Γεωθερμική ενέργεια Ήπια και σχετικά ανανεώσιμη μορφή ενέργειας Ενέργεια με τη μορφή θερμότητας που μεταδίδεται από το κέντρο της γης προς την επιφάνεια της Η θερμική ενέργεια που περιέχεται στα πετρώματα και στα ρευστά της γης ορίζεται σαν «γεωθερμική ενέργεια» (ASTM E-957 (Standard Terminology Relating to Geothermal Energy) )η οποία μεταδίδεται Με μοριακή αγωγή ( με ρυθμό 0,04-0,06 W/m 2 ) και Με κατακόρυφη μεταφορά (oρια των λιθοσφαιρικών πλακών)
Γεωθερμικά Ρευστά νερό σε υγρή ή σε αέρια κατάσταση με άλλα στερεά ή αέρια συστατικά «Προϊόν» του γεωθερμικού πεδίου με αξιοποιήσιμο το θερμοενεργειακό του περιεχόμενο «Παραπροϊόν» οι υπάρχουσες προσμίξεις, κυρίως οι πρακτικά εκμεταλλεύσιμες «Υποπροϊόν», που θεωρείται το γεωθερμικό ρευστό που απομένει αφού ληφθεί από αυτό η θερμότητα του και τα παραπροϊόντα
Γεωθερμικά πεδία
Εντοπισμός αξιοποιήσιμου γεωθερμικού πεδίου Γήινη ροή θερμότητας Κατανομή των θερμοκρασιών στο υπέδαφος Μηχανισμό κυκλοφορίας των υπόγειων θερμών ρευστών σε συνδυασμό με τις γεωλογικές συνθήκες Φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των γεωθερμικών ρευστών Καθορισμό του τύπου του ταμιευτήρα μέσα στον οποίο βρίσκονται τα γεωθερμικά ρευστά Εκτίμηση του μεγέθους του γεωθερμικού πεδίου Αξιολόγηση των γεωθερμικών πεδίων με πειραματικές γεωτρήσεις Αξιολόγηση των επιπτώσεων στο περιβάλλον από την εκμετάλλευση ενός γεωθερμικού πεδίου
Απόδοση γεωθερμικού πεδίου πυκνότητα ροής (ρ): αντίστροφο του ειδικού όγκου στο κανονικό σημείο βρασμού (υγρή φάση) - αύξηση ρυθμού ροής - μείωση μεγέθους εξοπλισμού ενθαλπία εξάτμισης (H v ): υψηλή (διαθέσιμη θερμότητα κατά την αλλαγή φασης) ειδική θερμότητα υγρού (C pl ): χαμηλή (παρομοίως με ενθαλπία) ιξώδες (μ): χαμηλό (υγρή και αέρια φάση) - υψηλή μεταφορά θερμότητας με μειωμένη κατανάλωση ενέργειας θερμική αγωγιμότητα (λ): υψηλή (υψηλοί συντελεστές μεταφοράς θερμότητας) σημείο τήξης (T m ): χαμηλότερο από την ελάχιστη θερμοκρασία του συστήματος Rankine ώστε το ρευστό να παραμείνει στην υγρή φάση. κρίσιμη θερμοκρασία (T c ): μεγαλύτερη από την μέγιστη θερμοκρασία του συστήματος Rankine, ώστε να μην φτάσει σε υπερ-κρίσιμη κατάσταση το ρευστό δυναμικό καταστροφής του όζοντος (ODP): δείκτης καταστροφής μορίων όζοντος (στρατόσφαιρα)
Απόδοση γεωθερμικού πεδίου δυναμικό παγκόσμιας υπερθέρμανσης (GWP): δείκτης συνεισφοράς χημικών ενώσεων στην παγκόσμια υπερθέρμανση τοξικότητα (C): ρευστών ανταλλαγής θερμότητας αναφλεξιμότητα (F): δείκτης αξιολόγησης χαρακτηριστικών ανάφλεξης απόδοση (η): συστήματος Rankine πρέπει να είναι υψηλή, ώστε να υπάρχει υψηλή παραγωγή και χαμηλή κατανάλωση ισχύος από το σύστημα μέγιστη και ελάχιστη πίεση λειτουργίας (P max,p min ): του συστήματος Rankine πρέπει να είναι σε επίπεδα λίγο πάνω από την ατμοσφαιρική πίεση, καθώς υψηλή πίεση απαιτεί ακριβό εξοπλισμό ρυθμός ροής (m f ): υψηλός θερμότητα (Q cond ): εξαγωγής κατά την συμπύκνωση πρέπει να είναι αυξημένη, (συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού) κρίσιμη πίεση (P c ): υψηλότερη από την μέγιστη πίεση λειτουργίας
γεωθερμικό πεδίο «Βεβαιωμένο», πιστοποιημένο από ερευνητικές εργασίες με υψηλό βαθμό αξιοπιστίας συντελεστής ενεργειακής απόδοσης (COP): ο λόγος της αποδιδόμενης ενέργειας προς την ηλεκτρική κατανάλωση εποχικός συντελεστής ενεργειακής απόδοσης (SPF): η απόδοση του συστήματος εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας την περίοδο θέρμανσης/ψύξης «Πιθανό», από προκαταρκτική έρευνα
Χώρα Ισχύς (ΜW) Ενέργεια (TJ/έτος) Χώρα Ισχύς (ΜW) Ενέργεια (TJ/έτος) Αίγυπτος 1/1 15/15 Ν.Κορέα 35,8/229 753/1955 Αλγερία 100/56 1586/1723 Κροατία 113,9/67 555/469 Αμερική (ΗΠΑ) 3766/12611 20302/56552 Λιθουανία 21/48 599/412 Αργεντινή 25,7/307 449/3907 Μ. Βρεττανία 2,9/187 21/850 Αρμενία 1/1 15/15 Μεξικό 164,2/156 3919/4023 Αυστραλία 34,4/33 351235 Νέα Ζηλανδία 307,9/393 7081/9552 Αυστρία 255,3/663 1609/3728 Νεπάλ 1,1/2,7 22/74 Βέλγιο 3,9/118 107/547 Νορβηγία 6/3300 32/25200 Βενεζουέλα 0,7/0,7 14/14 Ολλανδία 10,8/1410 57/10699 Βουλγαρία 107,2/98 1637/1370 Ονδούρα 0,7/1,9 17/45 Γαλλία 326/1345 4895/12929 Ουγγαρία 472,7/655 4086/9767 Γεωργία 250/25 6307/659 Περού 2,4/2,4 49/49 Γερμανία 397/2485 1568/12765 Πολωνία 68,5/281 275/1501 Γουατεμάλα 4,2/2,3 117/56 Πορτογαλία 5,5/28 35/386 Δανία 7,4/200 75/2500 Ρουμανία 152,4/153 2871/1265 Ελβετία 547,3/1061 2386/7715 Ρωσία 308,2/308 6144/6144 ΕΛΛΑΔΑ 57,1/135 385/938 Σερβία 80/101 2375/1410 Ιαπωνία 1167/2100 26.933/25698 Σλοβακία 132,3/132 2118/3067 Ινδία 80/265 2517/2545 Σλοβενία 42/105 705/1153 Ινδονησία 2,3/2,3 43/43 Σουηδία 377/4460 4128/45301 Ιορδανία 153,3/153 1540/1540 Σκόπια 81,2/47 510/601 Ισλανδία 1469/1826 20.170/24361 Ταϊλάνδη 0,7/2,5 15/79 Ισραήλ 63,3/82 1713/2193 Τουρκία 820/2084 15.756/36886 Ιταλία 325,8/867 3774/9941 Τυνησία 23,1/44 201/364 Καναδάς 377,6/1126 1023/8873 Τσεχία 12,5/152 128/922 Καραϊβική 0,1 1 Υεμένη 1/1 15/15 Κένυα 1,3/16 10/127 Φιλιππίνες 1/3,3 25/40 Κίνα 2282/8898 37.908/75348 Φινλανδία 80,5/858 484/8370 Κολομβία 13,3/14 266/287 Χιλή 0,4/9,1 7/132 Χρήση Ποσοστό (%) Χρήση Ποσοστό (%) Θέρμανση νερού 42 Ιχθυοκαλλιέργειες 6 Θέρμανση/ψύξη χώρων 23 Βιομηχανικές χρήσεις 5 Αντλίες Θερμότητας 12 Αγροτικά ξηραντήρια 1 Θέρμανση θερμοκηπίων 9 Άλλες χρήσεις (π.χ. αφαλάτωση) Παγκόσμια κατανομή των εφαρμογών της εκμεταλλεύσιμης θερμικής ενέργειας από γεωθερμικές μονάδες Χρήση MW θερμότητας Χρήση MW θερμότητας Άμεση θέρμανση χώρων 1,5 Υδατοκαλλιέργειες 9,5 Θέρμανση 35 Ιαματικά λουτρά 39 θερμοκηπίων/εδάφους Ξήρανση αγροτικών προϊόντων 0,3 Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας 90 Κατανομή της χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας στην Eλλάδα 2 Μη ηλεκτρικές χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας το 2000(πρώτος αριθμός) και το 2010(δεύτερος αριθμός) σε διάφορες χώρες
γεωθερμικό πεδίο Εστία: πολύ υψηλής θερμοκρασία (>600 ο C) μαγματικής διείσδυσης σε μικρά βάθη (5-10km) ή κανονικής θερμοκρασίας των πετρωμάτων του εσωτερικού της γης (κανονική γεωθερμική βαθμίδα) Ταμιευτήρας: λεκάνη από θερμά υδατοπερατά πετρώματα προς τα κάτω και αδιαπέραστα προς τα πάνω. Ρευστό: μέσο μεταφοράς της θερμότητας Ενθαλπία Θερμοκρασία ( ο C) Περιγραφή Υψηλή >150 Ρευστά, κυρίως μίγμα υγρού &θερμού ατμού Μέση 90-150 - Χαμηλή 25-90 - Πολύ χαμηλή <25 Κανονική*, ομαλή ή αβαθής Πάρα πολύ χαμηλή <0 - *η ενέργεια που συγκεντρώνεται στην περίπτωση αυτή στην περιοχή, μόνιμα ή εποχικά στην επιφάνεια, χαρακτηρίζεται από τιμές θερμοκρασίας χαμηλότερες από την μέση ετήσια θερμοκρασία του αέρα
Γεωθερμικά πεδία Υδροθερμικά πεδία Πεδία χαμηλής θερμοκρασίας (Τ<150 C σε βάθος ~3km) Ανοικτός ταμιευτήρας ρευστού (οριζόντιο φρεάτιο τοπικη διήθυση νερού) Κλειστός ταμιευτήρας ρευστού Πεδία υψηλής θερμοκρασίας (Τ>150 C σε βάθος ~2km) Ανοικτός ταμιευτήρας ρευστού (μέτρια συγκέντρωση ενέργειας) Κλειστός ταμιευτήρας ρευστού (μεγάλη συγκέντρωση ενέργειας) Πεδία ατμού (Τα>200 C σε βάθος ~1.5km) Κλειστός ταμιευτήρας κάτω από αδιαπέραστο έδαφος πυριοσχιστολιθικών πετρωμάτων (μεγάλη συγκέντρωση ενέργειας)
Γεωθερμική μονάδα μεταφορά θερμότητας δια μέσου του ρευστού κεφαλή της γεώτρησης με την αντλία παραγωγής και τα υπόλοιπα εξαρτήματα σύστημα μεταφοράς των γεωθερμικών ρευστών από τον ταμιευτήρα μέχρι την επιφάνεια του εδάφους (σωληνώσεις) εναλλάκτη θερμότητας σύστημα διάθεσης των ρευστών (απόρριψης ή επανατροφοδοσίας) 1.Ταμιευτήρας 2. Γεώτρηση 3. Εναλλάκτης θερμότητας 4. Σύστημα απόρριψης ρευστών
Αβαθής γεωθερμία Μετρήσεις θερμοκρασίες εδάφους σε βάθος 1 m και 15 m στο Κορωπί Αττικής (Βραχόπουλος και Παπαγεωργάκης, 1998). δεν χαρακτηρίζεται σαν γεωθερμικό δυναμικό θερμοκρασίες μικρότερες των 25-30 ο C σε βάθη μέχρι 150m οικιακές χρήσεις θέρμανσης/ψύξης Νερό γεωθερμικών αντλιών θερμότητας από το υπέδαφος (σε μικρά βάθη), με θερμοκρασία 10 ο -30 ο C (ανοικτό κύκλωμα) από επιφανειακά νερά (θάλασσα, λίμνες ποτάμια) με θερμοκρασία 5-25 ο C (ανοικτό κύκλωμα) από εναλλάκτες θερμότητας εδάφους, με σταθερή θερμοκρασία γύρω στους 15 ο C, (κλειστό κύκλωμα)
Ξηροί βράχοι Χαμηλής θερμοκρασίας (>150 C και βάθος < 3km) Υψηλής θερμοκρασίας (<250 C και βάθος ~3km) Πιεζογεωθερμικά πεδία πεδία αλμυρών νερών πεδία μάγματος Πιεζοθερμικά πεδία (Τ 150-200 C υψηλή πίεση σε βάθος 6-8 km) Πεδία με ρευστό μεγάλης αλμυρότητας (Τ>300 C και βάθος ~3km) Πεδία μάγματος (Τ>500 C και βάθος ~λίγα km)
Εκμετάλλευση γεωθερμικών πεδίων Γεωθερμικά πεδία με ταμιευτήρες ατμού Υγρός ή ξηρός ατμός με % αερίων Ρευστό υπο πίεση Κατα την άνοδο ελάττωση πίεσης Γεωθερμικά πεδία με ταμιευτήρες νερού Ταμιευτήρας μεγάλης χωριτικότητας Πυκνότητα ροής θερμότητας Μεγάλη παροχή νερού/πηγάδι Γεωθερμικά πεδία ξηρών βράχων Δεν έχουν την ικανότητα να μεταφέρουν θερμότητα Μικρή επιφάνεια σε σχέση με τον όγκο τους Κατασκευή τεχνητού ταμιευτήρα
Εκμετάλλευση γεωθερμικών πεδίων Πιεζοθερμικά πεδία Νερό υπο πίεση (500-1000 Atm) Εκμετάλλευση : Θερμικής ενέργειας(τ~150-200 C) Υδραυλικής ενέργειας (λόγω μεγάλης πίεσης) Θερμικής ενέργειας των φυσικών αερίων που περιέχουν Γεωθερμικά πεδία μάγματος Εκμεταλλεύσιμα πεδία βάθους μέχρι 3km-> δυνατή η διάνοιξη πηγαδιών και η κυκλοφορία ρευστου μέσα σε αυτα
Πρακτικά εκμεταλλεύσιμα γεωθερμικά πεδία Εκμεταλλεύσιμα υδροθερμικά γεωθερμικά πεδία Υγρή φάση ή Αέρια φάση Ταμιευτήρα μεγάλης χωρητικότητας σε βάθος μικρότερο των 2km Πυκνότητα ροής θερμότητας τουλάχιστον κατά 50% μεγαλύτερη της μέσης κανονικής τιμής και Μεγάλη παροχή νερού Γεωθερμικά πεδία με ταμιευτήρες «ατμού» (125-225 ο C) μίγμα νερού και υγρού ατμού υγρός ατμός, όπου παρατηρείται συνύπαρξη νερού και υδρατμού ξηρός ατμός, όπου στον ταμιευτήρα υπάρχει μόνο ατμός ή ακόμα και υπέρθερμος ατμός με θερμοκρασία τουλάχιστον κατά 20 o C μεγαλύτερη από την θερμοκρασία εξάτμισης στις συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης. μειονεκτούν σε σχέση με αυτά που στην έξοδο υπάρχει μόνο ατμός, γιατί απαιτείται σύνθετη τεχνολογία για την εκμετάλλευσή τους
Πρακτικά εκμεταλλεύσιμα γεωθερμικά πεδία Αβαθής γεωθερμική ενέργεια είναι διαθέσιμη όλο το χρόνο και εξαρτάται πολύ λίγο από τις καιρικές συνθήκες της ατμόσφαιρας και μόνο όταν η εκμετάλλευση της θερμότητας του εδάφους αφορά πολύ μικρό βάθος. συστήματα υδρόψυκτων αντλιών θερμότητας που χρησιμοποιούν την γήινη θερμότητα όταν παρέχουν θέρμανση, ή παρέχουν ψύξη χρησιμοποιώντας την γη σαν αποδέκτη θερμότητας. Γεωθερμικά συστήματα κλειστού κυκλώματος (συνδυασμός υδρόψυκτων αντλιών θερμότητας, εναλλάκτης θερμότητας εδάφους, σωληνώσεις) Γεωθερμικά συστήματα ανοικτού κυκλώματος Το χειμώνα γίνεται απόληψη θερμότητας από το έδαφος, ενώ το καλοκαίρι το σύστημα αναστρέφεται και γίνεται απόρριψη θερμότητας προς το έδαφος. 20-33% εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας
Γεωθερμικά Συστήματα Κλιματισμού Γεωθερμικός Εναλλάκτης (σύστημα απορρόφησης ή αποβολής θερμότητας) Γεωθερμικοί Εναλλάκτες Κλειστού Κυκλώματος Γεωθερμικοί Εναλλάκτες Ανοιχτού Κυκλώματος Αντλία Θερμότητας (αντίστοιχη με αντλίες νερού μόνο που ανυψώνει, αντί για νερό, θερμική ενέργεια) Σύστημα που προσδίδει ή απορροφά θερμότητα από το σπίτι
Χρήση γεωθερμικής ενέργειας Άμεσα (θερμική ενεργεια) Έμμεσα (ηλεκτρική ενέργεια) Γεωθερμικά ρευστά με Τ>170 C (μεγάλο θερμικό περιεχόμενο) -> μεγάλο εύρος πρακτικών εφαρμογών παραγωγή ηλεκτρισμού ή συμπαραγωγή Γεωθερμικά ρευστά με Τ~80-170 C (μέση ενθαλπία) -> ηλεκτροπαραγωγή και άλλες ηλεκτρικές χρήσεις Γεωθερμικά ρευστά με Τ<80 C -> παραγωγή θερμότητας
Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας Παραγωγή ισχύος Απευθείας εκτόνωση σε τουρμπίνα και εξοδος στο περιβάλλον Απευθείας εκτόνωση σε τουρμπίνα με ψυγείο Έμμεση μεταβίβαση θερμότητας ατμού (περίπτωση διάβρωσης - μικρή ενθαλπία με ενδιάμεσο πτητικό ρευστό) Ομαδική θέρμανση ή ψύξη (όταν) Το ρευστο έχει Τ σταθερη Παροχή πηγαδιού σταθερη Χωρίς τρέχον κόστος παραγωγής Χωρίς διαβρωτικές ουσίες Χώρος θέρμανσης κοντα στο πεδίο
Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας Βιομηχανικές χρήσεις θέρμανση/ψύξη Απόσταξη Ξήρανση Βαφή Παραγωγή ατμού Παραγωγή γλυκού νερού Παραγωγή αλάτων που περιέχονται στο γεωθερμικό ρευστό
Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας Αγροτικές χρήσεις Θερμοκήπια Θέρμανση εδάφους Καλλιέργεια ψαριών και εκτροφή ζώων
Υλικα που περιέχονται στα γεωθερμικά ρευστά Αιωρούμενα κομματάκια πετρωμάτων Ορυκτά άλατα Πτητικά συστατικά (Br, Cl, Ca, Li κλπ.) Αέρια (H 2, H 2 S, CO 2 και μικρές ποσότητες CH 4, N 2, NH 3 κλπ.)
Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Απαλλοτρίωση γης και αλλοίωση του φυσικού περιβάλλοντος Θόρυβος Αέριοι ρύποι και τοξικές ουσίες Στερεά και υγρά απόβλητα Μικροσεισμοί και κατολισθήσεις Στάδιο κατασκευής