Page 1
GENERACJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM
PŁYNÓW GEOTERMALNYCH
Autor: Aleksander Andrzej Stachel
(„Rynek Energii” – 6/2019)
Słowa kluczowe: energia geotermalna, elektrownie geotermalne
Streszczenie. Najbardziej oczekiwanym sposobem wykorzystania energii zawartej w gorących płynach geoter-
malnych pozyskiwanych z wnętrza Ziemi, jest jej użycie do generacji energii elektrycznej. Wynika to przede
wszystkim z dogodnego sposobu dystrybucji i konwersji prądu elektrycznego w inne użyteczne formy energii.
Elektrownie geotermalne działają w 24 krajach, pracując w oparciu o różne rozwiązania techniczne i technolo-
giczne, wynikające z parametrów pozyskiwanego geotermalnego nośnika ciepła. W artykule scharakteryzowano
stan elektroenergetyki geotermalnej na świecie, omówiono zasady działania elektrowni geotermalnych, a także
przedstawiono możliwości budowy tego typu instalacji w Polsce.
1. WSTĘP
W 1904 roku, w miejscowości Larderello położonej w południowej Toskanii (Włochy), uru-
chomiono pierwszą eksperymentalną instalację wytwarzającą prąd elektryczny, w której wy-
korzystana została jako źródło ciepła para wodna pozyskana bezpośrednio
z wnętrza Ziemi. Dziesięć lat później, w 1914 roku rozpoczęła na tym terenie pracę komer-
cyjna elektrownia z turbogeneratorem o mocy 250 kW [4]. Wiek później, w 2015 roku, pracu-
jące na świecie elektrownie geotermalne dysponowały mocą elektryczbą 12640 MW. Prognozy
rozwoju tego działu geoenergetyki zakładają, że w 2020 roku moc elektrowni powinna osiągnąć
wartość 21400 MW [2].
10 000
20 000
30 000
40 000
50 000
60 000
70 000
80 000
0
2 500
5 000
7 500
10 000
12 500
15 000
17 500
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Pro
du
kcja
en
ergi
i,G
Wh
Mo
c za
inst
alo
wan
a, M
W
Moc zainstalowana Produkcja energii
Rys. 1. Moc zainstalowana i ilości wytwarzanej energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych
w latach 1950 – 2015 [2]
Page 2
Największą moc zainstalowaną i największą ilość wytwarzanej energii elektrycznej wykazują
kraje charakteryzujące się wyjątkowo korzystnymi warunkami geotermalnymi (tabela 1). Rów-
nież największy przyrost mocy elektrycznej instalacji wytwórczych, odniesiony do danych z
2010 roku, odnotowano w krajach o dobrych warunkach geotermalnych, to jest w Kenii (392
MW), Stanach Zjednoczonych (352 MW), Turcji (306 MW), Nowej Zelandii (243 MW) i
Indonezji (143 MW) [3].Większość elektrowni geotermalnych jest zlokalizowana na terenach o
znacznej aktywności tektonicznej i wulkanicznej, charakteryzujących się dużymi zasobami
zgromadzonego w skorupie ziemskiej ciepła w postaci pary i gorącej wody.
Tabela 1. Najwięksi światowi producenci energii elektrycznej z energii geotermalnej [2]
Kraj Moc zainstalo-
wana, MW
Wytworzona
energia, GWh
Stany Zjednocz. 3 450 16 600
Filipiny 1 870 9 646
Indonezja 1 340 9 600
Meksyk 1 017 6 071
Nowa Zelandia 1 005 7 000
Wg materiałów European Geothermnal Congress EGC-2019 [9], w 2018 roku istniejące w
dziewięciu krajach Europy elektrownie geotermalne dysponowały mocą 2960 MW. Odnoto-
wany przyrost mocy w stosunku do mocy w roku 2018 wyniósł 29%, zaś do mocy w roku 2015
- 38,8%. Prognozy rozwoju geoenergetyki zakładają, że w 2025 roku moc elektrowni w Europie
osiągnie wartość 3890 MW. Największą mocą zainstalowaną dysponują i jednocześnie są
największymi producentami energii: Turcja (1282,5 MW, 6763,2 GWh), Włochy (915,5 MW,
6064 GWh) oraz Islandia (661 MW, 5003 GWh). Należy podkreślić szczególnie dynamiczny
rozwój elektrowni geotermalnych w Turcji (2015 rok - moc 397 MW, 2018 rok – moc 1282,5
MW).
Ze względu na zasadę działania i parametry pracy elektrownie geotermalne są klasyfikowane
w trzech grupach obejmujących: elektrownie na parę suchą, elektrownie na parę mokrą (z
rozprężaniem płynu geotermalnego) i elektrownie z czynnikiem pośredniczącym (tzw. binar-
ne). Rodzaj elektrowni (systemu konwersji energii) wynika przede wszystkim z parametrów
pozyskiwanego geopłynu, a zwłaszcza jego temperatury i stanu termodynamicznego (tabela
2), przy czym podane wartości nie są uważane za krytyczne.
Tabela 2. Zależność typu elektrowni geotermalnej od temperatury płynu geotermalnego [3,4]
Temperatura
geopłynu, °C Typ elektrowni
180–300↑ System bezpośredni
(para sucha)
200–320 System z rozprężaniem wody
(para mokra)
125–165 System z czynnikiem
pośrednim (binarny)
Page 3
Z przeprowadzonej oceny ilościowej i jakościowej elektrowni geotermalnych istniejących na
świecie wynika (tabela 3), że w 2015 roku największy udział pod względem wielkości mocy,
a także produkcji energii elektrycznej, miały w kolejności: siłownie parowe z tzw. Jedno-
stopniowym rozprężaniem (odpowiednio 40,2% i 41%); instalacje na parę nasyconą suchą
(22,7% i 22%) oraz siłownie na parę mokrą z rozprężaniem dwustopniowym (20,1% i 21%).
Elektrownie tzw. Binarne stanowiące 46,7% wszystkich instalacji, dysponują zaledwie 14,2%
mocy i dostarczają tylko 12% energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach geotermal-
nych.
Wynika stąd, że ze względu na ilość wytwarzanej energii elektrycznej oraz średnią produkcję
przypadającą na jednostkę wytwórczą najbardziej efektywne są elektrownie pracujące z bez-
pośrednim wykorzystaniem pary geotermalnej, niezależnie od sposobu jej pozyskiwania (ta-
bela 4). Udział elektrowni binarnych, w mocy zainstalowanej jest mały, pomimo znaczącej
ich liczby. Również w Europie największy udział pod względem wielkości mocy, także pro-
dukcji energii elektrycznej, mają instalacje na parę nasyconą suchą i parę mokrą (tabela 5).
Tabela 3. Elektrownie geotermalne zestawione według rodzaju i mocy zainstalowanej, 2015 r. [2]
El. na parę
suchą
Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: El. Z turbiną
p-prężną
Elektrownie
binarne Razem
1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe
liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW liczba MW
63 2863 167 5079 68 2544 2 182 26 181 286 1790 612 12640
Tabela 4. Średnia moc zainstalowana oraz średnia produkcja energii elektrycznej
pojedynczej jednostki wytwórczej w roku 2015 [2]
Moc /
produkcja
El. Na parę
suchą
Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: El. Z turbiną
p-prężną
Elektrownie
binarne 1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe
MW/inst. 45,4 30,4 37,4 90,8 7,0 6,3
GWh/inst 253 179 231 500 76 31
Tabela 5. Struktura mocy elektrowni geotermalnych w Europie wg stanu w 2015 roku [MW] [2]
El. na parę
suchą
Elektrownie na parę mokrą – rozprężanie: El. z turbiną
p-prężną
Elektrownie
binarne Razem
1-stopniowe 2-stopniowe 3-stopniowe
795 796 273 -- -- 268 2133
2. SYSTEMY BEZPOŚREDNIEGO WYKORZYSTANIA GEOPŁYNU
Generacja energii elektrycznej z bezpośrednim wykorzystaniem ciepła pozyskiwanego płynu
geotermalnego (geopłynu) bazuje na dwóch różniących się układach. W układzie pierwszym
elektrownie wykorzystują naturalną parę wodną pozyskiwaną ze złoża, doprowadzaną bezpo-
Page 4
średnio do turbiny. W układzie drugim ze złoża geotermalnego jest pozyskiwana gorąca wo-
da, woda wrząca lub mieszanina wody i pary o odpowiednio wysokiej temperaturze i ciśnie-
niu, która kierowana jest do instalacji rozprężającej, gdzie w procesie dławienia izentalpowe-
go uzyskuje się mieszaninę pary suchej i cieczy. Para po odseparowaniu w separatorach od
płynu geotermalnego jest kierowana do turbiny.
2.1. Elektrownie geotermalne na parę nasyconą suchą
Szacuje się, że złoża pary suchej charakteryzujące się temperaturą wyższą od 200°C stanowią
co najwyżej 5% całkowitych zasobów geotermalnych na świecie, przy czym znaczenie eks-
ploatacyjne mają przede wszystkim pola: Larderello we Włoszech i The Geysers w północnej
Kalifornii [4]. Ponadto ograniczone zasoby występują także w innych rejonach świata (Japo-
nia, Indonezja, …).
Elektrownie na parę suchą należą do najprostszych i najmniej skomplikowanych technicznie
(rys. 2), a jednocześnie do najbardziej efektywnych energetycznie, co wynika z wysokich
parametrów zasilania geotermalnym nośnikiem ciepła. Pozyskana ze złoża para sucha, cza-
sami lekko przegrzana, kierowana jest przez separatory zanieczyszczeń i wilgoci do turbiny
parowej, gdzie ekspandując wytwarza pracę, a następnie jest kondensowana w skraplaczu.
Skropliny mogą być wykorzystane do celów grzejnych, przy czym ze względu na odtwarzal-
ność zasobów wskazane jest ich zatłaczanie do złoża.
Rys. 2. Schemat elektrowni geotermalnej na parę nasyconą suchą [4]: SZ – separator zanieczyszczeń, SW –
separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skraplacz, CHW – chłodnia wentylatorowa, OW, OZ – otwory:
produkcyjny i zatłaczający, PS, PW – pompy, ES – eżektor/kondensator
Cykl przemian realizowanych w obiegu elektrowni jest pokazany na rys. 3. Punkt „1”, poło-
żony na linii nasycenia x = 1, jest zdefiniowany przez wartość ciśnienia i temperatury pary
suchej doprowadzanej bezpośrednio do turbiny. W turbinie para ulega rozprężeniu, którego
obrazem jest teoretyczna krzywa ekspansji izentropowej 1–2s i przyporządkowana jej prze-
Page 5
miana rzeczywista 1–2. Ciśnienie końcowe ekspansji wynika z przyjętego sposobu kondensa-
cji pary w skraplaczu i związanych z tym parametrów pracy. Ciepło odprowadzone do wody
chłodzącej obrazuje przemiana 2–3. W porównaniu z elektrownią konwencjonalną w układzie
elektrowni geotermalnej nie występuje cykl przemian związanych z doprowadzeniem ciepła
do wody w kotle, którego funkcję pełni źródło geotermalne.
Rys. 3. Cykl przemian termodynamicznych w elektrowni geotermalnej na parę nasyconą suchą
W elektrowniach na parę nasyconą suchą ekspansja czynnika roboczego w turbinie odbywa
się w obszarze pary mokrej, co prowadzi do obniżenia sprawności izentropowej i pogorszenia
parametrów pracy instalacji. Przyjmuje się, że wzrost wilgotności ekspandującej pary o 1%
(za turbiną) powoduje obniżenie sprawności, średnio o 1%.
W 2015 roku na świecie pracowały 63 jednostki wytwórcze o mocy sumarycznej 2863 MW,
wykorzystujące zasoby pary suchej, co stanowi 10,3% wszystkich elektrowni geotermalnych.
Przykładem tego typu instalacji może być zespół elektrowni geotermalnych Larderello o łącz-
nej mocy ponad 800 MW, na który składają się jednostki o zróżnicowanej mocy (10 - 60
MW), zasilane parą suchą o temperaturze 150–270°C i ciśnieniu 2–18 bar, pozyskiwaną z
pola geotermalnego o powierzchni około 250 km2 za pomocą ponad 200 otworów produk-
cyjnych. Elektrownie Larderallo generują 2% całkowitej produkcji prądu elektrycznego we
Włoszech i około 10% produkcji elektryczności przy wykorzystaniu energii geotermalnej na
świecie [4].
2.2. Elektrownie z rozprężaniem płynu geotermalnego
W przypadku pól geotermalnych dostarczających gorącą wodę (mieszaninę wody i pary) o
wysokim ciśnieniu i temperaturze, rozprężenie do niższego ciśnienia prowadzi do wytworze-
nia dwufazowej mieszaniny ciecz–para, z której można wydzielić parę suchą kierowaną na-
stępnie do turbiny. W zależności od parametrów geopłynu rozróżnia się instalacje
z rozprężaniem jedno- dwu- i trzystopniowym [3].
Page 6
Elektrownie z rozprężaniem jednostopniowym (rys. 4) stanowią zasadniczy rodzaj elektrowni
geotermalnych, zarówno pod względem mocy, jak i wytwarzanej energii elektrycznej. Gorąca
woda lub mieszanina wody i pary jest doprowadzana ze złoża (OW) do elementu dławiącego
(ZR), gdzie w wyniku obniżenia ciśnienia znacznie poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadające-
go temperaturze pozyskiwanej wody geotermalnej, następuje rozprężenie cieczy i wytworzenie
mieszaniny ciecz–para. Wydzielenie z mieszaniny dwufazowej pary suchej zachodzi w tzw.
separatorze (S), skąd para jest kierowana do turbiny (TG) poprzez separator wilgoci (SW).
Rozprężony w turbinie (kondensacyjnej) czynnik przepływa do skraplacza (SK) pracującego
przy podciśnieniu, co pozwala uzyskać większą moc i sprawność siłowni.
Cykl przemian termodynamicznych jest pokazany na rysunku 5. Sekwencja kolejnych prze-
mian zaczyna się od cieczy, której stan termodynamiczny określa punkt „1” usytuowany na
linii granicznej x = 0 (krzywa cieczy wrzącej). Obniżenie ciśnienia w zaworze dławiącym
poniżej ciśnienia nasycenia odpowiadającego temperaturze wody geotermalnej powoduje
rozprężenie cieczy i wytworzenie mieszaniny ciecz–para (2). Po odseparowaniu para o para-
metrach punktu „4” kierowana jest do turbiny. Wydzielona ciecz o parametrach punktu „3”
jest zatłaczana do złoża, a przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu, może być skierowana
do ponownego rozprężenia.
Rys. 4. Elektrownia geotermalna z rozprężaniem jednostopniowym i turbiną kondensacyjną [4]: S – rozprężacz-
separator, SW – separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skraplacz, CHW – chłodnia wentylatorowa, OW,
OZ – otwory: produkcyjny i zatłaczający, PS, PW – pompy, ES – eżektor/ kondensator, ZR – zawór dławiący
W 2015 roku na świecie pracowało łącznie 167 jednostek z jednostopniowym rozprężaniem
wydobytego płynu geotermalnego, stanowiących 27,3% wszystkich elektrowni geotermal-
nych i dysponujących ~ 40,2% całkowitej mocy zainstalowanej. Przykładem tego typu insta-
lacji jest elektrownia Hellisheidi na Islandii (rys. 6) wykorzystująca złoża gorącej wody
o temperaturze 170°C pobieranej z głębokości 1000–2000 m za pomocą 50 otworów produk-
cyjnych. Elektrownia składa się z sześciu jednostek wytwórczych o mocy 45 MW każda i
jednej jednostki 33 MW, i poza generacją energii elektrycznej na potrzeby lokalnych hut alu-
Page 7
minium dostarcza gorącą wodę do celów grzewczych do odległego o 27 km Reykjaviku (400
MW) [11].
a)
b)
Rys. 5. Cykl przemian termodynamicznych elektrowni geotermalnej na parę mokrą, z rozprężaniem jednostop-
niowym: a) turbina kondensacyjna; b) turbina przeciwprężna [10]
Niektóre elektrownie wyposażone są w turbiny przeciwprężne (rys. 5b), stosowane w przy-
padku, gdy para geotermalna zawiera znaczne ilości gazów niekondensujących. Para po eks-
pansji w turbinie jest kierowana do atmosfery (ewentualnie wykorzystywana do celów grzej-
nych), przy czym instalacje charakteryzują się stosunkowo niską sprawnością i nie są akcep-
towane ze względów środowiskowych.
W 2015 roku na świecie pracowało 26 jednostek generujących z turbiną przeciwprężną, o
mocy łącznej 181 MW, co stanowiło 4,2% wszystkich instalacji. Przykładem instalacji tego
typu może być elektrownia Bjarnarflag na Islandii o mocy 3,5 MW, zasilana parą wodną
o ciśnieniu około 0,95 MPa, przy przeciwciśnieniu na wylocie z turbiny 0,12 MPa [10,11].
Rys. 6. Elektrownia Hellisheidi:
a – zespół separatorów pary, b - turbina parowa [11]
Page 8
W przypadku, gdy wydzielony w separatorze rozprężacza płyn (woda) charakteryzuje się od-
powiednio wysokimi parametrami (ciśnienie, temperatura), możliwe jest jego dalsze wyko-
rzystanie poprzez ponowne rozprężenie, co pozwala uzyskać dodatkowy strumień pary kie-
rowany do niskoprężnego stopnia turbiny, generujący w układzie dodatkową pracę (rys. 7).
Rys. 7. Schemat elektrowni geotermalnej z rozprężaniem dwustopniowym geopłynu [4]: S – rozprężacz wyso-
kociśnieniowy, SN – rozprężacz niskociśnieniowy, SW – separator wilgoci, TG – turbogenerator, SK – skra-
placz, OW, OZ – otwory produkcyjny i zatłaczający, PK – pompa, ZR – zawór rozprężny, ES – eżek-
tor/kondensator
Elektrownie z podwójnym rozprężaniem czynnika wytwarzają, przy tych samych parametrach
płynu geotermalnego, 15–25% energii więcej niż instalacje z rozprężaniem pojedynczym.
Jednocześnie są bardziej złożone technicznie i trudniejsze w eksploatacji.
Rys. 8. Elektrownia Krafla – widok [12]
W 2015 roku na świecie pracowało 68 instalacji z rozprężaniem dwustopniowym, o mocy
łącznej 2544 MW, co stanowiło 11,1% wszystkich elektrowni geotermalnych. Przykładem
tego typu instalacji może być elektrownia Krafla (Islandia), wyposażona
Page 9
w dwie jednostki o mocy znamionowej 30 MW każda, zasilane płynem geotermalnym pozy-
skiwanym 33 otworami produkcyjnymi (rys. 8).
Typowa geotermalna elektrownia kondensacyjna z rozprężaczem-separatorem ma moc od 5
do 100 MW. Zależnie od parametrów płynu geotermalnego, zawartości gazów niekondensu-
jących, a także zastosowanych rozwiązań zużywa 6−9 t/h pary na jednostkę mocy elektrycz-
nej (MW). Z kolei elektrownie z turbinami przeciwprężnymi są instalacjami o niskiej efek-
tywności energetycznej, zużywającymi 10–20 t/h pary na 1 MW. Elektrownie dużej mocy (5–
90 MW) zasilane są płynem geotermalnym pozyskiwanym za pomocą kilku – kilkunastu, a
czasami kilkudziesięciu otworów produkcyjnych usytuowanych na znacznym obszarze pola
geotermalnego. Do zasilania małych elektrowni, o mocy poniżej 5 MW, często wystarcza
pojedynczy otwór wydobywczy.
Na świecie spotykane są także inne rozwiązania elektrowni geotermalnych z bezpośrednim
wykorzystaniem geopłynu, np. z rozprężaniem trójstopniowym, a także instalacje hybrydowe
będące połączeniem ww. typów siłowni z tzw. siłowniami ORC. Ze względu na parametry
pozyskiwanych geopłynów, instalacje te, podobnie jak omówione powyżej elektrownie na
parę suchą i parę mokrą, nie znajdują zastosowania w Polsce.
2.3. Elektrownie wykorzystujące energię geotermalną w sposób pośredni
Odmiennym technologicznie rodzajem elektrowni geotermalnych są instalacje wykorzystują-
ce ciepło zawarte w płynie geotermalnym w sposób pośredni. Elektrownie te niezbyt po-
prawnie zwane binarnymi (raczej niskotemperaturowymi) pracują według tzw. organicznego
obiegu Rankine’a (ORC) lub według obiegu Kalina.
Elektrownia geotermalna z siłownią ORC (rys. 9) składa się z dwóch instalacji sprzężonych
cieplnie. Pierwszą jest właściwa siłownia, w której czynnikiem roboczym, zamiast wody, jest
niskowrząca substancja organiczna o odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu wrzenia, co
umożliwia wytworzenie pary do zasilania turbiny przy wykorzystaniu nisko- i średnio-
temperaturowych źródeł ciepła. Druga instalacja służy do pozyskania i doprowadzenia płynu
geotermalnego do podgrzewacza – parowacza, gdzie zawarte w nim ciepło zostaje przekazane
do czynnika roboczego, powodując jego odparowanie. Wytworzona para jest kierowana do
turbiny, gdzie ekspandując wytwarza pracę do napędu generatora. Po skropleniu czynnik jest
ponownie przetłaczany do zespołu wymienników. Siłownie ORC znajdują zastosowania
wówczas, gdy parametry termodynamiczne geopłynu są niewystarczające do budowy elek-
trowni geotermalnej działającej wg zasad podanych powyżej (punkt 2.2), lub gdy pozyskiwa-
ny geopłyn ma korzystne parametry termiczne, ale ze względu na właściwości chemiczne
wymaga odseparowania od urządzeń siłowni.
Page 10
Czynnikiem roboczym w siłowni ORC może być dowolny płyn o odpowiednich właściwo-
ściach cieplno-fizycznych. Przy jego wyborze istotne znaczenie mają przede wszystkim wła-
ściwości termofizyczne, związane m.in. z krzywymi nasycenia (rys. 10), przy czym czynniki
obiegowe, w zależności od nachylenia krzywej nasycenia pary na wykresie T-s, można po-
dzielić na dwie zasadnicze grupy, to jest na tzw. czynniki suche (dla których dT/ds > 0) i
czynniki mokre (dla których dT/ds < 0), co między innymi ma wpływ na rozwiązania kon-
strukcyjne siłowni. Możliwe jest wyodrębnienie grupy pośredniej czynników, tzw. izentro-
powych, dla których dT/ds → ∞ [4,8].
Ważne znaczenie mają też właściwości eksploatacyjne, środowiskowe i fizjologiczne.
Rys. 9. Schemat elektrowni geotermalnej z niskowrzącym czynnikiem roboczym [4]: PAR – parowacz,
POD – podgrzewacz, TG – turbina, SK – skraplacz,
CHW – chłodnia, F – filtry, PS, PW – pompy, OW,
OZ – otwory: produkcyjny i zatłaczający
a)
b)
Rys. 10. Cykl przemian termodynamicznych w obiegu C–R realizowanym w obszarze pary przegrzanej dla
czynników: a) grupy I (suche), b) grupy II (mokre) [8]
W siłowniach ORC najczęściej stosowane są substancji robocze z grupy czynników suchych
lub izentropowych. W przypadku czynników suchych obieg C-R (rys. 10a) składa się z izoba-
Page 11
rycznego doprowadzania ciepła obejmującego proces podgrzania (4–5) i odparowania cieczy
(5–1), izentropowej ekspansji pary czynnika w turbinie (1–2s), izobarycznego odprowadzania
ciepła podczas schładzania pary (2s–a) i jej skraplania (a–3) oraz izentropowego sprężania kon-
densatu (3–4s). W przypadku czynników mokrych (rys. 10b) sekwencja realizowanych prze-
mian jest uzupełniona o przemianę przegrzania pary (6–1). W siłowniach ORC najczęściej
stosowane są substancji robocze z grupy czynników suchych lub izentropowych.
Zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami moc obiegu Clausiusa-Rankinea najłatwiej jest zdefi-
niować jako różnicę pracy technicznej rozprężania w turbinie Lt
i sprężania w pompie Lsp, co w przypadku przemian izentropowych równe jest odpowiednim
spadkom entalpii:
Sprawność obiegu C-R jest definiowana stosunkiem mocy obiegu do strumienia doprowadzo-
nego ciepła:
Cechą charakterystyczną elektrowni ORC, zwłaszcza niskotemperaturowych, jest niewielka
sprawność termodynamiczna i osiągane stosunkowo nieduże moce (rys. 11). Efektywność ich
pracy zależy od szeregu czynników, przy czym najważniejszy jest właściwy dobór substancji
roboczej, w danych warunkach gwarantujący maksymalną moc instalacji [8].
W istniejących elektrowniach geotermalnych ORC jako czynniki robocze stosowane są sub-
stancje, np. R134a (C2H2F4), R245fa (C3H3F5), R600A (izobutan i-C4H10), R601A (izopentan,
i-C5H12), i inne [4].
Do zasilania elektrowni ORC wykorzystuje się zarówno nisko-, średnio-, jak i wysokotempe-
raturowe złoża wód i par geotermalnych, a spotykane temperatury geopłynu na dopływie do
siłowni wynoszą od 80 do 175°C.
Pierwszą elektrownię ORC o mocy 670 kW, zasilaną wodą termalną o temperaturze poniżej
100°C, w której czynnikiem roboczym był freon R12, uruchomiono w 1967 roku w miejsco-
wości Paratunka na Kamczatce.
Przykład współczesnych niskotemperaturowych geotermalnych elektrowni ORC oraz pod-
stawowe parametry ich pracy podane są w tabeli 6. Z kolei widok elektrowni geotermalnej
ORC o mocy elektrycznej 210 kW pokazany jest na rysunku 12a (Neustad Glewe, Niemcy).
Elektrownia zasilana jest wodą o temperaturze 98oC i zasoleniu 227 g/dm3, wydobywaną
z głębokości 2450 m.
Page 12
6
8
10
12
14
16
80 90 100 110 120
Sp
raw
no
ść,
%
Temperatura wody geotermalnej, oC
cykloheksan
R236fa
RC318
R227ea
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
80 90 100 110 120
Mo
c N
CR
, kW
Temperatura wody geotermalnej, oC
cykloheksan
R236fa
RC318
R227ea
Rys. 11. Sprawność i moc obiegu C-R w funkcji temperatury wody geotermalnej
dla wybranych czynników roboczych [8]
Tabela 6. Parametry pracy wybranych niskotemperaturowych elektrowni geotermalnych ORC
Parametry Altheim Bad
Blumau
Neustad
Glewe
Chena
Hot
Springs
Temperatura
geopłynu, °C 106 110 98 74
Wydajność
ujęcia, m3/h 85–100 80 110 32
Czynnik ro-
boczy
dichloro-
fluoro-
metan
i-
pentan
n-
pentan R134a
Moc elek-
tryczna, kWe 500 180 210 400
Moc cieplna,
MW 9,0 5,1 6,0 0
Page 13
Szczególnym przypadkiem są elektrownie geotermalne pracujące wg tzw. obiegu Kalina. W
obiegu tym czynnikiem roboczym jest mieszanina amoniaku i wody o właściwościach zeo-
tropowych. Przykładem praktycznego wykorzystania obiegu Kalina jest oddana do eksploata-
cji w 2009 roku elektrownia w Unterhaching (Niemcy) o mocy elektrycznej 3,4 MW i mocy
cieplnej 31 MW (rys. 12b). Elektrownia zasilana jest wodą o mineralizacji 60–100 g/dm3,
pozyskiwaną z głębokości 3350 m otworem wydobywczym z wydajnością 150 m3/h, ze
złoża o temp. 123°C [5].
a)
b)
Rys. 12. Elektrownia geotermalna: a - Neustadt Glewe (siłownia ORC); b - Unterhaching (obieg Kalina) [10]
Siłownie niskotemperaturowe ORC występują też w układach hybrydowych, w połączeniu z
wysokotemperaturowymi elektrowniami geotermalnymi na parę wodną (sucha, mokrą), gdzie
do zasilania wykorzystują ciepło zawarte w wodzie wydzielonej w separatorze lub w rozprę-
żonej parze opuszczającej turbinę po ekspansji (rys. 13) [4, 10].
Rys. 13. Schemat geotermalnej elektrowni z siłownią ORC połączoną za pomocą skraplacza-parowacza z elek-
trownią z rozprężaniem geopłynu [10]
Page 14
W 2015 r. elektrownie binarne stanowiły 46,7% wszystkich elektrowni geotermalnych na
świecie, dysponując zaledwie 14,2% mocy zainstalowanej i dostarczając ~12% energii elek-
trycznej wytwarzanej w elektrowniach geotermalnych (tabela 4).
Na kontynencie europejskim pracuje 17 niskotemperaturowych elektrowni o mocy zainstalo-
wanej 94,8 MW, z czego trzy, o łącznej mocy 5,91 MW, pracują według cyklu Kaliny. Dzie-
więć z tych instalacji to elektrociepłownie o mocy 12,1 MW, a osiem pozostałych to elek-
trownie o mocy sumarycznej 82,7 MW. Jako czynniki robocze stosowane są: izopentan, pen-
tan, n-pentan, izobutan
3. PERSPEKTYWY BUDOWY W POLSCE ELEKTROWNI GEOTERMALNEJ
Jedne z pierwszych koncepcji wykorzystania w Polsce energii geotermalnej do zasilania elek-
trowni dotyczyły systemu ciepłowniczego Szczecina, zasilanego z dwóch elektrociepłowni
[7]. Rozważano także możliwość budowy elektrowni z bezpośrednim zasilaniem wodą geo-
termalną pozyskiwaną z dużej głębokości, z zastosowaniem jednostopniowego dławienia
izentalpowego i odparowaniem w rozprężaczu-separatorze. Należy jednak mieć na względzie,
że dostępne w Polsce wody geotermalne mają niską temperaturę, tylko w nielicznych i głębo-
kich złożach przekraczającą 100°C. Sprawia to, że woda jako czynnik obiegowy cechuje się
małym zakresem ciśnień roboczych, co skutkuje niewielką efektywnością pracy instalacji.
Biorąc pod uwagę uzyskiwane w Polsce rzeczywiste temperatury geopłynu, w pracujących
ciepłowniach geotermalnych nieprzekraczające 86°C, uważa się, że przy analizie możliwości
budowy pilotażowej elektrowni geotermalnej jedynym możliwym rozwiązaniem jest instala-
cja typu ORC. W związku z tym została przeprowadzona obszerna analiza możliwości budo-
wy tego typu elektrowni [1], która objęła 11 lokalizacji charakteryzujących się korzystnymi
parametrami złóż wody geotermalnej, takimi jak temperatura (86-118oC) i wydajność ujęcia
(strumień wody geotermalnej 50-275 m3/h). Przykładowe wyniki obliczeń mocy teoretycznej
i sprawności siłowni ORC dla analizowanych lokalizacjach zawarte są w tabeli 7.
Z kolei praktycznym potwierdzeniem możliwości wytwarzania energii elektrycznej z energii
średniotemperaturowych wód geotermalnych jest eksperymentalna instalacja ORC zbudowa-
na i uruchomiona w Katedrze Techniki Cieplnej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Tech-
nologicznego w Szczecinie.
Page 15
Tabela 7. Zależność mocy i sprawności elektrowni geotermalnej w funkcji temperatury doprowadzanej wody
geotermalnej (R227ea, strumień 50 m3/h) [1]
Lokalizacja Tg
[oC]
NORC
[kW]
ηORC
[%]
Cieplice,
Bańska Niżna 86 91 5,3
Stargard, Chociwel 89 103 5,6
Konin, Ślesin, Turek 98 143 6,5
Żnin 99 148 6,5
Łowicz 100 154 6,8
Koło 118 270 8,4
Rys. 14. Moc elektrowni geotermalnej dla różnych lokalizacji instalacji (R227ea, strumień 50 m3/h) [1]
Rys. 15. Eksperymentalna prototypowa elektrownia ORC małej mocy
Page 16
Siłownia o mocy 9 kWe, pracująca z czynnikiem roboczym R227ea, jest zasilana strumieniem
gorącej wody o temperaturze do 110°C [6]. Prowadzone z jej użyciem badania wskazują, że
jest możliwym wykorzystanie energii geotermalnej dostępnej na obszarze kraju do wytwarza-
nia energii elektrycznej w układach siłowni niskotemperaturowych ORC, co między innymi
pozwoliłoby na pełną eksploatację niektórych istniejących źródeł termalnych także poza se-
zonem ogrzewczym. Osobnym zagadnieniem jest strona ekonomiczna tego przedsięwzięcia.
4. PODSUMOWANIE
Ważnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej zawartej w wydobywanych geopły-
nach jest jej użycie do wytwarzania energii elektrycznej, co wynika przede wszystkim z do-
godnego sposobu dystrybucji i konwersji prądu elektrycznego w inne formy energii. Podsta-
wowym źródłem ciepła dla większości elektrowni geotermalnych pracujących na świecie są
złoża pary oraz gorącej wody o wysokiej temperaturze i ciśnieniu, dostępne na terenach cha-
rakteryzujących się korzystnymi warunkami geotermicznymi, to jest wysokim gradientem
geotermicznym i strumieniem ciepła geotermicznego, a także odpowiednią ilością pozyski-
wanego geopłynu. Wówczas wytwarzanie energii elektrycznej z wysokotemperaturowych
źródeł geotermalnych jest możliwe do zrealizowania w klasycznym obiegu siłowni parowej
wodnej na parę nasyconą suchą i polega na dwustopniowej konwersji ciepła zawartego w
geopłynie – najpierw w energię mechaniczną, a następnie w elektryczną.
W przypadku źródeł geotermalnych średnio i niskotemperaturowych wytwarzanie energii
elektrycznej jest możliwe w elektrowniach pracujących wg niskotemperaturowych obiegów:
ORC lub Kalina, przy czym instalacje te charakteryzują się stosunkowo niedużą mocą i
sprawnością. Elektrownie te (np. z siłownią ORC) mogą znaleźć zastosowanie do konwersji
energii geotermalnej w energię elektryczną także na terenie Polski.
LITERATURA
[1] Atlas wykorzystania wód termalnych do skojarzonej produkcji energii elektrycznej i
cieplnej przy zastosowaniu układów binarnych w Polsce. Redakcja: W. Bujakowski, B.
Tomaszewska. Kraków 2014.
[2] Bertani R.: Geothermal power generation in the world 2005–2014. [in:] Proceedings
World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, 19–25.04.2015.
[3] Dickson M., Fanelli M.: Geothermal energy. Utilization and technology. London,
Earthscan, 2003.
[4] DiPippo R.: Geothermal power plants: principles, applications, case studies and envi-
ronmental impact. Amsterdam, Elsevier, 2008.
Page 17
[5] Geothermie Unterhaching. Die uMWltfreundliche, kommunale Energieversorgung der
Zukunft. Materiały informacyjne. Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG.
[6] Nowak W., Borsukiewicz-Gozdur A., Klonowicz P., Stachel A.A. i in.: Wstępne wyniki
badań prototypowego układu minisiłowni z ORC zasilanej wodą o temperaturze 100°C.
Przegląd Geologiczny, 2010, vol. 58, nr 7, s. 622–625.
[7] Nowak W., Sobański R., Kabat M., Kujawa T.: Systemy pozyskiwania i wykorzystania
energii geotermicznej. Szczecin, Wydaw. Politechniki Szczecińskiej, 2002.
[8] Nowak W., Stachel A.A. Borsukiewicz-Gozdur A.A.: Zastosowania odnawialnych źró-
deł energii. Szczecin, Wydaw. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 2008.
[9] Saner B: Summary of EGS 2019 Country Update Reports on Geothermal Energy in
Europe. European Geothermal Congress 2019, Den Hag, The Netherlands, 11-14 June
2019.
[10] Stachel A.A.: Wykorzystanie energii wnętrza Ziemi. Wydawnictwo Uczelniane ZUT,
2013.
[11] Stokłosa A. (materiał fotograficzny)
[12] Strona: http://icelandgeothermal.com/tag/top-geothermal-power-stations-in-iceland/,
dostęp: 21.01.2018.
GENERATION OF ELECTRICITY WITH THE USE OF GEOTHERMAL LIQUIDS
Key words: geothermal energy, utilization geothermal energy, geothermal power plant
Summary: The most expected way to using the energy stored in hot geothermal fluids extracted from the Earth's
interior is to using it to generate electricity. This is primarily due to the convenient way of distribution and con-
version of electric current into other useful forms of energy. Currently, geothermal power plants operate in 24
countries, working on the basis of various technical and technological solutions resulting from the parameters of
the acquired geothermal heat carrier. The article characterizes the state of geothermal power engineering in the
world, principles are discussed.
Aleksander Andrzej Stachel, prof. dr hab. inż., Zachodniopomorski Uniwersytet Technolo-
giczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Katedra Technologii
Energetycznych, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin, e-mail: [email protected]