Geotermalna energija

V podjetju Vrtine Palir s.p. vam v povezavi s svojimi partnerji nudimo celostne rešitve na področju rabe geotermalne energije.

Geotermalna energija ima številne prednosti pred tradicionalnimi viri energije, ki temeljijo na fosilnih gorivih. Na voljo je namreč štiriindvajset ur na dan in ni pod vplivom sezonskih sprememb, vremena in podnebnih razmer. V mnogih državah po svetu se geotermalna energija že uporablja tako za proizvodnjo električne energije ali pa se dovaja neposredno v omrežja daljinskega ogrevanja. Zlasti v regijah z geološko ugodnimi pogoji (npr. regijah t.i. Pacifiškega ognjenega obroča ter regije z višjo vulkansko aktivnostjo in temperaturo prek 200 °C), geotermalna energija predstavlja trdno osnovo za okolju prijazno, stroškovno učinkovito in trajnostno proizvodnjo energije. Z uporabo geotermalne energije se tako zmanjšuje uporaba fosilnih goriv, zaradi tega se zmanjšujejo tudi emisije toplogrednih plinov.

Potencial geotermalne energije je ogromen, saj celoten geotermalni sistem po nekaterih ocenah vsebuje več kot 50000 krat več energije, kot pa se je v optimalnih pogojih lahko pridobi iz naftnih goriv in zemeljskih plinov po vsem svetu. Geotermalni viri se nahajajo v različnih globinah, lahko so zelo blizu zemeljski površini, lahko pa so to več kilometrov globoki hranilniki tople vode in vodne pare, ki se lahko privedejo do zemeljske površine in izkoriščajo.

Zemljina notranja termalna energija potuje proti površju s prevajanjem v višini 44,2 teravatov (TW) in se obnavlja z radioaktivnim razpadom mineralov v višini 30 TW. Količina te energije je več kot dvakrat višja od celotne trenutne človeške porabe energije iz vseh primarnih virov, vendar se žal večina tega energetskega toka izgubi ali pa je nedosegljiv za izkoriščanje energije. Poleg notranjih toplotnih tokov se vrhnja plast površine do globine 10 m segreva tudi s sončno energijo poleti, pozimi pa se ohlaja in to energijo sprosti.

Izven sezonskih nihanj je geotermalni gradient temperatur skozi skorjo nekje od 25-30 °C na kilometer globine v večini držav po svetu. Povprečen prevodni toplotni tok je 0,1 MW/km2. Vrednosti so pa precej višje v bližini mej tektonskih plošč, kjer je zemeljska skorja tanjša. Te vrednosti se lahko nadalje povečajo s kroženjem tekočin, bodisi prek magmatskih kanalov, vročih vrelcev, hidrotermalnega kroženja ali pa kombinacije teh.

V naravi se geotermalna energija največkrat pojavi kot vulkan, izvir tople vode ali gejzirja. V nekaterih državah, se geotermalna energija uporablja že tisočletja v obliki zdravilišč. Vendar se razvoj znanosti ni omejil le na področje medicinske uporabe geotermalne energije, ampak se je geotermalna energija usmerila v proces pridobivanja električne energije, ogrevanja domov in industrijskih obratov.

Geotermalna toplotna črpalka lahko pridobi dovolj toplotne energije iz plitkih tal kjerkoli na svetu, da lahko zagotavlja ogrevanje domov, industrijske aplikacije pa potrebujejo višje temperature iz globokih virov. Toplotna učinkovitost in ekonomičnost proizvodnje električne energije sta še posebej občutljivi na temperaturo. Za bolj zahtevne aplikacije je vsekakor najbolj optimalno koriščenje naravnih visokotemperaturnih tokov, idealno toplotnih vrelcev. Druga najboljša možnost je vrtina neposredno v naravni zbiralnik vroče vode. Če ustreznega naravnega zbiralnika ni na voljo, se le-ta lahko umetno zgradi z nadtlačnim vbrizgavanjem vode v globino, s čimer hidravlično zdrobimo skalni temelj in ustvarimo zadosten prostor za temperaturni medij. Ta zadnji pristop ima veliko večji potencial kot pa konvencionalno izkoriščanje naravnih vodnih virov.

Geotermalna energija je zanesljiva, ker ni odvisna od vremenskih vplivov, kot so na primer solarni sistemi, ki ne zmorejo delati ponoči in so tudi podnevi odvisni od vremenskih pogojev. Energija se lahko iz geotermalnih virov proizvaja 24 ur na dan. Raba te vrste energije je okolju prijazna, obratovalni stroški so nizki, izkoristki visoki.

Različne tehnologije in aplikacije tehnologij

Odvisno od globine vrtanja, obstajata dve glavni možnosti geotermalne energije; globoka geotermalna energija in plitva ali skoraj površinska geotermalna energija. Natančne opredelitve ni, ampak minimalna globina 400 metrov (meja postavljena v nemškem združenju inženirjev (VDI), smernica 4640) je običajno sprejeta kot ločnica za globoko geotermalno energijo. Globoka geotermalna energija se lahko uporablja tako za proizvodnjo električne energije v elektrarnah kot tudi za dovajanje toplote v večja ogrevalna omrežja za industrijsko proizvodnjo ali za ogrevanje stavb. Ena od prednosti te vrste oskrbe z energijo v primerjavi z drugimi obnovljivimi viri energije je, da globoka geotermalna energija ni podvržena sezonskim ali dnevnim temperaturnim fluktuacijam, zaradi česar je stalno na voljo.

Globoka geotermalna energija je nadalje razdeljena na hidrotermalne in petrotermalne geotermalne energije ter globoke geotermalne sonde. Hidro geotermalna energija uporablja vročo vodo, ki se črpa neposredno iz podzemnih rezervoarjev, ki se nahajajo na velikih globinah. Vodonosna plast kamnin (“vodonosnik”) bi morala imeti zelo veliko vertikalno in lateralno distribucijo za zagotovitev dolgoročne produktivnosti vrtine. Odvisno od pretoka in temperature termalne vode, se hidrogeotermalna energija lahko uporablja za generiranje toplote in/ali električne energije, za slednjo mora temperatura vode presegati 100 °C. Vroča voda poganja parne turbine, lahko pa se uporabi tudi za druge toplotne odjemalce, kot so gospodinjstva ali pa industrijski obrati. Ohlajena termalna voda se po koriščenju toplotne energije vrača v kamnino skozi sekundarno vrtino (“reinjection well / reinjicirno vrtino“).

Uporaba globokih toplotnih rezervoarjev z malo ali nič vodnimi viri se imenuje petrotermalna geotermalna energija. Suhi sloji kamnin (kristalne in gosto sedimentne kamnine) na globini 3-6 kilometrov, z visokimi temperaturami (nad 150 °C) lahko služijo kot zbiralniki. Ti so dostopni preko dveh ali več vrtin. Hidravlični in kemično stimulacijski procesi (Napredni geotermalni sistemi, EGS) se uporabljajo za izdelavo razpok v tleh. Hladna voda se nato črpa pod visokim pritiskom navzdol po vrtini v skalo, kjer se segreje in se na površino vrne po drugi vrtini. Ta vroča voda nato segreva delovno tekočino z nizkim vreliščem (tako imenovano Kalina cycle in Organic Rankine Cycle, ORC), ki proizvaja paro za turbine. Toplota se lahko napaja tudi v omrežja za daljinsko ogrevanje s pomočjo toplotnega izmenjevalca.

Geotermalna sonda

Geotermalna sonda

 

Globoka geotermalna sonda je zaprt sistem za pridobivanje geotermalne energije. Sestavljena je iz ene vrtine in sicer v globini več kot 400 metrov do več tisoč metrov. Tako imenovane dvocevne sonde se vstavijo v vrtino do globine 4000 metrov. Voda kroži skozi te sonde v zaprtem krogu. Toplota iz vode, segrete na globini, se izloči na površini in prenese v tokokrog toplotne črpalke. Pridobljena energija se uporablja kot procesna toplota v industriji, komercialno uporabo pri višjih temperaturah in kmetijsko uporabo pri nižjih temperaturah. Ker večinski del stroškov za globoke geotermalne sonde – kot za vse ostale globoke geotermalne projekte – zajema sam strošek vrtine, je ekonomsko najbolj optimalno, če se v ta namen lahko uporabijo obstoječe vrtine. Vsekakor pa je potrebno poudariti, da majhna površina toplotnega izmenjevalnika sonde hkrati tudi pomeni, da proizvodnja električne energije ni ekonomična tudi pri visokih temperaturah.

Plitka geotermalna sonda izkorišča toplotno energijo iz zgornjih plasti zemlje (do 400 metrov) in podtalnice. Ta energija nastaja pod vplivom toplote, ki jo oddaja sonce in dovoda toplotne energije iz notranjosti zemlje na površino. Primerna je za ogrevanje in hlajenje stavb ter za ogrevanje vode. V zgornjih zemeljskih plasteh, do globine približno 20 metrov ter odvisno od geoloških pogojev, do največ 40 metrov, so temperature odvisne od sezonskih nihanj. Na globini okoli 20 metrov, prevlada ravnotežje med zunanjo in notranjo temperaturo zemlje. Na tej globini podnebna nihanja niso več zaznavna, temperatura pa je konstantno nekje v višini povprečne letne temperature na tej lokaciji. V Sloveniji so temperature na globini 10 – 20 m povprečno nekje med 8-12 °C, z globino pa se temperatura povečuje v povprečju za okoli 3 °C na vsakih 100 metrov globine in doseže temperaturo od 20 – 25 °C na globini 400 metrov. Toplota, ki izhaja iz tal pa je seveda odvisna tudi od lastnosti tal in kamnin.

Za izkoriščanje geotermalne energije se uporabljajo različni sistemi, kot so toplotne črpalke v kombinaciji z energetskimi piloti, geotermalni toplotni zbiralci, geotermalne toplotne sonde in druge talno-kontatne enote. Če je sistem optimalno nastavljen, lahko toplotna črpalka izboljša notranjo klimo in znatno zmanjša stroške energije potrebne tako za ogrevanje kot hlajenje prostorov. Talne toplotne črpalke zvišajo prevladujočo temperaturo tal na temperaturo, ki je zaželjena v notranjih prostorih objekta, s pridobivanjem toplote iz tal v cirkulatornem procesu. Toplotne črpalke lahko delujejo tudi obratno, za zagotavljanje potrebnih hladilnih kapacitet. Kot vir toplote lahko uporabijo tudi okoliški zrak, vendar je temperatura tega, ko je potreba po ogrevanju največja, tudi najnižja, kar znatno znižuje učinek toplotne črpalke. Za delovanje toplotne črpalke je potrebna zunanja energija kar lahko, odvisno od zunanjih pogojev, predstavljaja 25 do 50 odstotkov donosa skupne energije, ki se uporablja za toploto. Razpoložljivi sistemi se med seboj razlikujejo po vrsti pogonske enerhije, ki jo potrebujejo za obratovanje: kompresijske toplotne črpalke potrebujejo mehanski pogon, medtem ko absorpcijske toplotne črpalke uporabljajo energijo iz samega vira toplote. Slednje je mogoče upravljati tudi z energijo plina, nafte, energijo odpadkov in sončne toplote, z visokim razmerjem učinkovitosti v zvezi z uporabo primarne energije.

Energetski piloti zahtevajo globoke betonske pilote, membranske stene ali druge podzemne statične betonske komponente, ki so opremljene s plastičnimi cevmi, skozi katere kot transportni medij teče voda in tako izkorišča geotermalno grelno ali hladilno energijo. Geotermalna toplota ogreva mrzlo vodo betonskih pilotov, topla voda pa skozi sistem toplotnih črpalk oddaja potrebno toplotno energijo za ogrevanje stavb. Isti sistem se lahko uporablja tudi za hlajenje v poletnih mesecih.

Geotermalni toplotni zbiralniki so nameščeni vodoravno v globini od 80 do 160 cm, z operativnimi temperaturami, ki so močno pod vplivom prevladujočih površinskih vremenskih pogojev. Zahtevajo več prostora kot energetski piloti ali zemeljske geosonde (glej spodaj), za enodružinski dom je potrebna površina približno 200-250 m2. Prenosni medij toplote kroži skozi sistem cevi toplotnega zbiralnika in prenaša toploto tal do toplotne črpalke.

Zemeljske geosonde so sistem, ki se najpogosteje uporablja v srednji in severni Evropi. Nameščene so na globini 50 do 250 metrov, zahtevajo malo prostora in uporabljajo najbolj konstanten vir toplotne energije. Sonde so običajno nameščene kot vertikalne vrtine, v katere so vstavljene plastične cevi (HDPE). Medij za prenos toplote kroži skozi sistem cevi, absorbira toploto iz okoliške zemlje in jo prenaša do toplotne črpalke. Ta metoda je učinkovita v sistemih različnih velikosti, od manjših bivalnih enot, do celotnih stanovanjskih sosesk, pisarniških kompleksov in infrastrukturnih objektov, ter zagotavlja tako ogrevanje kot tudi hlajenje.