Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος Εισαγωγή στην Ενεργειακή Τεχνολογία Γεωθερμική Ενέργεια Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών
Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
Εισαγωγή στην Ενεργειακή Τεχνολογία Γεωθερμική Ενέργεια Ιωάννης Στεφανάκος Τομέας Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος - Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 2011
Διάρθρωση παρουσίασης: Γεωθερμική Ενέργεια Εισαγωγή Εφαρμογές της Γεωθερμικής Ενέργειας Η Γεωθερμία στην Ελλάδα Έρευνα - Ανάπτυξη Γεωθερμικού Πεδίου Εφαρμογές - Δυναμικό Τεχνικά, Οικονομικά και Περιβαλλοντικά Θέματα Φωτογραφίες και Διαγράμματα 4
Εισαγωγή (1/2) Θερμική ενέργεια από το διάπυρο εσωτερικό της γής Ο πλανήτης εκδηλώνει με ενεργητικό τρόπο την θερμική αυτή ενέργεια που περικλείει στο εσωτερικό του (σεισμοί - ηφαιστειακές εκρήξεις - θερμές πηγές - ατμίδες κλπ) Σε κατάλληλες συνθήκες επιφανειακά νερά εισδύουν μέσω ρωγμών, θερμαίνονται και ανεβαίνουν προς τα πάνω (γεωθερμικά ρευστά) μέσω φυσικών διόδων ή γεωτρήσεων Αύξηση της θερμοκρασίες κατά 30-50 ο C ανά km βάθους Το μεγαλύτερο μέρος της γήινης ενέργειας μεταδίδεται προς την ψυχρότερη επιφάνεια με την αγωγιμότητα και με αργό ρυθμό της τάξης των 50-100 kw/km 2 Σε γεωλογικά σταθερές περιοχές θερμοκρασία 50-150 ο C σε βάθη 1-3 km Γεωθερμικά ρευστά χαμηλής ενθαλπίας έως 100 ο C 5
Εισαγωγή (2/2) Γεωθερμικά ρευστά μέσης ενθαλπίας 100-170 ο C Εκτιμούμενο δυναμικό (μέσης και χαμηλής ενθαλπίας) 32.000.000 θερμικά MW Περιοχές με υψηλή ενθαλπία 170-350 ο C, σε βάθη 500-3000m και εκτιμούμενο δυναμικό 300.000 MW. Χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Μαγματική μεταφορά θερμότητας (600-1.200 ο C) και υδρο-θερμική στην συνέχεια. Εστία θερμότητας σε βάθος 3-10 km Δημιουργία ταμιευτήρων ρευστών υψηλής ενθαλπίας σε βάθη 300-3.000 m. Προστασία από στεγανό γεωλογικό κάλυμμα Μέσα στον ταμιευτήρα κυκλοφορούν τα γεωθερμικά ρευστά (συνήθως θερμό νερό και σπάνια ατμός, σε συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας κοντά στο σημείο βρασμού) Οι παραγωγικές γεωτρήσεις φτάνουν στον ταμιευτήρα 6
Εφαρμογές της Γεωθερμικής Ενέργειας Οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας ποικίλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία και περιλαμβάνουν: 1. Ηλεκτροπαραγωγή (θ>90 C), 2. Θέρμανση χώρων (με καλοριφέρ για θ>60 C, με αερόθερμα για θ>40 C, με ενδοδαπέδιο σύστημα θ>25 C), 3. Ψύξη και κλιματισμό (με αντλίες θερμότητας απορρόφησης για θ>60 C, ή με υδρόψυκτες αντλίες θερμότητας για θ<30 C) 4. Θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών επειδή τα φυτά αναπτύσσονται γρηγορότερα και γίνονται μεγαλύτερα με τη θερμότητα (θ>25 C), ή και για αντιπαγετική προστασία 5. Ιχθυοκαλλιέργειες (θ>15 C) επειδή τα ψάρια χρειάζονται ορισμένη θερμοκρασία για την ανάπτυξή τους 6. Βιομηχανικές εφαρμογές όπως αφαλάτωση θαλασσινού νερού (θ>60 C), ξήρανση αγροτικών προϊόντων, κλπ 7. Θερμά λουτρά για θ = 25-40 C *πηγή: ΚΑΠΕ 7
Η Γεωθερμία στην Ελλάδα Γεωθερμικό δυναμικό: 700-1.200 MW υψηλής ενθαλπίας, 2.500 MW μέσης και χαμηλής ενθαλπίας Μήλος, δυναμικό 120-200 MW, 5 συνολικά γεωτρήσεις σε βάθους 1.000-1.400 m, 350 t/h μίγμα ρευστών νερού-ατμού, θερμοκρασίας 300-325 ο C στον ταμιευτήρα, 200-220 ο C στην κεφαλή των γεωτρήσεων. Πειραματικός σταθμός 2 MW το 1984. Λειτούργησε μόνο 9 μήνες, διαρροή H 2 S και λάθος χειρισμοί δημιούργησαν αρνητικό κλίμα στους κατοίκους Νίσσυρος, δυναμικό 40 MW, 2 συνολικά γεωτρήσεις 1.800 και 1.500 m, 350 ο C, παραγωγή 23 t/h ~ 3 MW. Προβλέπονται αρχικά 2 μονάδες των 5 MW η κάθε μία Πιθανά πεδία υψηλής ενθαλπίας σε Κίμωλο, Πολύαιγο, Σαντορίνη, Κω, Λέσβο και μέσης ενθαλπίας σε Μέθανα, Σουσάκι, Σαντορίνη, Κω, Λέσβο 8
Έρευνα - Ανάπτυξη Γεωθερμικού Πεδίου Επιφανειακή γεωλογική έρευνα Γεωχημική έρευνα Γεωφυσική ερευνα Αβαθείς γεωτρήσεις για μετρήσεις Βαθειές γεωτρήσεις και δοκιμές παραγωγής Γεωτρύπανο, εκτίμηση δυναμικού, δίκτυο αγωγών και σωληνώσεων, εναλλάκτης θερμότητας, διαβρωτικά γεωθερμικά ρευστά, σωληνωτοί εναλλάκτες, εναλλάκτες πλακών Πολυσύνθετη διαδικασία 9
Εφαρμογές - Δυναμικό Θέρμανση Αγροτικών Θερμοκηπίων Q = (U x A + 0,5V θ x η) Δθ / 100 Q = οι θερμικές απαιτήσεις του θερμοκηπίου σε kw U = ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από την επιφάνεια καλύμματος του θερμοκηπίου σε Watt/m 2 o C Α = η επιφάνεια καλύμματος του θερμοκηπίου σε m 2 V θ = ο όγκος του θερμοκηπίου σε m 3 n = ο αριθμός των ανανεώσεων του αέρα του θερμοκηπίου ανά ώρα Δθ = η διαφορά της επιθυμητής θερμοκρασίας του αέρα στο εσωτερικό και στο εξωτερικό του θερμοκηπίου Θέρμανση/Ψύξη κτιρίων Ξήρανση Αγροτικών Προϊόντων Ιχθυοκαλλιέργειες Αφαλάτωση 10
Τεχνικά, Οικονομικά και Περιβαλλοντικά Θέματα Ρύποι (υδρόθειο, αλμόλοιπο) Καθαρισμός Γεωθερμικών Αποβλήτων Διάθεση Γεωθερμικών Αποβλήτων (επαναφορά στον ταμιευτήρα, διάθεση στη θάλασσα ή ποτάμι, χημική επεξεργασία). Περιβαλλοντική μελέτη Αξιοποίηση Γεωθερμικών πεδίων Έρευνα-μελέτη-ανάπτυξη: 7-10 χρόνια Ορθολογική Χρήση της Γεωθερμίας 11
Εικόνα 1: Χρήσεις γεωθερμικής ενεργείας 12
Σχήμα 1: Χρήσεις γεωθερμικής ενεργείας σε αλληλουχία 13
Εικόνα 2: Γεωθερμικές περιοχές της Ελλάδας 14
Εικόνα 3: Τυπικό σύστημα γεωεναλλάκτη και αντλίας θερμότητας σε κατοικία 15
Εικόνα 4: Γεωθερμική αντλία θερμότητας 16
Εγκατεστημένη ισχύς (GW) Χρονική εξέλιξη εγκατεστημένης ισχύος (1/2) Κόσμος (GW) 12 8 4 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Σχήμα 2: Διάγραμμα με την παγκόσμια χρονική εξέλιξη της εγκατεστημένης ισχύος από γεωθερμία μέχρι το 2009 17
Εγκατεστημένη ισχύς (MW) Χρονική εξέλιξη εγκατεστημένης ισχύος (2/2) Οι πέντε μεγαλύτερες, το 74.6 % της παγκόσμιας το 2009 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Italy Mexico Indonesia Philippines US 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Σχήμα 3: Διάγραμμα των χωρών με την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ από γεωθερμία μέχρι το 2009 18
Εγκατεστημένη ισχύς το 2009 Χώρα MW (%) US 3086.6 28.8 Philippines 1904.0 17.8 Indonesia 1197.0 11.2 Mexico 958.0 8.9 Italy 843.0 7.9 New Zealand 628.3 5.9 Iceland 575.1 5.4 Japan 536.0 5.0 El Salvador 204.4 1.9 Kenya 167.0 1.6 Costa Rica 166.0 1.5 Nicaragua 87.5 0.8 Χώρα MW (%) Russia (Kamchatka) 82.0 0.8 Turkey 81.6 0.8 Papua New Guinea 56.0 0.5 Guatemala 52.0 0.5 Portugal (The Azores) 29.0 0.3 China 24.0 0.2 France (Guadeloupe) 16.0 0.1 Ethiopia 7.3 0.1 Germany 6.6 0.1 Austria 1.4 0.0 Australia 1.1 0.0 Thailand 0.3 0.0 Argentina 0.0 0.0 19
Εικόνα 5: Πίνακας με την εγκατεστημένη ισχύ και ενεργεία από γεωθερμία σε όλο τον κόσμο το 2000 20
Εγκατεστημένη Γεωθερμική Ηλεκτρική Ισχύς 21
Εικόνα 6: Χάρτης των χωρών με την εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ από γεωθερμική ενέργεια 22
Εικόνα 7: Γεωθερμικά σημεία στο κόσμο 23
Εικόνα 8: Γεωθερμική ενέργεια 24
Εικόνα 9: Θερμοκρασίες στο εσωτερικό της γης 25
Εικόνα 10: Μοντέλο δημιουργίας ενός γεωθερμικού πεδίου 26
Εικόνα 11: Σχηματική απεικόνιση γεωθερμικού πεδίου 27
Εικόνα 12: Τρισδιάστατη απεικόνιση γεωθερμικού πεδίου 28
Εικόνα 13: Γεωθερμικός ταμιευτήρας 29
Εικόνα 14: Γεωθερμικό σύστημα 30
Εικόνα 15: Παραγωγή ηλεκτρισμού από γεωθερμική ενέργεια 31
Εικόνα 16: Άμεση χρήση γεωθερμικής ενέργειας 32
Εικόνα 17: Γεωθερμικός πίδακας 33
Εικόνα 18: Αθροιστική γεωθερμική εγκατεστημένη ισχύς 2008-2015 34
Εικόνα 19: Αθροιστική γεωθερμική εγκατεστημένη ισχύς 2000-2020 35
Εικόνα 20: Παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικές πηγές στις ΗΠΑ 36
Εικόνα 21: Κόστος παραγωγής εναλλακτικών ειδών ενέργειας 37
Σχήμα 4: Χρονική εξέλιξη κόστους γεωθερμικής ενέργειας 38
Σχήμα 5: Σύγκριση εκπομπών CO 2 39
Σχήμα 6: Αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας 2005 40
Εικόνα 22: Τυπική διάταξη ηλεκτροπαραγωγής με χρήση γεωθερμίας 41
Εικόνα 23: Γεωθερμικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής δυαδικού κύκλου 42
Εικόνα 24: Γεωθερμικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής 43
Εικόνα 25: Εγκαταστάσεις γεωθερμικού εργοστασίου 44
Εικόνα 26: Ήλιο-γεωθερμικό εργοστάσιο 45
Εικόνα 27: Γεωθερμικό εργοστάσιο 46
Εικόνα 28: Θέρμανση με γεωθερμική ενέργεια 47
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (1/6) Εικόνα 1: Χρήσεις γεωθερμικής ενεργείας, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Σχήμα 1: Χρήσεις γεωθερμικής ενεργείας σε αλληλουχία, Geo-Heat Center, Klamath Falls, Oregon, USA, CC: BY-NC-SA Εικόνα 2: Γεωθερμικές περιοχές της Ελλάδας, Ι.Γ.Μ.Ε, CC: BY-NC-SA Εικόνα 3: Τυπικό σύστημα γεωεναλλάκτη και αντλίας θερμότητας σε κατοικία, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 5: Πίνακας με την εγκατεστημένη ισχύ και ενεργεία από γεωθερμία σε όλο τον κόσμο το 2000, Huttrer, G.W. (2000) The Status of World Geothermal Power Generation 1995-2000, Proceedings of the World Geothermal Congress 2000, Japan, CC: BY-NC-SA 48
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (2/6) Εικόνα 6: Χάρτης των χωρών με την εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ από γεωθερμική ενέργεια, Bertani R. 2007, CC: BY-NC-SA Εικόνα 7: Γεωθερμικά σημεία στο κόσμο, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 8: Γεωθερμική ενέργεια, U.S. Department of Energy, Geothermal Education Office, Earth Policy Institute, CC: BY-NC-SA Εικόνα 9: Θερμοκρασίες στο εσωτερικό της γης, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 10: Μοντέλο δημιουργίας ενός γεωθερμικού πεδίου, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." 49
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (3/6) Εικόνα 11: Σχηματική απεικόνιση γεωθερμικού πεδίου, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 12: Τρισδιάστατη απεικόνιση γεωθερμικού πεδίου, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 13: Γεωθερμικός ταμιευτήρας, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 14: Γεωθερμικό σύστημα, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 15: Παραγωγή ηλεκτρισμού από γεωθερμική ενέργεια, www.visualdictionaryonline.com, CC: BY-NC-SA 50
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (4/6) Εικόνα 16: Άμεση χρήση γεωθερμικής ενέργειας, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 17: Γεωθερμικός πίδακας, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 18: Αθροιστική γεωθερμική εγκατεστημένη ισχύς 2008-2015, GlobalData, CC: BY-NC-SA Εικόνα 19: Αθροιστική γεωθερμική εγκατεστημένη ισχύς 2000-2020, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 20: Παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικές πηγές στις ΗΠΑ, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." 51
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (5/6) Εικόνα 21: Κόστος παραγωγής εναλλακτικών ειδών ενέργειας, U.S. Energy Commission 2007, CC: BY-NC-SA Σχήμα 5: Σύγκριση εκπομπών CO 2, EIA 1998, Bloomfield and Moore 1999, CC: BY-NC-SA Σχήμα 6: Αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας 2005, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 22: Τυπική διάταξη ηλεκτροπαραγωγής με χρήση γεωθερμίας, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 23: Γεωθερμικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής δυαδικού κύκλου, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." 52
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (6/6) Εικόνα 24: Γεωθερμικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 25: Εγκαταστάσεις γεωθερμικού εργοστασίου, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 26: Ήλιο-γεωθερμικό εργοστάσιο, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 27: Γεωθερμικό εργοστάσιο, "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." Εικόνα 28: Θέρμανση με γεωθερμική ενέργεια, Agentur fur Erneuerbare Energien, CC: BY-NC-SA Εικόνες τίτλου: "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας." 53
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.