GEOTERMISKA ANLÄGGNINGAR
TEKNIK ▼
GEOTERMISKA ANLÄGGNINGAR
Geotermiska anläggningar bygger på att vatten cirkuleras genom borrade hål genom sprickzoner i berggrunden i ett slutet system. Nere i berggrunden värms det upp, värmen tas om hand på ytan och att därefter pumpas det ner igen.
På ytan passerar vattnet en värmeväxlare där man tar tillvara på energin genom att sänka vattnets temperatur.
Om man pumpar ett vattenflöde på 25 liter per sekund och åstadkommer en temperatursänkning på 10⁰C i värmeväxlaren ger det en effekt på cirka 1 MW!
Ett ökat flöde ökar effekten i motsvarande grad samtidigt som en ökad temperaturskillnad också orsakar en linjär ökning av den utvunna effekten!
Om vi sänker temperaturen på vattnet med 60⁰C och ökar flödet till 100 l/s så har vi en anläggning som teoretiskt ger 24 MW!
Detta ur ett kraftverk som fortfarande är litet till formatet. Storleken ligger nere i berggrunden!
Anläggningen består i princip av följande delar.
Genom injektionshålet (1 och 5) pumpas vatten ner från ytan. För att skydda grundvattnet och samtidigt hindra vattnet från att kylas ned i den kalla delen av berget isolerar vi (2) med en speciell isolerande cement mellan berget och foderröret (3). När vattnet nått ner till nivån där foderröret slutar passerar det det sprickzonerna där det värms upp. Därefter leds de upp till ytan igen via produktionshålet (6 och 7) som innehåller foderrör som är isolerad på samma sätt som injektionshålet.
Uppe på ytan tas energin om hand (8) och fördelas ut på fjärrvärmenät eller används till andra applikationer.
Genom att vi kan kontrollera stimuleringen av berget kan vi också skapa en värmeväxlare med rätt volym och yta mot berget.
STORA GEOTERMISKA ANLÄGGNINGAR
MINDRE GEOTERMISKA ANLÄGGNINGAR
Det förekommer också att man bygger anläggningar med koaxialkollektorer där man endast använder ett borrhål. Dessa är svårare att få lönsamhet i eftersom de får för liten värmeväxlaryta mot berget.
Dessutom leder tekniken med två parallella rör alternativt ett koaxialrör till termisk kortslutning, det vill säga att det kalla vattnet på väg ner kyler ner det varma vattnet på väg upp eftersom de kommer att fungera som en värmeväxlare. Grovt sagt kan man säga att den temperatur man får upp till ytan ligger någonstans mitt emellan temperaturen på ytan och temperaturen längst ner i hålet.
Det förekommer också koaxialrör i plast där man skapat en vakuumisolering mellan centrumrör och annulus.
Detta får dock anses som tveksamt med tanke på att trycket på de antagna djupen ligger på mellan 150 och 250 bar vilket utan vidare bör ihop trycka de eventuella utrymmena för vakuum.
Eftersom geotermiska anläggningar bygger på temperaturskillnad och flöde så kan man också få problem med att flödet blir för litet för att önskad effekt ska kunna tas ut. Ökas flödet för mycket så hinner vattnet inte värmas upp nere i berget och temperaturskillnaden blir för liten för att kunna användas.
STORA GEOTERMISKA ANLÄGGNINGAR
Vi får ofta frågan om det går att göra el av geotermisk energi och det går alldeles utmärkt om man får upp en tillräckligt hög temperatur ur marken. Det går faktiskt att göra el även av lägre temperaturer men med tanke på alternativkostnaden för att framställa el med andra metoder så kan inte geotermisk el konkurrera med våra marknadspriser på el.
Om man däremot når temperaturer kring 150 grader eller högre så är det ett effektivt sätt att framställa el som dessutom är helt utsläppsfritt. Fortfarande gäller det faktum att ett vattenflöde på 25 l/s där en temperatursänkning på 10⁰C i sker i värmeväxlare ger en effekt på cirka 1 MW!
I geotermiska anläggningar för elproduktion pumpas vatten ned i berggrunden för att värmas upp och sedan tas hand om på ytan via oftast via en ORC-maskin för att därefter pumpas ned igen.
Anläggningen ovan består av tre ORC-maskiner och har en kapacitet att leverera 50 MWg men levererar i nuläget ungefär 37 MWg. Bokstaven ”g” i enheten står för gross, dvs. brutto eftersom även den ström som anläggningen själv behöver tas från den egna produktionen. Viia sex produktionsbrunnar och fem injektionsbrunnar pumpas totalt 2560 m³/h vatten med temperaturen 52°C upp till ytan. Anläggningen har också tre kontrollbrunnar och man har borrat åtta vattenbrunnar för att förse anläggningen med kylvatten. I den grå konstruktionen närmast kameran finns kylvatten.
Pumphjulen är installerade på cirka 600 m djup inuti 13 3/8" foderrör. Pumparna pumpar 120 l/s per brunn med ett utloppstryck på cirka 11,5 bar. Utloppstrycket hålls tillräckligt högt för att förhindra gasutveckling i rörledningarna och för att minska risken för avlagringar.
Eftersom anläggningen ligger långt ute i öknen behöver rörsystemen inte grävas ner.
Själva pumparna finns på ytan och pumphjulen är monterade på en 600m lång axel. Eftersom pumparna lyfter vattnet finns det "signalrör" installerade så att varvtalet på pumparna kan regleras för att undvika kavitation.
Det varma vattnet leds till ORC-maskinerna där vattnet förångar köldmediet som har en låg kokpunkt.
Ångan driver då turbin som genererar elektricitet.
Efter generatorerna har genererat elektricitet måste ångan kondenseras för kunna pumpas ner igen. Detta görs i dessa jättebehållare där ånga blandat med vatten får regna ner till den undre behållaren för att sedan pumpas ner i berget igen.
En ansenlig mängd vätska omsätts hela tiden i anläggningen och fläktarna på taket på kylaren hjälper till att få ner temperaturen, trots att det är ordentligt varmt utomhus. För den här anläggningen har man inga avnämare av värmen men hade det funnits så skulle man kunna tjäna pengar även på överskottsvärmen.
Eftersom anläggningen ligger ute i öknen så får man ofta besök av vilda djur som kommer för att dricka ur dessa dammar.
När den geotermiska energin är utvunnen ur vattnet som cirkulerar via den underjordiska värmeväxlaren leds det ner i berget igen. På denna sida finns ingen pump utan cirkulationen skapas av pumparna i andra änden som lyfter vattnet till anläggningen. Man har provat med markörer i vattnet och cirkulationshastigheten på vattnet varierar mellan 19 timmar och 90 dagar innan markörerna kom tillbaka upp till ytan och man bör av detta faktum kunna sluta sig till att den underjordiska värmeväxlaren har tillräcklig kapacitet.
För att kunna ta hand om gasutfällningar och eventuell luft som kommer in i systemet finns dessa förhöjningar med en ventil på högsta punkten. Om det kommer in gas i röret så kan vätsekeflödet blockeras med minskad kapacitet som följd så detta håller man god kontroll på.
I kontrollrummet har man full överblick över allt som händer i anläggningen, såväl när det gäller elgenereringen som den geotermiska delen av anläggningen.
Här visas alla värden för en av ORC-maskinerna så som flöden, temperaturer och inte minst hur mycket el man genererar.
Vid vårt besök producerade anläggningen 23,82 MW när bilden togs. Anledningen att det står Plant Net MW är att en del av den genererade strömmen används för att driva pumpar, fläktar och annan utrustning på kraftverket.
På denna bild här är svårt att läsa siffrorna men den ger å andra sidan en bild av hur systemen är hopkopplade och fungerar tillsammans.
MINDRE GEOTERMISKA ANLÄGGNINGAR
När man bygger mindre anläggningar brukar man inte borra så djupt utan någonstans mellan 1500 och 2500 m kan ses som ett riktvärde. En variant är att man borrar så kallade dubbletter, dvs koaxialbrunnar där man antingen installerar ett centrumrör och skapar två kammare där man pumpar i ena ritningen genom röret och skapar motsvarande flöde i annulus.
Ett annat alternativt är att man använder ett u-format kollektorrör. Det förekommer också koaxialrör i plast där man skapat en vakuumisolering mellan centrumrör och annulus.
Detta får dock anses som tveksamt med tanke på att trycket på de antagna djupen ligger på mellan 150 och 250 bar som skapas av vattenpelaren vilket utan vidare bör ihop trycka de eventuella utrymmena för vakuum.
En avsevärd nackdel med dessa dubbletter är att man får en termisk kortslutning mellan vätskan på väg ner och vätskan på väg upp. Rent teoretiskt skulle man kunna säga att den temperatur man får upp till ytan är hälften av den temperatur som finns längst ner i hålet men den faktiska temperaturen beror på betydligt fler faktorer.
En effektivare variant är att borra två hål och öppna sprickor mellan dessa hål. På så kan man få ett betydligt högre flöde än med en anläggning med bara ett hål. Vid lägre temperaturer är det flödet som står för möjligheterna att få upp tillräckligt med energi. Ytterligare en fördel med borrning av två hål är att man använder en betydligt större volym av berget för att utvinna värmen vilket innebär att nedkylningen av berget blir betydligt lägre. Om vi fortfarande antar att temperaturen i koaxialalternativet ligger på hälften av den då temperatur som finns längst ner i valet så kan man också sluta sig till att man inte behöver borra lika djupt för en anläggning med två borrhål för att få upp motsvarande temperatur till ytan.
Geotermisk energi är ett utmärkt alternativ för fjärrvärme och uppvärmning/kylning av större fastigheter. Nedan beskrivs en anläggning som har levererat 1,8 MW till ett antal fastigheter i Reno. Här når man temperaturer på cirka 90ºC och kan använda värmen direkt via värmeväxlare. Anläggningen togs i bruk 1983 men har nu stängts av på grund av att distributionsnätet kräver underhåll.
På våra breddgrader kommer vi att kunna använda de temperaturer som finns nere i berget direkt till uppvärmning i de till antalet snabbt ökande lågtempererade uppvärmningssystemen i nybyggda fastigheter.
Till äldre fastigheter med värmesystem som kräver högre temperaturer kan man använda värmepumpar för allt höja temperaturen den sista biten.
Energiåtgången för att värma en viss mängd vatten till en viss temperatur är linjär och att värma ett kg vatten en grad drar 0,001163 kWh oavsett var i temperaturskalan man befinner sig. Detta innebär att man kan få en avsevärd del av energin "gratis" från moder jord via geotermisk energi.
Denna lilla byggnad innehåller värmeväxlarna och cirkulationspumparna för fjärrvärmenätet. Tekniken är i högsta grad skalbar och anläggningar kan byggas i alla storlekar. Anläggningen på bilden levererar 1,8 MW till fjärrvärmenätet via två plattvärmeväxlare som tillsammans med pumpar och annan utrustning får plats i byggnaden.
Bilden ovan kan ge en uppfattning om hur anläggningen ser ut. Bilen är involverad i ett utbyte av cirkulationspump, fler bilder från arbetet visas längre ner. Ovanför bilens motorhuv syns ett brunt plank som omgärdar borrhålen. Det lilla huset i dalen innehåller värmeväxlarna samt cirkulationspumparna för fjärrvärmenätet.
Här pågår utbyte av en pump som cirkulerar vattnet nere i berget. Pumpmotorn är placerad vid ytan och pumphjulet drivs av en axel som når ner en bra bit i röret där själva pumphjulet sitter. Detta underlättar avsevärt byte och service på pumparna.
Vattnet i det underjordiska systemet pumpas runt genom att lyftas i stigarledningen vilket är det mest energieffektiva sättet att hålla cirkulationen igång. Tittar man noga på bilden så ser man något som ser ut som en tråd som leds ner från rullen i vänstra nedre hörnet. Detta är ett sensorrör som känner av trycket i hålet och reglerar pumphastigheten för att förhindra kavitation.
Här ligger rören som behövded lyftas för att få upp pumphjulet och ovanpå ligger en av de femekrade lagerhållarna som ser till att axeln hålls i läge när den roterar.
Som synes är lagret i relativt gott skick men för säkerhets skull gör man denna service ungefär vart femte år.
Det krävs en hel del moment för att gänga isär rören som har varit hopskruvade i fem år.
Man utför också service på värmeväxlarna som kan skymtas genom dörren när systemet är avstängt.
Värmeväxlarna är två till antalet i anläggningen och de tar verkligen inte stor plats.
Huset rymmer också styrsystemen till fjärrvärmenätet som vid denna anläggning består av två slingor.
