Jak działają elektrownie geotermalne?

Elektrownie geotermalne umożliwiają wydobycie energii zakumulowanej na głębokości nawet 4 km. Jak to możliwe?

Z artykułu dowiesz się:

• Czym charakteryzują się elektrownie geotermalne?
• Jakie wyróżniamy ich rodzaje?
• Jakie są wady i zalety elektrowni geotermalnej?
• Czym wyróżniają się elektrownie geotermalne w Polsce, Europie i na świecie?

Energia geotermalna jest jednym z najtrudniejszych do pozyskania odnawialnych źródeł energii. Mimo to na świecie powstają kolejne elektrownie geotermalne. Czemu zawdzięczają rosnącą popularność?

Czym są elektrownie geotermalne i jak one działają?

Energia geotermalna znajduje się w skałach, gruntach oraz płynach wypełniających szczeliny, a także pory skalne. Powstawanie złóż geotermalnych jest możliwe dzięki obiegowi wody, która wnika do wnętrza ziemi. Następnie, dzięki kontaktowi z aktywnymi ogniskami magmy lub intruzjami nagrzewa się do wysokiej temperatury. Nagrzana woda może przedostawać się do powierzchni ziemi, przyjmując postać pary/gorącej wody lub tworzyć zalegające na dużych głębokościach złoża. Schemat działania elektrowni geotermalnej przypomina tradycyjne elektrownie parowe (jeśli temperatura wyniesie ponad 300°C). W przeciwnym wypadku konieczne jest użycie dodatkowego obiegu z odpowiednim czynnikiem roboczym. Działanie elektrowni zależy od jej rodzaju. W pierwszej sytuacji możemy mieć do czynienia z elektrowniami jednoczynnikowym, a więc z systemem, w którym głównym źródłem zasilania są zasoby geotermalne. Złoże, przyjmując postać pary, trafia na turbinę, po czym przedostaje się do skraplacza, który odpowiada za zmianę jej stanu skupienia na ciekły. Elektrownia tego typu osiąga 30% swojej sprawności elektrycznej.

Inaczej sytuacja będzie wyglądać w przypadku elektrowni dwuczynnikowych, zwanych również binarnymi. W obiekcie tego typu woda przedostaje się do parownika, który pełni funkcję kotła parowego. Oddane ciepło jest transportowane do drugiego obiegu z czynnikiem roboczym charakteryzującym się niską temperaturą wrzenia. Sprawność takiej elektrowni jest znacznie mniejsza niż tej opisywanej wcześniej — wynosi bowiem od 10 do 15%. Działanie pierwszej z elektrowni nie jest skomplikowane. Para geotermalna lub woda jest uzyskiwana przynajmniej dzięki dwóm odwiertom. Jeden obieg jest eksploatacyjny, natomiast drugi — zatłaczający. Potrzebne jest gorące medium, które po przejściu przez turbinę jest zatłaczane. W sytuacji, w której niemożliwe jest pobranie wody, korzysta się z obiegu zamkniętego. Funkcją jednego z obiegów jest zatłaczanie zimnej wody obiegowej do złoża, dzięki czemu możliwe jest ogrzanie wody. Drugi z nich wraca na powierzchnię, co umożliwia napędzenie turbin. Należy dodać, że działanie elektrowni drugiego rodzaju jest bardziej złożone, ponieważ nie wykorzystują powszechnie stosowanego układu wodno-parowego. Te w swojej pracy wykorzystują inne nośniki energii. Ich ciepło parowania stanowi tak naprawdę niewielki procent parowania wody, w związku z czym mogą być używane przy niewielkich temperaturach złoża geotermalnego, które je podgrzewa. Działanie elektrowni dwuczynnikowych opiera się na trzech obiegach. Pierwszy z nich nosi nazwę obiegu geotermalnego i jest odpowiedzialny za pobór medium geotermalnego, oddanie ciepła na wymienniku, a także ponowne jej zatłoczenie do złoża. W drugim obiegu zwanym obiegiem termodynamicznym krąży nośnik energii o niskiej temperaturze wrzenia. Najczęściej jest pochodzenia organicznego (np. amoniak, dwutlenek węgla, czy izopentan). To właśnie on odbiera ciepło w wymienniku, po czym transformowany jest do postaci parowej. Cały proces zachodzi w temperaturze od 60 do 80°C. Następnie zostaje przeniesiony na łopaty turbiny, wprawiając je w ruch obrotowy i napędzając tym samym generator prądu. Trzeci obieg odpowiada za schłodzenie czynnika roboczego na skraplaczu. W tym etapie korzysta z zimnej wody, która nie ma jednak bezpośredniego kontaktu z czynnikiem. Chłodzenie może przebiegać w chłodniach kominowych.

Rodzaje elektrowni geotermalnych

Opisując sposób działania elektrowni geotermalnych, przybliżyliśmy ich rodzaje oraz charakterystykę. Tylko dzięki temu mogliśmy przedstawić sposób działania każdej z nich.

Elektrownie geotermalne dzielimy na:

• elektrownie jednoczynnikowe,
• elektrownie dwuczynnikowe (binarne).

Elektrownie geotermalne można również podzielić w zależności od czynnika roboczego na:

• elektrownie geotermalne wykorzystujące parę mokrą — z odwiertów płynie para z wodą o wysokiej temperaturze oraz ciśnieniu. Wydzielona sucha para trafia do turbiny;
• elektrownie geotermalne wykorzystujące parę suchą — najprostsze instalacje pod kątem technicznym. Jednocześnie są jednymi z najbardziej sprawnych energetycznie. Sucha para (o temperaturze przekraczającej 200°C) pozyskana z odwiertów trafia do turbiny parowej, po czym się skrapla;
• elektrownie geotermalne z czynnikiem pośredniczącym — instalacje tego typu korzystają zarówno z ciepła uzyskanego dzięki odwiertom, jak i z niskowrzącej substancji pośredniczącej. Para trafia do turbiny, co ostatecznie napędza generator.

Wady i zalety elektrowni geotermalnych

Elektrownie geotermalne mają nie tylko zalety, ale i pewne wady. Jakie dokładnie?

Największe elektrownie geotermalne w Polsce, w Europie i na świecie

Jakie są największe elektrownie geotermalne w Polsce? W naszym kraju największą inwestycją tego typu jest Geotermia Podhalańska. Powstała w grudniu 1993 r. Jej siedziba znajduje się w Bańskiej Niżnej, a biuro — w Zakopanem. Moc cieplna Geotermii wynosi 81,5 MW. Elektrownia specjalizuje się w produkcji oraz dystrybucji ciepła pozyskiwanego z wód geotermalnych. Jej celem jest zapewnienie prawidłowego funkcjonowania centralnego ogrzewania, klimatyzacji, balneoterapii oraz uzyskanie ciepłej wody użytkowej, a także zadbanie o wysoki poziom turystyki i rekreacji. Elektrownie geotermalne w Europie charakteryzują się większą mocą cieplną. Największą z nich odnotowują Włochy, w których łączna moc cieplna elektrowni geotermalnych wynosi 944 MW. Ciekawostką jest, że pierwsza eksperymentalna instalacja geotermalna na świecie została otwarta w 1904 roku w Larderello we Włoszech. Dzięki energii zawartej w parze wodnej pochodzącej z wnętrza Ziemi wytworzyła energię elektryczną. Elektrownie geotermalne na świecie również charakteryzuje duża moc cieplna. Państwami, które dysponują największymi mocami zainstalowanymi w elektrowniach geotermalnych, są: Stany Zjednoczone (3722 MW), Indonezja (2276 MW) oraz Filipiny (1918 MW).

Pozyskiwanie energii elektrycznej z wód geotermalnych jest jednym z najtrudniejszych przedsięwzięć. Rozwój technologii oraz konieczność dbania o środowisko z pewnością sprawią, że geotermia stanie się popularniejsza. Jeśli dodamy do tego zmniejszenie kosztów inwestycji elektrowni geotermalnych, ich popularyzacja wydaje się jeszcze bardziej prawdopodobna.

Najczęściej zadawane pytania: