ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IV, брой 6, 2012

Геотермална енергия

Решения от недрата на Земята

Геотермална енергия

На 10км дълбочина под повърхността си Земята крие енергия 50 000 пъти по-силна от тази на всичките залежи от нефт и природен газ. Това е геотермалната енергия, чийто потенциал нараства от земната повърхност към ядрото нормално с 30°С/km и се изразява с геотермалния градиент. Заради голямата температурна разлика от центъра към повърхността на Земята се пренася топлинен поток от 1021J годишно. Редица области имат геотермални аномалии с повишен топлинен поток. На места има концентриране на подземни води с висока температура и под голямо налягане или пари. Вулканите и естествения радиоактивен разпад в мантията са друг израз на енергията на Земята. Тя е практически неизчерпаема, екологично чиста и дава алтернатива за доставка на топла вода, за отопление и за производство на електричество на много места по света.

Внедрата на нашата планета се намира мощен енергиен източник, чиято топлина отдавна се използва за получаване на „чиста” енергия. Това е топлината на Земята, наречена геотермална енергия. Тя се съхранява като топлинна енергия в подземните системи от топли води под високо налягане и пара, както и в горещите скални маси под земната повърхност. Част от геотермалната енергия представлява постоянен топлинен поток от ядрото към мантията на Земята, който отделя енергията си от земната повърхност в атмосферата. Друга част от енергията се получава в резултат на естествени процеси на радиоактивен разпад, протичащи в мантията с отделяне на енергия.

Допълнителни вътрешни източници на енергия са гравитационното налягане и химични процеси. Масата на веществото в земните недра постепенно се преразпределя в зависимост от плътността. При процесите под действие на гравитационното налягане енергията на преместването се превръща в топлинна. Химическите процеси, източници на топлина, са предимно реакции на гниене на органична материя в мантията и са сравнително слаб енергиен източник.

Всички тези природни източници заедно формират огромен, предвидим потенциал и могат да доставят по екологичен начин топла вода, електричество и отопление повсеместно, 24 часа в денонощието, без значение от климатичните условия. Единият от вариантите е да се ползват местата на естествено освобождаване на геотермалната енергия във вид на термални извори – хидрогеотермални източници, или да се сондира за тях. Геотермалните извори или сондажи с температура на водата над 20°С се смятат за енергийни източници на геотермална енергия. Обикновено източниците с температура над 150°С се използват за получаване на електричество, а тези с по-ниска температура – за топлинна енергия.

Друга възможност е принудителното въвеждане чрез сондажи на вода или друг топлоносител в нагорещени скали или дълбоко в земното пространство, които след нагряване се изпомпват на повърхността, отдават топлината си и отново се връщат в процеса. Тези методи могат да се ползват на местата с нагорещени подземни скали в райони с геотермални аномалии, където температурния градиент е много по-силен от нормалния. Но дори и в местата, където такива аномалии липсват, геотермалната енергия позволява да бъде ползвана повсеместно. На всяко място по земята с нормален геотермален градиент може да се оползотвори нископотенциалната геотермална енергия. В този случай температурата на земните пластове не е много висока, но все пак разлика съществува и тя може да се трансформира и да се използва за отопление и климатизация чрез термопомпи. На някои места по света се усвоява и геотермалната енергия на вулканите.

Геотермални ресурси – основни характеристики
Температурата е ключов показател на геотермалните ресурси, от който зависят възможностите за приложението им. При хидрогеотермалните източници значение имат също така химичният състав, минерализацията и дебитът. Независимо дали са извличани чрез сондажи или са улавяни при естествения им излив, геотермалните ресурси могат да се класифицират според температурата и областта на приложение в две групи. Първата включва ресурси с ниска температура – от 20°С до 100°С, които се използват за отопление, индустриално и оранжерийно производство и лечебни заведения в директна или индиректна схема, в зависимост от химичния състав на източника. Втората група е от източници със средна и висока температура. Тук се отнасят подпочвени води под налягане с температура от 90°С до 180°С. Те могат да се използват за производство на електричество чрез изпарение на органичен флуид или чрез пара, ако температурата е над 120-150°С. Химичният състав и минерализацията имат значение за амортизирането на системите.

Други показатели, оказващ влияние върху възможността за използване на геотермалните източници на енергия, са локализацията им, степента им на отдалеченост от потенциалните консуматори, наличната инфраструктура и инсталации. Тъй като нископотенциалната геотермална енергия е повсеместна, за нея въпросът с локализацията не стои и тя може да се използва еднакво ефективно навсякъде. Местоположението на източниците спрямо консуматорите има значение при хидрогеотермалните извори и сондажи, както и при зоните с геотермални аномалии. Три тях според потенциала на източника, отдалечеността му и наличната инфраструктура, се определя най-ефективния начин за инвестиция и оползотворяване на ресурса.

Геотермалната енергия по света и в България
През последните години се увеличава броят на държавите, които използват геотермална енергия. Повече от 39 страни по света с население над 750 милиона души са с потенциал да задоволят изцяло енергийните си нужди чрез геотермална енергия. По данни на Международната геотермална асоциация (IGA) за 2010 година 25 страни са използвали геотермалната енергия за електропроизводство. В 5 от тях тя задоволява повече от 15% от общите енергийни нужди. През изминалата година общата инсталирана мощност от геотермални източници възлиза на 10 717MW и произвежданата електрическа енергия може да посрещне нуждите на над 60 милиона души. Директна употреба на топлината от геотермални източници за не електрически цели има в над 80 страни по света, сред които е и България. Те са оползотворили 438 071TJ геотермална енергия за 2010г.

Страната ни е богата на геотермални находища. У нас има над 840 проучени находища с температура до 103°C в около 140 обекта. Общо в страната са регистрирани 136 броя топли минерални извора с различен дебит и температура. Характерна особеност на термалните ни води е, че те са слабо минерализирани, с малък дебит (0.5л/сек-478л/сек) и ниска температура (от 20°С до 101.4°С). Тези характеристики на потенциала предопределят начина на използване на геотермалната вода у нас. Техническият потенциал на геотермална вода намира реализация за здравно–хигиенни нужди, комунално–битови, топлофикационни и промишлени нужди, за климатизация и в селското стопанство. Според проучвания само 18% от геотермалната енергия на България се използват, а едва 6% от минералните ни извори са разкрити.

Методи за усвояване на геотермалната енергия в производството на електричество
Геотермалната електроцентрала не се различава в основния си принцип на функциониране от една конвенционална електроцентрала. Започва се с улавяне или производство на пара, която задвижва турбина, свързана с електрогенератор, след това парата се охлажда и се връща отново в цикъла. Използват се три основни вида системи за преобразуване на енергията - системи работещи със суха пара, системи с бързо преобразуване на пара (флаш системи) и бинарни системи, както и комбинирани варианти. Първите две са традиционни и широко разпространени в по-старите централи, а бинарните са по-нови технологии и навлизат в употреба през последните години. Изборът на метод зависи от температурата и налягането на геотермалния флуид (вода или пара).

Централите на суха пара представляват най-старата технология. Те усвояват директно горещата пара, излизаща от хидротермалния резервоар. Парата предварително се филтрира за премахване на твърди примеси, насочва се към турбината и след като е преминала през нея, се охлажда и ре-инжектира в подземния резервоар като течност. Основна особеност на този тип централи е необходимостта геотермалния флуид да е в газообразно състояние. Това ограничава приложимостта на технологията само в места с геотермални източници, чиято температура е поне 150°C. Като недостатък в сравнение с бинарните централи може да се посочи използването на флуида директно в цикъла на генериране на електричество, което създава условия за корозия на елементите в системата, както и по-голяма опасност за изпускане на вредни газове разтворени във флуида.

Флаш централите са най-разпространени. Наричат се така, поради бързия процес на преобразуване на вода в пара. Те използват геотермални източници с висока температура (поне 180°С) и налягане. Извлечената от подземния резервоар вода преминава през сепаратор, където налягането е по-ниско. Това предизвиква бързо изпарение на част от флуида, при което се отделя водна пара под високо налягане. Ако са инсталирани повече сепаратори, водата преминава последователно през тях, като след всеки следващ се отделя пара с по-ниско налягане. Преминалата през процеса водата вече с ниска температура и налягане, се инжектира обратно в хидротермалния резервоар. Потоците пара, получени в сепараторите от своя страна задвижват електрогенераторните турбини, след което кондензират и се смесват с останалата вода. Тук отново се изисква висока температура на хидротермалния източник и геотермалния флуид също участва пряко в електрогенериращите системи, както и в централите на суха пара. Разликата е, че при сепарирането топлинния капацитет на водата може да се използва по-пълно.

Бинарните централи, както личи от наименованието им, използват двукомпонентна технология и са пригодени да оползотворяват ниско- и средно-температурни геотермални ресурси. Те могат да работят с вода с температура по-ниска от 100°C, а при някои случаи източникът може да е дори под 85-80°C. Тези системи работят на основата на цикъла на Ранкин (Organic Rankin Cycle,ORC). Водата от геотермалния резервоар, представляваща първият флуид в системата, се изпомпва до повърхността и минава през топлообменник, където загрява втори (бинарен) флуид, и след това се инжектира обратно в резервоара. За вторичен флуид се избира такъв, който е с ниска температура на кипене (пентан или бутан). Това позволява създаване на пара под 100°C. Когато напусне топлообменника, бинарният флуид е в газообразно състояние и се използва да задвижи турбината на електрогенератора. След като напусне турбината, минава през кондензатор и се втечнява преди да се насочи отново към топлообменника. Когато хидротермалния източник е с над 160°C температура, водата се използва в няколко последователни централи (каскадно генериране на енергия). По този начин може да се повиши ефективността на електроцентралата с 50%. Друго подобрение в бинарните централи е внедряването на цикъл на Калина, който работи с разтвор на вода и амоняк. Този флуид кипи при целия интервал и температурата му при топлообменника расте. Така подобрява преноса на топлина. Бинарните системи не използват геотермалния флуид пряко в електрогенериращите части. Така рискът от корозия и замърсяване е по-малък.

Комбинираните централи използват комбинирани методи от по-горе описаните за повишаване на ефективността. Най-разпространени са флаш-бинарни и суха пара-бинарни централи. След като премине през първичната система, флаш или на суха пара, водата и смесената с нея кондензирана вече пара преминава през топлообменниците на една или няколко бинарни системи. По този начин като при каскадното генериране се усвоява много по-голяма част от топлинната енергия на геотермалния флуид. Топлината от кондензаторите и остатъчната топлина на геотермалния флуид могат да се използват за отопление.

Използване на геотермалната енергия за не електрически цели
Оползотворяването на геотермалната енергия за не електрически цели става чрез два метода: директно ползване на хидрогеотермалните източници и индиректно усвояване на подземната топлина с термопомпи. Директната употреба е най-разпространения и най-стария метод. При него изворните или сондажни топли минерални води се използват за топло битово водоснабдяване, за локални и централни отоплителни инсталации в бита, промишлеността и селското стопанство, за балнеолечение (превенция, лечение, рехабилитация и къпане), за плувни басейни, за бутилиране на питейна вода и безалкохолни напитки. На някои места по света директната употреба на топли подземни води включва дори размразяване на пътища и тротоари, чрез прекарване на тръби под настилката им, които са свързани с геотермален резервоар. Масово се използва за отопляване и водоснабдяване на домове, промишлени обекти, парници, рибарници, СПА-центрове, за сушене на дървесина и плодове.

Индиректната употреба на геотермална енергия напоследък придобива много голяма популярност. При нея се използва земно свързана термопомпена инсталация за извличане на топлината от дълбоките земни слоеве. В земята се поставя затворена хоризонтална или вертикална тръбопроводна система, в която водата или друг топлоносител приема сравнително постоянната температура на почвата. Термопомпата използва буферната течност за охлаждане през лятото и за затопляне през зимата на малки или големи обекти в зависимост от капацитета на източника. Принципът на действие на тези системи се основава на използване на енергията на ниско потенциален източник за производството на топлинна или охладителна енергия. При използването на определени енергоносители, при този вид затворена система, е възможно преобразуването на агрегатните състояния да става и в самата земя. Друга възможност е отворената система – директно изпомпване на вода от сондаж, кладенец, езеро или река. В режим отопление енергоносителят отдава част от енергията на хладилният агент от вторичния кръг на системата, а в режим охлаждане отнема топлината и я отвежда в земята.