Геотермални извор енергије

Геотермална електрана је као свака друга електрана, осим што се пара не производи изгарањем фосилних или других горива, већ се црпи из земље. Даљњи је поступак са паром исти као код конвенционалне електране: пара се доводи до парне турбине, која покреће ротор електричног генератора. Након турбине пара одлази у кондензатор, кондензује се, да би се тако добивена вода вратила назад у геотермални извор. Реч геотермална долази од грчких речи geo (земља) и therme (топлота). Под појмом геотермална енергија сматра се она енергију која се може придобити из Земљине унутрашњости и користити у енергетске или неке друге сврхе.

Геотермална електрана Хелишејди (Исланд).

Године 2015, светски капацитет геотермалне снаге је износио 12,8 гигавата (GW), од чега је 28% било инсталирано у Сједињеним Државама. Међународно тржиште је расло са просечном годишњом стопом од 5 процената током три године које су претходиле 2015, и очекује се да ће глобални геотермални капацитет досегнути 14,5–17,6 GW до 2020.^[1] На темељу постојећег геолошког знања и технологије коју је ГЕА објавила, Геотермална енергетска асоцијација (ГЕА) процењује да је само 6,9 процената укупног глобалног потенцијала искориштено до сада. Према подацима организације IPCC, која делује у оквиру УН, потенцијал геотермалне енергије је у распону од 35 GW до 2 TW.^[2] Земље које генеришу више од 15 процената њихове струје из геотермалних извора су Ел Салвадор, Кенија, Филипини, Исланд, Нови Зеланд^[3] и Костарика.

Геотермална енергија се сматра одрживим, обновљивим извором енергије зато што је екстракција топлоте мала у поређењу са топлотним садржајем Земље.^[4] Емисије стакленичких гасова геотермалних електрана су у просеку 45 грама угљен-диоксида по киловат-сату струје, или мање од 5% количине конвенционалних електрана у којима се сагорева угаљ.^[5]

Историја кориштења геотермалне енергије

Историја геотермалне енергије сеже у давну прошлост, када су још антички народи геотермалне изворе користили за купање и грејање, те у медицинске сврхе. Иако се геотермална енергија на овај начин користила векима, прва употреба геотермалне енергије у индустрији догодила се у 18. веку, а први покушај производње електричне енергије из геотермалне енергије догодио се тек у 20. веку.^[6]

Крајем 18. века у Италији (Пиза) се на Лардерело пољу помоћу паре из геотермалних извора издвајала борна киселина. Године 1904. принц Пјеро Ђинори Конти почео је користити пару на Лардерелу за погон мале турбине, те је тиме омогућио рад четири електричне сијалице, што је уједно била и прва употреба геотермалне енергије у производњи електричне енергије. Нешто касније, 1911. започета је градња прве геотермалне електране снаге 250 kW, која је производила струју за рад италијанске жељезнице. До 1975. геотермална електрана Лардерело је имала укупну инсталирану снагу од 405 MW, а данас производи 10% укупне светске производње из геотермалне енергије са 4 800 GWh годишње.

Након успеха који је постигнут тих раних година у Италији, неколико других земаља започело је с истраживањима и кориштењем геотермалне енергије. Године 1919. у Јапану је избушен први геотермални извор, а 1921. Џон D. Грант је саградио прву геотермалну електрану у Калифорнији која је омогућила осветљавање целог хотелског комплекса у том подручју. Године 1958. саграђена је геотермална електрана на Новом Зеланду, 1959. у Мексику, а у наредним годинама придружиле су се и многе друге земље.

Када се говори о геотермалној енергији, важно је споменути и 1852. годину, када је Вилијам Томсон изумео топлотну пумпу, те 1912. када је Хајнрих Золи патентирао идеју кориштења топлотне пумпе за придобивање топлоте из тла. Године 1946. Доналд Крокер дизајнирао је и демонстрирао рад прве комерцијалне геотермалне топлотне пумпе.

Године 1967. године у Совјетском Савезу је први пут демонстрирана електрана која користи бинарни процес, што је омогућило добивање енергије из извора са пуно нижим температурама. 2006. Чена Хот Спрингс на Аљасци започели су са производњом електричне енергије из геотермалног извора температуре само 57 °Ц. Данас се највећи геотермални систем кориштен за грејање налази на Исланду и задовољава 89% потреба те земље за грејањем домова. Највеца геотермална електрана на Исланду је геотермална електрана Хелишеиди.

Геотермалне електране Гејзери у Калифорнији имају 22 геотермалне електране укупне снаге 1517 MW, што чини највећу групу геотермалних електрана у свету. Геотермална енергија у топлицама се користи већ дуги низ година. Геотермална електрана Малитбог је тренутно највећа самостална геотермална електрана на свету. Налази се на Филипинима, у провинцији Малитбог. Инсталирана снага те електране је 232,5 MW. Иначе у околини тог постројења има још 8 геотермалних електрана, тако да су Филипини тренутно други у свету по производњи геотермалне енергије. Најновија истраживања су показала да 27% електричне енергије на Филипинима потиче из геотермалних извора.

Искориштавање геотермалне енергије у енергетици

На самом почетку настанка Земље, све копнене масе су биле спојене у један гигантски континент назван Пангеа, након чијег је распада Земљина кора почела попримати данашњи облик. Континенти су део коре и у непрестаном су кретању. Теорија тектонике плоча претпоставља да се Земљина површина састоји од неколико великих крутих плоча (континенталне и океанске), на чијим границама долази до хоризонталног помицања. Процеси у Земљиној унутрашњости могу помицати плоче тако да између њих настају процепи, или помицати плоче једну према другој, скраћујући и/или савијајући их, као и склизнути једна испод друге приликом њиховог контакта. Наведена кретања на местима додира имају за последицу честе потресе, али истовремено то су и места значајнијих геотермалних ресурса.

Са тачке гледишта искориштавања геотермалне енергије, најзначајнија геотермална поља се очекују дуж рубова велике Пацифичке плоче, тзв. Пацифички ватрени прстен или Тихоокеански ватрени појас.

Температура Земљине унутрашњости расте с дубином. На дубини од 80 до 100 км температура стена износи између 600 и 1 200 °Ц. Топлота непрестано струји од извора у Земљиној унутрашњости према површини. Температура Земљине површине највише зависи о зрачењу Сунца. Утицај тог зрачења опажа се у горњим деловима коре до дубине 30 метара. На тој дубини температура је стална. Пораст температуре с дубином Земље назива се геотермални градијент.

Управо је геотермални градијент један од првих показатеља који упућује на потенцијално лежиште. Карте геотермалних градијената указују на подручја локалних аномалија. Средња вредност геотермалног градијента на пример за Европу износи 0,03°C/m.

Начини претварања геотермалне енергије у електричну енергију

Од врсте геотермалног лежишта зависи избор технологије за производњу електричне енергије. Температура геотермалног флуида основна је одредница:^[7]

Температура лежишта	Флуид у лежишту	Примена	Технологија
> 220 °Ц (високо температурна лежишта)	Вода или пара	Производња електричне енергије	Парна турбина (енгл. Flash Steam); Комбиновани циклус (парна турбина и бинарни процес); Директно кориштење флуида; Измењивач топлоте; Топлотна пумпа
100° – 220 °Ц (средња температурна лежишта)	Вода	Производња електричне енергије; Директно кориштење	Бинарни процес; Директно кориштење флуида; Измењивач топлоте; Топлотна пумпа
50° – 150 °Ц (ниска температурна лежишта)	Вода	Директно кориштење	Директно кориштење флуида; Измењивач топлоте; Топлотна пумпа

За погон турбине геотермална енергија користи пару. Пара (влажна или сува) може бити добијена директно из лежишта, а може се такође вештачки производити у врућим сувим стенама, такозваним напредним геотермалним системима.

У лежиштима с нижим температурама флуида, пара за погон турбина добија се посредно, загревањем радног флуида с врелиштем нижим од врелишта воде. Разликује се Органски Ранкинов циклус (ОРЦ), те тзв. Калина процес. Разлика је у саставу радног флуида, ОРЦ користи органске састојке типа толуол, пентан, пропан, те остале угљоводонике, док се у Калина циклусу користи мешавина амонијака и воде. Калина циклус није преферентан приступ управо због кориштења амонијака.

У сваком случају, геотермалне електране се могу поделити у три основна типа: постројења са сувом паром, постројења са испаравањем (једноструким и двоструким), те бинарна постројења.

Геотермалне електране са сувом паром

Постројења са сувом паром су први тип геотермалних електрана које су постигле комерцијални статус. Управо прво постројење инсталирано 1904. у месту Лардерело у Тоскани у Италији било је такво постројење. Користи се сувозасићену или прегрејана пару са притисцима вишим од атмосферског притиска, директно из лежишта богатог паром.

Пара се, дакле, може директно из производне бушотине доводити у турбину и након експанзије испуштати у атмосферу. Генерално је генерисана пара прегрејана, те садржи само мале количине других гасова, углавном CO₂ и H₂S. Овакав директни циклус без кондензације је најједноставнија и најјефтинија опција за производњу електричне енергије из геотермалне енергије. Примењују се у случајевима када пара садржи велик удео некондензирајућих гасова.

Код постројења с кондензацијом, пара се кондензује на излазу из турбине и хлади у конвенционалним расхладним торњевима. Настали кондензат може се користити у расхладном систему електране и утискивати назад у лежиште. На тај начин лежиште се обнавља, те се одржава потребан притисак. Геотермална електрана Лардерело у Италији и геотермалне електране Гејзери у Калифорнији највећа су светска лежишта са субом паром. Укупно инсталирана снага постројења са сувом паром у 2004. години износила је 2 460 MW што представља 28% укупне светске инсталиране снаге. Просечна снага постројења са сувом паром је 39 MW.

Геотермалне електране с испаравањем

У водом доминантним лежиштима примењује се технологија геотермалних електрана с испаравањем. Енергент је, у овоме случају, вода под притиском. Будући да је притисак у бушотини генерално нижи од притиска у лежишту, вода под притиском у бушотини струји према површини. Као последица пада притиска, одређени део течности испарава и бушотина истовремено даје топлу воду и пару, с тим да је вода доминантна фаза. Стога се та лежишта такође називају и лежишта с влажном паром.

Геотермална вода често садржи велику количину растворених минерала, углавном хлорида, бикарбоната, сулфата, бората, флуорида и силицијума. То може да проузрокује засољење цевовода и постројења. Оваква експлоатацијска поља производе велику количину отпадне воде, те је управо због велике количине растворених минерала, геотермални флуид потребно вратити назад у лежиште, путем утисне бушотине. Влажна пара се не може користити код стандардних турбина без ризика оштећења турбинских лопатица. Стога се, код свих инсталација које користе лежишта влажне паре користе сепаратори за одвајање паре од воде. Производња електричне енергије из ових поља се остварује помоћу испаравања течног геотермалног флуида у једном или неколико испаривача на површини.

Године 2004. је било 135 постројења тога типа у раду у 18 земаља широм света. Постројења са једноструким испаравањем чине 29% од свих геотермалних постројења и приближно 40% од укупно инсталиране снаге геотермалних електрана у свету. Јединичне снаге се крећу од 3 до 90 MW, док је просечна снага 28,1 MW по јединици.

Постројење са двоструким испаравањем представља побољшање с обзиром на постројење с једноструким испаравањем, у том смислу да даје 15 – 25% више излазне снаге, за исте услове геотермалног флуида. Постројење је сложеније, скупље и захтевније по питању одржавања, али више добијене излазне снаге најчешће оправдава инсталирање таквих постројења. Постројења са двоструким испаравањем су прилично бројна и налазе се у раду у 9 земаља. Средином 2004. у раду је било 70 таквих јединица, 15% од укупног броја геотермалних електрана. Јединичне снаге се крећу у подручју 4,7 до 110 MW, док је просечна јединична снага око 30 MW.

Геотермалне електране с бинарним циклусом

Геотермалне електране с бинарним циклусом су, по термодинамичком принципу, најближе термоелектранама на фосилна горива или нуклеарним електранама, код којих радни флуид изводи стварни затворени циклус. Радни флуид, одабран према повољним термодинамичким својствима, прима топлоту од геотермалног флуида, испарава, експандира у турбини, кондензује се, те се враћа у испаривач помоћу напојне пумпе.^[8]

Прва бинарна геотермална електрана стављена је у погон недалеко места Петропавловск на руском острву Камчатка 1967. Имала је снагу 670 kW, те је опслуживала мало село и неколико фарми како с електричном енергијом, тако и топлотом за потребе стакленика.

Данас су бинарна постројења најчешће кориштени тип геотермалних електрана са укупном инсталираном снагом 274 MW. Чине 33% од свих геотермалних електрана у раду, али производе само 3% од укупне снаге. Очигледно, просечна снага по јединици је мала, само 1,8 MW, мада долазе у експлоатацију и јединице са снагама 7 - 10 MW са тзв. напредним циклусом. Такође је неколико постројења с бинарним циклусом придодато постојећим постројењима с испаравањем како би се што више искористила топлота из геотермалног флуида.

Бинарна постројења омогућавају претварање геотермалне топлоте у електричну енергију из ниско температурних лежишта топле воде (тзв. водом доминантних лежишта) с температуром преко 85 °Ц. Такође, та је технологија погодна и за експлоатацију средње температурних извора с влажном паром с високим односом вода/пара код температура које су прениске за практичну примену система с испаравањем. Бинарна постројења претварају топлоту средње температурних извора у електричну енергију ефикасније него остале технологије.

Код бинарних постројења измењивач топлоте преноси топлоту са геотермалног флуида добављеног из производне бушотине у примарни круг на лако испарљиви радни флуид у секундарном кругу, као што су халогени угљеноводоници (нпр. фреон, фриген), пропан, изобутан, пентан, амонијак. Тај је термодинамички циклус познат као органски Ранкинов циклус или ОРЦ. Радни флуид у секундарном кругу испарава у испаривачу помоћу геотермалне топлоте из примарног круга. Пара експандира проласком кроз турбину (у овом се случају често назива „органска турбина”), која је спојена с електричним генератором. Испушна пара се кондензује у водом или ваздухом хлађеном кондензатору, а кондензат се напојном пумпом враћа у испаривач. Охлађена геотермална вода може се испустити у околину или вратити назад у лежиште без испаравања, што минимализира проблем таложења растворених минерала.

Типичне јединичне снаге су 1 – 3 MW. Технологија бинарних постројења се појављује као најисплативији, најефикаснији и најпоузданији начин за претварање великог броја ниско температурних извора у електричну енергију, којих је релативно много по свету.

Искористивост бинарних постројења побољшана је увођењем Калина технологије. Мешавина воде и амонијака испарава унутар коначног температурног подручја, производећи двокомпонентну пару (нпр. 70% амонијак и 30% вода), за разлику од ОРЦ који се темељи на чистим флуидима који испаравају код одређене температуре испаравања. Данас постоји тек једна геотермална електрана која користи Калина циклус, Хусавик на Исланду и која је расположива за вршење поређења; неколико их је у фази изградње. Насупрот томе, ОРЦ је овладана технологија са стотинама МW инсталираних различитих постројења широм света.

Поређење геотермалних електрана с конвенционалним електранама

Без обзира на то користи ли се геотермална енергија за производњу електричне енергије или директно, карактеристике геотермалних лежишта одређују технологију за искориштавање. Геотермални флуид често садржи велике количине гасова као што је сумпороводоник и разне хемијске растворе који могу бити врло отровни. Због тога се могу појавити проблеми корозије, ерозије и таложења хемијских једињења што доводи до пропадања цевовода и турбине, па чак и смањења делотворности постројења. Ти проблеми се избегавају комбинацијом употребе материјала отпорних на корозију, контролом температуре флуида, прочишћавањем паре и употребом средстава за спречавање корозије.

Специфичности геотермалних електрана:

нема изгарања фосилних горива, што смањује трошкове, али такође минимизује и загађење околине;
ниска температура и притисак паре има за последицу ниску термодинамичку искористивост постројења (типично ~15%) у поређењу са термоелектранама на фосилна горива (35-38%);
дуготрајни и сложени поступак пуштања у погон сврстава геотермалне електране погоднијима за покривање базног оптерећења него за покривање вршног оптерећења;
геотермалне електране требају бити смештене што ближе производној бушотини како би се избегли транспортни губици;
геотермална електрана снаге 100 MW троши око 80 тона/сат паре. Тај се проток обично постиже с више производних бушотина које црпе исто лежиште;
пара има поприличну количину минерала, који узрокују ерозију и корозију елемената турбине. То захтева континуирано и значајно одржавање;
почетни трошкови геотермалне електране су виши будући да је осим електране потребно изградити и бушотину, што представља заправо највећи трошак. Међутим, са временом се трошкови смањују будући да је расположивост ресурса стабилна и предвидива. Такође, геотермална електрана није зависна од тржишних кретања цена енергената.

Види још

Геотермална енергија

Референце

^ „Тхе Интернатионал Геотхермал Маркет Ат а Гланце – Маy 2015” (ПДФ). ГЕА—Геотхермал Енергy Ассоциатион. мај 2015.
^ Фридлеифссон,, Ингвар Б.; Бертани, Руггеро; Хуенгес, Ернст; Лунд, Јохн W.; Рагнарссон, Арни; Рyбацх, Ладислаус (11. 2. 2008), О. Хохмеyер анд Т. Триттин, ур., Тхе поссибле роле анд цонтрибутион оф геотхермал енергy то тхе митигатион оф цлимате цханге, Луебецк, Германy, стр. 59—80
^ Цраиг, Wиллиам; Гавин, Кеннетх (2018). Геотхермал Енергy, Хеат Еxцханге Сyстемс анд Енергy Пилес. Лондон: ИЦЕ Публисхинг. стр. 41—42. ИСБН 9780727763983. Архивирано из оригинала 21. 08. 2018. г. Приступљено 15. 02. 2019.
^ Рyбацх, Ладислаус (септембар 2007), „Геотхермал Сустаинабилитy” (ПДФ), Гео-Хеат Центре Qуартерлy Буллетин, Кламатх Фаллс, Орегон: Орегон Институте оф Тецхнологy, 28 (3), стр. 2—7, ИССН 0276-1084, Архивирано из оригинала (ПДФ) 17. 02. 2012. г., Приступљено 9. 5. 2009
^ Моомаw, W., П. Бургхерр, Г. Хеатх, M. Лензен, Ј. Нyбоер, А. Вербругген, 2011: Аннеx II: Метходологy. Ин ИПЦЦ: Специал Репорт он Ренеwабле Енергy Соурцес анд Цлимате Цханге Митигатион (реф. паге 10)
^ [1] "Повијест кориштења геотермалне енергије", www.обновљиви.цом, 2011.
^ [2] Архивирано на сајту Wayback Machine (18. март 2011) "Кориштење геотермалне енергије", www.еихп.хр, 2011.
^ [3] "Начини претворбе геотермалне енергије у електричну енергију - Геотермалне електране с бинарним циклусом", www.обновљиви.цом, 2011.

Спољашње везе

[1] „Тхе Интернатионал Геотхермал Маркет Ат а Гланце – Маy 2015” (ПДФ). ГЕА—Геотхермал Енергy Ассоциатион. мај 2015.

[IPCC-2] Фридлеифссон,, Ингвар Б.; Бертани, Руггеро; Хуенгес, Ернст; Лунд, Јохн W.; Рагнарссон, Арни; Рyбацх, Ладислаус (11. 2. 2008), О. Хохмеyер анд Т. Триттин, ур., Тхе поссибле роле анд цонтрибутион оф геотхермал енергy то тхе митигатион оф цлимате цханге, Луебецк, Германy, стр. 59—80

[:0-3] Цраиг, Wиллиам; Гавин, Кеннетх (2018). Геотхермал Енергy, Хеат Еxцханге Сyстемс анд Енергy Пилес. Лондон: ИЦЕ Публисхинг. стр. 41—42. ИСБН 9780727763983. Архивирано из оригинала 21. 08. 2018. г. Приступљено 15. 02. 2019.

[sustainability-4] Рyбацх, Ладислаус (септембар 2007), „Геотхермал Сустаинабилитy” (ПДФ), Гео-Хеат Центре Qуартерлy Буллетин, Кламатх Фаллс, Орегон: Орегон Институте оф Тецхнологy, 28 (3), стр. 2—7, ИССН 0276-1084, Архивирано из оригинала (ПДФ) 17. 02. 2012. г., Приступљено 9. 5. 2009

[IPCC_Annex_II-5] Моомаw, W., П. Бургхерр, Г. Хеатх, M. Лензен, Ј. Нyбоер, А. Вербругген, 2011: Аннеx II: Метходологy. Ин ИПЦЦ: Специал Репорт он Ренеwабле Енергy Соурцес анд Цлимате Цханге Митигатион (реф. паге 10)

[6] [1] "Повијест кориштења геотермалне енергије", www.обновљиви.цом, 2011.

[7] [2] Архивирано на сајту Wayback Machine (18. март 2011) "Кориштење геотермалне енергије", www.еихп.хр, 2011.

[8] [3] "Начини претворбе геотермалне енергије у електричну енергију - Геотермалне електране с бинарним циклусом", www.обновљиви.цом, 2011.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]