Aspecte Generale Privind Energia Geotermala

Aspecte generale privind energia geotermală

Necesitatea asigurării unei dezvoltări energetice durabile, concomitent cu protejarea mediului înconjurator a condus, în ultimii 10-15 ani, la intensificarea preocupărilor privind promovarea resurselor regenerabile de energie și a tehnologiilor industriale suport.

Politica UE în acest domeniu, exprimată prin Cartea Albă și Directiva Europeană 2001/77/CE privind producerea de energie din surse regenerabile, prevede ca, până în anul 2010, Uniunea Europeană lărgită să iși asigure necesarul de energie în proporție de circa 12 % prin valorificarea surselor regenerabile.

În acest context, în multe țări europene dezvoltate (Franța, Italia, Germania, Austria), posesoare de resurse geotermale similare cu cele ale României, preocupările s-au concretizat prin valorificarea pe plan local/regional, prin conceperea și realizarea unor tehnologii eficiente și durabile, care au condus la o exploatare profitabilă, atât în partea de exploatare a resurselor (tehnologii de foraj și de extracție din sondele geotermale), cât și în instalațiile energetice de suprafață.

Potențialul energetic geotermal

Figura 2.1 Potențialul energiei geotermale

Energia geotermală reprezintă căldura acumulată în roci și în fluidele ce umplu porii acestora. Energia geotermală este energia termică conținută de materia anorganică din interiorul Pământului sub formă de caldură sensibilă și produsă în cea mai mare parte din descompunerea lentă a substanțelor radioactive naturale existente în toate tipurile de rocă.

Căldura provine din energia care se propagă radial de la centru către exteriorul Pământului și este furnizată continuu. Temperatura înaltă de la centrul Pământului se explică prin originea Pământului, prin existența izotopilor radioactivi de uraniu (U238, U235), thoriu (Th232) și potasiu (K40) în Pământ.

Procesul de propagare se desfășoară în permanență și se poate spune că energia geotermală este o sursă de energie inepuizabilă. Energia geotermală este una din alternativele care pot satisface nevoia omului pentru energie, minimizând impactul asupra mediului.

În zona în care, din cauza temperaturii ridicate, rocile se gasesc în stare topită (de magma), căldura se transmite în cea mai mare parte prin convecție datorită mișcării masei topite și prin conducție în proporție mai redusă. În zonele cu temperaturi mai scăzute, caracterizate prin faptul că materia se găsește în stare solidă, căldura se transmite numai prin conducție.

Gradientul geotermal exprimă creșterea temperaturii cu adâncimea, valoarea medie fiind de 2,5 – 3°C/100 m, ceea ce corespunde unei temperaturi de 100 °C la 3000 m adâncime. Există numeroase zone unde valoarea gradientului geotermal diferă considerabil față de valoarea medie.

Spre exemplu în zonele unde platoul de rocă a suferit prăbușiri rapide și bazinul este umplut cu sedimente „foarte tinere” din punct de vedere geologic, gradientul geotermal poate fi mai mic de 1°C/100 m. Pe de altă parte în alte zone geotermale gradientul depășește de câteva ori media.

În general, valoarea acestui gradient este de 25 °C /km, însă există numeroase zone în care gradientul termic din apropierea scoarței este mult mai mare. Aceste zone sunt adevărate rezervoare termale subterane, de energie geotermică de potențial ridicat, care, în anumite condiții favorabile, pot fi exploatate pentru a deservi instalațiile de incălzire și instalațiile de preparare a apei calde menajere.

Sistemele geotermale pot fi găsite în zone cu un gradient geotermal normal sau aproape normal și în regiuni joase, unde gradientul geotermal poate fi semnificativ mai ridicat decât media.

În primul caz sistemele vor fi caracterizate de temperaturi scăzute, de obicei ajungându-se până la 100°C pentru adâncimi optime din punct de vedere economic. În al doilea caz temperaturile se pot situa într-o plajă largă, de la foarte scăzute până la foarte înalte, atingând 400°C.

Un sistem geotermal poate fi descris ca un sistem în care apa este folosită ca agent de transport, prin intermediul căruia căldura este preluată de la sursa din subsol și transmisă la suprafața către un consumator.

Un sistem geotermal este compus din 3 elemente principale: o sursă de căldură, un rezervor și un fluid. Sursa poate fi o intruziune de rocă magmatică de temperatură foarte înaltă (> 600°C), situată la adâncimi relativ mici (5-10 km). Rezervorul este un volum de roci fierbinți, permeabile, de la care fluidele transportoare extrag căldura.

Rezervorul este de obicei acoperit de un strat de roci impermeabile și conectat cu o zonă de încărcare de suprafață, prin care apa din precipitații poate înlocui total sau parțial fluidele ce se pierd din rezervor prin izvoare sau sunt extrase prin sonde. Fluidul geotermal este apa, în majoritatea cazurilor din precipitații, în stare lichidă sau vapori, funcție de temperatură și presiune. Această apă transportă de asemenea elemente chimice și gaze precum CO2, H2S, etc.

Sistemele geotermice se clasifică în funcție de temperatura și presiunea sistemului și de modul în care energia termică este transferată spre sol.

2.1 Tipuri de surse geotermale (Sisteme geotermale)

Se disting patru categorii de surse geotermale:

A) Surse hidrotermale

Aceste surse se bazează pe circulația apelor meteorice (de suprafață) care se infiltrează în scoarța Pământului până la adâncimi cuprinse în intervalul 100 m – 4,5 km (vezi Figura 2.2).

Circulația este asigurată în mod natural pe baza diferenței dintre densitatea apei reci, respectiv a apei fierbinți sau a vaporilor de apă.

Figura 2.2 Secțiune simplificată printr-o sursă hidrotermală

O sursă hidrotermală necesită trei elemente principale:

sursă de căldură ;

un rezervor de apă alimentat cu apa de suprafață ;

un strat de roci impermeabile care să susțină rezervorul de apă.

În mod uzual o sursă hidrotermală este exploatată prin executarea unor foraje până la rezervorul de apă și extragerea apei fierbinți sau a vaporilor de apă. Apa din rezervor poate ajunge la suprafață și prin mijloace naturale cum ar fi izvoarele calde (fumarolele si gheizerele).

Din punct de vedere al nivelului termic se disting :

Surse hidrotermale de înaltă temperatură (temperaturi cuprinse în intervalul 180 – 350 C): încălzirea apei se datorează contactului cu roci fierbinți.

Surse hidrotermale de joasă temperatură (< 180 C): încălzirea apei se realizează prin contactul cu roci fierbinți, dar și datorită altor cauze cum ar fi fisiunea unor substanțe radioactive.

În funcție de starea de agregare a apei din rezervorul hidrotermal se întâlnesc următoarele situații:

Rezervoare în care apa se găsește predominant sub formă lichidă;

Rezervoare în care apa se găsește predominant sub formă de vapori.

Sursele hidrotermale sunt cvasi-regenerabile. O exploatare nerațională a acestora poate conduce la diminuarea potențialului rezervoarelor subterane de apă.

B) Surse sub presiune

Apa conținută în aceste rezervoare are salinitate scăzută și în compoziția sa se găsește metan dizolvat. Apa și metanul sunt ținute captive de straturi de roci impermeabile în rezervoare existente la mari adâncimi (3 – 6 km) caracterizate prin valori deosebit de ridicate ale presiunii. Temperatura apei se situează în general în intervalul 90 – 200 C.

Sursa geotermală sub presiune se caracterizează prin trei forme de energie :

Căldură ;

Energie chimică datorată gazului metan dizolvat în apă ;

Energie hidraulică (într-o mai mică măsură) datorată presiunii existente în rezervor.

Sistemele geopresurizate pot fi exploatate atat termic, cat si hidraulic.

Cele mai importante surse geotermale sub presiune au fost descoperite în partea nordică a Golfului Mexic.

C) Roci fierbinți

Acest tip de sursă constă din straturi de roci fierbinți existente în scoarța terestră. Spre deosebire de sursele hidotermale în acest caz nu există rezervoare subterane de apă sau posibilități de infiltrare a apelor de suprafață.

Exploatarea se realizează prin forare. În zona rocilor fierbinți, se pompează apa rece în scopul constiturii unui rezervor. Apa preia căldura de la roci și este adusă ulterior la suprafață printr-un puț de extracție.

Ținând cont de aceste aspecte, această resursă este practic nelimitată și este mai accesibilă decât resursele hidrotermale. Până în prezent se menționează preocupări în acest sens in Marea Britanie și in Statele Unite.

D) Magma

Magma reprezintă cea mai mare resursă geotermală, fiind formată din roci topite situate la adâncimi mai mari de 3 – 10 km. Temperatura magmei se situeză în general în intervalul 700 – 1200 C.

Nu au fost realizate cercetari privind utilizarea acestei resurse, în principal și datorită accesului anevoios la adâncimile la care se găsește magma.

2.2 Explorarea zăcămintelor de resurse geotermale

Pentru a determina parametrii de exploatare ai resurselor geotermale, este necesar să se facă cercetări. Cercetările sunt de natură hidro-geologică, geofizică și geochimică. Studiile geologice si hidro-geologice au un rol important în toate fazele cercetării geotermale, până la amplasarea obiectivului și crearea sondelor.

Deasemenea, oferă informațiile suport pentru interpretarea datelor obținute de la alte metode de explorare și, în final, pentru construcția unui model realist al sistemului geotermal și stabilirea potențialului resurselor.

Datele de explorare care sunt utilizate în faza de producție furnizează informații valoroase despre rezervor și tehnologia de producere. Cercetările geochimice (inclusiv chimia izotopilor) sunt metode utile pentru a stabili dacă sistemul geotermal este preponderent format din apă sau vapori, pentru a stabili care este temperatura minimă, precum și omogenitatea apei furnizate.

Cercetările geofizice au drept scop obținerea indirectă de informații, de la suprafață sau de la anumite adâncimi stabilite, privind parametrii fizici ai formațiunilor geologice ale subsolului.

Activitatea seismică, gravitația și magnetismul pot oferi informații prețioase despre forma, mărimea, adâncimea și alte caracteristici importante ale structurilor geologice ale subsolului. Informații despre existența fluidelor geotermale în structurile geologice se pot obține pe cale electrică sau electromagnetică.

Toate tehnicile geofizice sunt costisitoare, dar pot fi utilizate în majoritatea condițiilor sau situațiilor, oferind rezultate excelente în ceea ce privește structura geologică.

Obiectivele explorării geotermale sunt:

Identificarea fenomenelor geotermale ;

Asigurarea că există o zonă de producere geotermală utilă ;

Estimarea mărimii resursei ;

Determinarea câmpului geotermal ;

Localizarea zonelor productive ;

Determinarea conținutului de căldură al fluidelor descărcate de izvoare în câmpurile geotermale ;

Stabilirea unor date de bază prin care să se poată realiza ulterior monitorizarea ;

Determinarea valorilor de pre-exploatare ale unor parametri sensibili ;

Colectarea de cunoștințe despre orice aspect care poate crea probleme în timpul exploatării resursei.

Forarea

După diverse activități de cercetare a zonei, următorul pas în dezvoltarea proiectului geotermal îl reprezintă forarea. Puțurile geotermale, indiferent dacă sunt de explorare sau producție, sunt realizate utilizând tehnologii de forare rotativă, adoptate masiv din industria petrolieră.

Acestea au fost modificate pentru a lucra la temperaturi înalte și în formațiuni de rocă specifice. Adâncimea puțurilor geotermale în câmpurile actuale de producție este între 500 și 5 000 m, cu o medie a adâncimii de 1 500 m.

Costurile specifice de forare (€/m) cresc cu adâncimea. Costurile specifice pentru acces, amplasarea puțurilor și echipamentul folosit sunt constante, deci se poate face o evaluare generală a costului puțului.

Costurile sunt în general anticipate pentru fiecare proiect și chiar dacă variază cu 30 – 50 %, media este de 0,9 – 1,1 milioane € pentru realizarea unui puț.

Calculele pentru costul energiei produse țin cont de un preț de 1,1 – 1,3 milioane €, incluzând prețul forării și al explorării. Aceste costuri includ și cheltuieli pentru pregătirea terenului de amplasare a puțului și pentru crearea de drumuri de acces.

2.3 Utilizarea resurselor geotermale

Utilizarea energiei geotermale depinde de parametrii termici ai resursei. Spre exemplu resursele cu fluide geotermale ce depășesc 150°C pot fi utilizate la producerea de energie electrică, fiind pe deplin justificate tehnic și economic (pragul minim actual pentru producerea de energie electrică este de 97°C).

Sub această temperatură, energia geotermală este utilizată în tehnologii de prelucrare directă, majoritatea construite ca sisteme în cascadă (vezi figura 2.3).

Figura 2.3 Sistem cascadă ce utilizează energia geotermală

Cu toate că energia geotermală este prezentă pe toată suprafața scoarței terestre, utilizarea ei este posibilă doar în anumite condiții:

Din considerente economice, sursa geotermală trebuie să fie accesibilă prin foraje la adâncimi care să nu depășească în general 3 km. Doar în condiții favorabile această adâncime poate crește până la 6 – 7 km ;

Sursa geotermală trebuie să aibă un potențial suficient de ridicat (atât cantitativ cât și calitativ) pentru a rezulta o exploatare a acesteia în condiții economice avantajoase.

Distanța până la care poate fi transportată căldura prin intermediul unui agent termic (ex. apa) este limitată la valori de ordinul kilometrilor. În consecință, consumatorii sunt captivi, ei trebuind să fie amplasați în apropierea sursei geotermale.

În Tabelul 2.1 sunt prezentate posibilitățile de utilizare ale surselor geotermale, în funcție de potențialul lor termic.

Tabelul 2.1 Posibilități de utilizare a surselor geotermale

Pe ansamblu, energia geotermală prezintă o serie de avantaje certe :

Este o sursă locală de energie primară care poate reduce importul unor combustibili fosili scumpi (gaz natural, petrol) ;

Are un impact pozitiv asupra mediului înconjurător prin înlocuirea unor combustibili fosili puternic poluanți (cărbunele) ;

Spre deosebire de alte forme de energie regenerabilă (solară, eoliană) poate fi exploatată în mod continuu, indiferent de condițiile atmosferice ;

Reprezintă o sursă de energie primară sigură care nu necesită instalații de stocare.

2.3.1 Centrale electrice geotermale

Producerea energiei electrice având la bază energia geotermală reprezintă o opțiune deosebit de interesantă pentru țările care posedă un potențial important din această resursă de energie primară. Se menționează în acest sens următoarele avantaje :

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

Scade impactul produs asupra mediului prin arderea combustibililor fosili.

Principalul dezavantaj constă în faptul că o centrală electrică de acest tip trebuie amplasată în imediata vecinătate a sursei geotermale.

În general, tehnologiile de producere a energiei electrice sunt:

Centrale geotermale pe bază de „abur uscat”:

Folosesc abur la temperatură ridicată (>235 oC) și doar o mică cantitate de apă din rezervorul geotermal. Aburul este adus de la rezervor printr-o conductă direct în turbină, pentru a antrena un generator ce produce energie electrică.

Centrale geotermale cu “abur saturat umed”:

Varianta uzuală pentru centrale de 5 MW până la 100 MW capacitate instalată. Aceste centrale folosesc apă fierbinte (>182 oC) din rezervorul geotermal. Apa este pompată în expandor la presiunea furnizată de rezervorul subteran. Aici are loc o scădere bruscă de presiune, ceea ce determină ca o parte din apă să vaporizeze, aburul format antrenând turbina.

Centrale cu ciclu binar:

În sistemele binare, fluidele geotermale fierbinți sunt vehiculate printr-una din părțile unui schimbător de căldură, pentru a încălzi un fluid de lucru.

Fluidul de lucru, cu un punct de fierbere scăzut, vaporizează și străbate o turbină pentru a genera energie electrică.

Un exemplu este ciclul Kalina în care ca agent de lucru este folosită o soluție apoasă pe bază de amoniac. Autorii acestuia susțin că ciclul mărește eficiența unei centrale geotermale cu 20 – 40 % și reduce costurile de construcție ale centralei cu 20 – 30 %, în plus scăzând costul generării puterii geotermale.

Capacitatea instalată uzuală la această categorie este în gama 500 kWe – 10 MWe.

Ciclul combinat (ciclu cu abur și ciclu binar):

Acesta constă dintr-o combinație între cele două precizate mai sus, care permite atingerea unei eficiențe ridicate a centralei.

2.3.1.1. Centrală electrică geotermală cu abur uscat

Reprezintă cea mai veche variantă de centrală electrică geotermală. Soluția poate fi utilizată în condițiile existenței unei surse geotermale care produce abur uscat sau cu un conținut redus de umiditate.

În Figura 2.4 este prezentată schema pentru acest tip de centrală. Aburul care alimentează turbina provine direct din sursa geotermală. După cum s-a precizat mai sus, aburul nu trebuie să conțină umiditate deoarece schema nu prevede instalații de separare a picăturilor de apă.

După destinderea în turbină, aburul condensează, iar condensul este reinjectat în rezervorul geotermal.

Figura 2.4 Schema unei centrale electrice geotermale cu abur uscat

Prima centrală de acest tip a fost pusă în funcțiune la Larderello, în Italia, în anul 1904. Totuși, sursele geotermale care să ofere direct abur uscat sunt foarte rare. În prezent, cea mai mare centrală existentă se găsește la Geysers (SUA), având o putere de aproximativ 1130 MW și cuprinzând grupuri cu puteri unitare de 55 și 110 MW.

2.3.1.2. Centrală electrică geotermală utilizând apă fierbinte

Centrala electrică geotermală cu abur umed reprezintă soluția cea mai des întâlnită.

Figura 2.5 Schema unei centrale electrice geotermale cu abur umed

Principiul constă în prelevarea de apă fierbinte sub presiune dintr-o sursă hidrotermală și introducerea acesteia într-un expandor.

Aburul format se destinde într-o turbină producând lucru mecanic și apoi condensând. Condensul astfel format se amestecă cu faza lichidă rezultată de la expandor și este reinjectat în rezervorul geotermal sau este trimis către un consumator termic. Puterea unitară pentru o astfel de unitate energetică se situează în intervalul 5 – 100 MW.

În funcție de nivelul termic al sursei hidrotermale este posibilă realizarea unei scheme cu două nivele de presiune, în care producția de abur se realizează în două expandoare înseriate. Apa evacuată din expandorul de înaltă presiune este introdusă în expandorul de joasă presiune, producând o cantitate de abur ce este injectată în turbină.

Un alt exemplu, prezentat în Figura 2.6, este constituit de prima centrală geotermală construită în Germania la Neustadt care produce energie electrică utilizând o resursă geotermală cu cel mai redus nivel termic (98 0C).

Figura 2.6 Schema centralei electrice geotermale de la Neustadt (Germania)

Spre deosebire de schema anterioară, în cazul centralei de la Neustadt condensatul rezultat în condensator este preîncalzit înainte de a intra in expandor.

În felul acesta, apa fierbinte extrasă din rezervorul geotermal este trecută prin doua schimbătoare de caldură, unul de amestec și unul de suprafată, înainte de a fi reinjectată in rezervor.

2.3.1.3. Centrală electrică geotermală cu ciclu binar

O mare parte a rezervoarelor geotermale se caracterizează prin temperaturi relativ coborâte, sub nivelul de 180 C.

În acest caz pentru conversia energiei geotermale în energie electrică soluția optimă este utilizarea ciclurilor binare (vezi Figura 2.7).

Apa provenită din sursa geotermală cedează căldura (prin intermediul unui schimbător de căldură) către un alt fluid (de exemplu pentan, butan) care evoluează în ciclul motor al centralei.

Acest fluid se caracterizează printr-o temperatură de fierbere sensibil mai coborâtă decât cea a apei. În acest mod poate fi utilizat un potențial termic geotermal relativ scăzut.

Figura 2.7 Centrală electrică geotermală cu ciclu binar

2.3.2 Dezvoltarea centralelor electrice geotermale

După cum s-a precizat mai sus, centralele electrice geotermale trebuie amplasate în imediata apropiere a surselor de căldură. Va rezulta o răspândire neuniformă a acestei categorii de centrală electrică, în funcție de potențialul geotermal al fiecărei regiuni geografice.

În Tabelul 2.2 sunt prezentate principalele țări producătoare de energie electrică pe bază de energie geotermală.

Prima centrală geotermală din lume a fost pusă în funcțiune în 1904 la Lardarello, Italia, având la bază un ciclu cu abur uscat. A doua centrală a intrat în exploatare în anii ’50 la Waikarei (Noua Zeelandă), fiind urmată în anii ’60 de Geysers (SUA).

Centralele electrice geotermale cu abur uscat reprezintă filiera cea mai răspândită la ora actuală. Totuși, se remarcă și o preocupare înspre dezvoltarea unor unități de mică putere bazate pe cicluri binare.

Centralele electrice geotermale reprezintă una din soluțiile cele mai avantajoase pentru alimentarea unor consumatori izolați. Se elimină astfel necesitatea unor linii lungi de transport a energiei electrice care generează costuri investiționale și de mentenanță importante. Tehnologiile utilizate nu sunt sofisticate, bazându-se pe echipamente mature din punct de vedere comercial, iar sursa de energie geotermală este practic inepuizabilă.

Rezultă o disponibilitate de timp deosebit de ridicată în raport cu alte categorii de centrale electrice. Centralele electrice geotermale sunt utilizate cu precădere pentru acoperirea bazei curbei de sarcină a unui sistem electroenergetic.

Tabelul 2.2 Capacități instalate în centralele electrice geotermale

(Sursă: International Geothermal Association)

2.3.3 Utilizarea directă a energiei geotermale

În afara producției de energie electrică, energia geotermală are o gamă largă de utilizare directă :

Balneologie

Agricultură : sere, încălzire terenuri de cultură

Industrie : încălzire și uscare produse

Acoperirea cererii de căldură a consumatorilor rezidențiali

Se menționează că în peste 35 de țări există o capacitate instalată de utilizare directă a energiei geotermale de peste 12000 MWt.

Utilizarea energiei geotermale presupune o serie de investiții relativ ridicate, îndeosebi în ceea ce privesc operațiunile de foraj.

O utilizare eficientă a energiei geotermale este cea în cascadă:

Termoficare la o temperatură de 90 – 60 °C;

Alimentare sere sau procese industriale la temperaturi de aproximativ 60 °C;

Preparare apă caldă menajeră pentru temperaturi sub 60 °C.

2.3.3.1 Pompe de căldură geotermale

Pompa de căldură geotermală este o tehnologie de energie regenerabilă foarte eficientă, care este folosită atât pentru clădiri de locuit cât și pentru cele comerciale. Pompele de căldură geotermale sunt folosite pentru încălzirea sau răcirea spațiului, precum și pentru încălzirea apei.

Sistemul conține trei componente principale:

Sistemul de conectare de suprafață;

Sistemul de pompare de căldură geotermal;

Sistemul de distribuție a căldurii.

Pompele de căldură geotermale se pot folosi în zone fără ape freatice sau cu apariții întâmplătoare și neglijabile ale acestora. Adâncimile de sondă tipice sunt cuprinse între 100 și 200 m. Când este necesară o capacitate termică mare, forarea se realizează înclinat, pentru a obține un volum mai mare de rocă exploatată.

Acest tip de pompă de căldură este de obicei conectat prin intermediul unor conducte de plastic, care extrag căldura din rocă. Unele sisteme destinate clădirilor comerciale utilizează rocă pentru acumularea căldurii și frigului. Datorită costului relativ ridicat al forării, această soluție este rareori atractivă din punct de vedere economic pentru uz casnic.

O pompă de căldură funcționează ca un răcitor, unde fluidul de lucru este vehiculat într-un circuit închis. Fluidul de lucru preia căldura din interiorul răcitorului și o elimină în mediul înconjurător. În pompă fluidul de lucru extrage căldura de la sursă prin evaporare și o cedează ulterior prin condensare.

Funcționarea pompei implică o sursă de energie externă, un compresor antrenat de un motor electric, dar se pot folosi și alte metode precum absorbția chimică, compresia gazului etc.

Raportul între energia furnizată și cea consumată pentru funcționare, este o măsură de bază a eficienței pompei de căldură, care este un parametru foarte important în economicitatea pompei. Acest raport este cunoscut drept „coeficient de performanță” COP. Acest indicator este foarte atractiv pentru surse de căldură cu temperaturi între 20 și 40 °C.

Spre exemplu dacă resursa geotermală are 30 °C și este răcită la 20 °C, iar apa pentru încălzirea spațiului are 55 °C, atunci COP poate fi în jur de 4.

Aceasta înseamnă că energia obținută pentru încălzirea spațiului este de 4 ori mai mare ca cea consumată pentru antrenarea compresorului.

Limitările tipice de performanță ale pompelor de căldură geotermale sunt:

temperatura sursei geotermale în gama 18 °C – 65 °C;

debitul de apă geotermală între 50 și 300 m3/h;

temperatura apei de încălzire de la 50 °C la 90 °C;

capacitatea de încălzire de la 0,5 la 30 MW.

Teoria termodinamică de bază a ciclurilor pompelor de căldură

Căldura livrată de o pompă de căldură este suma dintre căldura extrasă de la sursa de căldură care este furnizată în sistem și energia necesară conducerii sistemului.

Ecuația bilanțului energetic a pompei de căldură este:

QS + W = QH

Unde :

QS este căldura extrasă de la sursa exterioară,

W este energia motrice necesară procesului,

QH este căldura utilizabilă din sistem.

Majoritatea pompelor de căldură aflate în prezent în funcțiune se bazează fie pe o compresie de vapori (de ex. energia motrice W este energia mecanică necesară antrenării compresorului), sau pe un ciclu de absorbție (energia motrice W este energia termică necesară procesului de fierbere a soluției bogate).

Aceste două cicluri de exploatare sunt discutate în următoarele secțiuni. Teoretic, procesul ce caracterizează funcționarea unei pompe de căldură poate fi realizat prin diverse cicluri și procese termodinamice, inclusiv ciclurile Stirling și Vuilleumier, cicluri cu o singură fază (de exemplu cu aer, CO2 sau gaze nobile), sisteme cu ejecție a aburului, sisteme hibride (mai ales cele ce combină compresia vaporilor și ciclurile de absorbție), procese electromagnetice și acustice.

Unele dintre acestea au pătruns pe piață și au atins maturitatea tehnică, putând deveni semnificative ca aplicații practice viitoare.

2.3.3.2 Pompe de căldură cu compresie mecanică de vapori

Marea majoritate a pompelor de căldură funcționează pe principiul ciclului Carnot de compresie a vaporilor. Componentele principale ale unui asemenea sistem sunt: compresor, ventilul de laminare (vana de expansiune) și două schimbătoare de căldură – vaporizator și condensator.

Componentele sunt conectate între ele și formează un circuit închis, după cum este ilustrat în Figura 2.8. Un lichid volatil, fluidul de lucru sau agentul frigorific circulă prin cele patru componente.

Figura 2.8 Pompă de căldură cu compresie mecanică de vapori antrenată de motor electric

În vaporizator, temperatura fluidului de lucru lichid este păstrată la o valoare mai mică decât temperatura sursei de căldură, determinând transferul căldurii de la sursă către lichid, iar fluidul de lucru se evaporă.

Vaporii produși în vaporizator sunt comprimați în compresor, la nivele de presiune și temperatură mai ridicate. Vaporii supraîncălziți intră apoi în condensator, unde condensează și degajă căldura utilă. În final, fluidul de lucru de presiune înaltă se destinde în ventilul de laminare până la presiunea și temperatura vaporizatorului.

Fluidul de lucru este readus astfel la stadiul inițial și se reia ciclul de la nivelul vaporizatorului. Compresorul este antrenat de un motor electric sau, uneori de un motor cu ardere internă. Astfel putem întâlni următoarele situații:

un motor electric antrenează compresorul (vezi Figura 2.8) cu pierderi foarte scăzute de energie. Eficiența energetică generală a pompei de căldură depinde puternic de eficiența cu care este produsă energia electrică și de randamantul mecanic al compresorului;

compresorul este antrenat de un motor diesel sau cu gaz (vezi Figura 2.9), căldura conținută în apa de răcire și gazele evacuate fiind utilizată suplimentar pentru condensator.

Figura 2.9 Pompă de căldură cu compresia mecanică de vapori, antrenată de motor diesel sau cu gaz

2.3.3.3 Pompe de căldură cu absorbție

Pompele de căldură cu absorbție consumă de această dată energie termică din exterior, procesul de compresie mecanică a vaporilor fiind înlocuit de un proces de absorbție, iar fluidul de lucru este de această dată un amestec binar.

Pompele de căldură cu absorbție pentru condiționarea spațiului sunt de obicei alimentate cu gaz, în timp ce instalațiile industriale sunt puse în funcțiune de abur de înaltă presiune sau căldură reziduală.

Sistemele de absorbție folosesc capacitatea lichidelor sau sărurilor de a absorbi vaporii din fluidul de lucru (agentul frigorific). Cele mai utilizate amestecuri binare pentru sistemele de absorbție sunt:

apă (fluid de lucru) și bromură de litiu (absorbant) (vezi Figura 2.10);

amoniac (fluid de lucru) și apă (absorbant).

În sistemele cu absorbție, compresia lichidului de lucru este realizată pe cale termică într-un circuit separat, alcătuit din absorbitor, o pompă ce asigură circulația soluției, un generator de vapori și un ventil de laminare (Figura 2.10).

Agentul de lucru, apa, este pulverizată în vaporizator peste fascicolul de țevi prin care circulă apa fierbinte provenită de la sursa geotermală.

Datorită vidului înaintat, 10-15 mm Hg, din corpul vaporizatorului, agentul de lucru se vaporizează preluând caldura de la resursa geotermală. Vaporii produși sunt absorbiți, în absorbitor, de solutia Br-Li care se diluează.

În urma acestui proces, caldura de absorbție este preluată de catre agentul secundar care se preincalzește în prima treaptă. Soluția diluată este trimisă de către o pompa imersată, in sistemul fierbator, unde se concentreaza prin fierbere cu ajutorul căldurii preluate de la aburul de joasă presiune (1,5 – 2 bar).

Vaporii de apă produși sunt trimiși la condensator, unde cedează caldura latentă de condensare agentului secundar, care se incalzește în treapta a II-a până la temperatura necesară consumatorului de caldură.

Soluția de Br-Li concentrată este readusă în absorbitor prin cădere liberă, reluându-se procesul de absorbție.

Agentul de lucru condensat este trimis la rândul sau spre vaporizator prin intermediul unui ventil de laminare care îi reduce presiunea până la nivelul din vaporizator.

Figura 2.10 Schema termică de principiu a pompei de căldură cu absorbție

2.4 Tratarea Apelor Geotermale

Apele geotermale nu pot fi valorificate din punct de vedere termic în starea în care sunt extrase din adâncimi, din urmatoarele cauze:

gazele care insoțesc jetul de lichid produc zone de ștrangulare (obturare) în țevile din schimbătorul de caldură, cu efecte defavorabile asupra procesului de transfer termic;

presiunea apei din sondă generează solicitări mecanice mari, cu efecte defavorabile asupra dimensiunilor și costului suprafețelor de transfer termic.

Pentru a se înlătura aceste neajunsuri, apele geotermale se supun unui proces de tratare, prin care se realizează separarea gazelor și eventual valorificarea lor și reducerea capacității de formare a crustelor de sare.

În majoritatea țărilor, apele geotermale se exploatează în regiuni vulcanice sau cu fenomene seismice și din această cauză sunt bogate in H2S si SO2.

Pentru eliminarea acestora, se folosesc schimbatoare de ioni, instalații de distilare, procedee de tratare cu var – sodă etc.

Pentru apele din straturile sedimentare se folosesc următoarele procedee de tratare:

modificarea indicelui pH pentru a se obține ape neutre (prin adăugare de HCl);

introducerea de substanțe inhibitoare pentru a reduce depunerile (polifosfat de sodiu);

tratarea cu ultrasunete;

tratarea cu flux magnetic.

În cazul trecerii apei printr-un flux magnetic (700 – 1000 A/m), se constată modificarea sistemului de cristalizare, împiedicându-se formarea crustelor de piatră.

Efectul magnetizării se menține timp de 3 – 4 ore și din această cauză este necesară dimensionarea rețelelor termice astfel încat apa vehiculată să reîntalnească dispozitivul de magnetizare după acest interval.

În prezent, în România s-au produs dispozitive de magnetizare a apei cu magneți permanenți.