AX elektronika d.o.o.
Avtor: Bojan Kovač
2018_263_38
Lepo je videti veliko plantažo fotovoltaičnih panelov, povezanih v malo sončno elektrarno ali sončnih kolektorjev za segrevanje sanitarne vode ali pa ogromne vetrnice, ki ženejo generatorje z močjo več deset kilovatov. Vsakomur je jasno, da so ti načini pridobivanja energije »zeleni«, da izkoriščajo obnovljive vire in varujejo okolje s tem, da ga ne obremenjujejo.
Vse te načine pridobivanja energije iz obnovljivih virov opazimo že od daleč, saj o tem sprašujejo celo otroci svoje starše na poti v vrtec. Rečemo lahko tudi to, da so ti načini pri ljudeh vedno vzbudili vsaj toliko radovednosti, da dobimo željo bolj podrobno spoznati te novosti. Kako je pa z geotermalno energijo? Nič! Vse je lepo zakopano, ničesar ne vidimo, otroci o tem ne sprašujejo in le če slučajno poznamo koga, ki prostore ogreva na ta način, imamo možnost spoznati podrobnosti in slišati o neverjetnih prihrankih. Je to sploh mogoče ali gre le za kronični izpad bahanja tistih, ki imajo nekaj več pod palcem?
Mnoge tehnologije so bile razvite, da bi lahko izkoriščali geotermalno energijo, toploto iz zemlje. Ta toplota se lahko črpa iz različnih virov: kot vroča voda ali rezervoarji pare globoko v zemljo, do katerih se dostopa z vrtanjem, potem v obliki geotermalnih rezervoarjev , ki se nahajajo v bližini zemeljske površine, večinoma pa se nahajajo na zahodu ZDA, na Aljaski in Havajih, ter iz tal tik pod Zemljino površino, kjer se ohranja relativno konstantna temperatura med 10°C in 15°C.
Te različne vrste geotermalnih virov omogočajo uporabo v velikih in malih sistemih. Podjetje za oskrbo z električno energijo lahko na primer uporabi vročo vodo in paro iz rezervoarjev za pogon generatorjev in proizvodnjo električne energije za svoje stranke. V nekaterih aplikacijah uporabljajo toploto, proizvedeno iz geotermalnih virov, neposredno na različne načine v zgradbah, cestah, v kmetijstvu in industrijskih obratih. Spet drugi črpajo toploto za zagotavljanje ogrevanja in hlajenja v domovih in drugih stavb neposredno iz tal.
Za izkoriščanje geotermalne energije in v zvezi z geotermalnimi aplikacijami so se razvile tri tehnologije:
- tehnologija za neposredno uporabo, pri kateri se proizvaja toplota direktno iz vroče vode v zemlji,
- tehnologija za proizvodnjo električne energije, s katero lahko deluje elektrarna,
- tehnologija izkoriščanja geotermalne energije s toplotnimi črpalkami, s katerimi izkoriščamo relativno stalno temperaturo tal tik pod površjem zemlje za ogrevanje in hlajenje.
Geotermalne zbiralnike tople vode, ki se nahajajo nekaj kilometrov in več pod površino Zemlje, se lahko uporablja za ogrevanje neposredno. Takšen način izkoriščanja energije Zemlje imenujemo neposredna uporaba geotermalne energije. Neposredna geotermalna uporaba ima dolgo zgodovino, ki sega vse do časov, ko so ljudje začeli uporabljati tople vrelce za kopanje, kuhanje hrane in podobno. Tudi v današnjem času se izviri tople vode še vedno uporabljajo kot zdravilišča, vendar pa sedaj obstajajo tudi bolj prefinjeni načini neposredne uporabe tega geotermalnega vira.
V sodobnih sistemih neposredne rabe geotermalne energije je mogoče tudi z vrtanjem v geotermalni rezervoar zagotoviti stalni vir tople vode. Segreta voda se po cevovodih črpa na površino in naprej prek toplotnega izmenjevalnika ter z ustreznim krmiljenjem zagotavlja možnost uporabe toplote za različne namene. Krmilni sistem nato ohlajeno vodo prečrpa nazaj v podzemne rezervoarje ali jih kot odpadno tehnološko vodo uporabijo na površini še za kakšne druge namene.
Geotermalno ogrevano toplo vodo se lahko uporablja v mnogih aplikacijah, ki zahtevajo toploto. Največ se uporablja za ogrevanje stavb, individualno ali celotnih naselij, za ogrevanje v rastlinjakih, sušenje raznih pridelkov, sadja, zelišč, ogrevanje gojitvenih bazenov z vodo v ribogojnicah in v mnogih industrijskih procesih, kot je na primer pasterizacija hrane pred konzerviranjem.
Geotermalne elektrarne uporabljajo paro, katere izvor so rezervoarji z vročo vodo, ki se nahajajo tudi do več kilometrov pod površino Zemlje za proizvodnjo električne energije. Para vrti turbino, ki poganja generator, ta pa proizvaja električno energijo.
Vrste geotermalnih elektrarn
Obstajajo tri vrste geotermalnih elektrarn : na čisto paro , flash parne in binarno ciklične.
Če bi ocenjevali območja, kjer je mogoče izkoriščati geotermalno energijo, obstajajo različni kazalci, nad kakšnim od teh območij se nahajamo. Eden od teh kazalcev je geotermalni gradient, ki nam pove, kako hitro narašča temperatura z globino. Če pri vrtanju naletimo na običajno naraščanje temperature, ki je okrog 20 °C na km, gre za povsem običajni del zemeljske skorje, če pa je naraščanje hitrejše, pa bi bila na tem mestu morda možnost za nekoliko večji projekt, morda celo za elektrarno. Na sliki 2 imamo grafično ponazorjene možnosti neposredne uporabe, binarnega in flash sistema elektrarne, ki bi izkoriščala geotermalno energijo. Če bi na primer že po 1000 metrih dosegli temperaturo nad 100 °C imamo veliko možnosti, da bi na tem mestu postavili elektrarno z binarnim načinom delovanja.
Elektrarne na čisto paro
Elektrarne, ki delujejo na čisto paro, črpajo energijo za svoje delovanje neposredno iz podzemnih virov. Tipične temperature te pare so med 50 °C in 120 °C. Voda po naravni poti doseže podzemna jezera, ki se nahajajo v bližini kakšnih prelomnic, kjer običajno pride vroča lava veliko bliže zemeljski površini. Segrevanje vode do vrelišča povzroči njeno izparevanje, para pa je veliko bolj prodorna med plastmi zemlje in kamenin, zato želi uiti iz notranjosti na plano. Pri tem največkrat naleti na plasti, ki so segrete še na višje temperature in z vsako stopinjo postaja ta para bolj »suha« bolj vroča in bolj prodorna. Predstavljajmo si parni stroj oziroma lokomotivo, kolikšna moč je potrebna, da jo premaknemo in vse to le s paro! V naravi primere takšnih prodorov čiste pare in običajno tudi skupaj z vročo vodo imenujemo gejzirji, vrelci vroče vode, ki nastanejo ob izpolnjenih pogojih na Zemljinih tektonskih prelomnicah. To paro je mogoče na primeren način »ujeti« in speljati na lopatice parne turbine, katere vrtenje žene električni generator.
Takšen način izkoriščanja pare je bil uporabljen najprej, vendar je prav izvedba geotermalne elektrarne na naravno paro obenem najmanj pogosta. Običajno se gradijo takšne elektrarne z vrtanjem do geotermalnega rezervoarja. Suha para po vrtini z visokim pritiskom potuje do mesta uporabe najprej prek lovilca skal, ki je sestavljen iz posameznih stopenj mrežastih filtrov, ki lovijo manjše skale, kamenje, pesek in drug material. Para lahko namreč takšen material zaradi silnega pritiska in potisne moči na svoji poti odlušči od sten vrtine in če bi paro uporabili brez filtriranja trdnih delcev, bi takoj poškodovali turbinske lopatice parne turbine, ki poganja električni generator.
Ko para opravi svoje delo na turbini, jo speljejo na turbinski kondenzator, kjer se v visokem vakuumu kondenzira – utekočini. Ta kondenzat, utekočinjeno paro morajo skozi različne faze ohlajanja v hladilnih stolpih podobno kot pri destilaciji alkohola (kuhanje žganja) in pri tem odstranijo še različne pline, ki se pri kondenzaciji niso utekočinili. Ta kondenzat nato vbrizgajo (injicirajo) po drugi vrtini nazaj v geotermalni rezervoar kjer se postopek ponovi.
Binarno ciklične elektrarne
Binarno ciklične elektrarne delujejo z vodo, ki ima že nekoliko višje temperature, recimo od 110°C pa nekje do 180°C. Ime so dobile zaradi dvojnega sistema tekočin, ki posredno izrablja toploto primarne vroče vode, da zavre delovno tekočino, nek tekočinski medij, ki je običajno organska spojina z nizkim vreliščem. Delovna tekočina se v tem toplotnem izmenjevalniku spremeni v paro, ki potem poganja turbino. Vročo vodo nato injicirajo nazaj v zemljo prek druge, sekundarne vrtine, da se ponovno segreje. Voda in delovna tekočina sta v celotnem procesu ločeni, tako da pri tem načinu obstaja malo ali celo nobenih emisij v zrak.
Flash parne elektrarne
Flash parne elektrarne so najbolj pogoste in tu izkoriščamo geotermalne zbiralnike vode, v katerih se nahaja voda s temperaturo nad 180°C in je pod zelo visokim tlakom. Ta zelo vroča voda teče skozi vrtino zaradi lastnega tlaka. Ker prodira navzgor proti zemeljskemu površju, pride do padca tlaka, zato se del te tople vode (s temperaturo nad 100°C) spremeni v paro. Če to primerjamo z loncem, v katerem lahko kuhamo pod visokim tlakom: ker je tlak povišan, je vrelišče tekočine (vode) veliko nižje, kot pri običajnem (atmosferskem) tlaku, zato je lahko hrana kuhana veliko hitreje, kot bi bila sicer. Če bi lonec, v katerem je povišan tlak lahko odprli, bi se vsa tekočina v trenutku spremenila v paro (Flash – bliskovito)!
Para se torej ustvari zaradi znižanja tlaka vroče vode, nato pa se s tehnološkimi rešitvami loči od vode in uporabi za pogon turbine oziroma generatorja. Ostalo vročo vodo in kondenzirano paro se vbrizga nazaj v geotermalni rezervoar, zaradi česar lahko trdimo, da je to trajnostni vir energije.
Toplotne črpalke
Čeprav obstaja kar lepo število elektrarn, ki izkoriščajo geotermalno energijo, je morda bolj pomembno dejstvo, da pravzaprav niso potrebne visoke temperature, da bi jo lahko izkoriščali. Že nekaj metrov pod zemeljsko površino je namreč temperatura dokaj stalna in jo je mogoče izkoristiti kot osnovo pri toplotnih črpalkah kot neizčrpen vir za ogrevanje ali ohlajanje. Vsak ima možnost izkoristiti del te energije, kar ne smemo zanemariti. To je tista tretja tehnologija, ki bo sčasoma najbrž postala ustaljena praksa in si bo potrebno kar dobršen del energije za ogrevanje zagotoviti iz tega vira. Geotermalna energija je zanesljiv vir energije, ki ni odvisen od vremenskih vplivov, kot so na primer solarni sistemi, ki obenem tudi ne morejo delati ob slabih vremenskih razmerah in ponoči. Energijo lahko iz geotermalnih virov črpamo z visokimi izkoristki in nizkimi obratovalni stroški 24 ur na dan, samo izkoriščanje te vrste energije pa je okolju prijazno.
Najbolj znan in razširjen način izkoriščanja geotermalne energije za »običajne smrtnike« so toplotne črpalke, ki prejeto toplotno energijo zvišajo na višjo temperaturo z uporabo uparjalnika. Nek medij z nizkim vreliščem že pri nizki temperaturi prehaja iz tekočega v plinasto stanje. Ker nam ta temperatura ne zadošča, mediju (sedaj v plinastem stanju) s kompresorjem povečamo tlak, pri tem pa seveda opravimo neko delo in tudi porabimo nekaj energije. Ko pritisk narašča, se medij utekočini in pri tem odda toploto, ki je seveda višja od tiste, ki jo je medij prejel za svoje izparevanje pri običajnem tlaku.
Z minimalnim vložkom energije smo tako geotermalno energijo, ki jo hrani zgornji sloj zemlje, pretvorili v toploto za ogrevanje, recimo nizkotemperaturno talno ogrevanje. Kljub temu, da tej energiji rečemo geotermalna, pa v nasprotju prejšnjimi načini izkoriščanja vir toplote ni vedno središčno raztaljeno jedro našega planeta, ampak shranjena, oziroma akumulirana sončna energija, ki je večina pade na zemeljsko površino (slika 5, oznaka1). Zaradi ogromne mase, ki jo sonce ves čas segreva in je praktično sploh ni mogoče ohladiti (recimo, da je 10 stopinj že kar toplo!) je tudi to pomemben vir energije, ki nam je vsekakor bolj dostopen, kot katerikoli od prej naštetih. Deluje kot ogromen termofor, v katerem je voda, ki smo jo segreli na soncu! Mimogrede: 46% vse sončne energije, ki pade na zemeljsko površino, absorbira sama Zemlja!
Če smo v prvem delu članka govorili o temperaturah, kjer se voda pretvarja v paro pri običajnem tlaku, je tu najpomembnejše dejstvo, da tolikšne mase zemlje, peska, kamnin in vode ne moremo niti segreti, niti ohladiti, ampak lahko njeni temperaturi le sledimo. Že pri dvajsetih metrih pod zemeljsko površino se začne območje, kjer zunanji dejavniki skoraj ne morejo več vplivati na temperaturo, zato ta ostane popolnoma konstantna skozi vse leto. Prav to lastnost pa izkoriščamo pri toplotnih črpalkah kot neusahljiv vir toplote.
V praksi imamo lahko različne načine odvzemanja toplote iz zemlje, od čisto preprostih in razmeroma poceni izvedb do takšnih, ki jih lahko izvedejo le dobro izurjene ekipe in za katera bi morda potrebovali tudi posebna dovoljenja.
Za odvzem temperature iz tal uporabljamo vodo, ki ji je dodano sredstvo proti zmrzovanju in ki se pretaka (kroži) v horizontalnih kolektorjih na globini od 130 do 150 cm pod površjem ali po ceveh vertikalnih kolektorjev ali vertikalne geosonde, ki se lahko nahaja tudi na globini 60 do 200 metrov. Voda med pretakanjem skozi zemljo prevzame njeno temperature, ki jo v toplotni črpalki na prej opisani način preda naprej. Pri tem se seveda nekoliko ohladi (za nekaj stopinj) in tako ohlajena spet zakroži skozi plasti zemlje, ki jo znova segrejejo (glej sliko 4). Tu ne gre za posebno velike temperaturne spremembe, vsekakor pa je ključnega pomena faza, ko v toplotni črpalki pridobljeni energiji dvignemo temperaturo na dovolj visok nivo, da ga lahko uporabimo neposredno za ogrevanje prostorov. Pri izkoriščanju geotermalne energije so priporočljivi nizkotemperaturni ogrevalni sistemi, ker tako dosežemo veliko večje izkoristke, saj začetne temperature prenosnega medija ni potrebno dvigati zelo visoko, na primer na 60 °C, kar bi pomenilo veliko več vloženega dela (kompresor), zato je najprimernejša za talna ogrevanja, ki delujejo nekje do 30 °C. Seveda pa talon ogrevanje ni nikakršen pogoj, saj je mogoče povsem enakovredno ogrevati prostore tudi pri nižjih temperaturah s povečanjem sevalne površine radiatorjev.
Geotermalni viri napajanja
In kje smo v tej zgodbi elektroniki? Marsikdo bi se pri tako konstantnem viru energije vprašal, kako bi geotermalno energijo lahko izkoriščali kot napajalni vir za majhne elektronske naprave?
Prek kovinske palice (sonde), ki jo lahko zakopljemo (zabijemo) kakšen meter globoko v tla, lahko “črpamo” shranjeno geotermalno energijo poleti do hladne, pozimi pa do tople strani termoelektričnega pretvornika. Tako dobimo neko kombinacijo termoelektrične in geotermalne sonde.
Poleti bi nam vročo stran segrevalo sonce posredno (črno prebarvano hladilno telo) s svojimi žarki in s tem ustvarjalo razliko med temperaturama sonde in obsevanim hladilnim telesom. Razlika v temperaturah bi zlahka presegla tudi 40 °C. Pozimi bi termoelektrični element obrnili in namestili belo prebarvani hladilnik, katerega temperatura bi se prilagodila temperaturi okolice, »vroča« stran termo generatorja pa bi imela temperaturo sonde. Temperaturne razlike bi bile sicer manjše, vendar še vedno nekje med 10 in 20°C.
Zaključek
Z geotermalno energijo bomo v prihodnosti najbrž nadomestili vsa fosilna goriva, ki se uporabljajo za ogrevanje in pogon termoelektrarn. Vir je praktično neizčrpen in zanesljiv ter vedno dostopen, zato bo najbrž vloženega še veliko truda v raziskave, v nove tehnologije, v pretvorbe z višjimi izkoristki. Tej energiji se ne bomo mogli izogniti, zato je prav, da se z njo seznanimo in jo jemljemo kot darilo Zemlje svojim prebivalcem.
