Korištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje)...
Transcript of Korištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje)...
Geotermalna energijaGeotermalna energijaKorištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (i grijanje)P f d Zd k Ši ićProf.dr.sc. Zdenko ŠimićFER [email protected]
SadržajSadržajSadržajSadržaj• Porijeklo • Korištenje: – Grijanje
P i d j l• Potencijal – Proizvodnja el. en.– Toplinske pumpe
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 2
Temperature u ZemljiTemperature u Zemlji
30 kmkora
Temperaturni gradijent Temperaturni gradijent –– u u korikori2000 km
~1000ºC omotač
Dubina [m]
150
300
Tipični dobar gradijent: 0,075 oC/m
2800ºC
4000ºC
4000 km
6370 km
5150 kmvanjska jezgra
unutarnja jezgra 300
450
600
Primjer gradijenta u području geotermalnog izvora
unutarnja jezgra
750
1000 Temperatura na 1 km: 265 oC
kora
omotač
vanjska jezgra
unutarnja jezgra
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 3
jezgra
Unutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija ZemljeUnutrašnja kalorička energija Zemlje• Enormna količina energije
Samo mali dio dostupan• Izvor za korištenje:
Vruće suhe stijene– Samo mali dio dostupan
• Na površini 0,06 W/m2
– Izvorna toplina i drugi
– Vruće suhe stijene– Voda na velikim dubinama i
pod velikim tlakomd /– Izvorna toplina i drugi
procesi (~60%) – Radioaktivni raspad (~40%;
– Voda/para na manjim dubinama
U235,238, Th232, K40)– Površina za 100W?
• Litosfera: kondukcija• Litosfera: kondukcija- prijelaz topline bez pomicanja materije
• Omotač: konvekcija- prijenos topline gibanjem materije (nema radioaktivnosti)
Energijske tehnologije
materije (nema radioaktivnosti)
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 4
Dobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvoriDobri i nedostupni izvori
Vruće suhe stijene Voda na velikoj dubini i velikom tlaku
• Dubina i temperatura:– 2,5 do 6 km
• Dubina i temperatura:– 2,5 do 9 km,
– od 150 do 300 oC
• Najveći i najteži izvor za
2,5 do 9 km– oko 160 oC i
veliki tlak (>1000 bar)
korištenje– Stijene slabo vode toplinu
P t b j i l iti tij i
• Ostale karakteristike– Velika slanost (4-10%)
Z ić i d i li– Potrebno je izlomiti stijene i dovesti vodu
• Eksplozije (nuklearne!?)
– Zasićeno prirodnim plinom • Najviše metana CH4
• Oko 5x više plina volumnop j ( )• Voda pod tlakom
• Istražuje se• Potencijal za kombinirano
korištenje
• Istražuje se
Energijske tehnologije
• Istražuje se
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 5
Voda/para na manjim tlakovima i dubinamaVoda/para na manjim tlakovima i dubinamana manjim tlakovima i dubinamana manjim tlakovima i dubinama• Dubina, temperature i tlakovi:
– do 5 km, do preko 300 oC, do 8 bara
• Parni izvori su najpoželjniji ali malobrojni– Para sama izlazi van iz bušotine (oko 200 oC) – Geysers (SAD) i Larderello (Italija)
V d i i i jč šć k i tk i t• Vodeni izvori se najčešće koristekoriste– Voda izlazi sama ili se pumpa
Velike koncentracije otopina– Velike koncentracije otopina ( i preko 25000 ppm)
• Komercijalno se koristeKomercijalno se koriste – ne zahtijevaju posebno napredne
tehnologije za bušenje i k l t ij
Energijske tehnologije
eksploataciju
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 6
ppm – parts per million (dijelova u milijun)
PorastPorastPorast tempera-ture u
Porast tempera-ture uture u Zemljiture u Zemlji
Geotermalne prilike iprilike i vodljivost tla određuju jgradijent rasta t ttemperature u tlu.
Energijske tehnologije2010. 7
Presjek jednog geotermalnog nalazišta -Awibengkok IndonezijaAwibengkok, Indonezija
Energijske tehnologijeEnergijske tehnologije: Geotermalna enrgija - dodatno 8
Geotermalni resursiGeotermalni resursi0,050,05 ººC/mC/m
Temperatura stijena na 5 km dubine(EEIG "Heat Mining"
0,05 0,05 C/mC/m
(EEIG "Heat Mining", European Hot Dry Rock Project)"
Područja visoke Područja visoke INA od 1976. napravila više od 50 dubokihjj
entalpijeentalpije ((>>240 240 ooC)C)više od 50 dubokih bušenja.Temperaturni gradijent ide i do 0,07ºC/m.,Temperature u rasponu od 40 – 170ºC.Procjene:
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 9
~50 MWe~800 MWt
Direktno korištenjeDirektno korištenjeDirektno korištenjeDirektno korištenje
Najstariji način korištenja geotermalne energije: • Samostalno ili• Samostalno ili• Komplementarno proizvodnji el. en.
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 10
Direktno korištenje geotermalne energijeDirektno korištenje geotermalne energije
Snaga MWt Energija TW/god. Faktor opterećenja
Toplinske pumpeDirektno grijanjeDirektno grijanjeStakleniciAkvakulturaPoljoprivreda - sušenjeIndustrijaKupanjeHlađenje/topljenje snijegaOstaloOstaloUkupno
Energijske tehnologije11
Geotermalna električna energijaGeotermalna električna energijaElektranaPumpa
2000.2000.
Bušotine: povratna iproizvodna
Nalazište
PP20102010 == 11 GWGWPP20102010 = = 1 1 GWGWee
W = W = 60 60 TWhTWhee
Porast od Porast od ~~7,5%/7,5%/god.god.Potencijal:Potencijal:
--Do 100 GW s današnjom tehnologijomDo 100 GW s današnjom tehnologijom--Dvostruko više s naprednim tehnologijamaDvostruko više s naprednim tehnologijama
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 12
Dvostruko više s naprednim tehnologijamaDvostruko više s naprednim tehnologijama--Ukupno se procjenjuje na nekoliko tisuća GW Ukupno se procjenjuje na nekoliko tisuća GW
Geotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektrane• Elektrane na suhu paru• Elektrane sa separiranjem
pare (Flash steam)p ( )• Elektrane s binarnim
ciklusomciklusom
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 13
Elektrane na suhu paruElektrane na suhu paru
T-s dijagram
Jeftine, velike i rijetke2 - Centrifugalni separator odvaja nečistoće
1 2 i 2 3 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpiju1-2 i 2-3 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpiju4 - izlaz iz turbine se miješa s recirkuliranom (5, 7) rashladnom vodom u kondenzatoru s
direktnim kontaktom i višak se vraća u zemljuNekondenzibilni plinovi (CO2, NH4, H2S)se moraju ukloniti iz kondenzatora zbog korozije i tlaka
parnim ejektorom (za pogon se izdvaja dio pare).Elektrane u pogonu (jedinice npr.100 MW): Geysers (SAD), Larderello (Italija), Matsukawa (Japan)
Energijske tehnologije
Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je visok (~135 kPa) što uz male temperature dodatno umanjuje termički stupanj djelovanja.
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 14
Elektrane sa separiranjem pare (Flash steam)Elektrane sa separiranjem pare (Flash steam)(Flash steam)(Flash steam)
Za kvalitetnije izvore vode preko 200 oC
T-s dijagram
Za kvalitetnije izvore vode, preko 200 oCSalinitet i do 280000 ppm.
1-234-5 su procesi prigušivanja uz konstantnu entalpijuProblemi: Znatno veći potrebni protoci (utjecaj na okolno zemljište te dimenzije i degradiranje
postrojenja zbog dodatnih sastojaka)Elektrane u pogonu (jedinice od 10-50 MW): Italija, Japan, Novi Zeland, Meksiko, SAD
Energijske tehnologije
p g (j ) j , p , , ,Termički stupanj djelovanja još manji zbog niske temperature i niske kvalitete pare.
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 15
Geotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektraneGeotermalne elektrane
AIDLIN – dvije jedinice na suhu paru, 20 MWeCalpineSonoma, California
LEATHERS dvostruko separiranje 38 MWeLEATHERS – dvostruko separiranje , 38 MWeCalEnergy Operating CompanyCalipatria, California
Energijske tehnologijeEnergijske tehnologije: Geotermalna enrgija 16
Elektrane s binarnim ciklusomElektrane s binarnim ciklusomplinp
1Rash.toranj
Turbina3
1 2
3
voda
toranj
PumpaPovršinski
2 32
4
Izmjenjivač topline
tlo
kondenzator
kondenzatnapumpa
4
5
66
5
Za manje kvalitetne izvore (ispod 200 oC)
T-s dijagramPumpa
Voda iz rashladnog tornja
Proizvodna i povratna bušotina
Za manje kvalitetne izvore (ispod 200 oC)Unapređenje za veći stupanj djelovanja.
Proces se provodi kao Rankineov organski – radni fluid ima nisku temperaturu isparivanja (izobutan C4H10, freon12, amonijak ili propan)
Vlastita potrošnja u elektrani je oko 35%.Demonstracijske elektrane u pogonu (jedinice oko 10 do 50 MW) u SAD-u.Rj š j j HR
Energijske tehnologije
Rješenje za uvjete u HR.Proračun za ovaj proces provodi se kao i za Rankineov s vodom, ali s parametrima radnog medija.
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 17
T-S dijagram za vodu, R245fa i cikloheksanT-S dijagram za vodu, R245fa i cikloheksanvodu, R245fa i cikloheksanvodu, R245fa i cikloheksan
Energijske tehnologije2010. 18A. Schuster et al. / Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1809–1817
Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom
Turbina 1. nivo
Kondenzator
Generator
Turbina 2. nivo
Isparivač Kompresor za nekondenzibilne
plinoveSeparator
Pumpa za k d fl id
plinove
Predgrijač
kond. fluid
Proizvodna bušotina Povratna bušotinaPovratna pumpa
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 19
Vrući geotermalni fluid
Hladni geotermalni fluid
Binarni procesBinarni proces
Energijske tehnologije20Zdenko Šimić - Geotermalna energija
pp
Proizvodnja el. Proizvodnja el. enen. i korištenje topline. i korištenje toplineProizvodnja el. Proizvodnja el. enen. i korištenje topline. i korištenje toplineBolji stupanj djelovanja može se osigurati kombiniranim procesima:Bolji stupanj djelovanja može se osigurati kombiniranim procesima:• Dogrijavanjem medija iz geotermalnog izvora prirodnim plinom iz samog
izvora ili nekim drugim gorivom• Predgrijavanjem toplinskom energijom iz geotermalnog izvora
kondenzata prije ulaska u generator pare konvencionalne termoelektrane
Plan za Bizovac
Energijske tehnologije21
Bušenje, testiranje i korištenje izvoraBušenje, testiranje i korištenje izvora
• Bušotine od ~200 m do ~4 km za određivanje temp gradijentaza određivanje temp. gradijenta i karakteristika nalazišta.• Nalazište može smanjiti toplinsku snagu nakon nekogtoplinsku snagu nakon nekog vremena (5, 10, 15 godina) i tada treba dodati bušotinu ili koristiti se manjim kapacitetom.
Pl i i d i ij k j k 30 di• Planirani radni vijek je oko 30 godina.
opadanjeP [MW]
• Moderne metode bušenja smanjuju
razvoj pogon opadanje
održavanje
smanjuju troškove: jedna široka (>60 cm) rupa oko 500 m upa o o 500i onda dvije kilometarske na razne strane za
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 22Vrijeme
uzimanje i povrat vode
Utjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranjeUtjecaj na okoliš i recikliranje• Agresivnost i velika koncentracija otopljenoga u
di t ž j d t j j i j j ži t ivodi otežavaju rad postrojenja i smanjuju životni vijek
• Rješenje je u izdvajanju i korištenju:– H2S za proizvodnju sumporne kiseline– Metali poput cinka kao sirovina– Različite naslage za građevinarstvo
Utj j k liš ž i i i i ti ć j• Utjecaj na okoliš se može minimizirati vraćanjem svega u bušotinu uz pozornost da to ne umanji
iprinos
Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Geotermalna energija 23
Toplinska pumpa i hlađenjeToplinska pumpa i hlađenje
Srednjatemp. u zemlji
i hlađenjei hlađenje
e (m
)
LjetoZima
ispo
d po
vrši
nD
ubin
a
Lagano suho tlo
Temperatura tla (oC)
• Temperatura tla – konstantna od Sunčevog zračenje i zbog slabe toplinske vodljivosti tla
konstantnija kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla
Lagano suho tloProsječno tloVlažno tlo
– konstantnija kroz godinu na većoj dubini i kod manje vlažnog tla – Time je relativna razlika prema temperaturi okolice razmjerno velika i
konstantna tijekom većeg dijela godineP d ij j li k i
Energijske tehnologije
– Pogodno za grijanje toplinskom pumpom i– Hlađenje klima uređajima
Zdenko Šimić - Geotermalna energija 24
Razne vrste sustava toplinske pumpeRazne vrste sustava toplinske pumpep p pp p pHorizontalni kružni: zauzima najviše zemlje, jeftinije, male zgrade,
Otvoreni: jeftinije, problemi s vodom
ali temperatura dosta varira
V tik l i tj it tlVertikalni: stjenovito tlo, skuplji, treba manje zemlje, visoka efikasnost
Ovisno o izvedbi faktor preobrazbe iznosi oko 50% Carnotovog:
f.p. = qdov/wt
Energijske tehnologije25
p qdov tPraktično se postiže faktor preobrazbe od 3 do 5.
UkratkoUkratkoUkratkoUkratko
Korištenje geotermalne energije može imati opravdanje kao čcjeloviti gospodarski program koji uključuje
proizvodnju el. en., turizam i poljoprivredu.
Ekonomičnost ovisi o karakteristikama bušotine i potporama – rizik može biti veliki.
Udio GE u proizvodnji el. en. nije veliki, ali postoji potencijal za povećanje.
Ekološki prihvatljiv izvor uz dužnu brigu.
Tehnologija je zrela i iskustvo je značajno. g j j j j
Položaj izvora određuje mjesto korištenja.
Energijske tehnologije26Zdenko Šimić - Geotermalna energija