδο. Εδώ να σημειώσουμε ότι μετά τη συμπύκνωση υπάρχει η δυνατότητα ο υγροποιημένος ατμός να διοχετευθεί πίσω στο γεωθερμικό ταμιευτήρα μέσω του φρεατίου επανεισαγωγής. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη διατήρηση της πίεσης του γεωθερμικού μέσου σε υψηλά επίπεδα για μεγάλο χρονικό διάστημα εκμετάλλευσης του αντίστοιχου γεωθερμικού πεδίου. Συνήθως η εγκατεστημένη ισχύς μονάδων παραγωγής ξηρού τύπου με συμπυκνωτή κυμαίνεται μεταξύ 55-60 MW, πρόσφατα βέβαια έχουν κατασκευαστεί και λειτουργούν σταθμοί ισχύος 110 MW. Σελίδα 50
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Στην δεύτερη περίπτωση, η οποία αποτελεί και την πιο απλή μορφή μονάδας παραγωγής ενέργειας από τις δυο, ο χαμηλής πλέον ενθαλπίας και πίεσης ατμός εξέρχεται από τον ατμοστρόβιλο και απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Αν και αυτή η διάταξη χρειάζεται περίπου διπλάσια ποσότητα ατμού σε σχέση με την αντίστοιχη με συμπυκνωτή για τη παραγωγή ίδιας ποσότητας ενέργειας, έχει κάποια ενδιαφέροντα και χρήσιμα πλεονεκτήματα. Αρχικά, χρησιμοποιείται κατά κόρον σε πιλοτικές και εφεδρικές μονάδες, σε περιπτώσεις μικρών παροχών ατμού καθώς και σε δοκιμές παραγωγής ηλεκτρισμού στα πλαίσια αξιολόγησης της παραγωγής ενός γεωθερμικού πεδίου. Ακόμα η χρήση της είναι επιτακτική σε περιπτώσεις όπου ο ατμός έχει υψηλά ποσοστά (>12% κατά βάρος) περιεκτικότητας μη συμπυκνώσιμων συστατικών. Τέλος, μια τέτοια μονάδα παραγωγής που λειτουργεί με ατμοσφαιρική διάθεση ατμού λόγω της απλότητας του μπορεί να κατασκευαστεί και να εγκατασταθεί για λειτουργία σε σύντομο χρονικό διάστημα (13-14 μήνες). Η εγκατεστημένη ισχύς αυτού του είδους των σταθμών είναι μεταξύ 2,5-5 MW. Σχήμα 5.2.- Διάταξη ξηρού ατμού με συμπυκνωτή τύπου θερμικού εναλλάκτη Σελίδα 51
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Οι συμβατικοί ατμοστρόβιλοί σε διατάξεις ξηρού ατμού έχουν ως απαίτηση γεωθερμικά πεδία με ατμό ελάχιστης θερμοκρασίας 150 C. Με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα βέβαια υπάρχει η δυνατότητα εκμετάλλευσης υπέρθερμου γεωθερμικού ατμού θερμοκρασίας μέχρι και 300 350 C και ολοένα και αυξανόμενης πίεσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού απόδοσης της εγκατάστασης, ο οποίος όμως δεν υπερβαίνει το 30%. Η απαίτηση μιας τυπικής γεωθερμικής μονάδας παραγωγής αυτής της διάταξης σε ξηρό ή υπέρθερμο ατμό είναι περίπου 6,5kg ανά παραγόμενη kwh. Να σημειώσουμε βέβαια, ότι τα γεωθερμικά πεδία που παράγουν καθαρό ατμό είναι αρκετά σπάνια και υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές στο κόσμο. 5.2.2. Με στιγμιαία ατμοποίηση εργαζόμενου μέσου (flash steam) Η διάταξη παραγωγής με στιγμιαία ατμοποίηση του εργαζόμενου μέσου (σχήμα 5.3) είναι η πιο συχνά εφαρμοζόμενη διάταξη ηλεκτροπαραγωγής μέσω γεωθερμίας. Σχήμα 5.3. - Διάταξη στιγμιαίας ατμοποίησης εργαζόμενου μέσου με συμπυκνωτή τύπου θερμικού εναλλάκτη Σελίδα 52
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εφαρμόζεται σε περιπτώσεις όπου το γεωθερμικό μέσο που λαμβάνεται από το φρεάτιο παραγωγής δεν είναι καθαρός ατμός, αλλά μπορεί να είναι είτε μίγμα νερού-ατμού, είτε ατμός με υψηλό ποσοστό υγρασίας, είτε θερμό νερό σε υψηλή πίεση. Η ιδιαιτερότητα λοιπόν, αυτής της διάταξης εντοπίζεται στην ύπαρξη ενός ειδικού ταμιευτήρα που είναι τοποθετημένος πριν τον ατμοστρόβιλο και ονομάζεται διαχωριστής. Το γεωθερμικό ρευστό, από το φρεάτιο παραγωγής, διοχετεύεται στο διαχωριστή και χάρη στην απότομη πτώση πίεσης που δημιουργείται στο εσωτερικό του, μέρος του ρευστού ατμοποιείται στιγμιαία. Έτσι καταλήγουμε να έχουμε καθαρό ατμό, ο οποίος και οδηγείται στον ατμοστρόβιλο, και ζεστό νερό, που αποτελεί το ποσοστό του γεωθερμικού ρευστού που δεν ατμοποιήθηκε. Τέλος, να σημειώσουμε ότι ο διαχωριστής εκτός του ότι τροφοδοτεί τον ατμοστρόβιλο με το απαραίτητο εργαζόμενο μέσο, τον προστατεύει επίσης από την είσοδο νερού. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται στην ηλεκτρογεννήτρια της μονάδας η οποία είναι συζευγμένη με τον ατμοστρόβιλο ο οποίος κινείται από τον ατμό που προέρχεται από το διαχωριστή. Ο ατμός μετά τον ατμοστρόβιλο διοχετεύεται στο συμπυκνωτή, όπου και συμπυκνώνεται δημιουργώντας υποπίεση, αυξάνοντας έτσι τη παραγόμενη ισχύ από τον ατμοστρόβιλο. Να σημειώσουμε εδώ ότι ο συμπυκνωτής μπορεί να είναι τύπου θερμικού εναλλάκτη ή τύπου αμέσου επαφής. Στους συμπυκνωτές αμέσου επαφής το ψύχον μέσο (ψυχρός συμπυκνωμένος ατμός) προερχόμενο από το πύργο ψύξης ψεκάζεται πάνω στο εξερχόμενο από τον ατμοστρόβιλο μίγμα ατμού προκαλώντας τη συμπύκνωσή του. Ο συμπυκνωμένος ατμός που προκύπτει εξέρχεται από το συμπυκνωτή, και ένα μέρος του οδηγείται, μαζί με το γεωθερμικό νερό από το διαχωριστή, στο φρεάτιο επανεισαγωγής. Ο υπόλοιπος συμπυκνωμένος ατμός εισέρχεται στο πύργο ψύξης και αφού ψυχθεί οδηγείται πάλι στο συμπυκνωτή όπου χρησιμοποιείται ως Σελίδα 53
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ψύχον μέσο. Ένα μικρό τμήμα του συμπυκνωμένου ατμού που εισέρχεται στο πύργο ψύξης απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα υπό τη μορφή υδρατμών. Το υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής περιεκτικότητας σε άλατα γεωθερμικό νερό που παραμένει υγροποιημένο στο διαχωριστή, πριν διοχετευτεί στο φρεάτιο επανεισαγωγής, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως μέσο κεντρικής θέρμανσης σε γειτονικούς οικισμούς, έτσι ώστε να αξιοποιηθεί το υψηλό θερμικό του περιεχόμενο. Σχήμα 5.4. - Μονάδα στιγμιαίας ατμοποίησης εργαζόμενου μέσου με συμπυκνωτή άμεσου επαφής Για να αυξήσουμε την απόδοση αυτής της διάταξης και ανάλογα πάντα με τη θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού που μας παρέχει η πηγή μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δυο διαχωριστές. Το γεωθερμικό ρευστό εισέρχεται στον πρώτο διαχωριστή οπού ένα μέρος του ατμοποιείται και το υπόλοιπο μέρος, το οποίο αποτελείται ουσιαστικά από Σελίδα 54
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ζεστό νερό, διοχετεύεται στον δεύτερο διαχωριστή για περαιτέρω ατμοποίηση. Εδώ να σημειώσουμε ότι ο ατμός που παράγεται στον δεύτερο διαχωριστή είναι χαμηλότερης πίεσης. Για να εκμεταλλευτούμε τώρα τον ατμό που παρέχεται με δυο διαφορετικές πιέσεις χρησιμοποιούμε ατμοστρόβιλο διπλής εισόδου. Η διάταξη αυτή ονομάζεται διπλή ατμοποίηση με αποτόνωση και μας δίνει τη δυνατότητα να αξιοποιούμε το μεγαλύτερο μέρος του δυναμικού της γεωθερμικής πηγής για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εάν η πηγή έχει υψηλό επίπεδο αιωρούμενων και διαλυμένων στερεών, μπορεί να είναι αναγκαία η ενσωμάτωση εξοπλισμού ελέγχου των επικαθίσεων στην είσοδο της διάταξης και εξοπλισμού αποκατάστασης των στερεών στην έξοδο αυτής. Αυτό προφυλάσσει τον εξοπλισμό της μονάδας από απόφραξη και διατηρεί το γεωθερμικό ρευστό καθαρό για επανεισαγωγή στον ταμιευτήρα. Επιπροσθέτως, να αναφέρουμε ότι εάν υφίστανται σημαντικές ποσότητες μη συμπυκνώσιμων αερίων, μπορεί να είναι αναγκαία η εγκατάσταση εξοπλισμού αποβολής των αερίων αυτών από το συμπυκνωτή για να μην αυξηθεί η αντίθλιψη στο σύστημα με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης της εγκατάστασης. Οι μονάδες που χρησιμοποιούν αυτού του είδους τις διατάξεις έχουν ισχύ περίπου 5-100 MW. Τα επιθυμητά θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά του ατμού είναι τα εξής: πίεση 0,5-0,6 MPa και θερμοκρασία 155-165 C, οπότε ο στρόβιλος απαιτεί παροχή περίπου 8kg ατμού ανά παραγόμενη kwh. 5.2.3. Με ξεχωριστά εργαζόμενα μέσα (binary cycle) Η διάταξη παραγωγής με ξεχωριστά εργαζόμενα μέσα είναι η πλέον κατάλληλη για περιοχές όπου η θερμοκρασία του γεωθερμικού μέσου δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή (<180 C). Στη διάταξη αυτή λοιπόν (σχήμα 5.5) έχουμε δύο εργαζόμενα μέσα, το γεωθερμικό (πρωτεύον) που προέρχεται από την αντίστοιχη πηγή και το δευτερεύον. Αρχικά το γεωθερμικό μέσο που λαμβάνεται μέσω του παραγωγικού φρεατίου οδηγείται σε κατάλληλο θερμικό εναλλάκτη, όπου Σελίδα 55
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ αποδίδει μέρος της θερμικής του ενέργειας στο δευτερεύον εργαζόμενο μέσο και στη συνέχεια επιστρέφει στο γεωθερμικό ταμιευτήρα μέσω του φρεατίου επανεισαγωγής. Το γεωθερμικό μέσο μπορεί να αποτελείται από θερμό ατμό, θερμό νερό ή και μίγμα αυτών. To δευτερεύον εργαζόμενο μέσο τώρα χρησιμοποιείται σε ένα συμβατικό οργανικό κύκλο Rankine (OCR). Συγκεκριμένα το ρευστό διερχόμενο από τον εναλλάκτη απορροφά θερμότητα και ατμοποιείται καθώς παρουσιάζει χαμηλό σημείο ζέσεως (<100 C) βάσει και του οποίου και έχει επιλεγεί. Στη συνέχεια, οδηγείται στο ζεύγος ατμοστροβίλουηλεκτρογεννήτριας όπου και εκτονώνεται παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Τέλος, αφού εισέλθει στον συμπυκνωτή, ο οποίος είναι τύπου θερμικού εναλλάκτη, και υγροποιηθεί οδηγείται και πάλι στον αρχικό εναλλάκτη εκτελώντας έναν κλειστό θερμοδυναμικό κύκλο. Ως εργαζόμενο μέσο επιλέγονται οργανικές ρευστές ουσίες τύπου υδρογονανθράκων (HFC) που έχουν χαμηλό σημείο ζέσεως και υψηλή τάση ατμών σε χαμηλές θερμοκρασίες (σε σχέση με τον υδάτινο ατμό) και συνήθως χρησιμοποιείται ισοπετάνιο, πεντάνιο ή βουτάνιο. Σελίδα 56
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σχήμα 5.5. - Μονάδα με ξεχωριστά εργαζόμενα μέσα και συμπυκνωτή τύπου θερμικού εναλλάκτη Εάν γίνει σωστή επιλογή του δευτερεύοντος ρευστού, η διάταξη αυτή μπορεί να σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να αξιοποιούνται γεωθερμικά ρευστά με θερμοκρασία που κυμαίνεται μεταξύ 85 170 C. Το ανώτερο όριο εξαρτάται από τη θερμική σταθερότητα του οργανικού ρευστού, ενώ το κατώτατο όριο από οικονομοτεχνικούς παράγοντες, καθώς κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, εξαιτίας του μεγέθους και της ικανότητας των απαιτούμενων εναλλακτών, το όλο πρόγραμμα ίσως κατέληγε ασύμφορο από οικονομικής απόψεως. Εκτός από τις περιπτώσεις χαμηλής-μέσης ενθαλπίας, η διάταξη ξεχωριστών εργαζόμενων μέσων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί εκεί όπου η εφαρμογή της στιγμιαίας ατμοποίησης του ρευστού θα πρέπει να αποφεύγεται (π.χ. για την αποφυγή απόφραξης των γεωτρήσεων). Στην περίπτωση αυτή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υποβρύχιες αντλίες, ώστε τα γεωθερμικά ρευστά να παραμένουν υπό σταθερή πίεση και σε υγρή Σελίδα 57