Centrale electrice geotermale - cu abur uscat, apa fierbinte

Centrale electrice geotermale

Producerea energiei electrice avand la baza energia geotermala reprezinta o optiune deosebit de interesanta pentru tarile care poseda un potential important din aceasta resursa de energie primara. Se mentioneaza in acest sens urmatoarele avantaje :

Scade consumul de combustibili fosili necesar acoperirii cererii de energie electrica ;

Scade impactul produs asupra mediului prin arderea combustibililor fosili.

Dupa cum s-a precizat mai sus, principalul dezavantaj consta din faptul ca o centrala electrica de acest tip trebuie amplasata in imediata vecinatate a sursei geotermale.

In general, tehnologiile de producere a energiei electrice sunt:

Centrale geotermale pe baza de "abur uscat": Folosesc abur la temperatura ridicata    (>235 ^oC) si doar o mica cantitate de apa din rezervorul geotermal. Aburul este adus de la rezervor printr-o conducta direct in turbina, pentru a antrena un generator ce produce energie electrica.

Centrale geotermale cu "abur saturat umed" este varianta uzuala pentru centrale de 5 MW pana la 100 MW capacitate instalata. Aceste centrale folosesc apa fierbinte    (>182 ^oC) din rezervorul geotermal. Apa este pompata in expandor la presiunea furnizata de rezervorul subteran. Aici are loc o scadere brusca de presiune, ceea ce determina ca o parte din apa sa vaporizeze, aburul format antrenand turbina.

Centrale cu ciclu binar: In sistemele binare, fluidele geotermale fierbinti sunt vehiculate printr-una din partile unui schimbator de caldura, pentru a incalzi un fluid de lucru. Fluidul de lucru, cu un punct de fierbere scazut, vaporizeaza si strabate o turbina pentru a genera energie electrica. Un exemplu este ciclul Kalina in care ca agent de lucru este folosita o solutie apoasa pe baza de amoniac. Autorii acestuia sustin ca ciclul mareste eficienta unei centrale geotermale cu 20 - 40 % si reduce costurile de constructie ale centralei cu 20 - 30 %, in plus scazand costul generarii puterii geotermale. Capacitatea instalata uzuala la aceasta categorie este in gama 500 kWe - 10 MWe.

Ciclul combinat (ciclu cu abur si ciclu binar) Acesta consta dintr-o combinatie intre cele doua precizate mai sus, care permite atingerea unei eficiente ridicate a centralei.

1. Centrala electrica geotermala cu abur uscat

Reprezinta cea mai veche varianta de centrala electrica geotermala. Solutia poate fi utilizata in conditiile existentei unei surse geotermale care produce abur uscat sau cu un continut redus de umiditate.

In figura 4 este prezentata schema pentru acest tip de centrala. Aburul care alimenteaza turbina provine direct din sursa geotermala. Dupa cum s-a precizat mai sus, aburul nu trebuie sa contina umiditate deoarece schema nu prevede instalatii de separare a picaturilor de apa. Dupa destinderea in turbina, aburul condenseaza, iar condensul este reinjectat in rezervorul geotermal.

Fig. 4 Schema unei centrale electrice geotermale cu abur uscat.

Prima centrala de acest tip a fost pusa in functiune la Larderello, in Italia, in anul 1904. Totusi, sursele geotermale care sa ofere direct abur uscat sunt foarte rare. In prezent, cea mai mare centrala existenta se gaseste la Geysers (SUA), avand o putere de aproximativ 1130 MW si cuprinzand grupuri cu puteri unitare de 55 si 110 MW.

2. Centrala electrica geotermala utilizand apa fierbinte

Centrala electrica geotermala cu abur umed reprezinta solutia cea mai des intalnita (vezi Figura 5).

Fig. 5 Schema unei centrale electrice geotermale cu abur umed.

Principiul consta din prelevarea de apa fierbinte sub presiune dintr-o sursa hidrotermala si introducerea acesteia intr-un expandor. Aburul format se destinde intr-o turbina producand lucru mecanic si apoi condensand. Condensul astfel format se amesteca cu faza lichida rezultata de la expandor si este reinjectat in rezervorul geotermal sau este trimis catre un consummator termic. Puterea unitara pentru o astfel de unitate energetica se situeaza in intervalul 5 - 100 MW.

In functie de nivelul termic al sursei hidrotermale este posibila realizarea unei scheme cu doua nivele de presiune, in care productia de abur se realizeaza in doua expandoare inseriate. Apa evacuata din expandorul de inalta presiune este introdusa in expandorul de joasa presiune, producand o cantitate de abur ce este injectata in turbina.

Un alt exemplu, prezentat in figura 6, este constituit de prima centrala geotermala construita in Germania la Neustadt care produce energie electrica utilizand o resursa geotermala cu cel mai redus nivel termic (98 ⁰C).

Fig. 6 Schema centralei electrice geotermale de la Neustadt (Germania).

Spre deosebire de schema anterioara, in cazul centralei de la Neustadt condensatul rezultat in condensator este preincalzit inainte de a intra in expandor. In felul acesta, apa fierbinte extrasa din rezervorul geotermal este trecuta prin doua schimbatoare de caldura, unul de amestec si unul de suprafata, inainte de a fi reinjectata in rezervor.

3. Centrala electrica geotermala cu ciclu binar

O mare parte a rezervoarelor geotermale se caracterizeaza prin temperaturi relative coborate, sub nivelul de 180 C. In acest caz pentru conversia energiei geotermale in energie electrica solutia optima este utilizarea ciclurilor binare (vezi Figura 7).

Apa provenita din sursa geotermala cedeaza caldura (prin intermediul unui schimbator de caldura) catre un alt fluid (ex. pentan, butan) care evolueaza in ciclul motor al centralei. Acest fluid se caracterizeaza printr-o temperatura de fierbere sensibil mai coborata decat cea a apei. In acest mod poate fi utilizat un potential termic geotermal relativ scazut.

Fig. 7 Centrala electrica geotermala cu ciclu binar.

Dezvoltarea centralelor electrice geotermale

Dupa cum s-a precizat mai sus, centralele electrice geotermale trebuiesc amplasate in imediata apropiere a surselor de caldura. Va rezulta o raspandire neuniforma a acestei categorii de centrala electrica, in functie de potentialul geotermal al fiecarei regiuni geografice. In Tabelul 2 sunt prezentate principalele tari producatoare de energie electrica pe baza de energie geotermala.

Prima centrala geotermala din lume a fost pusa in functiune in 1904 la Lardarello, Italia, avand la baza un ciclu cu abur uscat. A doua centrala a intrat in exploatare in anii '50 la Waikarei (Noua Zeelanda), fiind urmata in anii '60 de Geysers (SUA).

Centralele electrice geotermale cu abur uscat reprezinta filiera cea mai raspandita la ora actuala. Totusi, se remarca si o preocupare inspre dezvoltarea unor unitati de mica putere bazate pe cicluri binare.

Centralele electrice geotermale reprezinta una din solutiile cele mai avantajoase pentru alimentarea unor consumatori izolati. Se elimina astfel necesitatea unor linii lungi de transport a energiei electrice care genereaza costuri investitionale si de mentenanta importante. Tehnologiile utilizate nu sunt sofisticate, bazandu-se pe echipamente mature din punct de vedere comercial, iar sursa de energie geotermala este practic inepuizabila. Rezulta o disponibilitate de timp deosebit de ridicata in raport cu alte categorii de centrale electrice. Centralele electrice geotermale sunt utilizate cu precadere pentru acoperirea bazei curbei de sarcina a unui sistem electroenergetic.

Tabelul 2 Capacitati instalate in centralele electrice geotermale

(Sursa: International Geothermal Association)

Utilizarea directa a energiei geotermale

In afara productiei de energie electrica, energia geotermala are o gama larga de utilizare directa :

Balneologie

Agricultura : sere, incalzire terenuri de cultura

Industrie : incalzire si uscare produse

Acoperirea cererii de caldura a consumatorilor rezidentiali

Se mentioneaza ca in peste 35 de tari exista o capacitate instalata de utilizare directa a energiei geotermale de peste 12 000 MW_t.

Utilizarea energiei geotermale presupune o serie de investitii relativ ridicate, indeosebi in ceea ce privesc operatiunile de foraj. O utilizare eficienta a energiei geotermale este cea in cascada:

Termoficare la o temperatura de 90 - 60 C;

Alimentare sere sau procese industriale la o temperatura de aproximativ 60 C;

Preparare apa calda menajera pentru temperature sub 60 C.