ΤΕΙ Καβάλας Σχολή ΣΤΕΦ Τμήμα Ηλεκτρολογίας Πτυχιακή Εργασία Σπουδαστές Βάδεν Κωνσταντίνος Καραχοντζίτης Βασίλειος Καθηγητής Μπαντέκας Δημήτριος Καβάλα 2009 1
2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Γενικά...σελ. 6 2. Επιφανειακές εκδηλώσεις θερμότητας της γης και γεωθερμική ενέργεια σελ. 8 Β. ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΠΕΔΙΑ 1. Γεωθερμικοί πόροι... σελ. 14 2. Ταξινόμηση γεωθερμικών συστημάτων... σελ. 15 Γ. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗΣ, ΕΡΕΥΝΑΣ, ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ & ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ 1. Εισαγωγή... σελ. 18 2. Στάδια γεωθερμικής ενέργειας... σελ. 19 3. Πρώτο Στάδιο: Γεωθερμική έρευνα μεγάλης κλίμακας...σελ. 20 4. Δεύτερο Στάδιο: Λεπτομερής και Συστηματική Έρευνα των πιθανότερων γεωθερμικών περιοχών...σελ. 22 5. Τρίτο Στάδιο: Εντοπισμός- Περιχάραξη των γεωθερμικών πεδίων με γεωτρήσεις και μελέτη των χαρακτηριστικών τους... σελ. 24 6. Τέταρτο Στάδιο: Ανάπτυξη και Διαχείριση των γεωθερμικών πεδίων... σελ. 25 Δ. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 1. Εισαγωγή...σελ. 27 2. Άμεσες χρήσεις...σελ. 28 3. Σύστημα παραγωγής και μεταφοράς γεωθερμικών ρευστών: (α) Σχήματα γεωτρήσεων...σελ. 30 3
(β) Αντλίες παραγωγής... σελ. 30 (γ) Σωληνώσεις μεταφοράς των γεωθερμικών νερών... σελ. 33 (δ) Μόνωση και εγκατάσταση των σωληνώσεων... σελ. 35 (ε) Εναλλάκτες θερμότητας...σελ. 36 Ε. Η ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. Θέρμανση χώρων...σελ. 40 2. Αγροτικές χρήσεις: (α) Εισαγωγή... σελ. 42 (β) Θέρμανση Θερμοκηπίων...σελ. 42 (γ) Ξήρανση αγροτικών προϊόντων...σελ. 45 (δ) Υδατοκαλλιέργειες...σελ. 46 (ε) Καλλιέργεια Σπιρουλίνας...σελ. 48 (στ) Ιχθυοκαλλιέργεια...σελ. 48 (ζ) Λουτροθεραπευτικές χρήσεις...σελ. 49 (η)μαγείρεμα... σελ. 49 3. Αξιοποίηση χημικών συστατικών των ρευστών και άλλες χρήσεις: (α) Εισαγωγή... σελ. 50 (β) Ανάκτηση διοξειδίου του άνθρακα...σελ. 50 (γ) Αφαλάτωση νερού...σελ. 51 4. Γεωθερμικές αντλίες νερού...σελ. 52 5. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας: (α) Εισαγωγή... σελ. 54 (β) Τύποι γεωθερμικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος...... σελ. 55 4
ΣΤ. ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 1. Εισαγωγή...σελ. 59 2. Αειφορία και Ανανεωσιμότητα γεωθερμίας... σελ. 60 3. Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις... σελ. 62 (α)επιπτώσεις από μονάδες χαμηλής ενθαλπίας... σελ. 62 (β)επιπτώσεις από μονάδες υψηλής ενθαλπίας... σελ. 64 4. Χρήση γης και απόθεση στερεών αποβλήτων... σελ. 64 5. Εκπομπές αερίων...σελ. 65 6. Υδάτινη και θερμική ρύπανση... σελ. 66 7. Θόρυβος...σελ. 70 8. Δημιουργία μικροσεισμικότητας... σελ. 70 9. Πρόκληση καθιζήσεων...σελ. 71 10. Περιβαλλοντικά οφέλη...σελ. 71 Ζ. ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 1. Εισαγωγή...σελ. 74 2. Ηφαιστειότητα της Ελλάδας...σελ. 74 3. Το γεωθερμικό δυναμικό του Ελλαδικού χώρου... σελ. 75 Η. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ & ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ... σελ. 79 Βιβλιογραφία... σελ. 81 5
Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Εισαγωγή Ο όρος Γεωθερμία ( Geothermics ) αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία στον εφαρμοσμένο επιστημονικό κλάδο που περιλαμβάνει όλο το φάσμα της έρευνας, από τη μελέτη της γήινης ροής θερμότητας, τις συνθήκες κατανομής των θερμοκρασιών στο υπέδαφος, το μηχανισμό της κυκλοφορίας των υπόγειων θερμών ρευστών σε συνδυασμό με τις γεωλογικές συνθήκες, καθώς και τα φυσικό-χημικά χαρακτηριστικά τους, μέχρι τον εντοπισμό και την αξιολόγηση των γεωθερμικών πεδίων με κατάλληλες παραγωγικές γεωτρήσεις. Η γεωθερμική ενέργεια είναι μια φυσική, ήπια και σε σημαντικό βαθμό ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς επιφανειακούς ή υπόγειους ατμούς, με ή χωρίς αέρια σε θερμά νερά ή σε μίγματα των παραπάνω, καθώς και σε θερμά-ξηρά πετρώματα. Η εκμετάλλευση της ενέργειας αυτής είναι εφικτή μόνο υπό την προϋπόθεση ότι η γεωλογικές συνθήκες, σε συνδυασμό με το θερμικό φορτίο, εξασφαλίζουν ένα συγκριτικό οικονομικό αποτέλεσμα. Γεωθερμική ενέργεια περιέχεται και σε ξηρά-θερμά πετρώματα σε μεγάλα βάθη, σε γεωπεπιεσμένους σχηματισμούς και σε λιωμένα πετρώματα ( μάγματα ), αλλά είναι δύσκολη η αξιοποίηση αυτής της ενέργειας με τα σημερινά τεχνικά και οικονομικά δεδομένα. Αντίθετα, αναπτύσσεται συνεχώς η αξιοποίηση της αβαθούς γεωθερμίας, από ρηχά ρευστά ή πετρώματα, έστω και αν έχουν μικρή θερμοκρασία. Κυριότερος στόχος της γεωθερμίας είναι ο εντοπισμός και η μελέτη των γεωθερμικών περιοχών, δηλαδή των περιοχών εκείνων που παρουσιάζουν θετικές θερμικές ανωμαλίες και ευνοϊκές γενικά συνθήκες για την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας. Σε μερικές περιοχές της γης παρατηρούνται ασυνήθιστα υψηλές τιμές της θερμικής ροής, δηλαδή της μετάδοσης της θερμότητας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια. Αυτές οι περιοχές, με θετική θερμική ανωμαλία, έχουν βεβαίως προτεραιότητα στη γεωθερμική έρευνα και αξιοποίηση. Όμως, με τις σημερινές τεχνολογικές εξελίξεις και σε συνδυασμό με την ολοένα αυξανόμενη τιμή της ενέργειας, την ορατή προοπτική εξάντλησης των συμβατικών καυσίμων και την ανάγκη προστασίας του περιβάλλοντος, γίνονται ενδιαφέρουσες και περιοχές με μικρότερες θερμικές ανωμαλίες ή και χωρίς καμία ανωμαλία. Αρκεί οι περιοχές αυτές να διαθέτουν αξιόλογες ποσότητες ρευστών σε μικρά σχετικά βάθη, μέχρι 3000 m. Το βάθος αυτό θεωρείται γενικά ως το μέγιστο βάθος των γεωτρήσεων Γεωθερμίας με τα σημερινά οικονομικά δεδομένα. 6
Περιοχές που παρουσιάζουν αυξημένη θερμική ροή είναι συνήθως οι περιοχές ενεργού μαγματισμού, δηλαδή όπου υπάρχουν λιωμένα πετρώματα σε μικρά σχετικά βάθη. Εκμεταλλεύσιμες όμως γεωθερμικές συνθήκες μπορεί να υπάρχουν και σε άλλες περιοχές, αρκεί να είναι ευνοϊκές οι γεωλογικές συνθήκες, σε συνδυασμό με ενδιαφέροντες κλιματολογικούς και χωροταξικούς παράγοντες ( π.χ. περιοχές πυκνοκατοικημένες ή βιομηχανικά ανεπτυγμένες, με αυξημένες ανάγκες σε θερμική ενέργεια κ.τ.λ. ). Οι ευνοϊκές γεωλογικές συνθήκες μπορεί να επιτρέψουν τη δημιουργία υπόγειων ταμιευτήρων θερμών ρευστών σε ικανοποιητικές ποσότητες και θερμοκρασίες. Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος που διαδραματίζει η Γεωθερμία αυξάνεται συνεχώς, αφού η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια ουσιαστικά ανεξάντλητη και οικονομική μορφή ενέργειας, με πολλές και χρήσιμες εφαρμογές καθώς και με ήπιες ή σχεδόν μηδενικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η εγκατεστημένη ισχύς για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την εκμετάλλευση γεωθερμικών πεδίων υψηλής θερμοκρασίας ( >150 C ) αυξήθηκε από 3887 MWe το 1980 στα 7974 MWe το 2000 και ξεπέρασε 11000 MWe το 2005. Βεβαίως, το γεγονός ότι τα γεωθερμικά ρευστά δεν μεταφέρονται μακριά από τον τόπο παραγωγής τους αποτελεί βασικό περιοριστικό παράγοντα και συντελεί στην αποθάρρυνση των ανεπτυγμένων χωρών να επενδύσουν σε αυτό το χώρο, επειδή τα γεωθερμικά ρευστά πρέπει να αξιοποιηθούν επιτόπου, στις περιοχές και τις χώρες που τα διαθέτουν. Οι γνώσεις μας για τον πλανήτη γη είναι ουσιαστικά επιφανειακές και ότι γνωρίζουμε για το εσωτερικό του προέρχεται από έμμεσες πληροφορίες. Η προέλευση της θερμότητας της γης δεν είναι με ακρίβεια γνωστή. Υπάρχουν διάφορες θεωρίες που αναφέρονται στους μηχανισμούς που συμμετέχουν στην παραγωγή της. Επικρατέστερη θεωρείται αυτή που αναφέρεται στη διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων του ουρανίου, του θορίου, του καλίου και άλλων στοιχείων. Η μάζα της γης είναι πολύ μεγάλη σε σχέση με την επιφάνεια της και καλύπτεται από υλικά χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα η θερμότητα της να συγκρατείται στο εσωτερικό της. Άρα προκύπτει βάσιμα ότι η γη είναι θερμή στο εσωτερικό της. Αυτό αποδεικνύεται περίτρανα από τα λιωμένα πετρώματα ( μάγματα ), θερμοκρασίας μέχρι και 1200 C, τα οποία φθάνουν στην επιφάνεια με τις ηφαιστειακές εκρήξεις. Λιγότερο εντυπωσιακές, αλλά επίσης ενδεικτικές της θερμότητας του εσωτερικού της γης, είναι οι υδροθερμικές εκρήξεις, οι θερμοπίδακες υπέρθερμου νερού ( geysers ), οι ατμίδες, τα θερμά εδάφη, οι θερμές πηγές και οι λεκάνες ιλύος. 7
Είναι εδώ και αιώνες γνωστό όχι η θερμοκρασία σε μεταλλευτικές στοές, βαθιά πηγάδια κ.λ.π. είναι υψηλότερη της επιφανειακής και παραμένει σταθερή στο χρόνο. Η πρώτη φορά που μετρήθηκε με θερμόμετρο η θερμοκρασία στο εσωτερικό της γης ήταν το 1740, σε ένα ορυχείο κοντά στο Belfort της Γαλλίας. Εμείς σήμερα μετράμε τη θερμοκρασία της γης κυρίως μέσα σε γεωτρήσεις και γνωρίζουμε ότι η θερμοκρασία αυξάνει με το βάθος, με μέσο ρυθμό 30 C/km δηλαδή για κάθε χιλιόμετρο βάθους η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 30 C. Ο ρυθμός αυτός αύξησης της θερμοκρασίας της γης με το βάθος καλείται γεωθερμική βαθμίδα. Η γεωθερμική βαθμίδα δεν είναι βέβαια σταθερή σε όλα τα σημεία του πλανήτη, επειδή επηρεάζεται από διάφορους γεωλογικούς παράγοντες που θα αναλυθούν αργότερα. Στις περιοχές, όπου η γεωθερμική βαθμίδα είναι μεγαλύτερη από τη μέση γήινη, έχουμε θετική γεωθερμική ανωμαλία και οι περιοχές αυτές παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την αναζήτηση και αξιοποίηση της Γεωθερμίας. 2. Επιφανειακές εκδηλώσεις θερμότητας της γης και γεωθερμική ενέργεια Οι σεισμοί και τα ρήγματα που δημιουργούνται διευκολύνουν την κυκλοφορία του μάγματος προς τα πάνω και κυρίως των γεωθερμικών ρευστών και την άνοδο τους προς την επιφάνεια της γης, μεταφέροντας έτσι μεγάλες ποσότητες θερμικής ενέργειας και κάνοντας την ενέργεια αυτή περισσότερο διαθέσιμη στον άνθρωπο. Τα γεωθερμικά ρευστά με την βοήθεια των τεκτονικών κινήσεων στις σεισμικά ενεργές περιοχές, φθάνουν πολλές φορές μέχρι την επιφάνεια του εδάφους, δημιουργώντας και άλλα εντυπωσιακά φυσικά φαινόμενα ή εκδηλώσεις, τα κυριότερα των οποίων είναι: Οι υδροθερμικοί ή φρεατικοί κρατήρες Οι υδροθερμικοί ή φρεατικοί κρατήρες, οι οποίοι σχηματίζονται ύστερα από «έκρηξη» υπέρθερμων γεωθερμικών ρευστών που βρίσκονται εγκλωβισμένα σε μικρό βάθος υπό πίεση και τα οποία ανατινάζουν τα υπερκείμενα πετρώματα. Έχουν σχήμα που θυμίζει καμινάδα από τις οποίες αναβλύζει καυτό νερό μεδιαλυμένα μεταλλικά στοιχεία. Η θερμοκρασία του νερού 220 C. Οι θερμές πηγές ( Hot Springs ) Οι θερμές πηγές είναι φυσικές έξοδοι ζεστού νερού, κάτω από ευνοϊκές γεωλογικές συνθήκες, με θερμοκρασία που προσεγγίζει το σημείο ζέσεως του νερού. Σε λίγες περιπτώσεις έχουν εντυπωσιακή 8
παροχή ( ποσότητα νερού στο χρόνο ), συνήθως όμως βγάζουν λίγο νερό, επειδή το περισσότερο εγκλωβίζεται στο υπέδαφος «περιμένοντας» τις γεωθερμικές γεωτρήσεις. Οι θερμές πηγές χρησιμοποιούνται και για ιαματικούς σκοπούς, ενώ τα τεράστια ποσά γεωθερμικής ενέργειας αξιοποιούνται και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι θερμοπίδακες ( Geysers ) Οι θερμοπίδακες αποτελούν ειδικοί περίπτωση ζεουσών θερμών εκδηλώσεων και δημιουργούνται από την κυκλοφορία υπέρθερμων υπόγειων νερών σε μικρό βάθος. Αυτά τα νερά κάθε τόσο αποκτούν ικανή πίεση ώστε να δημιουργηθεί μια σχεδόν περιοδική και εντυπωσιακή μερικές φορές έκρηξη νερού και υδρατμών, τα οποία εκτινάσσονται σε αρκετές δεκάδες μέτρα πάνω από την επιφάνεια του εδάφους. Οι θερμοπίδακες είναι ιδιαίτερα σπάνιο φαινόμενο και παρατηρούνται σε ενεργειακές ηφαιστειακά περιοχές. Σε μερικές 9
περιοχές της Ισλανδίας και μέσα σε λεβητοειδή κοιλάδα υπάρχουν διάφορα χάσματα από τα οποία αναφυσσώνται με μεγάλη ορμή, περιοδικά και σε κανονικά διαστήματα, σύννεφα υδρατμών και βρασμένου νερού σε μεγάλο ή μικρό ύψος. Οι αναφυσσήσεις αυτές συνοδεύονται και από υπόγειους κρότους. Οι πηγές αυτές είναι διαλειπούσες και λέγονται θερμοπίδακες Geyser. Το νερό αυτό φτάνει στους 100 C και περιέχει διαλυμένο σε μεγάλες ποσότητες πυριτικό οξύ. Το πυριτικό οξύ, όταν το νερό κρυώσει κατακάθεται γύρω από την οπή του χάσματος, με αποτέλεσμα να σχηματίζει κωνοειδή τοιχώματα, τα οποία αποτελούν τον κρατήρα. Ο μεγαλύτερος θερμοπίδακας της Ισλανδίας έχει ύψος 10m. και διάμετρο 70m. Οι θερμοπίδακες συναντιώνται σε περιοχές που έχουν ή είχαν ηφαιστειακή δραστηριότητα, όπου υπάρχει έντονη ροή θερμότητας από ένα ηφαιστειακό κέντρο. Στην κορυφή έχει διάμετρο 20m και στη μέση οπή από την οποία ξεπηδά το νερό. Θερμοπίδακες υπάρχουν: Νέα Ζηλανδία, Β.Αμερική, Κίνα, Ρωσία, Ισλανδία, Ιαπωνία. 10
Οι ατμίδες ( Fumaroles ) Οι ατμίδες είναι αναδύσεις υπέρθερμων ατμών και αερίων, που βγαίνουν από ρωγμές ή τρύπες του εδάφους χωρίς πίεση αλλά με εντυπωσιακή σταθερότητα. Είναι συχνά οξειδωμένες και ενίοτε εμπλουτισμένες με σημαντικά μεταλλεύματα που κρυσταλλώθηκαν. Σχηματίζονται όταν η παροχή του νερού είναι περιορισμένη και το νερό εξατμίζεται προτού φτάσει στην επιφάνεια της γης. Γύρω από τις ατμίδες αποτίθενται διάφορα άλατα και ορυκτά, που περιέχονται στα φυσικά θερμά ρευστά. Σε εξαιρετικές περιπτώσεις η θερμοκρασία των αερίων φτάνει τους 600 C, αν και συνήθως τα αέρια έχουν θερμοκρασία γύρω στους 100 C. Τα αέρια που εξέρχονται μαζί με τον ατμό είναι κυρίως το διοξείδιο του άνθρακα και δευτερεύοντος το διοξείδιο του θείου, το υδρόθειο και μικρές ποσότητες άλλων ηφαιστειακών και μη αερίων. Οι ατμίδες που εκπέμπουν σημαντικές ποσότητες υδρόθειου ονομάζονται θειωνίες ( solfataras ), ενώ οι ατμίδες που περιέχουν μόνο διοξείδιο του άνθρακα καλούνται μοφέτες ( mofettes ). 11
Οι λεκάνες ιλύος ( Mud Pools ) Οι λεκάνες ιλύος σχηματίζονται όταν δεν υπάρχει μεγάλη ροή και πίεση ίου νερού μιας θερμής πηγής, ώστε να μεταφέρει μακριά τα αργιλοπυρητικά σωματίδια που συμπαρασύρονται από το νερό. Αυτά συσσωρεύονται στη έξοδο ή τη «λεκάνη» της θερμικής εκδήλωσης, ενώ οι υδρατμοί, μαζί με τα μη συμπυκνώσιμα αέρια, συσσωρεύονται στην επιφάνεια της πηκτής ιλύος και «σκάνε» με χαρακτηριστικό ήχο. Οι θερμικοί αυτοί σχηματισμοί αποτελούν ενδιάμεσο τύπο μεταξύ ζέουσας θερμής πηγής και ατμίδας. Τα θερμά εδάφη ( Hot Grounds ) Τα θερμά εδάφη σχηματίζονται συνήθως από τη θερμική αγωγή των πετρωμάτων ( μη περατών γεωλογικών σχηματισμών ), που παρεμβάλλονται μεταξύ μερικών σημείων της επιφάνειας της γης και των υποκείμενων αβαθών και πολύ θερμών ρευστών. Έχουν θερμοκρασίες που φτάνουν μέχρι και 100 C στην επιφάνεια του εδάφους. Η γεωθερμική βαθμίδα της γης, τουλάχιστον στα πρώτα 10 km που μπορούμε να ελέγξουμε άμεσα, κυμαίνεται από 5 μέχρι 90 C/km, με μέση τιμή τους 30 C/km. Οι περιοχές που διαθέτουν γεωθερμική βαθμίδα μεγαλύτερη από την μέση γήινη είναι πολλές στον πλανήτη μας και οι περισσότερες βρίσκονται στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Ένα συνηθισμένο γεωθερμικό πεδίο αποτελείται από τρία κύρια μέρη: μία πηγή θερμότητας, έναν ταμιευτήρα και τα ρευστά, τα οποία είναι οι φορείς της θερμότητας. Η πηγή θερμότητας μπορεί να είναι είτε μια μαγματική διείσδυση ( με θερμοκρασίες 600-1200 C ), η οποία έφθασε σε σχετικά μικρά βάθη ( 3-10 km ), ή είτε η κανονική θερμική ροή της γης, που δημιουργεί όλο και θερμότερους σχηματισμούς όσο πηγαίνουμε στο βάθος. Ο ταμιευτήρας ( reservoir ) αποτελείται ουσιαστικά από ένα σύστημα θερμών διαπερατών πετρωμάτων, που επιτρέπουν την εύκολη κυκλοφορία ή τον εγκλωβισμό των κυκλοφορούντων ρευστών, τα οποία απάγουν θερμότητα. Τα γεωθερμικά ρευστά είναι νερά μετεωρικής ή επιφανειακής προέλευσης ( και σπάνια μαγματικής ), σε υγρή ή αέρια φάση και συχνά περιέχουν σημαντικές ποσότητες διαλυμένων στερεών ουσιών και αερίων. Η κατάσταση των γεωθερμικών ρευστών εξαρτάται προφανώς από την πίεση και την θερμοκρασία τους. Σήμερα αξιοποιείται ένα μόνο μικρό μέρος της γεωθερμικής ενέργειας, η λεγόμενη «ενέργεια της γης» ή υδροθερμική ενέργεια, με την μορφή θερμών ρευστών. Μια κατηγορία γεωθερμικής ενέργειας που 12
βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο, είναι η λεγόμενη ενέργεια των θερμών ξηρών πετρωμάτων. Νερό οδηγείται τεχνητά από την επιφάνεια της γης μέσο γεώτρησης εισαγωγής μέχρι τα θερμά, ξηρά και χωρίς νερά πετρώματα, σε βάθος που μπορεί να υπερβαίνει τα 5000 m. Μετά την θέρμανση του εκεί, το νερό επιστρέφει στην επιφάνεια μέσο άλλης ή άλλων παραγωγικών γεωτρήσεων. Η τεχνική βιωσιμότητα τέτοιων συστημάτων έχει αποδειχτεί πειραματικά, το κόστος τους όμως είναι αρκετά υψηλό με τα σημερινά τεχνολογικά και οικονομικά δεδομένα. Υπάρχουν βέβαια και άλλες μορφές γεωθερμικής ενέργειας, η οποία αυτή τη στιγμή, με τα τεχνικά και τα οικονομικά μέσα που διαθέτει η ανθρωπότητα, δεν είναι δυνατόν να αξιοποιηθούν. Η μορφές αυτές είναι η γεωπεπιεσμένη ενέργεια, δηλ. η ενέργεια από το νερό υψηλής αλατότητας που βρίσκεται σε σχετικά μεγάλα βάθη σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία και περιέχει σημαντικές ποσότητες διαλυμένου μεθανίου, και η ενέργεια του μάγματος. Τελευταία, έχει διαδοθεί σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες η τεχνική της εκμετάλλευσης της θερμότητας των πετρωμάτων σε πολύ μικρά βάθη ( 1-100 m ), με τη βοήθεια είτε των αβαθών γεωτρήσεων ή μικρών εκσκαφών στην «αυλή» του καταναλωτή και τη χρήση αντλιών θερμότητας. Η μέθοδος αυτή της αξιοποίησης της αβαθούς γεωθερμίας μπορεί να εφαρμοσθεί οπουδήποτε υπάρχει ανάγκη τόσο για θέρμανση το χειμώνα, όσο και κλιματισμό το καλοκαίρι, επειδή πρακτικά ακόμα σε πολύ μικρό βάθος, η θερμοκρασία του εδάφους είναι σταθερή σχεδόν όλη τη διάρκεια του έτους. 13
Β. ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΠΕΔΙΑ 1. Γεωθερμικοί πόροι Ως γεωθερμικοί πόροι ( geothermal resources ) ορίζονται οι ποσότητες της θερμικής ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευμένη ανάμεσα στην επιφάνεια της γης και σε κάποιο προσβάσιμο βάθος και μπορεί να ανακτηθεί με ανταγωνιστικό κόστος σε σχέση με τις άλλες μορφές ενέργειας. Το γεωθερμικό δυναμικό αποτελείται από το σύνολο των φυσικών ατμών και θερμών νερών ( επιφανειακών ή υπόγειων ) και της θερμότητας των γεωλογικών σχηματισμών, των οποίων η θερμοκρασία υπερβαίνει την μέση ετήσια θερμοκρασία της κάθε περιοχής. Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια φυσική πηγή ενέργειας με γήινη προέλευση, η οποία βρίσκεται σε ένα γεωλογικό χώρο που σχηματίζει στο σύνολο του ένα γεωθερμικό σύστημα. Η εκμετάλλευση του γεωθερμικού δυναμικού είναι πολύ πιθανή σε εκείνες τις περιοχές της γης όπου μάζες ρευστών ( νερό, ατμός και διάφορα άλλα αέρια ) ανεβαίνουν προς την επιφάνεια μέσα από ρήγματα ή ρωγμές, από βαθύτερα και θερμότερα σημεία του φλοιού και μεταφέρουν έτσι σημαντικές ποσότητες θερμότητας. Τέτοιες περιοχές συνδέονται πολύ συχνά με γεωλογικά πολύ πρόσφατη ή και ενεργό ηφαιστειότητα και ενεργό τεκτονική. Ευνοϊκές γεωθερμικές περιοχές είναι θεωρητικά όμως και εκείνες που για διαφορετικές αιτίες διαθέτουν θερμική ροή και, επομένως, γεωθερμική βαθμίδα ανώτερη από τις μέσες τιμές. Όπως έχει αναφερθεί στο προηγούμενο κεφάλαιο, η μέση θερμική ροή στον ηπειρωτικό φλοιό είναι περίπου 60mW / m2και η μέση γεωθερμική βαθμίδα 30 C/km. Οι καλύτερες από τις παραπάνω περιοχές βρίσκονται κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, με τιμές ροής και βαθμίδας μεγαλύτερες της μέσης τιμής, όπου απαντώνται και πολλές γεωθερμικές εκδηλώσεις Δεν αρκεί όμως μόνον η θερμική ανωμαλία για τη δημιουργία γεωθερμικών συστημάτων. Χρειάζονται και άλλες ευνοϊκές γεωλογικές συνθήκες, ώστε να έχουμε γεωθερμικά ρευστά σε όχι πολύ μεγάλα βάθη, με ικανοποιητική θερμοκρασία, με αποδεκτά φυσικό-χημικά χαρακτηριστικά κτλ., και, οπωσδήποτε, σε αξιόλογες ποσότητες ( χρειαζόμαστε δηλ. σχετική συγκέντρωση τους ). Η θερμική ενέργεια των φυσικών ρευστών εξαρτάται ως γνωστό από την ποσότητα και την θερμοκρασία τους, ενώ η οικονομικότητά της είναι συνάρτηση των φυσικό-χημικών χαρακτηριστικών των ρευστών και του βάθους, αφού οι γεωτρήσεις ανόρυξης των ρευστών είναι ιδιαίτερα δαπανηρές και το κόστος τους ανεβαίνει σχεδόν γεωμετρικά με το βάθος. 14
Όταν μιλάμε για γεωθερμικούς πόρους, συνήθως αναφερόμαστε στους προσβάσιμους πόρους ( accessible resources ) και στους μηπροσβάσιμους πόρους ( undiscovered resources ). Οι προσβάσιμοι πόροι, δηλαδή οι χρήσιμοι πόροι που μπορούν να ανακτηθούν σήμερα με οικονομικά ανταγωνιστικό τρόπο και στους πόρους που σήμερα δεν είναι οικονομικοί, αλλά θα μπορούσαν να γίνουν στο μέλλον. Η έννοια των γεωθερμικών ενεργειακών πόρων έχει ευρύτερη σημασία. Αναφέρεται στις συνολικές ποσότητες της γεωθερμικής ενέργειας που είναι γνωστές ή υποπτευόμαστε ότι υπάρχουν, ανεξάρτητα από το κόστος και το επίπεδο τεχνολογίας που απαιτείται για την αξιοποίησή τους. Για παράδειγμα, διάφοροι πόροι «υπό όρους» είναι γνωστοί ( σε βάθος μέχρι και 10 km ), αλλά το σημερινό κόστος απόληψής τους είναι απαγορευτικό. Τις περισσότερες φορές είναι δύσκολο να γίνουν αξιόπιστες εκτιμήσεις των ενεργειακών πόρων ( γενικά, αλλά και ειδικότερα των γεωθερμικών ), και οι εκτιμήσεις αυτές αυξάνονται ή μειώνονται ανάλογα με τις πληροφορίες που αποκτούμε με την έρευνα και με τον καιρό. Γεωθερμικά πεδία είναι οι περιοχές στις οποίες οι συνθήκες για την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας είναι ευνοϊκές. Κύρια χαρακτηριστικά των πεδίων είναι τα ακόλουθα: Α) Αυξημένη θερμική ροή. Αυτή συνδέεται με την ύπαρξη μαγματικού όγκου σε μικρό βάθος. Β) Ύπαρξη υπόγειου υδροφορέα σε βάθος μικρότερο των 3Km., ο οποίος θερμαίνεται από τον μαγματικό όγκο. Γ) Ύπαρξη πρακτικά αδιαπέραστου, θερμικά και υδραυλικά, στρώματος πάνω από τον υδροφορέα για την προστασία του θερμικού περιεχομένου του. Τα γεωθερμικά πεδία διακρίνονται όπως και οι γεωθερμικές ενεργειακές πηγές σε υψηλής, μέσης και χαμηλής ενθαλπίας. Είναι φανερό ότι τα πεδία υψηλής ενθαλπίας είναι πολύ πιο αποδοτικά από οικονομική και τεχνική άποψη, τα χαμηλής όμως είναι περισσότερα. 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.α. Σε σχέση με το είδος των γεωθερμικών πόρων διακρίνονται πέντε κατηγορίες συστημάτων: 15
Τα υδροθερμικά συστήματα ή πόροι ( hydrothermal systems or resources ), δηλαδή τα φυσικά υπόγεια θερμά ρευστά, τα οποία βρίσκονται σε έναν ή περισσότερους ταμιευτήρες, θερμαίνονται από μια 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. Μια άλλη ονομασία που δίνεται σε αυτά τα συστήματα είναι συστήματα συναγωγής ( convective systems ) ή δυναμικά συστήματα, επειδή η θερμότητα μεταδίδεται κυρίως με τον μηχανισμό της συναγωγής. Υπάρχουν βεβαίως και ορισμένα συστήματα αγωγής ( conductive systems ) ή στατικά συστήματα, που αποτελούνται συνήθως από νερά υψηλής αλατότητας, με θερμοκρασία 60-150 C και σε κανονική πίεση, παγιδευμένα σε βάθος 2-4 km, και τα οποία έχουν θερμανθεί με τον μηχανισμό της αγωγής. Μια πολλά υποσχόμενη κατηγορία γεωθερμικής ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί η λεγόμενη αβαθής γεωθερμία ( earth energy ), κατά την οποία λαμβάνονται ποσότητες ενέργειας από μικρά βάθη με την ανακυκλοφορία νερού σε κλειστές υδροφόρες ή «ξηρές» γεωτρήσεις ή σε ρηχές επιφάνειες εδάφους / πετρωμάτων. Τα γεωπεπιεσμένα συστήματα ( geopressured systems ), τα οποία αποτελούνται από ρευστά εγκλεισμένα σε μεγάλο βάθος, βρίσκονται περιορισμένα από μη περατά πετρώματα και η πίεση τους υπερβαίνει την υδροστατική. Συγκαταλέγονται στα στατικά συστήματα και συνυπάρχουν με υδρογονάνθρακες ( κυρίως αέριου). Τα συστήματα βαθιών θερμών - ξηρών - πετρωμάτων ( hot dry rock systems ), δηλ. τα θερμά πετρώματα σε βάθος από 3-10 km χωρίς φυσική κυκλοφορία ρευστών, από τα οποία μπορεί να ανακτηθεί ενέργεια χρησιμοποιώντας νερό που διοχετεύεται από την επιφάνεια μέσω κατάλληλων γεωτρήσεων, και ανακτάται θερμότερο με τη μορφή νερού ή ατμού μέσω άλλων γεωτρήσεων. Τα μαγματικά συστήματα ( magma systems ) αναφέρονται στην απόληψή θερμότητας με κατάλληλες γεωτρήσεις σε μαγματικές διεισδύσεις, που βρίσκονται σε μικρό σχετικά βάθος. 16
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 περιεχόμενο τους. Οι γεωθερμικοί πόροι ταξινομούνται συνήθως για λόγους ευκολίας σε ρευστά χαμηλής, μέσης και υψηλής ενθαλπίας ή θερμοκρασίας. Η γεωθερμική ενέργεια υψηλής ενθαλπίας που παρέχεται από τα αντίστοιχα πεδία χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η εκμετάλευση άρχισε από γεωθερμικά πεδία που παράγουν ξηρό ατμό. Η πρώτη μονάδα λειτούργησε το 1913 και είχε ισχύ 250 KW. Σήμερα η εκμετάλευση έχει επεκταθεί και σε πεδία τα οποία παράγουν θερμό νερό ενώ η συνολική εγκατεστημένη ισχύ έχει φθάσει τα 8000MW. 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. Ο λόγος αυτής της ταξινόμησης είναι ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος δεν είναι πάντα οικονομικά αποδεκτή για θερμοκρασίες ρευστών μικρότερες από 150 C. Η γεωθερμική ενέργεια χαμηλής ενθαλπίας έχει πολλές εφαρμογές κυριότερες εκ των οποίων είναι η θέρμανση χώρων και η θέρμανση νερού για οικιακή χρήση. Παρεμφερή είναι η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας χαμηλής ενθαλπίας στον πρωτογενή τομέα για θέρμανση θερμοκηπίων, ιχθυοκαλλιέργειας και άλλων. Επομένως η αξιοποίηση των γεωθερμικών πηγών χαμηλής ενθαλπίας μπορούν να συμβάλλουν σημαντικά στην αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος. Οι συνθήκες εκμετάλλευσης είναι ευνοϊκές στα πεδία της χαμηλής ενθαλπίας λόγω του μικρού βάθους άντλησης. 17
Γ. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗΣ, ΕΡΕΥΝΑΣ, ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ & ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ 1. Εισαγωγή Η γεωθερμική ενέργεια, όπως έχει τονιστεί επανειλημμένα, είναι τεράστια και διάσπαρτη στο εσωτερικό της γης, με συνεχή θερμική ροη από το κέντρο προς την επιφάνεια. Για την αξιολόγηση της οικονομικότητας των γεωθερμικών χρήσεων και της «αξίας» του ενεργειακού προϊόντος θα πρέπει να ληφθούν υπόψη αρκετοί τεχνικόοικονομικοί παράγοντες, κυρίως το κόστος των γεωτρήσεων, καθώς και η θερμοκρασία, η παροχή και η ποιότητα των ρευστών. Η αξία του γεωθερμικού προϊόντος εξαρτάται με τη σειρά της από διάφορους άλλους, πολλές φορές αστάθμητους παράγοντες, οι οποίοι επιβάλλονται απ τους κανόνες της ελεύθερης οικονομίας. Με τα σημερινά δεδομένα, οικονομικά και τεχνολογικά, είναι πρακτικά ασύμφορη η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας από βάθη μεγαλύτερα των 3000 m. Σε πολλές μάλιστα περιπτώσεις τα μέγιστα βάθη πρέπει να είναι οπωσδήποτε μικρότερα. Η τεχνολογία εξόρυξης και εκμετάλλευσης της γεωθερμίας είναι γενικά διαθέσιμη για κάθε εφαρμογή. Όμως οι οικονομικές συνθήκες για την εκμετάλλευση απαιτούν η γεωθερμική ενέργεια να είναι όσο γίνεται περισσότερο συγκεντρωμένη, κοντά στην επιφάνεια και κατά το δυνατόν ανανεώσιμη. Αυτό συμβαίνει, όταν η γεωθερμική ενέργεια είναι διαθέσιμη με τη μορφή θερμών ρευστών υπό πίεση και σε καλούς υδατοπερατούς γεωλογικούς σχηματισμούς, οι οποίοι επανατροφοδοτούνται επαρκώς από την επιφάνεια και είναι καλά καλυμμένοι με στεγανούς γεωλογικούς σχηματισμούς. Χρειάζονται δηλαδή ευνοϊκές γεωλογικές συνθήκες για τη δημιουργία των εκμεταλλεύσιμων γεωθερμικών πεδίων. Οι παράγοντες που επηρεάζουν αυτή τη δημιουργία είναι πολλοί και διαφορετικοί σε κάθε περίπτωση και για τον λόγο αυτό το αποτέλεσμα διαφέρει κάθε φορά. Τα γεωθερμικά πεδία είναι μερικές φορές πολύ καλά κρυμμένα στο υπέδαφος, εξαιτίας ενός σχεδόν άριστα στεγανού καλύμματος. Η διεθνής εμπειρία διδάσκει ότι αρκετά αξιόλογα πεδία δεν παρουσιάζουν σχεδόν καθόλου επιφανειακές ενδείξεις, για αυτό και η αναζήτηση, ο εντοπισμός και η έρευνα τους είναι ιδιαίτερα δύσκολη και δαπανηρή. Ύστερα από όλα τα παραπάνω, γίνεται σαφές ότι η αναζήτηση των γεωθερμικών περιοχών με ρευστά που να σχηματίζουν ένα εκμεταλλεύσιμο κοίτασμα, γίνεται με κατάλληλη γεωθερμική έρευνα, η οποία θα πρέπει να πραγματοποιηθεί στην επιφάνεια με τις μικρότερες κατά το δυνατόν δαπάνες. Οι γεωτρήσεις, και ιδιαίτερα οι παραγωγικές, 18
που θα πρέπει να φτάσουν και να διατρήσουν τον ταμιευτήρα των γεωθερμικών ρευστών σ σχετικά σημαντικό βάθος, είναι ιδιαίτερα δαπανηρές. Η γεωτρήσεις όμως είναι το τελευταίο και μοναδικό «εργαλείο» που παρέχει άμεσο και μη αμφισβητήσιμο αποτέλεσμα, ενώ συγχρόνως αποτελεί το μέσο για την μεταφορά της γεωθερμικής ενέργειας στην επιφάνεια, άρα είναι εντελώς απαραίτητες. Το γεωλογικό-μεταλλευτικό ρίσκο στη Γεωθερμία, δηλαδή ο κίνδυνος να αποτύχει μερικώς ή ολικώς μια βαθιά γεώτρηση, είναι σημαντικό, με δεδομένο τη χαμηλή ενεργειακή αξία του προϊόντος. Χρειάζεται λοιπόν να μειωθεί όσο γίνεται πιο πολύ αυτό το γεωλογικόμεταλλευτικό ρίσκο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ποικίλες μέθοδοι έρευνας από την επιφάνεια, στην οποία εμπλέκονται γεωεπιστήμονες ( κυρίως γεωλόγοι ) διαφόρων ειδικοτήτων που εφαρμόζουν κατά περίπτωση κατάλληλες τεχνικές, οι οποίες έχουν αναπτυχθεί με βάση τη μέχρι τώρα γεωθερμική εμπειρία. Οι επιφανειακές έρευνες που χρησιμοποιούν διάφορες γεωεπιστημονικές μεθόδους, αν και χρονοβόρες, είναι πολλαπλάσια φθηνότερες από τις βαθιές γεωτρητικές εργασίες. Προσφέρουν συνήθως έμμεσες πληροφορίες, οι οποίες όμως όσο πιο πολλές και διασταυρωμένες είναι, τόσο περισσότερο μειώνουν την πιθανότητα αποτυχίας των γεωτρήσεων. Για το σκοπό αυτό εφαρμόζονται συστηματικά σε μεγάλη ή μικρότερη κλίμακα, ανάλογα με τη δυσκολία των προβλημάτων που θα πρέπει να επιλύσουν και με τις γεωλογικές συνθήκες της κάθε υποψήφιας γεωθερμικής περιοχής. Η συστηματική γεωθερμική έρευνα, εκτός από τον εντοπισμό των κατάλληλων περιοχών και σημείων για βαθιές γεωτρήσεις, έχει ιδιαίτερο επιστημονικό και πρακτικό ενδιαφέρον, αφού προσεγγίζει τις πραγματικές συνθήκες του γεωθερμικού πεδίου. Η γνώση των συνθηκών του πεδίου αποτελεί απαραίτητο εργαλείο στη κατανόηση του γεωθερμικού μοντέλου, το οποίο με τη σειρά του είναι απαραίτητο για το σχεδιασμό και υλοποίηση της εκμετάλλευσης και της σωστής διαχείρισης του κάθε πεδίου. Υπάρχει μεγάλος όγκος υπαίθριας και εργαστηριακής γεωεπιστημονικής έρευνας, που συμβάλλει ουσιαστικά στον εντοπισμό και την αποτίμηση των υποθετικών αρχικά συνθηκών κάθε γεωθερμικού πεδίου. Η εξειδίκευση, η εμπειρία και η πληρότητα της έρευνας οδηγεί φυσικά στο καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. 2. Στάδια γεωθερμικής έρευνας Η γεωθερμική έρευνα διακρίνεται σε τέσσερα κύρια στάδια: 19
Γενική επισκόπηση μεγάλης κλίμακας Λεπτομερής και συστηματική έρευνα των πιθανότερων γεωθερμικών περιοχών Εντοπισμός-περιχάραξη των γεωθερμικών πεδίων και μελέτη των χαρακτηριστικών Ανάπτυξη και διαχείριση των γεωθερμικών πεδίων. Τα στάδια αυτά ισχύουν σε όλες τις περιπτώσεις της γεωθερμικής έρευνας, αν και οι επί μέρους γεωλογικές συνθήκες είναι διαφορετικές από πεδίο σε πεδίο. Έτσι ανάλογα με τις γεωλογικές γνώσεις, την ποσότητα και ποιότητα τν υπαρχόντων στοιχείων, τα οικονομικά, κλιματικά, πληθυσμιακά δεδομένα και παράγοντες μιας περιοχής, η ανάπτυξη και η υλοποίηση της γεωθερμικής έρευνας προσαρμόζεται κατά περίπτωση. Μπορεί να αλλάζει η λεπτομερής διάρθρωση και η ανάπτυξη των επί μέρους σταδίων, γενικά όμως οι εργασίες ακολουθούν την προαναφερθείσα σειρά. Η γεωθερμική έρευνα στοχεύει στα ευνοϊκότερα αποτελέσματα με το λιγότερο δυνατόν κόστος. Θα πρέπει να γίνει σωστός σχεδιασμός και προγραμματισμός παίρνοντας συγχρόνως υπόψη πολλές παραμέτρους και χρησιμοποιώντας τα καλύτερα μέσα: από την πολύπλευρη επιστημονική γνώση και εμπειρία των γεω-επιστημόνων ερευνητών, τα καλύτερα εργαστηριακά εργαλεία, τις πλέον αξιόπιστες συσκευές και όργανα υπαίθρου, τα αποτελεσματικότερα γεωτρύπανα και φυσικά τις πλέον ενδεδειγμένες μεθόδους για την κάθε ιδιαίτερη περίπτωση. Σε κάθε φάση απαιτείται υποχρεωτικά η συνεργασία και ο συντονισμός των διαφόρων επιστημόνων και τεχνικών που εμπλέκονται στην όλη έρευνα. 3. Πρώτο στάδιο: Γεωθερμική έρευνα μεγάλης κλίμακας Η γεωθερμική έρευνα μίας ευρύτερης περιοχής ( π.χ. μίας περιφέρειας ή μίας μεγάλης γεωλογικής ενότητας ) πρέπει να λαμβάνει υπόψη διάφορες παραμέτρους. Κατ αρχάς, πρέπει να πάρει υπόψη της όλα τα υπάρχοντα γεωλογικά στοιχεία και να διαπιστώσει εάν και που υπάρχουν ευνοϊκές γεωθερμικές συνθήκες. Έτσι, αποκλείονται μερικές περιοχές και οι προσπάθειες επικεντρώνονται σε ορισμένες μόνο περιοχές, για τις οποίες γίνετε προσεκτική επεξεργασία των υπαρχόντων στοιχείων. Χρησιμοποιούνται γεωλογικοί και τεκτονικοί χάρτες μεγάλης και μεσαίας κλίμακας, φωτογεωλογικές εικόνες από αεροπλάνα και δορυφόρους, χάρτες και στοιχεία των θερμών επιφανειακών εκδηλώσεων, καθώς και γενικοί γεωφυσικοί και γεωχημικοί χάρτες. Αναζητούνται 20
επίσης εκείνα τα βιβλιογραφικά δεδομένα από τα οποία μπορούν να αντληθούν χρήσιμες πληροφορίες. Ύστερα από τη συγκέντρωση όλων των παραπάνω στοιχείων, τα οποία προσφέρουν μια γενική εικόνα για το γεωθερμικό ενδιαφέρον ενός ή περισσοτέρων τμημάτων της ευρύτερης περιοχής, ακολουθούν αναγνωριστικές επισκέψεις για λήψη δειγμάτων επιφανειακών εκδηλώσεων και ακολουθεί η επαλήθευση των προκαταρκτικών στοιχείων. Τέλος, γίνεται προσπάθεια να παρατηρηθούν και να αναζητηθούν τα κύρια συστατικά ενός πιθανού πεδίου γεωθερμικών ρευστών, δηλ. η ύπαρξη ή όχι εστίας θερμότητας, ταμιευτήρα και αδιαπέρατου καλύμματος. Η αξιολόγηση των στοιχείων αυτών αποκλείει ορισμένες ευρύτερες περιοχές, υποδεικνύει τις ενδιαφέρουσες περιοχές και τις κατατάσσει σε σειρά προτεραιότητας. Έτσι, συντάσσεται μια πρόταση εκτέλεσης ερευνητικών προγραμμάτων για τις ενθαρρυντικές περιοχές, τονίζοντας τα θετικά και λιγότερα θετικά στοιχεία. Meobytioc θάλοοοα 21
Σε αυτό το πρώτο στάδιο απαιτούνται εξειδικευμένες γεωθερμικές γνώσεις και γι αυτό προβλέπεται η απασχόληση γεωθερμικών εμπειρογνωμόνων. Αν και η έρευνα αναφέρεται σε εκτεταμένες περιοχές και χρειάζεται αρκετός χρόνος, το συνολικό κόστος είναι σχετικά περιορισμένο, αφού απασχολείται μικρός αριθμός επιστημόνων και τα μέσα που χρησιμοποιούνται είναι λιγοστά και σχετικά φτηνά. Το στάδιο έρευνας μεγάλης κλίμακας καταλήγει στην επιλογή και υπόδειξη των περιοχών με τις ευνοϊκότερες συνθήκες, κατά σειρά προτεραιότητας, αφού ληφθούν υπόψη και άλλοι, μη γεωλογικοί, παράγοντες. Η γεωθερμική έρευνα ως γνωστόν, προσβλέπει στην αποκόμιση πολλαπλών ωφελημάτων από την αξιοποίηση της γεωθερμίας ( ενεργειακών, αναπτυξιακών, κοινωνικών και περιβαλλοντικών ) και γι αυτό συνεκτιμώνται όλοι αυτοί οι παράγοντες. Η γεωθερμική ενέργεια δε μπορεί να αξιοποιηθεί παρά κοντά στο χώρο όπου έχουν δημιουργηθεί τα γεωθερμικά συστήματα, και γι αυτό πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και αρκετοί άλλοι παράγοντες, όπως είναι η τοπογραφική κατάσταση, η πρόσβαση, η οικιστική και οικονομικοί ανάπτυξη και η υπάρχουσα ενεργειακή ζήτηση στην ευρύτερη περιοχή. 4. Δεύτερο στάδιο: Λεπτομερής και συστηματική έρευνα των πιθανότερων γεωθερμικών περιοχών Το στάδιο αυτό αποτελεί το σημαντικότερο τμήμα της γεωθερμικής έρευνας και μελέτης, αφού επιχειρείται ο καθορισμός και η έρευνα των περιοχών που έχουν τις περισσότερες πιθανότητες ύπαρξης γεωθερμικών πεδίων σε μικρό σχετικά βάθος και ο προσδιορισμός κατά το δυνατόν των θέσεων εκτέλεσης των βαθιών γεωτρήσεων. Ερευνώνται με λεπτομέρεια όλοι οι παράγοντες ( γεωλογικοί, τεκτονικοί, ηφαιστειολογικοί, στρωματογραφικοί, λιθολογικοί, υδρογεωλογικοί, γεωχημικοί, γεωφυσικοί, θερμοδυναμικοί κτλ. ) που μπορούν να χαρακτηρίσουν μια γεωθερμική περιοχή. Οι λεπτομερειακές έρευνες περιλαμβάνουν συνήθως σειρά εργασιών, ξεκινώντας με τις εργασίες που οδηγούν στη βασική γνώση ( π.χ. τη γεωλογία ), και καταλήγοντας στις σχετικά δαπανηρές εργασίες, όπως είναι οι θερμομετρήσεις ή άλλες μετρήσεις σε ερευνητικές γεωτρήσεις μικρής διαμέτρου. Τελικός στόχος του σταδίου αυτού είναι η προσέγγιση του γεωθερμικού μοντέλου κάθε γεωθερμικού κοιτάσματος-πεδίου 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. 22
Οι βαθιές γεωτρήσεις γεωθερμίας είναι αρκετά δαπανηρές, με κόστος αντίστοιχο των γεωτρήσεων πετρελαίου και σε ορισμένες φορές μεγαλύτερο. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να γίνονται με το μικρότερο δυνατό γεωλογικό-μεταλλευτικό ρίσκο. Συνεπώς, οι έρευνες του δεύτερου σταδίου πρέπει να εκτελούνται με όσο γίνεται περισσότερη λεπτομέρεια και αξιοπιστία. Η ορθότητα των αποτελεσμάτων όμως καθορίζεται εν πολλοίς από τις τοπικές συνθήκες, και γι αυτό δεν υπάρχει συγκεκριμένος αριθμός, έκταση και είδος των γεω-επιστημονικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται. Το δεύτερο στάδιο ερευνών είναι χρονοβόρο και απαιτεί τη διεξαγωγή πολλών εργασιών στην ύπαιθρο, το εργαστήριο και το γραφείο. Όμως το συνολικό κόστος όλων αυτών των ερευνών είναι αισθητά μικρότερο από το κόστος των βαθιών γεωτρήσεων έρευνας-παραγωγής, και γι αυτό επιβάλλεται να δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην έκταση, την ανάπτυξη και το εύρος τους. Μετά την επιλογή μιας περιοχής για λεπτομερή έρευνα δεύτερου σταδίου, ακολουθεί πάντα η αναγνωριστική εξέταση των γεωθερμικών στοιχείων της περιοχής και γίνονται προκαταρκτικές παρατηρήσεις στην ύπαιθρο, αναφορικά με τα στοιχεία που σχετίζονται με τη γεωθερμία. Εξετάζονται κατ αρχάς οι γεωλογικές εμφανίσεις, οι οποίες θα παίξουν ρόλο στο γεωθερμικό μοντέλο του πεδίου, και γίνεται η προκαταρκτική διάκριση των υπό περιοχών με ευνοϊκότερες συνθήκες από τις λιγότερο ευνοϊκές. Αναζητούνται όλες οι επιφανειακές εκδηλώσεις θερμότητας και συντάσσονται οι πρώτοι χάρτες και μερικές πρόχειρες απεικονίσεις. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται σχολαστικός σχεδιασμός των μεθόδων που θα χρησιμοποιηθούν, των τεχνικών χαρακτηριστικών των μεθόδων, των ερευνητικών ομάδων και εργαστηρίων που θα συμμετάσχουν στην έρευνα κτλ. Ο καλός συντονισμός κατά την ανάπτυξη αυτού του σταδίου είναι εκ των ων ουκ άνευ. Οι κυριότερες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται κατά σειρά, αν και όχι όλες αναγκαστικά, αναφέρονται παρακάτω. Γεωλογική μελέτη και ειδική χαρτογράφηση Ηφαιστειολογική μελέτη εφαρμοζόμενη στη Γεωθερμία Τεκτονική και νεοτεκτονική ανάλυση Υδρογεωλογική γεωθερμική έρευνα Γεωχημεία εξειδικευμένη στη γεωθερμική έρευνα Γεωφυσικές μέθοδοι στη γεωθερμική έρευνα 23
5. Τρίτο στάδιο: Εντοπισμός - Περιχάραξη των γεωθερμικών πεδίων με γεωτρήσεις και μελέτη των χαρακτηριστικών τους Οι συστηματικές έρευνες του προηγούμενου σταδίου και η συνθετική ερμηνεία των αποτελεσμάτων τους, καταλήγει στον προσδιορισμό των πιθανότερων γεωθερμικών περιοχών, αλλά και των θέσεων στις οποίες προτείνεται η εκτέλεση των πρώτων βαθιών γεωτρήσεων έρευνας και παραγωγής μαζί. Στην συνέχεια καταρτίζεται το λεπτομερές πρόγραμμα των γεωτρήσεων στο οποίο προσδιορίζονται, κατά προσέγγιση βέβαια, οι αναμενόμενοι γεωλογικοί σχηματισμοί στην κάθε γεώτρηση, οι θερμοκρασίες, τα πιθανά ρευστά και το βάθος του ή των ταμιευτήρων. Με τη συνεργασία των γεω-επιστημόνων ερευνητών με τους μηχανικούς γεωτρήσεων και άλλους τεχνικούς προσδιορίζεται το λεπτομερές πρόγραμμα, τα μέσα που θα χρησιμοποιηθούν ( γεωτρύπανο, κοπτικά, σωλήνες, πολφός διάτρησης κτλ. ), ο απαιτούμενος χρόνος, ο προϋπολογισμός δαπανών, οι μετρήσεις και οι δοκιμές, κατά και μετά τη διάτρηση. Για την καλή εκτέλεση των βαθιών και τεχνικά δύσκολων αυτών γεωτρήσεων, συνεργάζονται τεχνικοί διαφόρων ειδικοτήτων. Η συμμετοχή των γεω-επιστημόνων συνίσταται στη παρακολούθηση της κάθε γεώτρησης, τον προσδιορισμό των διατρηθέντων σχηματισμών με πετρογραφικές και παλαιοντολογικές μεθόδους, τον προσδιορισμό του χημισμού των συναντωμένων ρευστών, των θερμοκρασιών τους και των πιέσεων, την ουσιαστική συμμετοχή στις αποφάσεις εκτέλεσης διαφόρων φάσεων της γεώτρησης και, τέλος, την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των γεωτρήσεων. Οι μηχανικοί, αντίθετα, είναι υπεύθυνη για την καλή και ασφαλή εκτέλεση της γεώτρησης από τεχνική και οικονομική άποψη, την πραγματοποίηση των σωστών δοκιμών παραγωγής και επανεισαγωγής, και γενικά την εξασφάλιση όλων των πρακτικών λύσεων για την παραπέρα χρήση της γεώτρησης. Η συστηματική και συνεχής παρακολούθηση των γεωτρήσεων παραγωγής προσφέρει σημαντικές υπηρεσίες στη σωστή εκτέλεση τους, την καλύτερη τελική επιτυχία τους και στην εξοικονόμηση χρημάτων. Σφάλματα από λανθασμένη εκτίμηση της γεωλογικής και θερμικής κατάστασης της γεώτρησης μπορούν να προσθέσουν σημαντικές δαπάνες, να χαθούν αξιόλογες παραγωγικές ζώνες και καμιά φορά ολόκληρη γεώτρηση. Οι δοκιμές παραγωγής για σχετικά μακρύ χρονικό διάστημα, σε συνδυασμό με τα γεωλογικά και άλλα στοιχεία κάθε γεώτρησης, βοηθούν στην κατανόηση της βαθιάς κυκλοφορίας, του ρυθμού ανανέωσης των 24
ρευστών, τον τρόπο λειτουργίας του ταμιευτήρα και επιτρέπει να βελτιώσει και να οριστικοποιήσει το μοντέλο του γεωθερμικού πεδίου. Τεχνική γεωθερμικών γεωτρήσεων Οι γεωθερμικές γεωτρήσεις αποτελούν μια ιδιαίτερη κατηγορία, και απαιτούν ειδική τεχνική, η οποία διαφέρει σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται σε άλλες συγγενείς γεωτρήσεις. Οι ερευνητικές γεωθερμικές γεωτρήσεις είναι απλές ενώ ο εξοπλισμός τους δεν είναι ιδιαίτερα απαιτητικός. Οι παραγωγικές γεωτρήσεις χαμηλής ενθαλπίας διαφοροποιούνται από τις υδρογεωτρήσεις κυρίως εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας, της χημικής σύστασης των ρευστών και της περιεκτικότητας σε μη συμπυκνώσιμα αέρια. Στις γεωτρήσεις υψηλής ενθαλπίας επικρατούν πολύ διαφορετικές και αρκετά δυσκολότερες συνθήκες σε σχέση με τις υδρογεωτρήσεις, και προσομοιάζουν περισσότερο με τις γεωτρήσεις των υδρογονανθράκων. Οι γεωθερμικές γεωτρήσεις διακρίνονται αναφορικά με σκοπό της ανόρυξής τους σε: Ερευνητικές γεωτρήσεις ( μικρής διαμέτρου ) Γεωτρήσεις έρευνας-παραγωγής ( μεγάλης διαμέτρου ) Γεωτρήσεις χαμηλής ενθαλπίας Γεωτρήσεις μέσης-υψηλής ενθαλπίας 6. Τέταρτο στάδιο: Ανάπτυξη και διαχείριση των γεωθερμικών πεδίων Ύστερα από τις πρώτες γεωτρήσεις έρευνας παραγωγής ( με μεγάλη διάμετρο ), οι οποίες θα επιβεβαιώσουν την ύπαρξη του γεωθερμικού πεδίου και θα επιτρέψουν την προσέγγιση και κατασκευή του γεωθερμικού μοντέλου, αρχίζει αυτό το στάδιο που περιλαμβάνει την ανάπτυξη του πεδίου και τη διαχείριση του. Για την ανάπτυξη του πεδίου χρειάζεται αρχικά να κατασκευασθούν και άλλες γεωτρήσεις μεγάλης διαμέτρου, για να προσδιοριστεί το συνολικό δυναμικό του πεδίου. Οι γεωτρήσεις στο τέταρτο στάδιο έχουν συνήθως λιγότερα προβλήματα, αφού αποκτήθηκαν ήδη αρκετές γνώσεις του πεδίου από τις γεωτρήσεις του προηγούμενου σταδίου. Επίσης, οι νέες γεωτρήσεις θα βοηθήσουν στην απόφαση για το ποίες γεωτρήσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επανεισαγωγή των ρευστών και ενδεχομένως ποίες άλλες καινούριες θα πρέπει να κατασκευασθούν γι αυτό το σκοπό. 25
Στο στάδιο αυτό θα ολοκληρωθεί ένα πλήρες όσο γίνεται δίκτυο γεωτρήσεων παραγωγής και επανεισαγωγής, που θα επιτρέψει τη σωστή και συστηματική λειτουργία και εκμετάλλευση των ρευστών. Στη φάση των παραπάνω εργασιών χρειάζεται καλή συνεργασία μεταξύ των ερευνητών του πεδίου και των μηχανικών των γεωτρήσεων. Οι εργασίες που απαιτούνται για την λειτουργία και ανάπτυξη του πεδίου περιλαμβάνουν τα συστήματα άντλησης ( αν είναι απαραίτητα ), το δίκτυο επιφανειακής κυκλοφορίας των γεωθερμικών ρευστών μέχρι την επανεισαγωγή, τα συστήματα εισπίεσης και φυσικά τις επιφανειακές εγκαταστάσεις επιφάνειας για την απόληψη και τη διάθεση της ενέργειας στους χρήστες. 26
Δ. Η ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 1. Εισαγωγή Οι χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας χωρίζονται συνήθως σε ηλεκτρικές ( electrical uses ) και σε άμεσες χρήσεις ( direct uses ). Στη δεύτερη κατηγορία γίνεται εκμετάλλευση της θερμότητας των ρευστών χωρίς να παραχθεί ενδιάμεσα ηλεκτρική ενέργεια. Οι περισσότερο καθιερωμένες εφαρμογές είναι η θέρμανση χώρων, οι ιχθυοκαλλιέργειες, οι ξήρανση αγροτικών προϊόντων και η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη από 150 C χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, ενώ οι άμεσες χρήσεις καλύπτουν όλοι την κλίμακα θερμοκρασιών. Αν και η συνολική ενεργειακή χρήση της γεωθερμίας είναι πολύ μικρή σε σχέση με τις παγκόσμιες ανάγκες ( μόλις το 0,5% ), για ορισμένες χώρες ο ρόλος της γεωθερμίας είναι σημαντικός. Έτσι π.χ. για την Ισλανδία, το 50% της πρωτογενούς ενέργειας της χώρας προέρχεται από τα γεωθερμικά ρευστά ( και ένα άλλο 18% από την υδροηλεκτρική ενέργεια ), ενώ στις Φιλιππίνες το 22& της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτεται από την γεωθερμική ενέργεια. Όσο αναφορά στο κόστος της παραγόμενης θερμότητας, η γεωθερμική ενέργεια ανταγωνίζεται ικανοποιητικά το πετρέλαιο και τον άνθρακα. Η εκμετάλλευση της γεωθερμίας χαρακτηρίζεται υψηλό κόστος κεφαλαίου ( για την αρχική έρευνα και την ανάπτυξη των πεδίων ), ενώ από την άλλη μεριά το κόστος λειτουργίας είναι περιορισμένο. Επίσης, ο τεχνολογικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για την αξιοποίηση της γεωθερμίας είναι τις περισσότερες φορές δοκιμασμένος σε άλλες τεχνολογικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, στην ανόρυξή των βαθιών γεωτρήσεων χρησιμοποιείται τεχνολογία με πολλά στοιχεία δανεισμένα από την τεχνολογία γεωτρήσεων πετρελαίου. Για τις ρηχότερες γεωτρήσεις και για νερά χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται η τεχνολογία των υδρογεωτρήσεων, προσαρμοσμένη στη γεωθερμία. 27
2. Άμεσες χρήσεις Οι κυριότερες άμεσες εφαρμογές της γεωθερμίας μπορούν να ταξινομηθούν στις κατηγορίες: θέρμανση χώρων, αγροτικές χρήσεις, υδατοκαλλιέργειες, βιομηχανικές χρήσεις, λουτροθεραπεία ( και πισίνες ) και αντλίες θερμότητας. Η εγκατεστημένη θερμική ισχύς των γεωθερμικών μονάδων μέσης και χαμηλής θερμοκρασίας σε 58 χώρες στον κόσμο ανήλθε το έτος 2000 στα 15145 MWt, σημειώνοντας αύξηση κατά 75% σε σχέση με το 1995. Η ενεργειακή χρήση στην ίδια χρονιά ανήλθε σε 191 GJ/έτος σημειώνοντας αύξηση 69% σε σχέση με το 1995 ή 11% σε ετήσια βάση. Η τιμή αυτή της ενεργειακής παραγωγής αντιστοιχεί 4,3 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου ( ΤΙΠ ) ανά έτος. Συγκριτικά σημειώνεται ότι εξοικονομούνται περίπου 20 εκατ. ΤΙΠ/έτος από την αξιοποίηση άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Σχεδόν σε όλες τις χώρες της Ευρώπης υπάρχουν άμεσες χρήσεις της γεωθερμίας. Οι άμεσες χρήσεις στο χώρο της Ε.Ε. έχουν αναπτυχθεί κυρίως στην Ιταλία, την Γαλλία, την Γερμανία και την Σουηδία, αν και το είδος των χρήσεων ποικίλη από χώρα σε χώρα, εξαιτίας των γεωλογικών και κλιματολογικών συνθηκών που επικρατούν σε κάθε κράτος, της ενεργειακής κατάστασης, του νομικού πλαισίου προώθησης των Α.Π.Ε. κτλ. Έτσι στην Γαλλία τα γεωθερμικά ρευστά χρησιμοποιούνται κυρίως για θέρμανση χώρων, στην Ιταλία επικρατεί οι αγροτικές χρήσεις και η 28
λουτροθεραπεία, ενώ στην Γερμανία και την Σουηδία οι μόνες άμεσες χρήσεις είναι ουσιαστικά οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας. Στην υπόλοιπη Ευρώπη, η Ισλανδία, η Γεωργία, η Ρωσική Δημοκρατία και η Ουγγαρία κατέχουν τα πρωτία της θέρμανσης χώρων. Στην Ουγγαρία η γεωθερμία χρησιμοποιείται κυρίως για την θέρμανση θερμοκηπίων, ενώ στην Ισλανδία για θέρμανση οικιών. Είναι χαρακτηριστικό ότι σε ολόκληρη την πόλη του Reykjavik η θέρμανση των κτιρίων γίνεται με ζεστό νερό, το οποίο θερμαίνεται με γεωθερμική ενέργεια σε απόσταση 30 km μακριά από την πόλη. Τέλος σημειώνεται ότι το μεγαλύτερο μέρος της γεωθερμικής ενέργειας στην Ιαπωνία χρησιμοποιείται για λουτροθεραπευτικούς σκοπούς, ενώ στην Κίνα και την Ν. Ζηλανδία η βασική χρήση είναι η θέρμανση χώρων και βιομηχανικές χρήσεις. Η θέρμανση χώρων περιλαμβάνει την παραγωγή θερμού νερού για θέρμανση χώρων ( εκτός από τα θερμοκήπια ) και την τηλεθέρμανση οικισμών. Η κατηγορία της λουτροθεραπείας περιλαμβάνει και τις πισίνες που θερμαίνονται με γεωθερμικό νερό, ενώ στις βιομηχανικές χρήσεις έχει προστεθεί η ξήρανση αγροτικών προϊόντων και στις άλλες χρήσεις το λιώσιμο του χιονιού σε δρόμους, πεζοδρόμια κτλ. Μεγάλη ποικιλία γεωθερμικών εγκαταστάσεων βρίσκονται σε λειτουργία, είτε λειτούργησαν για μικρό είτε μεγάλο χρονικό διάστημα στο παρελθόν. Ένα τυπικό γεωθερμικό σύστημα χαμηλής θερμοκρασίας, ανεξάρτητα από το είδος της εφαρμογής, αποτελείται συνήθως από τέσσερα υποσυστήματα: Το σύστημα παραγωγής, που περιλαμβάνει την παραγωγική γεώτρηση, στην αντλία παραγωγής και τις συσκευές στην κεφαλή της γεώτρησης Το σύστημα μεταφοράς των γεωθερμικών ρευστών από την κεφαλή της γεώτρησης μέχρι το σύστημα εφαρμογής Το σύστημα εφαρμογής ( σύστημα εναλλαγής της θερμότητας ) μαζί με το σύστημα διανομής της γεωθερμικής ενέργειας ( κυκλοφορητές, συστήματα ρύθμισης, σωληνώσεις κτλ. ). Συχνά σε σχετικά μεγάλες εφαρμογές τηλεθέρμανσης τα συστήματα εφαρμογής βρίσκονται συγκεντρωμένα σε μια κεντρική εγκατάσταση, στην οποία οδηγούνται τα γεωθερμικά ρευστά από διάφορες γεωτρήσεις της περιοχής. Το σύστημα διάθεσης των ρευστών, μετά την χρήση. 29
3. Σύστημα παραγωγής & μεταφοράς γεωθερμικών ρευστών (α) Σχήματα Γεωτρήσεων Οι σχηματικές διατάξεις με τις οποίες μπορεί να αξιοποιηθεί η θερμότητα ενός γεωθερμικού ταμιευτήρα είναι πολλές. Αρχικά, μπορεί να υπάρχει μία μονή γεώτρηση παραγωγής («μονοσωλήνιο» σύστημα), το νερό της οποίας οδηγείται για επιφανειακή διάθεση, άρδευση ή ακόμη και ύδρευση. Το οικονομικό πλεονέκτημα του σχήματος αυτού είναι προφανές, αφού η κατασκευή της γεώτρησης αντιπροσωπεύει ποσοστό σχεδόν 70% του συνολικού κόστους ενός γεωθερμικού εγχειρήματος. Εκτός από το πρόβλημα της διάθεσης των ρευστών, ένα ακόμη σοβαρό μειονέκτημα του σχήματος αυτού είναι η πιθανή μείωση της πίεσης του ταμιευτήρα με το χρόνο. Με αυτό το σχήμα αξιοποιούνται νερά χαμηλής αλατότητας, τα οποία πληρούν τις προδιαγραφές ποσιμότητας, άρδευσης ή επιφανειακής διάθεσης. Το πλέον συνηθισμένο σχήμα αξιοποίησης είναι το σύστημα των διπλών γεωτρήσεων (σύστημα «δίπολο»), στο οποίο το σύνολο του γεωθερμικού ρευστού επανεισάγεται στον ταμιευτήρα μέσω της γεώτρησης επανεισαγωγής. Οι κεφαλές των δύο γεωτρήσεων μπορεί να βρίσκονται στον ίδιο χώρο (για λόγους ευκολίας στη λειτουργία της μονάδας και μείωσης της δέσμευσης επιφανειακών χώρων), με τη μία ή και τις δύο γεωτρήσεις να κατασκευάζονται κεκλιμμένες και όχι κατακόρυφες. Η απόσταση μεταξύ των τμημάτων των δύο γεωτρήσεων μέσα στον ταμιευτήρα είναι συνήθως της τάξης των 1000 m. Με αυτόν τον τρόπο ελαχιστοποιείται η πιθανότητα για άμεση επίδραση του «ψυχρού» νερού επανεισαγωγής στη θερμοκρασία των παραγόμενων ρευστών. Για τον ταμιευτήρα του Dogger (Γαλλία) έχει εκτιμηθεί ότι το «ψυχρό» νερό επανεισαγωγής κινείται με μία ταχύτητα 6 mm την ώρα (Coudert et Jaudin, 1988). Με αυτήν την ταχύτητα και για απόσταση μεταξύ σημείου παραγωγής και σημείου επανεισαγωγής 1000 m, η διάρκεια ζωής του συστήματος ανέρχεται περίπου σε 20 χρόνια. Συχνά, μία μόνο αντλία είναι αρκετή για τη διακίνηση των ρευστών. Τα μειονεκτήματα του μονοσωλήνιου σχήματος γίνονται πλεονέκτημα στο σχήμα των διπλών γεωτρήσεων (μηδενικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, επανατροφοδοσία του ταμιευτήρα ) και το πλεονέκτημα του κόστους μετατρέπεται σε μειονέκτημα. (β) Αντλίες παραγωγής Η άντληση του γεωθερμικού νερού σε παροχές που μπορεί να φτάσουν τα 250 m3/h (70 kg/s) είναι σχεδόν πάντα αναγκαία, είτε για να μεταφερθεί το νερό στην επιφάνεια, είτε για να μεταφερθεί από την πηγή ή τη γεώτρηση στο σημείο της χρήσης. Υπάρχουν βεβαίως και οι 30
σπανιότερες περιπτώσεις γεωτρήσεων που παρουσιάζουν ικανή αρτεσιανή ροή. Οι αντλίες παραγωγής χρησιμοποιούνται και για την αύξηση της πίεσης των νερών, ώστε να μην είναι δυνατό να διαχωριστεί το διοξείδιο του άνθρακα και να προκληθούν προβλήματα σχηματισμού επικαθίσεων. Δύο είδη αντλιών είναι περισσότερο διαδεδομένα: Στροβιλαντλία με άξονα (lineshaft pump, «πομόνα»). Ο κινητήρας της αντλίας αυτής βρίσκεται στην επιφάνεια και είναι συνδεδεμένα με κατακόρυφο άξονα για την περιστροφή των στροβίλων. Προφανώς, ο τύπος αυτός αντλίας απαιτεί σχεδόν απόλυτα κατακόρυφη γεώτρηση για την αποφυγή φθοράς του άξονα. Οι στροβιλαντλίες αποτελούνται βασικά από το σώμα της αντλίας (με μία ή περισσότερες βαθμίδες), μία ή περισσότερες πτερωτές μέσα στο κέλυφος (στο οποίο υπάρχει είσοδος και έξοδος για το υγρό), τον άξονα στο κέντρο και τον ηλεκτροκινητήρα στην κεφαλή της γεώτρησης. Ο άξονας υποστηρίζεται από σειρά κουζινέτων που τοποθετούνται σε αποστάσεις 1,5-2 m. Οι τριβείς των κουζινέτων από ελαστομερές υλικό έχουν θερμοκρασιακό όριο περίπου 120 C, ενώ πολύ καλά αποτελέσματα δίνουν οι τριβείς από τεφλόν. Η λίπανση των τριβέων γίνεται με το γεωθερμικό νερό στα «ανοικτά» συστήματα, ενώ τα «κλειστά» (όταν δηλ. ολόκληρος ο άξονας και οι τριβείς περιβάλλονται από ένα σωλήνα) είναι ελαιολίπαντα. Τα υλικά κατασκευής των πτερωτών ποικίλλουν: χυτοσίδηρος, χάλυβας, ορείχαλκος, νικέλιο, ειδικά κράματα. Η δυναμικότητα τους καλύπτει μεγάλη περιοχή τιμών και βρίσκονται εύκολα στο εμπόριο. Επίσης, η παροχή τους μπορεί να κανονίζεται με τη ρύθμιση των στροφών του κινητήρα. Η στροβιλαντλία μπορεί να αντλήσει και θολό νερό (που περιέχει ιλύ), αλλά απαιτεί μεγαλύτερη διάμετρο του αγωγού της γεώτρησης σε σχέση με την υποβρύχια αντλία. Οι στροβιλαντλίες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε γεωθερμικές εφαρμογές σε βάθος μικρότερο από 250 m και για θερμοκρασίες ρευστών μέχρι 200 C. Κύρια μειονεκτήματα τους είναι ο περιορισμός στο βάθος, η ανάγκη για σχεδόν απόλυτη κατακορυφότητα της γεώτρησης και ο θόρυβος στην κεφαλή της γεώτρησης. Η ισχύς των αντλιών καθορίζεται από την επιθυμητή παροχή του γεωθερμικού νερού και από το απαιτούμενο μανομετρικό ύψος, και προσδιορίζεται με τη βοήθεια πινάκων ή διαγραμμάτων του κατασκευαστή. 31