Ochrona środowiska z równoczesną rozważną i oszczędną gospodarką nieodnawialnymi nośnikami energii – traktującą je jako surowiec dla przemysłu, a nie jako bazę wytwarzania ciepła i energii elektrycznej – stają się nakazem chwili. Wiele krajów protokołem z Kyoto zobowiązało się do redukcji emisji gazów cieplarnianych, co w sytuacji szybko rosnących cen ropy i gazu ziemnego wymusza pilne korzystanie z energii geotermalnej wszędzie tam, gdzie jest to technicznie możliwe, a w dodatku udokumentowane efektywnością ekonomiczną. W tym stuleciu wyczerpią się zasoby ropy i gazu ziemnego, a wciąż jeszcze nie podejmuje się w Polsce na wymaganą skalę działań na rzecz masowej produkcji paliw płynnych i gazowych dla silników spalinowych w transporcie ziemnym oraz powietrznym w oparciu o inne surowce niż ropa.

Podczas gdy w obszarze utylizacji energii wody, wiatru oraz słońca niezbędne działania badawczo-wdrożeniowe znajdują się od wielu lat w intensywnym rozwoju w świecie, to wytwarzaniu energii elektrycznej na bazie geotermii wciąż jeszcze nie poświęca się w Polsce dostatecznej uwagi. 30% tego ciepła geotermalnego wiąże się z powstawaniem ziemi, a 70% pochodzi z biegnących w niej procesów radioaktywnego rozpadu uranu, toru oraz wielu innych pierwiastków, które się z nich nieustannie tworzą. Wulkany, wypływ przegrzanej pary czy gorącej wody stale dokumentują ogrom energii, skumulowanej we wnętrzu naszej planety.

Gospodarcze wykorzystanie hydrogeotermii

Pierwszą ciepłownię geotermalną uruchomiono w 1850 roku w Lardarello – Toskana we Włoszech, ogrzewając cyrkulującą wodą grzewczą budynki sąsiadujących osiedli niskociśnieniową parą wodną, wyprowadzaną z ziemi. W tym też mieście uruchomiono w 1904 roku geotermalną elektrownię, która z konkurencyjną efektywnością pracuje do dziś.

W oparciu o te doświadczenia inne kraje zaczęły budowę u siebie ciepłowni, elektrowni oraz elektrociepłowni na bazie energii geotermalnej.

Moc elektrowni geotermalnych w świecie przekroczyła 8.400 MW. Są one zlokalizowane głównie w USA (2.020 MW), Filipinach (1.931 MW), Indonezji (807 MW), Włoszech (791 MW) oraz Islandii (230 MW).

Elektrownie, czy elektrociepłownie te pracują zarówno z klasycznymi turbinami wodno-parowymi, sprzężonymi z elektrogeneratorami, jak i z organiczną substancją w obiegu. Te ostatnie znane pod określeniem ORC (Organic Rankine Cycle), stosują w obiegu nie układ wodno-parowy, a lekkie węglowodory. Ich ciepło parowania wynosi zaledwie 17% tego, co wody i tu tkwi efektywność ekonomiczna elektrowni oraz elektrociepłowni ORC (wtedy skraplanie opar organicznych po turbinie dokonuje się obiegiem wody ogrzewającej budynki sąsiadujących osiedli).

Schemat elektrowni geotermalnej typu ORC ilustruje rys. 1. Są w niej dwa obiegi ciepła: pierwszy obejmuje dopływ wody geotermalnej do rurowego wymiennika ciepła, skąd pompą inżektorową oziębiona woda wraca drugim odwiertem do złoża geotermalnego. Tymczasem w drugim obiegu cyrkuluje organiczny nośnik ciepła, którym jest lekki węglowodór – w opisanym schemacie jest to izobutan lub izopentan. Pierwszy bywa stosowany w elektrowni, a drugi w elektrociepłowni. Ten typ elektrowni z uwagi na cyrkulację organicznego czynnika roboczego w drugim obiegu – określa się nazwą ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC). Temperatura oraz wielkość dopływającej wody geotermalnej wyznaczają wartości brzegowe w projektowym rozpracowaniu procesu dla określonej elektrowni czy elektrociepłowni.

W optymalizacji procesowej korzysta się oczywiście z doświadczeń klasycznych elektrowni czy elektrociepłowni z typowym obiegiem wodno-parowym. Umożliwia to racjonalne zaprojektowanie tak aparatów, jak i systemów regulacyjno-przepływowych.

W obliczeniach korzysta się również z dróg określania podstawowych wielkości energetycznych i wskaźników sprawności:

•Moc netto elektrowni geotermalnej PNet. (kW) wyznacza równanie:

PNet. = PGenerat. – [PPompy inżekt. wody term. + PPompy cyrk. czyn. roboczego + PPompy wody chłodn.]

•Dostarczona energia geotermalna, ΔQ (kW) jest wyliczona według równania:

ΔQ = Q Wody term. przed wym. ciepła – Q Wody term. po wym. ciepła

•Dostarczona energia do czynnika roboczego (węglowodoru), napędzającego turbinę, sprzężoną z elektrogeneratorem, ΔE (kW) określa się według wzoru:

ΔE = E Nad odpar. – E Przed kondens.

•Sprawność energetyczna elektrowni, η wynika z równania:

•Sprawność pracy turbiny wyznacza wzór:

Za pomocą programu obiegowo-rachunkowego, (Cycle-Tempo) przeprowadza się bazowe obliczenia elektrowni geotermalnej, których celem jest w pierwszej kolejności wyznaczenie strumieni masy mediów i ich energii. Jednym z przykładów tego typu obliczeń jest dobór czynnika roboczego oraz wypracowanie optymalnych parametrów jego eksploatacji. W wyniku tego typu obliczeń zdecydowano się na zastosowanie izobutanu oraz naprzemian izopentanu. Wyniki tych obliczeń ilustruje rys. 2. Bazą założeń obliczeniowych były: temperatura wody geotermalnej przed wymiennikiem ciepła (wtórnego obiegu czynnika roboczego, którym jest węglowodór) w wysokości (w tym przykładzie) 150 st. C, jej natężenie przepływu 72 t/h, temperatura wody chłodzącej przed kondensatorem opar czynnika roboczego w wysokości 15 st. C i jej ocieplenie o 5 st. C. Czynnik roboczy przepływa z kondensatora przez pompę do wymiennika ciepła bez wstępnego podgrzewacza, a jego opary płyną z wymiennika ciepła do turbiny również bez ich przegrzewania. Jako czynnik roboczy wybrano dwa media, gdyż parametry ich eksploatacji są różne dla elektrowni i elektrociepłowni. W drugim przypadku maksymalizuje się oczywiście moc elektryczną netto. Dodatkowy wymiennik ciepła w elektrociepłowni znajduje się po pompie inżektorowej, tj. przed zawrotem wody do złoża geotermalnego. Przez ten wymiennik ciepła cyrkuluje woda ogrzewająca budynki mieszkalne najbliższego osiedla.

Przykład wariantowych obliczeń: Podwyższenie temperatury parowania czynnika roboczego w pierwotnym wymienniku ciepła wywołuje niższe schłodzenie wody geotermalnej, co jest równoznaczne ze zmniejszaniem ilości odbieranej z niej energii dla elektrowni. Ale równocześnie rośnie wskaźnik sprawności turbiny ε we wtórnym obiegu ciepła. Z widocznych na rys. 2 wyników obliczeń wynika, że elektrownia osiąga maksimum mocy netto w wysokości 597 kW przy 110 st. C parowania izobutanu, a 538 kW przy 100 st. C parowania izopentanu. Izobutan eksploatowano pod ciśnieniem w granicach 0,9-2,8 MPa, a izopentan w interwale 0,3-1,6 MPa.

Wpływ temperatury parowania czynnika roboczego na temperaturę wody geotermalnej po wymienniku ciepła (tj. przed jej zawrotem do złoża geotermalnego) okazał się wyższy dla izobutanu niż dla izopentanu. Ale dzięki temu moc netto elektrowni z cyrkulującym izopentanem w obiegu wtórnym o ciśnieniu parowania 1,3 MPa oraz w temperaturze 130 st. C wynosi 297 kW i wywołuje schładzanie wody geotermalnej ze 150 st. C tylko do 110 st. C. Natomiast woda o takiej temperaturze jest doskonała dla ogólnomiejskiej ciepłowni. W sumie tego typu elektrociepłownia jest nie tylko ekonomiczna, ale także zapewnia mieszkańcom najtańszą w okolicy energię elektryczną oraz tanie ciepło w domach przez cały rok.

Islandia – pierwszy kraj w Europie zasilany wyłącznie odnawialnymi nośnikami energii

Energię elektryczną i ciepło użytkowe w tym kraju dostarczają wyłącznie wodospady oraz geotermia via elektrownie, elektrociepłownie lub ciepłownie. Elektrownie wodne dysponują mocą 1.100 MW, a geotermalne 230 MW. Te ostatnie są w intensywnej rozbudowie, co dokumentuje tabela 1.

Tabela 1

Elektrownie i elektrociepłownie geotermalne w eksploatacji oraz w budowie.