UNIVERSITATEA TEHNIC GHEORGHE ASACHI, IAIFacultatea de Inginerie Chimic i Protecia Mediului

ENERGIA GEOTERMAL

CONDUCTOR TIINIFIC:STUDENI:

Conf. dr. ing. Carmen Zaharia Ailinci MaricelaDasclu GeorgianaDemeterc Alexandru

IAI2015

17

Cuprins

1.Consideraii privind energia geotermal12.Energia geotermal de potenial termic ridicat33.Energia geotermal de potenial termic sczut54.Pompele de caldura si sursele de energie geotermala75.Regimuri de funcionare a pompelor de cldur156.Centralele geotermale: avantaje si dezavantaje16BIBLIOGRAFIE17

1. Consideraii privind energia geotermalEnergia geotermal reprezint diverse categorii particulare de energie termic, pe care le conine scoara terestr. Cu ct se coboar mai adnc n interiorul scoarei terestre, temperatura crete i teoretic energia geotermal poate s fie utilizat tot mai eficient, singura problem fiind reprezentat de adncimea la care este disponibil aceast energie.n imaginea din figura 1.1 sunt prezentate principalele zone din care este alctuit interiorul Pmntului.

Fig. 1.1. Principalele zone din care este alctuit Pmntul Toate zonele prezentate, sunt divizate la rndul lor n mai multe subzone. Cele patru zone principale sunt n ordine, dinspre suprafaa Pmntului spre centrul acestuia, cu dimensiunile aproximative: - Scoara 0-100 km;- Mantaua 100-3000 km;- Nucleul extern 3000-5000 km;- Nucleul intern 5000-6378 km.

Evident, temperatura Pmntului crete dinspre suprafa spre centru, unde atinge o valoare de cca. 6000C, care ns nu a fost nc precis determinat de oamenii de tiin. n figura 1.2 este prezentat variaia aproximativ a temperaturii n interiorul Pmntului, iar figura 1.3 prezint o imagine sugestiv a temperaturii principalelor zone din interiorului Pmntului. Fig. 1.2. Variaia temperaturii dinspre scoar spre centrul Pmntului

Fig. 1.3. Variaia temperaturii n zonele din interiorul PmntuluiEste interesant de remarcat c 99% din interiorul Pmntului se gsete la o temperatur de peste 1000C, iar 99% din restul de 1%, se gsete la o temperatur de peste 100C. Aceste elemente sugereaz c interiorul Pmntului reprezint o surs regenerabil de energie care merit toat atenia i care trebuie exploatat ntr-o msur ct mai mare.Energia geotermal este utilizat la scar comercial, ncepnd din jurul anilor 1920, cnd a nceput s fie utilizat n special cldura apelor geotermale, sau cea provenit din gheizere, pentru nclzirea locuinelor, sau a unor spaii comerciale.Din punct de vedere al potenialului termic, energia geotermal poate fi clasificat n dou categorii: Energie geotermal de potenial termic ridicat; Energie geotermal de potenial termic sczut.

2. Energia geotermal de potenial termic ridicatAcest tip de energie geotermal este caracterizat prin nivelul ridicat al temperaturilor la care este disponibil i poate fi transformat direct n energie electric sau termic.

Fig.2.1. Prile componente ale unei centrale electrice geotermale1 foraj pt. injecia apei i pompe de injecie; 2 zona de jonciune ntre foraje;3 foraje de producie; 4 schimbtor de cldur;5 turbinele i generatoarele electrice; 6 sistem de rcire;7 stocare energie de potenial termic ridicat n sol; 8 sistem de monitorizare seismic.

Fig.2.2. Central electric geotermal din Kamchatka, RusiaEnergia electric se obine n prezent din energie geotermal, n centrale avnd puteri electrice de 20-50MW, care sunt instalate n ri ca: Filipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, Rusia etc.Din categoria surselor de energie geotermale de potenial termic ridicat, fac parte i gheizerele cu ap fierbinte sau abur, de tipul celor prezentate n figura 2.3

Fig. 2.3. GheizerCldura coninut de asemenea gheizere, ca i de apele geotermale, poate fi captat i utilizat cu ajutorul unor schimbtoare de cldur, cel mai adesea cu plci.

3. Energia geotermal de potenial termic sczutAcest tip de energie geotermal este caracterizat prin nivelul relativ sczut al temperaturilor la care este disponibil i poate fi utilizat numai pentru nclzire, fiind imposibil conversia acesteia n energie electric.Energia geotermal de acest tip, este disponibil chiar la suprafaa scoarei terestre, fiind mult mai uor de exploatat dect energia geotermal de potenial termic ridicat, ceea ce reprezint un avantaj. n figura 3.1 se observ c ncepnd de la adncimi foarte reduse, temperatura solului poate fi considerat relativ constant pe durata ntregului an: La 1 m temperatura solului variaz ntre 5-15C; La 1,5-3 m temperatura solului variaz ntre 7-13C; La 4,5 m temperatura solului variaz ntre 8-12C; La 6-10 m temperatura solului variaz ntre 9-11C; La 10-18 m temperatura solului variaz cu mai puin de 1C n jurul valorii de 10C; La peste 18 m temperatura solului este constant, avnd valoarea de 10C.

Fig. 3.1. Variaia temperaturii n sol, n zona de la suprafaa scoarei terestreExploatarea energiei geotermale de potenial termic sczut necesit echipamente special concepute pentru ridicarea temperaturii pn la un nivel care s permit nclzirea i/sau prepararea apei calde, ceea ce reprezint un dezavantaj fa de energia geotermal de potenial termic ridicat. Echipamentele menionate, poart denumirea de pompe de cldur i au acelai principiu de funcionare ca al mainilor frigorifice, funcionnd cu energie electric.Parametrul de performan al acestor echipamente este eficiena pompei de cldur, pc definit prin raportul dintre fluxul termic furnizat Q i puterea electric absorbit P:=Q/P

4. Pompele de caldura si sursele de energie geotermala Pompele de cldur, pot s absoarb cldura din sol, de la diferite adncimi, din apa freatic, din apele de suprafa (dar numai cu condiia s nu existe pericolul ca apa s nghee), sau chiar din aer (dar numai n perioadele n care temperatura aerului este suficient de mare, pentru a permite funcionarea pompelor de cldur, cu o eficien ridicat). Indiferent de sursa de cldur, pompele de cldur utilizeaz indirect, energia solar acumulat n sol, ap sau aer.Cteva dintre condiiile pe care trebuie s le ndeplineasc sursa de cldur, pentru a putea fi utilizat de ctre pompele de cldur sunt urmtoarele: Disponibilitate n cantitate suficient; Capacitate ct mai mare de a acumula cldur; Nivel ct mai ridicat de temperatur; Capacitate de regenerare suficient de mare; Posibilitate de captare n condiii ct mai economice.Sursele de cldur prezentate anterior, solul, apa i aerul, satisfac toate aceste cerine, iar piaa pompelor de cldur, utiliznd toate aceste surse de cldur este actualmente n continu cretere. n paragrafele urmtoare vor fi prezentate diverse pompe de cldur utiliznd toate aceste tipuri de surse de cldur.Solul reprezint o surs de cldur eficient, deoarece acumuleaz cldur att direct sub form de radiaie solar ct i indirect de la ploi, respectiv de la aer. Cldura poate fi preluat cu ajutorul unor circuite intermediare plasate n sol, care absorb cldur i o transmit vaporizatorului pompei de cldur. Este posibil i amplasarea direct n sol a vaporizatorului pompei de cldur.Circuitele intermediare de preluare a cldurii din sol, sunt compuse din schimbtoare de cldur, denumite colectori, pompe de circulare a agentului intermediar din aceste circuite, vas de expansiune, sistem de distribuie a agentului intermediar n colectori, dispozitive de aerisire etc.Agentul intermediar din circuitele intermediare este reprezentat de soluii apoase de tip antigel, iar majoritatea productorilor recomand diverse amestecuri ecologice de acest tip. Uneori pot fi utilizate i soluii de ap srat, dar nu se poate utiliza apa simpl, deoarece pe timp de iarn exist pericolul ca apa s nghee, cel puin n poriunile de conducte aflate la suprafaa solului, sau chiar n aer liber (chiar dac sunt izolate). Dac agentul intermediar ar nghea, funcionarea pompei de cldur ar deveni imposibil.Temperatura de nghe recomandat de majoritatea productorilor pentru soluiile de tip antigel utilizate n circuitul intermediar, este de 15C.Exist dou tipuri de colectori care pot fi utilizai n circuitele intermediare de preluare a cldurii din sol. n figura 4.1 sunt prezentai colectori orizontali, care se monteaz la adncimi de cca. 1,2-1,5m, iar n figura 4.2 sunt prezentai colectori verticali, denumii i sonde, care se monteaz n orificii practicate prin forare, la adncimi de pn la cca. 100m, peste aceste adncimi fiind dificil de obinut autorizaii pentru realizarea forajelor.

Fig. 4.1. Colectori orizontali pentru captarea cldurii din sol

Fig. 4.2. Colectori verticali pentru captarea cldurii din sol

Att colectorii orizontali, ct i cei verticali, sunt realizai din tuburi de polietilen, care asigur o durat foarte lung de exploatare, absolut necesar acestor echipamente. Utilizarea unor colectori metalici n sol, care s reduc suprafaa de schimb de cldur, nu este posibil, datorit corozivitii ridicate a solului, care ar distruge relativ rapid colectorii, iar nlocuirea acestora ar reprezenta o operaie extrem de complex i costisitoare.Colectorii orizontali, prezint avantajul costurilor relativ reduse de realizare a excavaiilor necesare n vederea amplasrii, mai ales n cazul unor construcii noi, dar prezint dezavantajul necesitii unor suprafee mari de amplasare a colectorilor, ceea ce reduce posibilitatea de utilizare a acestor tipuri de colectori, cel puin n zonele urbane unde preul terenurilor de construcie este foarte ridicat i unde din acest motiv, suprafeele disponibile sunt limitate.Colectorii verticali, prezint avantajul necesitii unor suprafete reduse de amplasare, dar prezint dezavantajul costurilor ridicate de realizare a forajelor, cca. 80-100 Euro/m.Amplasarea direct n sol a vaporizatorului pompei de cldur este posibil n construcii de tipul celei prezentate n figura 4.3.

Fig. 4.3 Amplasarea direct n sol a vaporizatorului pompei de cldurAvantajul amplasrii direct n sol a vaporizatorului pompei de cldur este reprezentat de eliminarea circuitului de agent intermediar, ceea ce permite reducerea diferenei dintre temperatura de vaporizare i temperatura solului, avnd ca efect mbuntirea eficienei pompei de cldur. n plus, este economisit energia necesar circulaiei agentului intermediar.Dezavantajele acestui sistem, sunt reprezentate de necesitatea unor cantiti mai mari de agent frigorific, dect n cazul utilizrii circuitului intermediar de preluare a cldurii din sol i de prezena unor pierderi de presiune mai mari pe circuitul agentului frigorific. Vaporizatorul amplasat direct n sol, este realizat din evi de cupru cauciucat, pentru a se asigura protecia anticoroziv fa de sol. Diametrul acestor evi este mult mai redus dect al tuburilor din polietin, utilizai la construcia colectorilor din circuitele intermediare prezentate anterior.Pentru dimensionarea colectorilor orizontali, la calculul suprafeei necesare pentru amplasarea colectorilor, trebuie s se in seama de tipul solulului i de cantitatea de ap din sol.Tipul soluluiSarcina termic specific[W/m2]

sol nisipos uscat10 - 15

sol nisipos umed 15 - 20

sol argilos uscat20 - 25

sol argilos umed25 - 30

sol cu ap freatic30 - 35

Tabelul 1 Sarcina termic specific asigurat de colectorii orizontali, n funcie de tipul soluluiAceste valori sunt considerate pentru amplasarea colectorilor la distane medii de 0,5-0,7m.Astfel, considernd c sarcina termic specific asigurat de sol, are o valoare medie q0=25W/m2, pentru o sarcin termic extras din sol Q0=1000 kW , rezult o suprafa necesar pentru amplasarea colectorilor: S= = = 40 Pentru dimensionarea colectorilor verticali, la calculul adncimii necesare pentru foraj, respectiv a lungimii sondelor, trebuie s se in seama de tipul solulului i de cantitatea de ap din sol.Tipul soluluiSarcina termic specific[W/m2]

sol nisipos uscat20

sol nisipos umed 40

sol argilos uscat60

sol argilos umed80

sol cu ap freatic80 - 100

Tabelul 2 Sarcina termic liniar specific asigurat de colectorii verticali,n funcie de tipul soluluiAstfel, considernd c sarcina termic liniar specific asigurat de sol, are o valoare medie =40W/m, pentru o sarcin termic extras din sol =1000 kW , rezult o suprafa necesar pentru amplasarea colectorilor:S= = = 25 Pentru dimensionarea vaporizatoarelor amplasate n sol, pentru amplasarea colectorilor la o distan medie de 0,5-0,7m se poate considera o sarcin termic specific liniar, raportat la lungimea evii vaporizatorului, de cca. 35-40W/m.Apa freatic reprezint o surs de cldur i mai eficient dect solul, deoarece temperatura acesteia este relativ constant n tot timpul anului, avnd valori de 7-12C, deci mai ridicate dect solul. n plus, apa freatic poate fi circulat direct prin vaporizatorul pompelor de cldur, ceea ce elimin necesitatea unui circuit intermediar.n figura 4.4 este prezentat modul n care poate fi utilizat apa freatic n pompele de cldur.

Fig. 4.4. Utilizarea apei freatice ca surs de cldurApa freatic trebuie s se gseasc la adncimi relativ reduse, care s permit obinerea autorizaiei de foraj, adic maxim 50-70m. Se recomand totui ca adncimea de la care este preluat apa freatic, n cazul locuinelor familiale, s nu depeasc 15m, pentru c la adncimi mai mari cresc mult costurile pentru realizarea celor dou foraje, precum i costurile de exploatare datorate nlimii ridicate de pompare a apei freatice. Distana dintre cele dou puuri trebuie s fie de minim 5m, iar amplasarea astfel nct sensul de curgere a apei s fie dinspre puul prin care este absorbit apa, spre cel n care este evacuat apa. Nu este posibil utilizarea ca surs de cldur, a apei din lacuri freatice, deoarece n acest caz exist pericolul ngherii apei n jurul sondelor, ceea ce mpiedic funcionarea pompei de cldur.Dezavantajele utilizrii apei freatice ca surs de cldur, sunt reprezentate de faptul c este necesar s existe un debit suficient de mare al apei freatice, iar compoziia chimic trebuie s se ncadreze ntre limite bine precizate din punctul de vedere al unor componeni cum sunt: carbonai acizi, sulfai, cloruri, amoniac, sulfit de sodiu, bioxid de carbon liber (extrem de agresiv), nitrai, hidrogen sulfurai etc.Condiiile prezentate, destul de restrictive, reduc sensibil posibilitile de utilizare a apei freatice ca surs de cldur. Apa din lacuri i ruri poate fi utilizat de asemenea ca surs de cldur, dar este necesar utilizarea unui circuit intermediar i trebuie evitat formarea de ghea pe colectorii amplasai n ap, deoarece gheaa ar reduce mult intensitatea transferului termic dintre ap i agentul intermediar din colectori.Apa de mare este i mai uor de utilizat, deoarece la o adncime de civa metri, nu se mai pune problema ngherii acesteia, dar i n cazul apei de mare, trebuie utilizat un circuit intermediar pentru preluarea cldurii.Aerul reprezint o surs de cldur gratuit, disponibil n cantiti nelimitate. n pompele de cldur, se poate utiliza ca surs de cldur doar aerul exterior, care este circulat prin tubulaturi cu ajutorul unui ventilator.n figura 6.5 este prezentat o pomp de cldur care absoarbe cldur de la aer i nclzete apa, utilizabil pentru nclzire, sau ca ap cald menajer. Aceste echipamente sunt denumite pompe de cldur aer-ap.

Fig. 4.5 Pomp de cldur aer-apPompele de cldur aer-aer sunt cele mai rspndite i sunt reprezentate de toate aparatele de condiionare a aerului, care pot s realizeze att rcire ct i nclzire. n regim de nclzire, aceste echipamente funcioneaz ca pompe de cldur aer-aer.La scderea temperaturii exterioare, eficiena pompelor de cldur care utilizeaz aerul ca surs de cldur, se reduce sensibil, ceea ce limiteaz posibilitatea utilizrii acestor echipamente, la o perioad de timp de maxim 70-80% din an, fiind indicat utilizarea combinat a acestora, mpreun cu alte sisteme de nclzire. Pe de alt parte, n perioadele mai calde ale anului, primvara, vara i toamna, cnd temperatura aerului este mai ridicat, aceste echipamente pot fi extrem de eficiente pentru prepararea apei calde menajere.

Fig. 4.6. nclzirea apei din piscin cu ajutorul unei pompe de cldur aer-api a unor colectori solariPentru acest gen de aplicaie, pompele de cldur aer-ap, sunt ntre cele mai eficiente posibile, iar combinaia cu un echipament de nclzire utiliznd energie solar este cu att mai performant i permite exploatarea ieftin a piscinei cu ap cald, att n perioadele nsorite ct i n cele fr radiaie solar direct. Costurile de exploatare ale unor instalaii de nclzire a apei din piscine, utiliznd pompe de cldur aer-ap, sunt mai reduse dect cele ale unor sisteme funcionnd cu gaz, diveri combustibili lichizi sau pelei. Singurele sisteme mai ieftine din punct de vedere al cheltuielilor cu sursa de energie, sunt cele utiliznd brichete sau lemne, dar aceste sisteme nu permit funcionarea automatizat a echipamentului de nclzire, ceea ce implic dificulti de exploatare, sau creterea cheltuielilor de exploatare, ceea ce anuleaz avantajul costurilor cu combustibilul, mai reduse.

5. Regimuri de funcionare a pompelor de cldurRegimul de funcionare a pompelor de cldur, trebuie adaptat la tipul sistemului de nclzire al obiectivului pe care l deservesc, dac acesta este deja realizat, iar pompele de cldur nlocuiesc echipamente existente funcionnd cu combustibili clasici. n aceste situaii, o restricie important este reprezentat de faptul c temperatura maxim pe care o pot realiza pe tur pompele de cldur este de 55C, iar peste aceast temperatur pompele de cldur pot funciona doar n cuplaj cu alte surse de nclzire.n cldirile noi, sistemul de nclzire va fi special proiectat pentru aceste echipamente i va fi caracterizat prin nivelul redus al temperaturii agentului de nclzire. n cazul nclzirii prin pardoseal i/sau pereii laterali, temperatura agentului de nclzire, poate cobor pn la valori de cca. 35C pe tur, sau chiar sub aceast valoare.Din punct de vedere al soluiilor tehnice utilizate pentru nclzire i preparare a apei calde menajere, exist mai multe regimuri posibile de funcionare a pompelor de cldur: Regim de funcionare monovalent pompa de cldur este unica surs de cldur; Regim de funcionare bivalent pompa de cldur este utilizat n combinaie cu o alt surs de cldur care funcioneaz cu combustibil solid, lichid sau gazos, echipamente de captare a energiei solare etc; Regim de funcionare monoenergetic pompa de cldur este utilizat n combinaie cu un alt sistem de nclzire care funcioneaz tot cu energie electric. Cea mai ntlnit situaie de acest tip, este cea n care apa cald menajer este doar prenclzit n pompa de cldur, fiind utilizat i un alt dispozitiv de nclzire a apei, fie un nclzitor electric instant, fie o rezisten electric montat n boilerul pentru prepararea apei calde menajere.n cazul utilizrii pompelor de cldur n regim monovalent sau monoenergetic, un interes deosebit este prezentat de utilizarea sistemului de tarifare difereniat a energiei electrice pe timp de zi i de noapte, sistem care n Romnia este disponibil la cerere i care poate reduce semnificativ valoarea facturilor de energie electric.

6. Centralele geotermale: avantaje si dezavantaje

Printre avantajele centralelor geotermale se numr faptul c energia rezultat este curat pentru mediul nconjurtor i regenerabil. n plus centralele geotermale nu sunt afectate de condiiile meteorologice i ciclul noapte/zi. Energia geotermal este i mai ieftin de obicei dect cea rezultat din combustibilii fosili.Printre dezavantajele centralelor geotermale se numr creterea instabilitii solului din zon, putnd fi cauzate chiar i cutremure de intensitate redus. n plus, zonele cu activitate geotermal se rcesc dup cteva decenii de utilizare, deci nu se poate vorbi de o surs infinit de energie, dar cu siguran avem de-a face cu surse regenerabile. O explicaie pentru rcirea zonelor cu activitate geotermal ar fi i faptul c centrala geotermal instalat este prea mare pentru capacitatea de nclzire a zonei respective.Ca scurt istoric, energia geotermal i izvoarele cu ap cald au fost folosite n secolele trecute pentru splat i nclzit locuine, n 1904 fiind nregistrat prima utilizare n vederea producerii electricitii (un generator care alimenta 4 becuri). Din 1911 pn n 1958 a existat o singur central geotermal, moment n care Noua Zeeland s-a alturat productorilor de electricitate din energia geotermal.n concluzie, energia geotermal este una benefic pentru umanitate i trebuie exploatat la potenial maxim. Energia geotermal este o surs de energie ce poate fi folosit la nesfrit datorit inepuizabilitii ei. Nivelul de poluare rezultat,este unul foarte mic iar prin folosirea acestui tip de energie alternativ putem renuna la alte tipuri mult mai poluante.

BIBLIOGRAFIEEnergiile regenerabile i utilizarea acestora, Victor Drgan, Victor Burchiu, Editura Ceres, 2012Surse regenerabile de energie, Horia Necula, Adrian Badea, Editura Agir, 2013Energii regenerabile, Mugur Blan, Editura UT PRES, 2007http://www.geothermal-energy.org