Univerzitet u Tuzli RUDARSKO-GEOLOŠKO-
GRAĐEVINSKI FAKULTET Odsjek: Rudarski
1
1.
2.
3.
Geothermal energy: an alternative resource for the 21st century; Harsh Gupta i Sukanta Roy; Izdavač: Elseiver, 2007 Neven Miošić: Geotermalna energija u BiH Studija energetskog sektora BiH, 2008
2
Geotermalna energija (toplota zemlje): rezidualna termalna energija zemlje koja vodi porijeklo od postanka zemlje. Toplotni izvori: tople stijene (Hot Dry Rock), geopritisak i magma.
Konsatnan toplotni fluksgeotermalne energije Duga istorija korištenja
Još uvijek mali udio u svjetskom energetskom bilansu
3
Geo – zemlja, thermal – toplota Izvori: toplota stijena (sporo doseže površinu), toplota radioaktivnog raspada nestab.elemenata (polovina) gravitaciona kompresija (mala) Rezervoari tople vode i prirodne pare
Površinske manifestacije: vulkani, termalni izvori, fumerole, gejziri, ključanje blata,
mineralizirane naslage
Direktno i indirektno korištenje Ne utiče na okolinu Lokalizirani izvori
Slika: Površinske geotermalne manifestacije
The Future of Geothermal Energy: Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century, 2006 Massachusetts Institute of Technology, U.S. Government under D.O.E., Contract DE-AC07-05ID14517
4
Solarna energija (insolacija) Energija unutrašnjosti zemlje (geotermalna energija)
Energija gravitacije
5
Prečnik Zemlje: 12.750.000 km. Zemlja u prosjeku emituje 1/16 W/m2. Ovaj broj može biti znatno veći u vulkanskim regionima.
Hlađenje 1 km3 vrućih stijena za 1000C može generisati godišnje 30 MW of električne energije tokom 30 godina. 6
Kora
Dubina (km)
Gornja mantija Tranziciona Zona
Debljina zemljine kore: 35 km u kontinentalnom regionu 12,5 km u kontninentalnom regionu Odnos debljine kore naspram poluprečnika: 35/6370 = 0,005494505 Odnosno 6370/35 = 182 S
Si 14.4%
Kokošije jaje: Poluprečnik 50 mm Debljina ljuske 0,8 mm 0,8/50 = 0,016 50/0,8 = 62,5
Al
Donja Manija
Ca
3.0% 1.4% 1.0%
2898 O 50.7%
Fe 15.2%
Ljuska jajeta je oko 3 puta deblja u odnosu na ukupnu veličinu jajeta no što je to kora zemlje u svom najdebljem (kontinentalnom) dijelu naspram veličine zemlje
Vanjsko jezgro (tečno)
Jezgro
4000 C 5145
Unutrašnje Jezgro (čvrsto)
5000 C 7
660
Mantija
Mg 15.3%
60 220 410
6370
0
Pritisak (GPa) 30 20
10
40
1000
Mantija 2000
3000
4000
Jezgro 5000
6000
8
9
T0
T [K]
Temperatura:
tH
H G
t0
st
] m [ h
Geotermski stepen:
Gst -
Neutralni sloj
Periodičnost temperature tla Prosječan temperaturni gradijent Zemlje: 1 [K] / 33 [m]; a kore 0.3 [K] / 33 [m], visoki temp.
gradijenti u područjima jakih seizmičkih aktivnosti
H t
Geotermski gradijent:
Ggr
1
Gst
o , C/m
10
Specifična toplota tla:
C tla =
min cmin f min
+
org
corg forg +
w cw f w +
led cledf led +
v cv f v
C-toplotni kapacitet min-minerali, org-organska materija, w-voda, v-vazduh f- zapreminski udio komponente u tlu Penetraciona dubina toplotnih promjena
– dubina utjecaja
– do dubine oko 10 cm Godišnji utjecaj – do dubine oko 1,5 m Deset hiljada godina – do dubine oko 150 m Dnevni utjecaj
11
12
Ugalj: 32% Gas: 38% Nafta: 4% Nuklearna energija: 23% Obnovljivi izvori: 3% Cilj za obnovljive 7-8% do 2010 Geotermalni resursi: vrlo malo učešće, a visok potencijal kao energent budućnosti
13
Za razliku od fosilnih goriva, gt energija se smatra obnovljivim izvorom. Iako se vijekovima koristi u ljekovite svrhe (balneologija), kao energetski izvor se koristi od početka 20-tog vijeka (Italija).
Ovisno o intenzitetu koncentracije energije geotermalni izvori mogu biti:-+Niske entalpije (do 150C) +Visoke entalpije (preko 150C)
14
Početak korištenja gt energije u Italiji.
Od 1930. godine u Islandu koristi se topla voda za zagrijavanje.
Kasnije počinje korištenje u Novom Zelandu, Americi, Japanu gdje se grade geotermoelektrane u periodu od 1958. go 1961. godine.
Od 1969. godin počinje izgradnja geotermoelektrana u Islandu. U posljednjihAmerici,Italiji, 10 godina intenzivirana izgradnja gt termoelektrana u Filipinima, Novom Zelandu, Islandu, Kostarici, El Salvadoru, Gvatemali i Rusiji. Danas u Islandu gt energija pokriva oko 50% ukupnog
energetskog bilansa, dok sa 86% učestvuje u zagrijavanju objekata.
Filipini oko 1900 MW, SAD oko 2200 MW (učešće od 0,4% u en.bilansu)
15
16
Veliki energetski rezervoar: do dubine kore od 3 km procjenjuje se da su geotermalni resursi 1.194.444.444 TWh (Bijornsson 1998).
energetski potencijal odznatno svih fosilnih Geotermalni resursi su veći goriva
zajedno čij je energetski ekvivalent 1.000.400 TWh
http://www.ucsusa.org/clean_energy/technology_and_impacts/energy_technologies/how-geothermal-energy-works.html
17
Dugotrajan izvor toplote Permebilne stijene i adekvatan prostorni raspored (dostupnost i geografska distribucija)
Dotok i pouzdan način transporta vode Dostupan, tehničkim mjerama dostupan i ekonomski iskoristiv akvifer ograničen izolator stijenama
Niske emisije stakleničkih gasova
18
CO2 kg/MWh
SO2 kg/MWh
NOx kg/MWh
Čvrste č.
TE na ugalj
994
4,71
1,955
1,012
TE na naftu
758
5,44
1,814
%
TE na gas
550
0,0998
1,343
0,0635
Hidrotermalna na vlažnu paru
27,2
0,1588
0
0,0635
Hidrotermalna suhoparna
40,3
0,00098
0,000458
0
Hidrotermalna, zatvoreni ciklus, binarna
0
0
0
Zanemarivo
Srednja vrijednost za sve tipove (SAD)
631,6
2,734
1,343
%
Vrsta elektrane
kg/MWh
% - nema podatka The of Geothermal Energy: Impact of Enhanced Geothermal on the United States in the 21st Century, 2006Future Massachusetts Institute of Technology, U.S. Government underSystems D.O.E., (EGS) Contract DE-AC07-05ID14517
19
20
Direktno korištenje toplotne energije –
korištenje toplotnog efekta GTE bez transformacije u druge energetske oblike
Indirektno korištenje geotermalne energije –
korištenje toplotnog efekta GTE uz
transformaciju termalne energije u druge
energetske oblike povoljnije za korištenje ili prenos (toplotne pumpe, geotermoelektrane)
21
Balneologija (turizam, medicina, sport) Agrokulture (staklenici, grijanje tla) Akvakulture (ribe, aligatori) Industrijsko
korištenje (sušenje,
grijanje) Grijanje (individualni objekti, centralno grijanje
22
Akvakulture: uzgoj ribe i drugih vodenih kultura
Agrokulture: staklenici i zagrijavanje tla
23
Rezidencijalno zagrijavanje
Toplotni
izmjenjivač
Injektovana voda u pukotinski sistem Pumpe Geotermalna akumulacija Tople vode 24
Izvor: Geoheat centar, 2000 25
Mogu se koristiti bilo gdje –
Vrlo su energetski efikasne i
bez ograničenja
ekonomične (povećanje en.ef. za 50%)
Proizvode 4 puta više energije nego što potroše u odnosu na
konvencionalno grijanje Smanjuju potrebu za fosilnim gorivima
Umanjuju štetne emisije
fosilnih goriva Skuplja invensticija koja se brzo isplati
26
27
h
Qh Wk
kh
Tunutr Tunutr Tvanjsko
f (kh )
28
grijanja
kg
Qg Wk
f (k g )
Tunutr Tunutr Tvanjsko
29
Geotermalno hlađenje
Hlađenje u atmosferu Grijanje iz atmosfere
Geotermalno grijanje
30
31
Parne
Suhoparne geotermoelektrane (temp.iznad 235oC, dubina 1 do 4 km)
Geotermoelektrane na vlažnu paru (temp.150 do 300oC,
injektiranje vode sa površine) Binarne geoelektrane (100-180oC): koriste lako isparljivu materiju (npr.isopentan) Kogeneracija (termalno direktno i transformacija toplotne u električnu energiju)
32
33
Suhoparna
• Suhoparna: visoke temperature (vodena
para pod pritiskom izlazi na povšinu)
Na vlažnu paru
• Na vlažnu paru: srednje temperature (izlazi vrela voda koja dijelom ispari, a dijelom se kondenzuje)
• Binarne: niže temperature (koristi se radni
fluid niže tačke isparavanja)
Binarna
34
35
Vrela voda dijelom isparava prema turbini, a
dijelom se kondenzuje i direktno vraća u ležište 36
Voda 100 do 180 oC Basic binary power plant in simplified schematic form (DiPippo, 2005).
37
38
39
Temperatura geofluida
Konverzioni sistem
Radni fluid
Rashladni sistem
100oC-150oC
Osnovni binarni
R134a
Voda (evaporaciono)
150oC-200oC
Binarni sa rekuperatorom
Izobutan
Vazduh
200oC-250oC
Binarni ili sa kondenzacijom
Izobutan ili geofluid
Vazduh ili voda
250oC-400oC
Binarni ili sa kondenzacijom
Geofluid
Voda
>400oC
Jedno ili višestepena ekspanzija
Geofluid
Voda
40
Temperatura geofluida
Termalno iskorištenje
150oC
0,11
200oC
0,14
250oC
0,16
300oC
0,18
350oC
0,22
41
Električna energija se proizvodi u oko 25
zemalja iz geotermalnih izvora Instalisana snaga geotermoelektrana u svijetu
je oko 8GW sa oko 49.000 GWh godišnje konvertovane energije (cjelogodišnja
dostupnost) Oko 16 GW termalno korištenje sa oko 45.000 GWh godišnje iskorištene energije
Nesjavellir Geothermal Power Plant (Island) Foto: Gretar Ívarsson
42
43
Faza
Podfaza
Istraživanje Razrada
Dokumentacija
Bušenje
$750
Cijena po kW (2004, USA)
Cijena za 50 MW GTE
$150
$7.5 miliona
$20
$1 miliona $37.5 miliona
Kaptiranje pare
$250
$12.5 miliona
Izgradnja elektrane
$1500
$75 miliona
Transmisija
$100
$5 miliona
Alyssa Kagel, Geothermal Energy Association ( www.geo-energy.org )
44
(http://www.worldnuclear.org/uploadedImages/org/info/US_ElectProduction_Costs.jpg)
45
(http://sapiens.revues.org/docannexe/image/823/img-6.jpg)
(Lunis B.; Breckenridge R.; McClenahan H.; “Environmental Considerations”; Geothermal Direct Use Engineering and Design Guidebook, Geoheat Center, Oregon Institute of Technology, 1998)
Uticaj
Vjerovatnoća
Emisije gasova
Mala
Srednje
Kratkotrajno
Povšinsko oticanje vode
Srednja
Male do srednje
Kratko do dugotrajno
Podzemna kontaminacija
Mala
Srednje
Dugotrajno
Ulijeganje tla
Mala
Male do sredje
Dugotrajno
Zvučna kontaminacija Visoka
Posljedice
Srednje do visoke
Trajanje uticaja
Kratkotrajno
Socio-ekonomski problemi
Mala
Male
Kratkotrajni
Hemijska i termalna kontaminacija
Srednja
Srednje do visoke
Kratko do dugotrajno
Ugrožavanje arheološkog ili kulturnog naslijeđa
Mala do srednja
Srednje do visoke
Kratko do dugotrajno
Izbijanje vode iz
Mala
Male do srednje
Kratkotrajno
bunara
46
Izvor: http://geothermal.marin.org/GEOpresentation/sld015.htm
Izvor: U.S. Department of Energy http://www.eren.doe.gov/geothermal
47
48
Bivša Slana banja - Tuzla
Geotermalni potencijal BiH je oko 33 MWth. Temperature najznačajnijih izvorišta su: Bosanski Šamac (92°C), Kakanj(54 (58°C) °C) i Sarajevo Malo istraživanja u oblasti geotermalne energije Prije rata započeti radovi na na lokalitetu Ilidža, 240 l/s termalne vode temperature 58°C ukupne snage snage 1MW
49
Istraživanja gt resursa u BiH su voĎena na više načina kroz dug period. Istraživane zone na kojima se pojavljuju površinske manifestacije. Izradom regionalnih i detaljnih geoloških, hidrogeoloških, geofizičkih, naftonosnih i drugih istraživanja provedenih u različite svrhe dobivena su saznanja i o akumulacijama geotermalnih voda.
Dubokim strukturnim bušenjem pri istraživanju nafte i plina u Posavini, Semberiji, Tuzlanskom i Srednjebosanskom bazenu, kod Glamoča i Vareša dobiveni su značajni podaci o strukturi podzemlja, temperaturama i osnovne indikacije o hidrogeološkim svojstvima nabušenih stijena. Na području Posavine u Dvorovima i Domaljevcu nabušena su i ležišta geotermalne vode.
Na temelju provedenih istraživanja izračunati su osnovni geotermalni parametri: geotermalni gradijenti, toplinski tokovi i vodljivosti.
Značajne radobe objavili geolozi Safet Čičić i Neven Miošić. Materija obraĎena u Studiji energetskog sektora BiH 2008. godine.
50
Safet Čičić, Neven Miošić: Perspektivne zone po istraživanja prioritetima (FBiH)
51
S.Čičić, N.Miošić: Preliminarna ocjena GT potencijala Izvor: Studija energetskog sektora BiH, 2008
52
Izvor: Studija energetskog sektora BiH, 2008
53
hidroheotermalni sistemi geopresirane termo-zone petrogeotermalni sistemi
54
arteški bazeni i depresije između planinskih masiva – pukotinska poroznost, slojevita cirkulacija, usporena vodoizmjena u tercijarnim i krednim sedimentima;
poroznost, slojevita hidrogeološke ciskulacija, - pukotinska nabrane oblasti složeni režim prihranjivanja i pražnjenja u tercijarnim, krednim i neraščlanjenim mezozojskim sedimentima, kao što su vapnenci, klasti, fliš i dijabaz-rožna formacija; hidrogeološki masivi sa pukotinskom i karstnom poroznošću i cirkulacijom u plutonitima, vulkanitima, škriljavcima, serpentinitu i karbonatno mezozojskim masivima. 55
Posavina – arteški bazen u krednim i tercijarnim
sedimentima u zatvorenim bazenima povišene temperature i pritiska. Ove vode nabušene su na području Posavine i Semberije.
U području Prijedor-Omarska trijaski vapnenci i dolomiti su prekriveni izolatorskim paleozojskim i ofilitskim stijenama i
mogući su potencijali za zahvat vode na većim dubinama. Depresija tuzlanskog bazena sadrži termomineralne slane
rastvore i vode sa mineralizacijom do 280 g/l. Sarajevsko-zenički bazen predstavlja najveću meĎuplaninsku depresiju s akumulacijama u tercijarnim i mezozojskim stjenama. Bazen je lociran u zoni velikog dubinskog rasjeda.
Duž obodnih rasjeda javljaju se izdanci mineralnih i termomineralnih voda.
56
Zona horstova i rovova sjeverne Bosne karakterizirana je prisistvom interstaratificiranih kompleksa, u kojima su dijelom prisutne infiltracijske vode. najvećim Zona mezozojskih i neraščljanjenih masa centralne Bosne proteže se od Banje Luke preko Kotor Varoši do Srednjeg. Tremalne vode su sadržane u trijaskim akviferima koji se pojavljuju duž dubokih rasjeda.
57
Masivi metamorfita i plutonita Prosare i Motajice nemaju izdanaka akumulacija voda. Masivi škriljaca unsko-sanskog paleozoika, srednjebosanskih škriljavih planina i paleozoika jugoistočne Bosne: u unskom-sanskom paleozojiku formacije termalne vode formirane su u krečnjacima trijaske starosti. U paleozojiku jugoistočne Bosne postoje termalne vode u devonskim krečnjacima. Masivi paleozojskih klastita i metamorfita unutrašnje paleozojske zone i masiv neogenih efuzija vulkanita – moguće pojave termomineralnih fluida. Masivi bazičnih plutonita i serpentinita Uzlomca, Borja, Konjuha i Ozrena ne mogu biti vodonosnici, ali mogu kao izolatori sudjelovati u stvaranju ležišta. Ultramafitski masiv Višegrad-Rudo ima izdanke termalnih voda u slučaju ostvarene povoljne akumulacijske formacije. Karbonati hidrogeološkog masiva Romanije posjeduju akvifere termalnih voda. U većini slučajeva termalne vode su u zonama izviranja hidraulički neovisne od površinskih voda. Holokrastni hidrogeološki masiv istočne Hercegovine i zapadne Hercegovine nema izdanaka termalnih voda. Zapadno-bosanski karstni hidrogeološki masiv nema izdanaka termalnih voda osim u zoni bihaćkog bazena.
58
2.
Bihačko-kladuška zona Arteški bazeni sjeverne Bosne
3.
Masiv unsko-sanskog paleozoika
4. 5.
Masiv ofiolitske zone Flišni trog Banja Luka – Sarajevo Masiv srednjebosanskih škriljavih planina Sarajevsko zenički bazen Paleozojski masiv jugoistočne Bosne Paleozojski i neogeni masiv istočne Bosne
1.
6. 7. 8. 9.
59
Za direktno korištenje fluidi iz svih devet navedenih zona,
Za proizvodnju električne energije fluidi iz 2. Arteški bazeni sjeverne Bosne, 3. Masiv unskosanskog
paleozoika, 4. Masiv ofiolitske zone i 5. Flišni trog Banja Luka – Sarajevo.
60
otvorenim strukturama – na lokacijama izviranja termomineralnih voda unutrašnjih Dinarida zatvorenim sigurnim sistemima – razvijen u hrstovima i rovovima sjeverne Bosne i srednjebosanskom bazenu zatvorenim pretpostavljenim sistemima – pretpostavljen u jursko-krednom flišnom trogu Banja Luka – Sarajevo, cazinskom, prijedorskom bazenu, ofiolitima, paleozoiku Sane, srednje i jugoistočne Bosne i Srebrenice. 61
U zonama arteških bazena sjeverne Bosne, U Sarajevsko zeničkom bazenu i Flišnom trogu Banja Luka – Sarajevo.
62
U BiH geotermalni gradijenti su određeni na temelju mjerenja temperatura
Dvorovi). Za Kakanj utvrđen geotermski stepen od 25.8 pri dubini od 1315 m i maksimalnoj temperaturi stijenskog masiva od 46 oC.
u dubokim bušotinama u Hrvatskoj (Ravni Kotari, Brač, Bruvno) i BiH (Glamoč, Vareš, Kakanj,Sanska Ilidža, Tuzla, Domaljevac, Vitanović i
U tuzlanskom geotermskim regionu srednja vrijednost geotermskog stepena od 30.0, maksimalnim stepenom u području Tetima u iznosu od 40.sa Konačna dubina bušenja za tuzlansko područje je 3531.9 m, a maksimalna utvrđena temperatura stijena 118.33oC. Osim vrste stijena na geotermski stepen (gradijent) utiče i niz drugih faktora, kao što su: prisustvo termalnih voda, prisustvo podzemnih voda, karakteristike terestičkih toplotnih tokova itd. U dosadašnjim ispitivanjima na području BiH geotermski stepen je varirao od 10.5 u Glamoču do 63.5 na području Domaljevca.
63
bušotine neravnomjerno pokrivaju područje BiH kako po dubini tako i po broju,
gradijenti se kreći u intervalu od 10,5ºC/1000m (za dubinu od 4212 m) do 63ºC/1000m (za dubinu od zoniranje, 1275 m) zbog čega je moguće izvršiti samo grubo
bušotine imaju različite dubine što onemogućuje meñusobnu koorelaciju, različiti podaci o temperaturama, različiti gradijenti u sličnim strukturama na istim dubinama,
hidrološke smetnje u gornjih 100-200 m iskrivljuju sliku gradijenta i dr.
64
65 2008 Izvor: Studija energetskog sektora BiH,
Ljekovita i terapeutska svojstva hidrotermalnih voda poznata vijekovima
Na području BiH još od Rimljana postoje lječilištabanjska odmorišta i Iako banjski turizam zauzima
značajno mjesto u ukupnoj turističkoj ponudi, može se
smatrati da je ovaj potencijal vrlo
slabo iskorišten Uz turističke sadržaje moguće je
vrlo efikasno kombinovati i ostale
načina direktnog ili indirektnog korištenja geotermalnih resursa
66
Laktaši
Kulaši
Ilidža, Gradačac
Dvorovi, Bijeljina
Gata, Bihać Kozarska Dubica
Slatina, Banjaluka
Akvaterm, Olovo
Vrućica , Teslić Guber, Srebrenica
Kiseljak
Reumal, Fojnica
Ilidža, Sarajevo
Vilina vlas,
Višegrad
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.
Aquaterm“ Olovo „Dvorovi“Bijeljina “Gata” Bihać „Guber“Srebrenica “Ilidža” Gradačac „Ilidža“ Sarajevo „Kiseljak“ Kiseljak „Laktaši“ Laktaši “Mlješanica” Kozarska Dubica “Kulaši” Prnjavor “Reumal” Fojnica „Sanska Ilidža„ Sanski Most „Slatina“Banja Luka „Vilina Vlas“Višegrad „Vrućica“Teslić „Slana Banja“Tuzla 68
1.
2. 3.
Design Considerations for Artificial Lifting of Enhanced Geothermal System Fluids X. Xie, K. K. Bloomfield, G. L. Mines, G. M. Shook, Idaho National Laboratory Renewable Energy and Power Technologies, 2005 Beggs, H. D., 1991, Gas Production Operations, OGCI publications, Oil & Gas Consultants International Inc., Tulsa, Oklahoma.
Pritchett, J. W., 2000, “Electrical Generating Capacities of Geothermal Slim Holes,” Proceedings World Geothermal Congress, 2000, Kyushu, Tohoku, Japan, May 28 –June 10, 2000.
4.
Renewable Energy Access, 2005, “Geothermal Guide to Green Energy 22, http://renewableenergyaccess.com/rea/news/story?id=26591 . Production,” April
5.
K. K. Bloomfield, J. N. Moore, M. C. Adams, T. L. Sperry, Tracer Test Design and Sensitivity Studies of the Cove Fort Geothermal Resource Tracer Test, Geothermal Resources Council Transactions, Vol. 25, August 26-29, 2001 A Guide to Geothermal Energy and the Environment, By Alyssa Kagel, Diana Bates, & Karl Gawell, Geothermal Energy Association, 209 Pennsylvania Avenue SE, Washington, 2007 The Future of Geothermal Energy: Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century, 2006 Massachusetts Institute of Technology, U.S. Government under D.O.E., Contract DE-AC07-05ID14517
6.
7. 8.
69
www.geo-energy.org/ ; www.geothermal.inel.gov/ www.egi.utah.edu/geothermal/ ; www.eere.energy.gov/geothermal/ www.sustainableenergy.qld.edu.au/sources/geo.html www.geothermal.marin.org/ ; www.edugreen.teri.res.in/explore/renew/geo.htm www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/sources/renewable/geothermal.html www.scienceonline.co.uk/energy/renewable-energy.html#geothermal www.darvill.clara.net/altenerg/geothermal.htm www.energex.com.au/ ; www.geothermalhawaii.com/ www.energetika-net.hr/ ; www.geothermalint.co.uk/ www.airdrilling.com ; www.thermasource.com www.torquato.com ; www.thermasource.com www.geo-energy.org ; www.enex.is www.glossary.oilfield.slb.com/ http://www.smu.edu/geothermal/ http://www.geothermie.de/ www.ew.govt.nz/enviroinfo/geothermal/tourism.htm
70
