Tehnologije i primene

Aplikaciji geotermalnog resursa prethode brojne aktivnosti uz primenu savremenih metoda istarživanja ali i tehnika i tehnologija konverzije u korisnu energiju. Primenjene metode istraživanja i eksploatacije u mnogome zavise od potencijala geološke sredine kao i namene resusra. Primenjene tehnologije uslovljene su pojavnim oblikom resursa (agregatno stanje i temperatura) i mogu biti koncipirani za njihovu direktnu upotrebu ili upotrebu uz primenu toplotnih pumpi. Temperatura tla značajno varira u prvih nekoliko metara a tačku stabilizacije dostiže na dibini od 10-15 metar i od te dubine pa na dalje raste za 2-3 stepena na svakih 100 metara. Današnje tehnologije omogućavaju nam eksploataciju geotermalnih resursa do dubine od 5 km i temperature koje ne prelaze 4000C. U poslednje vreme sve je više projekata i pilot postrojenja koncipiranih na visokim temperaturama suvih stena smeštenih na velikim dubinama – EGS sistemi (Enhanced geothermal systems). Ovi sistemi koriste iskustva iz oblasti istraživanja nafte i gasa, posebno metodu hidrokrekinga. Opseg dubina limitiran je aktuelnim tehnologijama bušenja i ne prelazi 10 km, (OECD/IEA, 2011[1]).

Današnje tehnologije konverzije dozvoljavaju upotrebu getermalnih reusa za proizvodnju električne energije, daljinsko grejanje gradova, u industrijskim postrojenjima, zagrevnje objekata, sportso-rekretivne i banjske komplekse, porodične kuće, u poljoprivredi.

Proizvodnja električne energije je najvažniji oblik korišćenja geotermalnih izvora visokih temperatura (˃150°C). Srednje i niske temperature resursa (<150°C) su pogodne za različite tipove primene (u balneologiji, poljoprivredi, industriji, turizmu i sl.) dok se resursi ispod 20°C koriste uz primenu toplotnih pumpi (Slika 4).

Slika 4. Lindalov dijagram (dijagram delimično izmenjen, Lindal, 1973.)

 

Tehnologije valorizacije niskotemperaturnih geotermalnih resursa

Eksploatacija niskotemperaturnih geotermalnih rsursa podrazumeva upotrebu toplotnih izmenjivača koji služe za razmenu toplote između dva medijuma. Oni dolaze u direktan kontakt sa toplim vodama u otvorenim sistemima (open loop), odnosno sa radnim fluidom u zatvorenim sistemima (close loop).

Otvoreni sistemi koriste podzemne i površinske vode kao izvor toplotne energije, dok zatvoreni sistemi koriste toplotu stena kao izvor energije (petrogeotermalna energija).

Otvoreni sistem (Slika 5) se sastoji od izvora energije odnosno podzemne termalne vode, toplotne pumpe voda-voda i recipijenta koji može biti upojni bunar ili površinski vodtokovi i kanali. Princip rada jednog otvorenog sistema je sledeći: voda iz bunara dolazi do toplotne pumpe u kojoj se vrši razmena toplote (odakle se uzeta toplota pretvara u toplotnu energiju i šalje korisniku), a potom se preko upojnog bunara ohlađena vraća u izdan. Toplotne pumpe voda-voda mogu se koristiti i za režim hlađenja objekata u letnjem periodu. Princip rada je isti kao i pri grejanju, samo je proces obrnut. Fluid sistema preuzima višak toplote iz sredine koju putem toplotne pumpe vraća u upojni bunar (odnosno podzemnu sredinu), skladišti je i čuva za period kada je neophodna njena eksploatacije – period grejanja.

Slika 5. Otvoreni sitem baziran na dva bunara/bušotine[2].

Zatvoreni sistemi (Slika 6) koriste petrogeotermalnu energiju i sastoje se od izvora energije-geotermalne sonde i toplotne pumpe zemlja-voda. Rad sistema bazira se na konstantom kruženju-cirkulaciji fluida korz sistem geosondi. Sami sistemi se razliku prema položaju polaganja geotermalnih sodni na: vertikalne, horizontalne i geotermalne stubove ili geosonde, geotermalni kolektori ili energetski šipovi. U toku faze projektovanja neophodno je da se najpre identifikuje najpovoljniji izvor toplote i sistem za grejanje/hlađenje objekta mora se dimenzionisati / prilagoditi njemu. Da li će sistem biti vertikalan ili horizontalan zavisi od geologije terena, prostornih zahteva i strukturnih uslova na lokaciji. Pravilno definisan sistem zavisi od zahteva za energijom i dostupne količine toplotne energije.

Primenjena tehnološka rešenja kod zatvorenih sistema:

  • Sistemi direktne cirkulacije gde se razmena toplote odigrava direktno između kondezatora za hlađenje, toplotne pupe i tla. Prednost ovakovog sistema je visoka efikasnost, međutim njegova upotreba je opala iz ekoloških razloga. Izmenjivači toplote koji se nalaze u tlu najčešće su bili izrađivani od bakra koji je osetljiv na koroziju i oštećenja koja mogu dovesti do brojnih posledica u slučaju razlivanja tečnosti.
  • Sistemi indirektne cirkulacije bazirani su na sondi koja se nalazi između pumpe i tla u zatvorenoj petlji u kojoj pomoću vode fluid cirkuliše sa ciljem razmene energije. Efikasnost ovakvog sistema blago opada zbog gubitka energije generisanoj u samoj sondi. Ovakav sistem cirkulacije može se dalje podeliti na: horizontalne zatvorene sisteme, veritkalne zatvorene sisteme, jezerske sistem, energetske subove-šipove, toplotne cevi. U praktičnoj primeni (pored horizontalnih i vertikalnih sistema) najviše se koriste energetski stubovi koji se postavljaju u osnovu (šipove) nekog objekta. Takođe koriste se i toplotne cevi, sistem koji je jako sličan vertikalnim sistemima, ali sadrži ključnu razliku – nije potrebna toplotna pumpa kako bi se proizvela rashladna cirkulacija. Mana ovog sistema je što može da se koristi samo za grejanje.
  • Hibridni sitemi predstaljaju dopunske sisteme kada osnovni sistem ne zadovoljava energetske potrebe nekog korisnika/objekta. Tada se geotermalni resurs koristi u kombinaciji sa još nekim vidom obnovljivog izvora energije. Sa razvojem tehnologije solarni sistemi postaju sve prihavtljiviji tako da se kobinacijom getermalnog resursa i sunčeve energije mogu u potpunosti ispuniti zahtevi potrošača za toplotnom energijom. Ovi sistemi su u fazi instalacije relativno skuplji od konvencionalnog načina obezbeđenja toplotne energije ali su u eksploataciji gotov besplatni tako da je period povraćaja investicije značajno smanjen.


Kako bi sistem optimalno funkcionisao duži niz godina neophodno je optimizovati parametre rada sistema, a eksploatacija i dispozicija geotermalnih resursa mora da se odvija u skladu sa principima održivog razvoja, odnosno poštujući ekološke, geološke, hidrogeološke, ekonomske i principe višenamenskog korišćenja resursa.Slika 6. Tri različita načina polaganja geotermalnih sond zatvorenog sistema: a) vertikalni sitem, b) horizontalni istem instalisan u tlo i s) horizontalan sistem instaliran na dno jezera[3].

 

Geotermalne sonde

Geotermalne sonde ili geosonde predstavljaju cevi ispunjene fluidom, koje služe za eksploataciju petrogeotermalne energije, a zajedno sa toplotnom pumpom čine jedan zatvoren sistem. Osnovna prednost primene geotermalnih sondi je ta što mogu biti instalirane na svakom delu terena. Proizvode se od različitog materijala, dimenzija, oblika i komercijalno su dostupne. Koriste se za grejanje/hlađenje objekata različitih termičkih zahteva i različitih namena, od porodičnih kuća, poslovnih i industrijskih objekata do turističko-rekreativnih centara. Geotermalne sonde pre svega razlikujemo po načinu polaganja u tlo i delimo ih na: vertikalne geosonde, geotermalne kolektore (spiralne i horizontalne) i energetske stubove. U praksi najveću primenu našle su vertikalne sonde koje se razlikuju prema obliku cevi. Njih delimo na geosodne U profila, geosonde dvostrukog U profila i koaksijalne sonde (Slika 7,8).

Slika 7. Prikaz različitih tipova geotermalnih sondi (Stober& Bucher, 2013)

Pojedinačne U sonde predstavljaju cevi sa osnovom u obliku slova U. Duple U sonde su dve nezavisne pojedinačne U sonde instalirane u bušotini. Princip rada geosondi je sledeći: ne zagrejan fluid upušta se u sondu i na svom putu akumulira toplotu iz okolnog tla, nakon toga zagrejani fluid zaokrene svoju putanju u dnu U sonde i vraća se ka toplotnoj pumpi koja koristi izdvojenu toplotu da podigne toplotu fluida u sekundarnom ciklusu i koristi je za grejanje.

Koaksijalne sonde sadrže u centru povratnu cev koja ide ka toplotnoj pumpi.

Duple U sonde se najviše koriste u praksi. Prednost je u tome što ako se jedna sonda ošteti u bušotini, sistem može da nastavi sa radom uz upotrebu druge-samostalne U sonde (Stober & Bucher, 2013).

Dužina sonde zavisi od dizajna sistema i temperaturnih svojstava tla ali obično iznosi 100-150 m. U komercijalnoj prodaji možemo naći i sonde dužine 300 m, dok se sodne većih dužina rade namenski. Bitne osobine za proračun dužine sondi su termalna provodljivost individualnih slojeva, površinski prenos toplote, klimatskih karakteristika određenog rejona. Standardni spoljašni prečnik sonde U profila iznoi 32 mm, a mogu se naći i one od 25, odnosno 40 mm. Spoljašnji prečnik koaksijalnih sondi je 63 ili 50 mm, a mogu se naći i od 40 mm. Unutrašnji prečnik sondi varira i može biti 25,32 i 40 mm.

Ispuna u sonda, odnosno fluid, takođe može biti različit. Kao fluid koristi se: voda, etilen-glikol 25%, etanol 25%, propilen glikol 30%, kalcijum hlorid 20%, metanol 25%.

Cevi sonde su obično napravljene od polietilena (PE 100). Specifikacija cevi propisuje da su one prilagođene za rad pod pritiskom od 16 bara.

Slika 8. Prikaz poprečnog preseka različitih tipova geosodni (VDI 4640)

U praktičnoj primeni najviše se koriste horizontalne i veritkalne geotermalne sonde. Horizontalni geotermalni kolektori koriste toplotnu energiju tla za grejanje objekata. Zbog načina instalacije i površine terena koje zahvataju (>200 m2) nisu pogodni za primenu u gradskim i gusto naseljenim terenima. Horizontalni sistemi obično su izrađeni od plastičnih cevi koje su instalirane u horizontalnom položaju na dubini od 1,2 – 1,5 m.

Vertikalne sisteme (vertikalne sonde) ugrađujemo u bušotine i one predstavljaju plitke geotermalne sisteme za razmenu toplotne energije. Da bi izvršili proces uzimanja toplote, rastvor (čista voda ili voda sa dodatkom freona) upušta se kroz sondu koja je povezana sa toplotnom pumpom. Sistemima je neophodna toplotna pumpa kako bi se fluid od kojeg smo uzeli toplotu vratio u dublje delove bušotine i ponovo zagrejao, odnosno kako bi obezbedili kontinualni kružni ciklus. Pre nego što se sistem instalira radi se studija tla u cilju dobijanja podataka vezanih za geologiju terena. Nakon toga potrebno je uraditi i procenu troškova bušenja koji predstavljaju najveći deo budžeta namenjenog za instaliranje sistema. Prvi korak u instalaciji sistema je vertikalno bušenje prečnika 75-200 mm, dubine od 30 do 300 m. Ispravna instalacija geosondi i precizno odrađena bušotina predstavljaju osnov za dobar rad sistema.

 

Toplotne pumpe

Toplotne pumpe su uređaji koji obezbeđuju energiju za grejanje/hlađenje objekata. To su uređaji pomoću kojih se toplotna energija prenosi iz jedne sredine u drugu (Slika 9). Prednost toplotnih pumpi je u tome što se za prenos energije troši odeđena količina energije koja je nekoliko puta manja od prenete. Princip rada toplotnih pumpi je sledeći: fluid od kojeg se toplota oduzima dovodi se sa isparivačke strane uređaja, dok se fluid kome se toplota predaje dovodi sa kondenzatorske strane uređaja. Generalna podela toplotnih pumpi izvršena je prema izvoru energije na: toplotne pumpe voda – voda, zemlja – voda i vazduh – voda. Važno je napomenuti da se kod toplotnih pumpi voda – voda koriste i druge tečnosti pogodne za razmenu toplote, a takođe umesto vazduha koriste se i durgi gasovi. Toplotne pumpe voda – voda deo su otvorenog sistema, a zemlja – voda deo zatvorenog aplikaciong sistema. Mogućnost primene toplotnih pumpi zavisi od količine toplote koju mogu oduzeti od resursa. Kako bi koristili toplotnu pumpu neophodna nam je električna energija. Retko se za upotrebu toplotne pumpe koristi toplotna energija i to je slučaj kod objekata velikih kapaciteta.

U rashladnom ciklusu toplotna pumpa koristi freon (vrsta plinova koji se upotrebljavaju u rashladnim sistemima). Karakteristike freona određuju karakteristike toplotne pumpe sa aspekta njene efikasnosti i mogućnosti primene u sistemima. Kriterijum za izbor freona su njegove energetske perfomanse: tačka ključanja, tačka kondenzacije, radni pritisak i ekološki odnos freona prema životnoj sredini. Brojni su faktori koji određuju korišćenje freona, a to su: toksičnost, zapaljivost, tačka ključanja, tačka isparavanja, brzina kondenzacije, radni pritsak, cena itd. Danas se u najvećem broju slučajeva koriste: R 134a, R 407C, R 410a, R 717-amonijak. Kao najefikasni freon pokazao se R 410a, sa obzirom na izlaznu temperaturu i iz razloga što ne utiče na smanjenje toplotnog kapaciteta pumpe. Freon koji se takođe često koristi je amonijak R 717- uticaj amonijaka na globalno zagrevanje je 0.

Evropska asocijacija toplotnih pumpi (ENRA)[4] objavila je plan razvoja korišćenja toplonih pumpi do 2020. godine:

  • Instalisani kapaciteti: 35,6 GWth
  • Obezbeđena energija: 191,62 TWhth
  • Povećanje upotrebe obnovljivih izvora energije: 131,1 TWh
  • Smanjenje emisije gasova staklene bašte: 34,4 Mt
  • Smanjenje potrošnje finalne energije: 165,2 Twh
  • Smanjenje potrošnje primarne energije: 80,2 Twh
  • Ukupan broj prodatih jedinica: 14,5 miliona

Slika 9. Šematski prikaz rada toplotne pumpe (http://totpromet.rs/pages/prodajni-program/toplotne-pumpe.php)

 

Direktna upotreba geotremalnih resursa

Direktna upotreba hidrgeotermalnih potencijala je svakako najznačajniji oblik primene geotermalnih resursa, sa tendencijom daljeg rasta (Slika 10). Sistemi za centralizovano snadbevanje toplotnom energijom gradova i opština (toplane za daljinsko grejanje) su trenutno u najdinamičnijem razvoju i imaju najveću perspektivu za razvoj u narednim godinama. Direktna upotreba resursa koristi geotermalne rezervoare temperatura od 40 do 180°C u formi toplih (fluida) voda ili zasićene pare pod pritiskom. Mogućnosti primene se razlikuju u zavisnosti od energetskog intenziteta resursa. Direktna upotreba resursa zasniva se na bušenju bunara kroz geotermalni rezervoar kako bi se obezbedila topla voda ili para. Toplota se prenosi vodom kroz bunar i mehanički deo sistema (sonde, toplotna pumpa i sistem za kontrolu) do krajnjeg potrošača. Direktna upotreba resursa danas se najviše koristi za grejanje zgrada, plastenika i u industriji.[5]

Slika 10. Upotreba geotermalnih resursa, direktno korišćenje bez toplotnih pumpi, u Svetu tokom 2015. godine, izraženo u procentima ukupnog instalisanog kapaciteta (MWt) (Lund & Boyd, 2015)

 

Daljinsko grejanje: U Evropi postoji preko 5000 sistema za daljinsko grejanje od kojih 240 koristi geotermalne resurse. Regioni koji su imali najbolje hidrotermalne potencijale su oni koji su među prvima koristili geotermalnu energiju za zagrevanje prostorija, međutim sa razvojem tehnologije i sistema povećava se i broj regiona. Sistemi mogu biti mali (od 0,5 do 2 MWth) i veliki sa kapacitetima od 50 MWth. Nekim novim sistemima za daljinsko grejanje mogu se koristiti i plitki geotermalni resursi uz velike toplotne pumpe. Mnogi sistemi za daljinsko grejanje zasnivaju se na povoljnim geotermalnim uslovima sa resursima visoke entalpije kao i na dvostrukim konceptima toplotne ekstrakcije. Savremeni geotermalni dupleti uključuju bušenje dva bunara: eksploatacioni i injekcioni bunar. Instaliranje ovakvih sistema za daljinsko grejanja u veoma urbanim područjima poboljšava ekonomiju projekta jer resurs i potražnja za resursom moraju biti geografski usklađeni. U zavisnosti od temperature gotermalnog resursa moguće je primenjivati i hibridne sisteme koji uključuju topltne pumpe i/ili konvencionalne kotlove u cilju dostizanja viših temperatura. U budućnosti se očekuje razvoj hibridnih sistema koji koriste geotermalne resusre u kombinaciji sa biomasom i solarnim resursima.

Jedan od značajnijih izazova u trenutnoj ekonomskoj krizi odnosi se na finansiranje i razvoj novih infrastruktura toplotnih mreža. Ponovno opremanje postojećih sistema za daljinsko grejanje predstavlja alternativu kada govorimo o razvoju ovog tržišta. Glavne prednosti sistema daljinskog grejanja su obezbeđivanje lokalnih i fleksibilnih obnovljivih izvora energije, diverzifikacija energetskog miksa i zaštita od nestabilnih i rastućih cena fosilnih goriva. Korišćenje geotermalnih resursa može pružiti mogućnost ekonomskog razvoja zemlje u vidu poreza, izvoza tehnologije i radnih mesta.[6]

Slika 11. Broj geotermalnih toplana u primni i u fazi izgradnje, razvoja i palniranja u Evropi (EGEC, 2018[7])

 

Geotermalni resursi u finkciji proizvodnje električne energije

Kako bi iz geotermalnog izvora toplote dobili električnu energiju neophodano je da isti ima temperature od 100 i više °C.  Izvori temperature ispod 100°C nisu ekonomski isplativi za dobijanje električne energije.

Geotermalne elektrane na suvu paru (Dry steam plants) (Slika 12) kao uređaj za konverziju koriste parne turbine koje su dizajnirane tako da direktno koriste fluide koji se stvaraju u polju pare i imaju niske pritiske i velike zapremine. Ovaj tip geotermalnih elekrana obično koristi kondenzacione turbine i paru od 150°C i preko. Para koja ulazi u turbinu treba da bude najmanje 99,995% suva kako bi se izbegla erozija turbina ili komponenti cevovoda. Parne elektrane su raspona veličine od 8 do 140 MW.

Slika 12. Tehnološka šema elektrane na suvu paru (IRENA, 2017C)

Flash plants (Slika 13) predstavlja najčešći tip geotermalnih elektrana koje su danas u upotrebi. Jako su sliče sa elektranama koje koriste suvu paru, razlika je u tome što se para dobija u procesu razdvajanja koji se naziva treperenje-flashing. Para se zatim usmerava na turbine, a dobijeni kondezat se šanje na ponovno ubrizgavanje. Temperatura fluida pada ako se pritisak spusti, tako da ove elektrane najbolje funkcionišu kada bunari imaju temperaturu preko 180 °C. Elektrane se razlikuju po veličini u zavinosti da li su postrojenja od jedne (0,2-80 MW), dvostruke (2-110 MW) ili trostruke (60-150 MW) flash elektrane.

Slika 13. Tehnološka šema dvostruke Flash elektrane (IRENA, 2017C)

Binarne elektrane (Binary plants) (Slika 14) najčešće se koriste kad imamo resurse niske ili srednje entalpije, pa je neophodna toplotna pumpa ili zatvoreni sistem. Ove elektrane se koriste za temperature resursa između 100 i 170 °C. Moguće je raditi i sa temperaturama ispod 100 °C ali smanjuje se mogućnost dobijanja električne energije, umesto nje dobijamo toplotnu. Binarne elektrane mogu biti veličina ispod 1 pa do 50 MW.

Slika 14. Tehnološka šema binarne elektrane (IRENA, 2017C)

Kombinovane ili hibridne elektrane (Combined-Cycle or Hybrid Plant) (Slika 15): Rad ovih elektrana se zasniva na upotrebi dva resursa rauzličitnog izvora, kada toplota jednog resursa nije u mogućnosti da zadovolji zahteve za dobijanje električne energije (niska temperatura resursa). Veličina ovih elektrana je obično do 10 MWe, (IRENA, 2017[8]).

Slika 15. Tehnološka šema kobinovne elektrane (IRENA, 2017)

Na teritoriji Republike Srbije za sada nisu otkriveni izvori geotermalni resursi iz kojih bi se mogla proizvoditi elekrična energija.

 


[8] IRENA (2017), Geothermal Power: Technology Brief, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi