2ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΛΑΜΙΑΣ ΤΑΞΗ: Α’ ΛΥΚΕΙΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ (PROJECT) H ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΩΣ ΛΥΣΗ ΣΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΤΗΣ ΕΠΟΧΗΣ ΜΑΣ ΣΧΟΛ.ΕΤΟΣ: 2013-2014 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΛΑΚΑΣ ΗΛΙΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΡΙΣΜΟΣ : Γεωθερμία ή Γεωθερμική ενέργεια ονομάζουμε τη φυσική θερμική ενέργεια της Γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια. Η μετάδοση θερμότητας πραγματοποιείται με δύο τρόπους: α) Με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια με ρυθμό 0,04 - 0,06 W/m2 (Watt /τετραγωνικό μέτρο ) β) Με ρεύματα μεταφοράς, που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων. Οι δυνατότητες αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας είναι σε άμεση συνάρτηση με το θερμικό περιεχόμενο (θερμοκρασία) των γεωθερμικών ρευστών, τα οποία ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες: Υψηλής Ενθαλπίας (θερμοκρασίες ρευστών > 90°C) Χαμηλής Ενθαλπίας (25°C < θερμοκρασίες ρευστών < 90°C) Οι δυνατές εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας είναι αυτές που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα:

Αξιοποίηση της Γεωθερμικής ενέργειας Μεγάλη σημασία για τον άνθρωπο έχει η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για την κάλυψη αναγκών του, καθώς είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Ανάλογα με το θερμοκρασιακό της επίπεδο μπορεί να έχει διάφορες χρήσεις: H Υψηλής Ενθαλπίας (>150 °C) χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς τέτοιων εγκαταστάσεων το 1979 ήταν 1.916 ΜW με παραγόμενη ενέργεια 12×106 kWh/yr. Η Μέσης Ενθαλπίας (80 έως 150 °C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση ή και ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων καθώς και μερικές φορές και για την παραγωγή ηλεκτρισμού (π.χ. με κλειστό κύκλωμα φρέον που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως). Η Χαμηλής Ενθαλπίας (25 έως 80 °C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση χώρων, για θέρμανση θερμοκηπίων, για ιχθυοκαλλιέργειες, για παραγωγή γλυκού.

Πλεονεκτήματα αξιοποίησης της Γεωθερμικής ενέργειας  Ενέργεια σε ελάχιστο κόστος. Απόδοση. Ανεξαρτησία από το πετρέλαιο θέρμανσης. Ευελιξία, Άνεση και Αυτονομία.  Ασφάλεια.   Φιλικό προς το περιβάλλον.  

Αθόρυβη λειτουργία.  Γρήγορη απόσβεση.  Ζεστό νερό χειμώνα και καλοκαίρι.  Δροσιά χωρίς κόστος το καλοκαίρι.  Δυνατότητα επιδότησης.  Αξιοπιστία κατασκευών και απόλυτη αξιοπιστία

Χρήσεις των Γεωθερμικών ρευστών υψηλής ενθαλπίας

Α. Ξηρού ατμού (θερμοκρασία ρευστών >180°C) Ο ατμός οδηγείται σε στρόβιλο, ο οποίος θέτει σε λειτουργία γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Αυτός είναι ο παλαιότερος τύπος γεωθερμικών εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιήθηκε αρχικά στο Larderello στην Ιταλία το 1904 και εξακολουθεί να είναι πολύ αποτελεσματικός. Η τεχνολογία ατμού χρησιμοποιείται σήμερα σε γκεϋζερ στη βόρεια Καλιφόρνια, που εξακολουθεί να παραμένει το μεγαλύτερο γεωθερμικό πεδίο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο.

Β. Στρόβιλοι υγρού ατμού (θερμοκρασία ρευστών >150°C) Το γεωθερμικό ρευστό είτε έρχεται ως διφασική ροή από τη γεώτρηση είτε εκτονώνεται σε πίεση χαμηλότερη από την πίεση που επικρατεί στην κεφαλή της γεώτρησης και μετατρέπεται σε διφασικό μίγμα. Το μίγμα αυτό διαχωρίζεται σε κατακόρυφο διαχωριστή και ο ατμός οδηγείται στο στρόβιλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Εάν η θερμοκρασία και η πίεση του γεωθερμικού υγρού το επιτρέπουν, τότε το υγρό μπορεί να εκτονωθεί για δεύτερη φορά ή και περισσότερες φορές, ώστε να παραχθεί επιπλέον ατμός, που θα αυξήσει σημαντικά την απόδοση της μονάδας. Τέτοια εγκατάσταση λειτουργεί στο Imperial Valley,στην Καλιφόρνια.

Γ. Δυαδικός κύκλος με πτητικό ρευστό ή κύκλος Rankine με οργανικό ρευστό (θερμοκρασία ρευστών >90°C) Το γεωθερμικό ρευστό χρησιμοποιείται για τη θέρμανση (και εξάτμιση) σε έναν εναλλάκτη του δευτερεύοντος ρευστού (νερό & αμμωνία, ισοβουτάνιο, ισοπεντάνιο, CO2 κ.λπ.) το οποίο έχει μικρότερο σημείο ζέσεως σε σχέση με το νερό. Οι ατμοί του δευτερεύοντος ρευστού οδηγούνται αρχικά στο στρόβιλο και εν συνεχεία στο συμπυκνωτή. Τέλος το ρευστό από το συμπυκνωτή συμπιέζεται και επανεισάγεται πάλι στον εναλλάκτη μέσω της αντλίας ανακυκλοφορίας του ψυκτικού μέσου. Μία τέτοια εγκατάσταση λειτουργεί στο Soda Lake, στη Νεβάδα.

Χρήσεις των Γεωθερμικών ρευστών χαμηλής ενθαλπίας

Άμεση θέρμανση χώρων Η άμεση θέρμανση χώρων είναι η παλαιότερη μορφή χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας και η πλέον διαδεδομένη στην Ευρώπη. Περιλαμβάνει επίσης την παραγωγή ζεστού νερού για οικιακές χρήσεις. Η τεχνολογία που υιοθετείται είναι απλή. Το γεωθερμικό ρευστό από μία ή δύο γεωτρήσεις αποδίδει θερμότητα στο σύστημα θέρμανσης του ενεργειακού χρήστη, είτε άμεσα, είτε μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας. Γι’ αυτή την εφαρμογή απαιτούνται γεωθερμικά ρευστά με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 45°C.

Θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών Τα θερμαινόμενα θερμοκήπια και εδάφη χρησιμοποιούνται για την αύξηση της παραγωγής και την πρωίμιση καλλιεργειών. Τα θερμοκήπια και η θέρμανση εδαφών απαιτούν την παρουσία γεωθερμικών ρευστών σε θερμοκρασία που υπερβαίνει τους 30°C. Ο χώρος ενός θερμοκηπίου μπορεί να θερμανθεί με πέντε τρόπους: Α) με εναέριους, επιδαπέδιους σωλήνες ή με σωλήνες τοποθετημένους μέσα στο χώμα (σε βάθος 5-20 cm), Β) με εναλλάκτη αέρα – γεωθερμικού νερού ή νερού λειτουργίας (αερόθερμο), Γ) με τοποθέτηση θερμαντικών σωμάτων στα πλευρικά τοιχώματα του θερμοκηπίου, Δ) με ψεκασμό της οροφής του θερμοκηπίου με γεωθερμικό υγρό ή διέλευση υγρού στα διπλά τοιχώματα της οροφής (κυρίως για αντιπαγετική προστασία) και Ε) με συνδυασμό των προηγούμενων τρόπων.

Υδατοκαλλιέργειες Η γεωθερμία μπορεί να προσφέρει με οικονομικό τρόπο στη θέρμανση του νερού σε υδατοκαλλιέργειες ψαριών (χέλια, λαβράκια, τσιπούρες, πέστροφες, σολομούς, γατόψαρα κ.α.), θαλάσσιων μαλακόστρακων (π.χ. γαρίδας) και ερπετών με εμπορική αξία (π.χ. αλιγάτορες). Η θέρμανση πραγματοποιείται είτε άμεσα, με την απευθείας εισαγωγή του γεωθερμικού νερού στις δεξαμενές ή λιμνούλες ανάπτυξης, είτε έμμεσα, ύστερα από τη θέρμανση γλυκού ή θαλασσινού νερού. Για την άμεση χρήση του γεωθερμικού νερού απαιτείται να μην υπάρχουν τοξικά συστατικά στο νερό (π.χ. βαρέα μέταλλα, υδρόθειο, αρσενικό κλπ.). Οι υδατοκαλλιέργειες απαιτούν την παρουσία γεωθερμικού ρευστού σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 20°C.

Θέρμανση πισίνων και ιατρικές εφαρμογές Μία από τις πλέον δημοφιλείς χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας σε όλο τον κόσμο είναι η θέρμανση πισίνων και οι ιατρικές εφαρμογές. Σήμερα, υπάρχει μία πληθώρα από λουτροπόλεις που χρησιμοποιούν το γεωθερμικό νερό είτε για θεραπεία είτε για αναζωογόνηση. Σε ότι αφορά τις θεραπευτικές εφαρμογές, οι δράσεις των γεωθερμικών νερών στον ανθρώπινο οργανισμό διαφέρουν ανάλογα με τη σύσταση τους (θερμοκρασία, μεταλλικά στοιχεία) αλλά και με τον τρόπο χρήσης τους. Οι κυριότερες εφαρμογές είναι: λουτροθεραπεία, ποσιθεραπεία, εισπνοθεραπεία και λασποθεραπεία. Σε ότι αφορά τις εφαρμογές αναζοωγόνωησης, πρόκειται για λουτροπόλεις με κέντρα υγείας και ομορφιάς, κύριος στόχος των οποίων είναι η ξεκούραση και η ανανέωση του ανθρώπινου οργανισμού.

Άλλες χρήσεις Στις άλλες χρήσεις περιλαμβάνονται η αφαλάτωση θαλασσινού νερού, η ψύξη κτιρίων, η άρδευση αγροτικών καλλιεργειών, το λιώσιμο του χιονιού σε πεζοδρόμια και άλλες εφαρμογές. Οι άλλες χρήσεις από τη γεωθερμία στην Ευρώπη αντιστοιχούν σε 290,3 MWth, περίπου το 45% του συνόλου αντίστοιχων εφαρμογών στον κόσμο. Η πλειοψηφία των εφαρμογών βρίσκεται στην Ισλανδία (215 MWth), την Ουγγαρία (42,9 MWth) και τη Βουλγαρία (17,1 MWth). Η Ελλάδα βρίσκεται στην 6η θέση των κρατών της Ευρώπης, με εγκατεστημένη ισχύ 2,3 MWth. Πρόκειται για μία μονάδα αφαλάτωσης στην Κίμωλο και μία μονάδα καλλιέργειας σπιρουλίνας στη Νιγρίτα.