Transcript Υδροθερμικά συστήματα

Κεφάλαιο 3
Γεωθερμικά συστήματα και πεδία
Κώστας Βουδούρης
Γεωλόγος-Μαθηματικός
Δρ. Υδρογεωλογίας Πανεπιστημίου Πατρών
Επ. Καθηγητής Α.Π.Θ.
Κεφάλαιο 3ο
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
 Γεωθερμικοί πόροι
 Ταξινόμηση γεωθερμικών συστημάτων
 Γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας
 Περιοχές με υψηλή θερμική ροή στην Ελλάδα
 Πεδία μέσης και χαμηλής ενθαλπίας
 Αβαθής γεωθερμία
 Περιοχές θερμών ξηρών πετρωμάτων
 Γεωπεπιεσμένα συστήματα
2/64
Γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources)
 Είναι οι ποσότητες θερμικής ενέργειας που
βρίσκονται στην επιφάνεια της γης σε κάποια
προσβάσιμο βάθος και μπορεί να αξιοποιηθούν με
μικρό κόστος.
 Γεωθερμικό δυναμικό= σύνολο των ατμών και
νερών και της θερμότητας των γεωλογικών
σχηματισμών, των οποίων η θερμοκρασία είναι
μεγαλύτερη από τη μέση ετήσια.
 Η γεωθερμική ενέργεια που βρίσκεται σε ένα
γεωλογικό χώρο σχηματίζει ένα γεωθερμικό
σύστημα
3/64
Γεωθερμικοί πόροι
Γεωθερμικοί πόροι (geothermal resources): οι ποσότητες της θερμικής
ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευμένη ανάμεσα στην επιφάνεια της γης
και σε κάποιο προσβάσιμο βάθος και μπορεί να ανακτηθεί με
ανταγωνιστικό κόστος σε σχέση με τις άλλες μορφές ενέργειας.
Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μία φυσική πηγή ενέργειας με γήινη
προέλευση, η οποία βρίσκεται σε ένα γεωλογικό χώρο που σχηματίζει
στο σύνολό του ένα γεωθερμικό σύστημα.
Η εκμετάλλευση του γεωθερμικού δυναμικού είναι πολύ πιθανή σε
εκείνες τις περιοχές της γης όπου μάζες ρευστών ανεβαίνουν προς την
επιφάνεια. Τέτοιες περιοχές συνδέονται με γεωλογικά πολύ πρόσφατη ή
και ενεργό ηφαιστειότητα όπως και με περιοχές όπου η γεωθερμική
βαθμίδα > 30ºC/km.
4/64
Κατηγορίες γεωθερμικών πόρων
Tαυτοποιημένοι
Μη ανακαλυφθέντες
Γραφική παράσταση των διαφόρων κατηγοριών γεωθερμικών
πόρων.
5/64
Ένα γεωθερμικό σύστημα αποτελείται από:
Μία πηγή θερμότητας: μπορεί να είναι είτε μια μαγματική διείσδυση (με
θερμοκρασίες 600-1200°C), η οποία έφθασε σε σχετικά μικρά βάθη (310 km), είτε η κανονική θερμική ροή της γης, που δημιουργεί όλο και
θερμότερους σχηματισμούς όσο πηγαίνουμε στο βάθος
Έναν ταμιευτήρα (reservoir) : αποτελείται ουσιαστικά από ένα
σύστημα θερμών διαπερατών πετρωμάτων, που επιτρέπουν την εύκολη
κυκλοφορία ή τον εγκλωβισμό των κυκλοφορούντων ρευστών, τα οποία
απάγουν θερμότητα.
Τα γ/θ ρευστά, που είναι οι κύριοι φορείς της μεταφοράς της
θερμότητας. Είναι μετεωρικής ή επιφανειακής προέλευσης (και σπάνια
μαγματικής), σε υγρή ή αέρια φάση και συχνά περιέχουν σημαντικές
ποσότητες διαλυμένων στερεών ουσιών και αερίων.
6/64
Ταξινόμηση Γεωθερμικών Συστημάτων
Γεωθερμική
ενέργεια
Υδροθερμική
ενέργεια
Αβαθής
γεωθερμία
Θερμά
ξηρά
πετρώματα
Γεωπεπιεσμένη
ενέργεια
Ενέργεια
μάγματος
Μορφές γεωθερμικής ενέργειας κατά σειρά ενδιαφέροντος χρήσεων
σήμερα και προοπτικής στο εγγύς μέλος, από αριστερά προς τα δεξιά.
7/64
Είδη γεωθερμικών πόρων
 Υδροθερμικά συστήματα ή πόροι
 Αβαθής γεωθερμία
 Γεωπεπιεσμένα συστήματα
 Συστήματα βαθιών (3-10 km) θερμών-ξηρών
πετρωμάτων
 Μαγματικά συστήματα
8/64
Ταξινόμηση των γεωθερμικών συστημάτων
9/64
Υδροθερμικά συστήματα
Υδροθερμικά συστήματα ή πόροι (hydrothermal systems ή
resources): τα φυσικά υπόγεια θερμά ρευστά που βρίσκονται σε έναν
ή περισσότερους ταμιευτήρες, θερμαίνονται από μία εστία
θερμότητας και συχνά εμφανίζονται στην επιφάνεια της γης με τη
μορφή θερμών εκδηλώσεων. Διακρίνονται σε:
- συστήματα συναγωγής (convective systems) ή δυναμικά συστήματα
- συστήματα αγωγής (conductive systems) ή στατικά συστήματα
10/64
Γεωθερμικοί πόροι
 Συστήματα ατμού (ηλεκτροπαραγωγή)
 Συστήματα θερμού νερού
 Χαμηλής ενθαλπίας (<90 oC)
 Μέσης ενθαλπίας (90-150 oC)
 Υψηλής ενθαλπίας (>150 oC)
11/64
Συστήματα νερού
 Θερμό νερό ή μίγμα νερού-ατμού
 Βάθος 3-10 km
 Μεταφορά θερμότητας με συναγωγή
 Νερό μετεωρικής ή επιφανειακής προέλευσης
 Νερά πλούσια σε άλατα NaCl
 Πίεση και θερμοκρασία στην καμπύλη του σημείου
ζέσεως σε σχέση με το βάθος
12/64
Υδροθερμικά συστήματα
Θερμοκρ.
Χαρακτηριστικά
1. Συστήματα συναγωγής
Α) Συστήματα που
περιέχουν ατμό
Περατοί σχηματισμοί με φυσική
κυκλοφορία ρευστών
Κλειστά κυκλώματα συναγωγής, ατμοί
παγιδευμένοι από στεγανά καλύμματα,
Τ>200º ,μέχρι 1,5
C
Β) Συστήματα που περιέχουν
θερμό νερό
i) Yψηλής θερμοκρασίας
ii) Mέσης θερμοκρασίας
iii) Xαμηλής θερμοκρ.
2. Συστήματα αγωγής
(°C)
k
Larderello και
Monte Amiata
(Iταλία), The
Geysers
~240
m
Κλειστά ή ανοικτά κυκλώματα
συναγωγής, μέχρι τα 3 km
Σχεδόν οριζόντιοι υδροφόροι με τοπική
αποστράγγιση ψυχρού νερού ή
κυκλοφορία θερμού νερού υπό πίεση
Όπως προηγούμενο, με χαμηλότερη
θερμοκρασία νερού, με μικρή ή καθόλου
πίεση
Μη-περατοί σχηματισμοί, με μεγάλο
πορώδες και περατότητα, σε βάθος 1-3
km με εγκλωβισμένα νερά
> 150
90-150
< 90
60-150
Latera (Ιταλία),
Kizildere
(Τουρκία),
Azores, Μήλος,
Νίυρος
Λεκάνη Παρισιού
η Παννονική
λεκάνη, το
Klamath Falls
13/64
Θερμοκρασίες ταμιευτήρα και ενθαλπίες ρευστών από πεδία
υψηλής θερμοκρασίας
Γεωθερμικό πεδίο
Θερμοκρασία
ταμιευτήρα, °C
(μέγιστη θερμ., °C)
Μέγιστη
ενθαλπία
(kJ/kg)
237 (310)
200 (420)
170 (344)
220
175 (248)
3000
3100
2600
(290)
(326)
(370)
(388)
(300)
(327)
(309)
(308)
(344)
(320)
(350)
1175
1175
1000
2430
2700
2700
2800
2250
2680
Συστήματα Ατμού
The Geysers (HΠA)
Larderello (Iταλία)
Monte Amiata (Iταλία)
Matsukawa (Ιαπωνία)
Kamojang (Ινδονησία)
2780
Συστήματα Νερού-Ατμού
Wairakei (Νέα Ζηλανδία)
Broadlands (Νέα Ζηλανδία)
Imperial Valley (Η.Π.Α.)
Cerro Prieto (Μεξικό)
Los Azufres (Μεξικό)
Momotombo(Νικαράγουα)
Tiwi (Φιλιπίνες)
Hatchobaru (Ιαπωνία)
Krafla (Ισλανδία)
Mήλος
Νίσυρος
230
255
160
300
175
210
273
250
205
225
240
14/64
Υδροθερμικά συστήματα
The Geysers
Larderello
15/64
Μοντέλο πεδίων υψηλής ενθαλπίας
 Εστία (μαγματική) σε μικρό σχετικά βάθος
 Κατείσδυση του μετεωρικού νερού μέσω
υδροπερατών πετρωμάτων
 Θέρμανση λόγω της επαφής με τα θερμά πετρώματα
 Άνοδος στην επιφάνεια (είναι ελαφρύτερα) και τη
θέση τους καταλαμβάνουν ψυχρά ρευστά
 Δημιουργείται ένα σύστημα κυκλοφορίας
(ανανεώσιμο) που μεταφέρει θερμότητα από το
βάθος στην επιφάνεια
16/64
Υδροθερμικά συστήματα
Βροχή
Μαγματικός θάλαμος
Ένα γεωθερμικό πεδίο που παράγει ατμό και τα κύρια συστατικά του
(από πάνω προς τα κάτω): η περιοχή επαναφόρτισης, το μη περατό
κάλυμμα, ο ταμιευτήρας ρευστών και η πηγή ενέργειας.
17/64
Υδροθερμικά συστήματα
Σχηματική παράσταση ενός πρότυπου γεωθερμικού συστήματος
18/64
Γεωθερμικό σύστημα ατμού
19/64
Υδροθερμικά συστήματα
Προκαταρκτικός
χάρτης θερμικής
ροής Ελλάδας, σε
mWm-2
20/64
Υδροθερμικά συστήματα
Σχηματική τομή της Μήλου.
21/64
Χάρτης καμπυλών ισοβαθμίδας (oC/10 m) στη Μήλο
22/64
Γεωλογική τομή στη Νίσυρο ΒΔ-ΝΑ
23/64
Αίτια θερμικής ανωμαλίας
 Η παρουσία σε μικρά βάθη μεγάλων ποσοτήτων
μάγματος σε κατάσταση κρυστάλλωσης.
 Τα μάγματα δημιουργήθηκαν από τη μερική τήξη
των υλικών μέχρι βάθος 180 km.
 Πιθανά ενισχύεται από τη ραδιενέργεια του
ηπειρωτικού φλοιού.
 Η άνοδος μάγματος προξένησε ηφαιστειότητα
 Δραστηριότητες των υδροθερμικών ρευστών
(σχηματισμός ορυκτών, μπεντονιτίωση και
καολινιτίωση των ηφαιστιτών κ.λπ).
24/64
Μοντέλο μέσης και χαμηλής ενθαλπίας
 Λείπει η εστία θερμότητας με τη μορφή λιωμένου
πετρώματος
 Μικρότερη θερμική ανωμαλία
 Περιοχές τεκτονικής εφελκυστικού τύπου (ανοικτά
ρήγματα) επιτρέπουν την άνοδο ρευστών που σε
συνδυασμό με την παρουσία ταμιευτήρα, στεγανό
κάλυμμα κ.λπ δημιουργούν γεωθερμικά πεδία
 Παράδειγμα λεκάνη του Στρυμώνα
25/64
Γεωθερμικό μοντέλο χαμηλής ενθαλπίας
σε λεκάνη από τεκτονική βύθιση
26/64
Περιοχές μέσης και χαμηλής ενθαλπίας
 Οπισθότοξες περιοχές (πίσω από το νησιωτικό τόξο)
με εφελκυστικού τύπου τεκτονική (ρήγματα)
 Θερμική ανωμαλία κατά μήκος ρηγμάτων (ΑνατολίαΣαμοθράκη-Λήμνος)
 Περιοχές τεκτονικών βυθισμάτων (Θράκη, Κεντρική
Μακεδονία, Λέσβο, Θεσσαλία)
 Περιοχές με όξινο πλουτώνιο μαγματισμό (Ηράκλεια,
Αγγιστρο)
27/64
Αύξηση της θερμικής ροής σε πλουτώνια γρανιτική διείσδυση
28/64
Αβαθής Γεωθερμική Ενέργεια
Μετρήσεις θερμοκρασίες εδάφους
σε βάθος 1 m και 15 m στο Κορωπί
Αττικής (Βραχόπουλος και
Παπαγεωργάκης, 1998).
29/64
Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας (ΓΑΘ)
 Μεταφέρει θερμότητα από ένα μέσο με χαμηλή
θερμοκρασία σε ένα μέσο με υψηλή θερμοκρασία
 Οι ΓΑΘ χρησιμοποιούν για πηγή θερμότητας την
αβαθή γεωθερμία δηλ. πηγή θερμότητας είναι το
έδαφος ή το υπόγειο νερό
 Περιλαμβάνει το συμπιεστή, συμπυκνωτή, τον
εξατμιστή, τη βαλβίδα εκτόνωσης.
30/64
Θερμά Ξηρά Πετρώματα (Hot Dry Rocks)
Σχηματική παρουσίαση της αξιοποίησης των θερμών ξηρών πετρωμάτων με μία
γεώτρηση τροφοδοσίας και δύο παραγωγικές γεωτρήσεις.
31/64
Γεωπεπιεσμένα Συστήματα
Γεωπεπιεσμένα ρευστά: τα
γ/θ ρευστά που βρίσκονται
εγκλωβισμένα υπό μεγάλη
πίεση (550-1350 bar) μέσα
σε παλιότερους γεωλογικούς
σχηματισμούς, πάντα μαζί με
μεθάνιο.
Τα ρευστά έχουν υψηλή
αλατότητα και θερμοκρασίες
στην περιοχή 50-250°C.
32/64
Συστήματα Μάγματος
 Η αξιοποίηση της ενέργειας από
μάγματα φαίνεται απλή.
Κατασκευάζεται μία ειδική
γεώτρηση μέχρι τη διείσδυση του
μάγματος, μέσα στην οποία
κυκλοφορεί ένα θερμαντικό μέσο.
 Σημαντικά τεχνικά προβλήματα
 Πειράματα διάτρησης μάγματος
που είχε στερεοποιηθεί σχετικά
πρόσφατα στην κορυφή του όρους
Kilauea στη Χαβάη
33/64
Γεωθερμική ενέργεια και ΑΠΕ
34/64
Γεωθερμική ενέργεια και ΑΠΕ
Πυρην.
6.9%
Υδρο
2.2%
Φ.Α.
21.2%
Ανθρ.
23.4%
AΠE
13,5%
Βιομαζα
10.8%
Πετρ.
35.0%
Άλλες
0.5%
Ηλιακή
, άλλες,
0,004
Γεωθερ
μία,
0,043
Αιολική,
0,0027
Η συμμετοχή των ΑΠΕ (και της γεωθερμικής ενέργειας) στην παγκόσμια παραγωγή
πρωτογενούς ενέργειας κατά το 2001. Στις άλλες ΑΠΕ περιλαμβάνονται η ηλιακή και η
παλιρροϊκή (Πηγή: ΙΕΑ Renewables Information, 2003 Edition).
35/64
Ετήσιος ρυθμός αύξησης, %
Ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης των ΑΠΕ (και της
γεωθερμίας) κατά τη χρονική περίοδο 1991-2001.
25
19,1
20
15
10
5
7,6
6
1,4
1,7
1,5
1,7
TRES
ΑΠΕ
Στερεή
βιομάζα
Υδρο
0
Γεωθερμία
Ηλιακή,
αιολική,
π αλιρ.
Βιοκαύσιμα
36/64
8. Πλεονεκτήματα της
Γεωθερμικής Ενέργειας
37/64
 Προσφέρεται έτοιμη προς χρήση ως θερμικό προϊόν
 Αναπτύσσεται κυρίως σε πεδινές εκτάσεις με άριστες συνθήκες αξιοποίησης
στη σύγχρονη γεωργία, αγροτοβιομηχανία, ιχθυοκαλλιέργεια, κλπ.
 Συμβάλλει στην αγροτουριστική και οικοτουριστική ανάπτυξη και προσφέρει
το μέσον για εναλλακτικές & σύγχρονες μορφές τουρισμού (κολυμβητήρια,
ιαματικός τουρισμός, spa, κλπ)
 Η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας στο θέμα της αβαθούς γεωθερμίας,
καθιστά δυνατή τη χρήση της πρακτικά οπουδήποτε και όλες τις εποχές του
έτους.
 Συμβάλλει στην επίτευξη των στόχων Λευκής Βίβλου Ε.Ε & Πρωτοκόλλου
Κιότο για περιορισμό εκπομπών CO2 και επιβλαβών αερίων.
38/64
Πλεονεκτήματα στην Ηλεκτροπαραγωγή
Συνεχής παροχή ενέργειας. Η γεωθερμική ενέργεια είναι διαθέσιμη 24 ώρες
την ημέρα, 365 ημέρες το χρόνο, σε αντίθεση με άλλες ΑΠΕ. Οι γ/θ μονάδες
παραγωγής έχουν συντελεστή λειτουργίας (load factor) που μπορεί να
φτάσει και το 90% (π.χ. μιας υδροηλεκτρικής μονάδας ~ 70%, ενώ για
ηλιακές και αιολικές μονάδες κυμαίνεται μεταξύ 20% και 35%).
Μικρό λειτουργικό κόστος.
Εκπομπές στο περιβάλλον. Δεν εκπέμπονται καθόλου
σωματίδια, ενώ με τον κύκλο Rankine μηδενικές εκπομπές.
Απαιτήσεις γης - δεν απαιτούν αποθηκευτικούς χώρους
Μικρές ανάγκες για μεταφορά υλικών
Τοπική μορφή ενέργειας
Συμβολή στην μείωση της ενεργειακής εξάρτησης μιας
χώρας.
39/64
Πλεονεκτήματα της Γεωθερμικής Ενέργειας σε σχέση με τις
άλλες ΑΠΕ
 Συνεχής και σταθερή παροχή ενέργειας
 Μικρό λειτουργικό κόστος
 Χρησιμοποιεί γνωστή και απλή τεχνολογία
 Δεν επηρεάζεται από καιρικές συνθήκες,
όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια
 Παρουσιάζει πρόσθετα πλεονεκτήματα σε σχέση με αγροτικές
δραστηριότητες με σημαντική συμβολή στην οικονομική & κοινωνική
ανάπτυξη της περιφέρειας.
40/64
Ευχαριστώ για την προσοχή σας!!!
41/64