Geotermisk kraft
| Del av en serie om |
| hållbar energi |
|---|
 |
Geotermisk kraft är elektrisk kraft som genereras från geotermisk energi . Tekniker som används inkluderar torra ångkraftverk, flash ångkraftverk och binära kraftverk. Geotermisk elproduktion används för närvarande i 26 länder, medan bergvärme används i 70 länder.
Från och med 2019 uppgår den globala geotermiska kraftkapaciteten till 15,4 gigawatt (GW), varav 23,9 procent eller 3,68 GW är installerade i USA . De internationella marknaderna växte med en genomsnittlig årlig takt på 5 procent under de tre åren fram till 2015, och den globala geotermiska kraftkapaciteten förväntas nå 14,5–17,6 GW år 2020. Baserat på nuvarande geologisk kunskap och teknologi avslöjar Geothermal Energy Association (GEA ) offentligt , uppskattar GEA att endast 6,9 procent av den totala globala potentialen har utnyttjats hittills, medan IPCC rapporterade geotermisk effektpotential vara i intervallet 35 GW till 2 TW . Länder som genererar mer än 15 procent av sin el från geotermiska källor inkluderar El Salvador , Kenya , Filippinerna , Island , Nya Zeeland och Costa Rica . Indonesien har en uppskattad potential på 29 GW geotermiska energiresurser, den största i världen; 2017 var dess installerade effekt 1,8 GW.
Geotermisk kraft anses vara en hållbar , förnybar energikälla eftersom värmeuttaget är litet jämfört med jordens värmeinnehåll . Växthusgasutsläppen från geotermiska elstationer är i genomsnitt 45 gram koldioxid per kilowattimme el, eller mindre än 5 procent av konventionella koleldade anläggningar .
Som en källa till förnybar energi för både kraft och uppvärmning har geotermi potential att möta 3-5 % av den globala efterfrågan år 2050. Med ekonomiska incitament beräknas det år 2100 vara möjligt att möta 10 % av den globala efterfrågan.
Historia och utveckling
På 1900-talet ledde efterfrågan på elektricitet till att man övervägde geotermisk kraft som en genereringskälla. Prins Piero Ginori Conti testade den första geotermiska kraftgeneratorn den 4 juli 1904 i Larderello , Italien. Den tände framgångsrikt fyra glödlampor. Senare, 1911, byggdes världens första kommersiella geotermiska kraftverk där. Experimentella generatorer byggdes i Beppu , Japan och Geysers , Kalifornien, på 1920-talet, men Italien var världens enda industriella producent av geotermisk elektricitet fram till 1958.
1958 blev Nya Zeeland den andra stora industriella producenten av geotermisk elektricitet när dess Wairakei-station togs i drift. Wairakei var den första stationen som använde flash steam-teknik. Under de senaste 60 åren har nettoproduktionen av vätskor varit över 2,5 km 3 . Säkning i Wairakei-Tauhara har varit ett problem i ett antal formella utfrågningar relaterade till miljömedgivanden för utökad utveckling av systemet som en källa till förnybar energi.
1960 började Pacific Gas and Electric driften av det första framgångsrika geotermiska elkraftverket i USA vid The Geysers i Kalifornien. Den ursprungliga turbinen höll i mer än 30 år och producerade 11 MW nettoeffekt.
Det binära kraftverket demonstrerades första gången 1967 i Sovjetunionen och introducerades senare till USA 1981, efter 1970-talets energikris och betydande förändringar i regleringspolitiken. Denna teknik tillåter användning av mycket lägre temperaturresurser än vad som tidigare kunde återvinnas. År 2006 kom en binär cykelstation i Chena Hot Springs, Alaska , online och producerade elektricitet från en rekordlåg vätsketemperatur på 57 °C (135 °F).
Geotermiska elstationer har fram till nyligen byggts uteslutande där geotermiska resurser med hög temperatur finns tillgängliga nära ytan. Utvecklingen av kraftverk med två kretslopp och förbättringar inom borr- och utvinningsteknik kan möjliggöra förbättrade geotermiska system över ett mycket större geografiskt område. Demonstrationsprojekt är i drift i Landau-Pfalz , Tyskland, och Soultz-sous-Forêts , Frankrike, medan ett tidigare försök i Basel , Schweiz stängdes av efter att det utlöste jordbävningar. Andra demonstrationsprojekt är under uppbyggnad i Australien , Storbritannien och USA .
Den termiska verkningsgraden för geotermiska elstationer är låg, cirka 7–10 %, eftersom geotermiska vätskor har en låg temperatur jämfört med ånga från pannor. Genom termodynamikens lagar begränsar denna låga temperatur värmemotorernas effektivitet när det gäller att utvinna användbar energi under elproduktionen. Avloppsvärme går till spillo, om den inte kan användas direkt och lokalt, till exempel i växthus, timmerbruk och fjärrvärme. Systemets effektivitet påverkar inte driftskostnaderna som för en kol- eller andra fossila bränsleanläggningar, men den tar hänsyn till stationens livskraft. För att producera mer energi än vad pumparna förbrukar kräver elproduktion geotermiska fält med hög temperatur och specialiserade värmecykler. [ citat behövs ] Eftersom geotermisk kraft inte är beroende av varierande energikällor, till skillnad från till exempel vind eller sol, kan dess kapacitetsfaktor vara ganska stor – upp till 96 % har visats. Den globala genomsnittliga kapacitetsfaktorn var dock 74,5 % 2008, enligt IPCC .
Resurser
Jordens värmeinnehåll är cirka 1 × 10 19 TJ (2,8 × 10 15 TWh ) . Denna värme strömmar naturligt till ytan genom ledning med en hastighet av 44,2 TW och fylls på med radioaktivt sönderfall med en hastighet av 30 TW. Dessa effekthastigheter är mer än det dubbla mänsklighetens nuvarande energiförbrukning från primära källor, men det mesta av denna effekt är för diffus (ungefär 0,1 W/m 2 i genomsnitt) för att kunna återvinnas. Jordskorpan fungerar effektivt som en tjock isolerande filt som måste genomborras av vätskeledningar (av magma , vatten eller annat) för att frigöra värmen under.
Elproduktion kräver högtemperaturresurser som bara kan komma från djupt underjordiska. Värmen måste föras till ytan genom vätskecirkulation, antingen genom magmaledningar , varma källor , hydrotermisk cirkulation , oljekällor , borrade vattenbrunnar eller en kombination av dessa. Denna cirkulation finns ibland naturligt där skorpan är tunn: magmaledningar för värme nära ytan och varma källor för värmen till ytan. Om ingen varm källa finns tillgänglig måste en brunn borras i en varm akvifer . Bort från tektoniska plattgränser är den geotermiska gradienten 25–30 °C per kilometer (km) djup i större delen av världen, så brunnar måste vara flera kilometer djupa för att tillåta elproduktion. Kvantiteten och kvaliteten på utvinningsbara resurser förbättras med borrdjup och närhet till tektoniska plåtgränser.
I mark som är varm men torr, eller där vattentrycket är otillräckligt, kan insprutad vätska stimulera produktionen. Utvecklare borrade två hål i en kandidatplats och spricker berget mellan dem med sprängämnen eller högtrycksvatten . Sedan pumpar de vatten eller flytande koldioxid ner i det ena borrhålet, och det kommer upp i det andra borrhålet som en gas. Detta tillvägagångssätt kallas geotermisk energi för varm torr berg i Europa, eller förbättrade geotermiska system i Nordamerika. Mycket större potential kan vara tillgänglig från detta tillvägagångssätt än från konventionell tappning av naturliga akviferer.
Uppskattningar av elproduktionspotentialen för geotermisk energi varierar från 35 till 2000 GW beroende på investeringarnas omfattning. Detta inkluderar inte icke-elektrisk värme som återvinns genom kraftvärme, bergvärmepumpar och annan direkt användning. En rapport från 2006 från Massachusetts Institute of Technology (MIT) som inkluderade potentialen för förbättrade geotermiska system uppskattade att investeringar 1 miljard USD i forskning och utveckling under 15 år skulle möjliggöra skapandet av 100 GW elproduktionskapacitet år 2050 i USA ensam. MIT-rapporten uppskattade att över 200 × 10 9 TJ (200 ZJ; 5,6 × 10 7 TWh) skulle kunna utvinnas, med potential att öka detta till över 2 000 ZJ med tekniska förbättringar – tillräckligt för att tillgodose alla världens nuvarande energibehov för flera årtusenden .
För närvarande är geotermiska brunnar sällan mer än 3 km (1,9 mi) djupa. Övre uppskattningar av geotermiska resurser antar brunnar så djupa som 10 km (6,2 mi). Borrning nära detta djup är nu möjligt inom petroleumindustrin, även om det är en dyr process. Den djupaste forskningsbrunnen i världen, Kola Superdeep Borehole (KSDB-3), är 12 261 km (7 619 mi) djup. Brunnar som borras till djup större än 4 km (2,5 mi) ådrar sig i allmänhet borrningskostnader i tiotals miljoner dollar. De tekniska utmaningarna är att borra breda hål till låg kostnad och att bryta större bergvolymer.
Geotermisk kraft anses vara hållbar eftersom värmeuttaget är litet jämfört med jordens värmeinnehåll, men utvinningen måste ändå övervakas för att undvika lokal utarmning. Även om geotermiska platser kan ge värme i många decennier, kan enskilda brunnar svalna eller få slut på vatten. De tre äldsta platserna vid Larderello, Wairakei och gejsrarna har alla minskat produktionen från sina toppar. Det är inte klart om dessa stationer utvann energi snabbare än den fylldes på från större djup, eller om de akviferer som försörjer dem håller på att utarmas. Om produktionen minskas och vatten återinjiceras kan dessa brunnar teoretiskt återvinna sin fulla potential. Sådana begränsningsstrategier har redan implementerats på vissa platser. Den långsiktiga hållbarheten för geotermisk energi har visats på Lardarellofältet i Italien sedan 1913, vid Wairakeifältet i Nya Zeeland sedan 1958 och vid Geysersfältet i Kalifornien sedan 1960.
Typer av kraftverk
Geotermiska kraftverk liknar andra termiska kraftverk med ångturbiner genom att värme från en bränslekälla (i geotermisk fall, jordens kärna) används för att värma vatten eller annan arbetsvätska . Arbetsvätskan används sedan för att vända en turbin i en generator och därigenom producera elektricitet. Vätskan kyls sedan och återförs till värmekällan.
Torra ångkraftverk
Torrångstationer är den enklaste och äldsta designen. Det finns få kraftverk av denna typ, eftersom de kräver en resurs som producerar torr ånga , men de är de mest effektiva, med de enklaste faciliteterna. På dessa platser kan det finnas flytande vatten i reservoaren, men endast ånga, inte vatten, produceras till ytan. Torr ångkraft använder direkt geotermisk ånga på 150 °C eller mer för att vända turbiner. När turbinen roterar driver den en generator som producerar elektricitet och lägger till kraftfältet. Därefter avges ångan till en kondensor, där den återgår till en vätska, som sedan kyler vattnet. Efter att vattnet kylts rinner det ner i ett rör som leder kondensatet tillbaka till djupa brunnar, där det kan värmas upp och produceras igen. På The Geysers i Kalifornien, efter de första 30 åren av kraftproduktion, hade ångtillgången tömts och produktionen minskat avsevärt. För att återställa en del av den tidigare kapaciteten utvecklades ytterligare vatteninjektion under 1990- och 2000-talen, inklusive utnyttjande av avloppsvatten från närliggande kommunala reningsanläggningar.
Flash ångkraftverk
Flash ångstationer drar djupt, högtrycks hett vatten in i lägre tryck tankar och använder den resulterande flashade ångan för att driva turbiner. De kräver vätsketemperaturer på minst 180 °C, vanligtvis högre. Detta är den vanligaste typen av station i drift idag. [ citat behövs ] Flash ånganläggningar använder geotermiska reservoarer av vatten med temperaturer över 360 ° F (182 ° C). Varmvattnet rinner upp genom brunnar i marken under eget tryck. När det strömmar uppåt minskar trycket och en del av det varma vattnet omvandlas till ånga. Ångan separeras sedan från vattnet och används för att driva en turbin/generator. Eventuellt överblivet vatten och kondenserad ånga kan injiceras tillbaka i reservoaren, vilket gör detta till en potentiellt hållbar resurs.
Kraftverk med binära kretslopp
Binära kraftverk är den senaste utvecklingen och kan acceptera vätsketemperaturer så låga som 57 °C. Det måttligt varma geotermiska vattnet passeras av en sekundär vätska med mycket lägre kokpunkt än vatten. Detta får den sekundära vätskan att flasha förångas, vilket sedan driver turbinerna. Detta är den vanligaste typen av geotermisk elstation som byggs idag. Både Organic Rankine och Kalina cykler används. Den termiska verkningsgraden för denna typ av station är vanligtvis cirka 10–13 %.
Världsomspännande produktion
International Renewable Energy Agency har rapporterat att 14 438 megawatt (MW) geotermisk kraft var online i slutet av 2020 och genererade 94 949 GWh el.
2021 ledde USA världen inom geotermisk elproduktion med 3 889 MW installerad kapacitet, en rejäl ökning från 2020 då man producerade 2 587 MW. Indonesien följer USA som den näst högsta producenten av geotermisk kraft i världen, med en kapacitet på 2 277 MW online 2021.
Al Gore sa i The Climate Project Asia Pacific Summit att Indonesien kan bli ett supermaktsland inom elproduktion från geotermisk energi. 2013 tillkännagav Indien en plan för att utveckla landets första geotermiska kraftanläggning i Chhattisgarh.
Kanada är det enda större landet på Stillahavsringen av eld som ännu inte har utvecklat geotermisk kraft. Regionen med störst potential är den kanadensiska Cordillera , som sträcker sig från British Columbia till Yukon, där uppskattningar av produktionen har varierat från 1 550 MW till 5 000 MW.
Utility-grade stationer
Den största gruppen geotermiska kraftverk i världen finns vid The Geysers , ett geotermiskt fält i Kalifornien , USA . Från och med 2004 genererar fem länder ( El Salvador , Kenya , Filippinerna , Island och Costa Rica ) mer än 15 % av sin el från geotermiska källor.
Geotermisk el genereras i de 24 länder som anges i tabellen nedan. Under 2005 tecknades kontrakt för ytterligare 500 MW elkapacitet i USA, samtidigt som det fanns stationer under uppbyggnad i 11 andra länder. Förbättrade geotermiska system som är flera kilometer djupa är i drift i Frankrike och Tyskland och håller på att utvecklas eller utvärderas i minst fyra andra länder.
| Land |
Kapacitet (MW) 2007 |
Kapacitet (MW) 2010 |
Kapacitet (MW) 2013 |
Kapacitet (MW) 2015 |
Kapacitet (MW) 2018 |
Kapacitet (MW) 2019 |
Kapacitet (MW) 2021 |
Andel av nationell generation (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| USA | 2687 | 3086 | 3389 | 3450 | 3591 | 3676 | 3722 | 0,3 |
| Indonesien | 992 | 1197 | 1333 | 1340 | 1948 | 2133 | 2276 | 3.7 |
| Filippinerna | 1969.7 | 1904 | 1894 | 1870 | 1868 | 1918 | 1918 | 27,0 |
| Kalkon | 38 | 82 | 163 | 397 | 1200 | 1526 | 1710 | 0,3 |
| Nya Zeeland | 471,6 | 628 | 895 | 1005 | 1005 | 1005 | 1037 | 14.5 |
| Mexiko | 953 | 958 | 980 | 1017 | 951 | 962,7 | 962,7 | 3.0 |
| Italien | 810,5 | 843 | 901 | 916 | 944 | 944 | 944 | 1.5 |
| Kenya | 128,8 | 167 | 215 | 594 | 676 | 861 | 861 | 38 |
| Island | 421,2 | 575 | 664 | 665 | 755 | 755 | 755 | 30,0 |
| Japan | 535,2 | 536 | 537 | 519 | 542 | 601 | 603 | 0,1 |
| Costa Rica | 162,5 | 166 | 208 | 207 | 14,0 | |||
| El Salvador | 204,4 | 204 | 204 | 204 | 25,0 | |||
| Nicaragua | 79 | 82 | 97 | 82 | 9.9 | |||
| Ryssland | 79 | 79 | 82 | 82 | ||||
| Guatemala | 53 | 52 | 42 | 52 | ||||
| Papua Nya Guinea | 56 | 56 | 56 | 50 | ||||
| Portugal | 23 | 29 | 28 | 29 | ||||
| Kina | 27.8 | 24 | 27 | 27 | ||||
| Tyskland | 8.4 | 6.6 | 13 | 27 | ||||
| Frankrike | 14.7 | 16 | 15 | 16 | ||||
| Etiopien | 7.3 | 7.3 | 8 | 7.3 | ||||
| Österrike | 1.1 | 1.4 | 1 | 1.2 | ||||
| Australien | 0,2 | 1.1 | 1 | 1.1 | 0,0 | 0,3 | ||
| Thailand | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | ||||
| Total | 9 731,9 | 10 709,7 | 11,765 | 12 635,9 | 14,369 | 15 406 | – |
Miljöpåverkan
| Del av en serie om |
| förnybar energi |
|---|
 |
Befintliga geotermiska elstationer, som faller inom 50:e percentilen av alla studier av totala livscykelutsläpp som granskats av IPCC , producerar i genomsnitt 45 kg CO
2 -ekvivalenta utsläpp per megawattimme genererad el (kg CO
2 eq/ MW·h ) . Som jämförelse släpper ett koleldat kraftverk ut 1 001 kg CO
2 -ekvivalenter per megawattimme när det inte är kopplat till koldioxidavskiljning och -lagring (CCS). Eftersom många geotermiska projekt är belägna i vulkaniskt aktiva områden som naturligt släpper ut växthusgaser, antas det att geotermiska anläggningar faktiskt kan minska hastigheten för avgasning genom att minska trycket på underjordiska reservoarer.
Stationer som upplever höga halter av syror och flyktiga kemikalier är vanligtvis utrustade med emissionskontrollsystem för att minska avgaserna. Geotermiska stationer kan också injicera dessa gaser tillbaka i jorden som en form av kolavskiljning och lagring, som i Nya Zeeland och i CarbFix -projektet på Island.
Andra stationer som Kızıldere geotermiska kraftverk uppvisar förmågan att använda geotermiska vätskor för att bearbeta koldioxidgas till torris vid två närliggande anläggningar, vilket resulterar i mycket liten miljöpåverkan.
Förutom lösta gaser kan hett vatten från geotermiska källor i lösningen innehålla spårmängder av giftiga kemikalier, såsom kvicksilver , arsenik , bor , antimon och salt. Dessa kemikalier kommer ur lösningen när vattnet svalnar och kan orsaka miljöskador om de släpps ut. Den moderna praxisen att injicera geotermiska vätskor tillbaka till jorden för att stimulera produktionen har sidofördelen att denna miljörisk minskar.
Stationsbyggande kan påverka markstabiliteten negativt. Säkning har skett i Wairakeifältet i Nya Zeeland. Förbättrade geotermiska system kan utlösa jordbävningar på grund av vatteninjektion. Projektet i Basel , Schweiz avbröts eftersom mer än 10 000 seismiska händelser som mätte upp till 3,4 på Richterskalan inträffade under de första 6 dagarna av vatteninjektion. Risken för geotermisk borrning som leder till höjning har upplevts i Staufen im Breisgau .
Geotermisk värme har minimala krav på mark och sötvatten. Geotermiska stationer använder 404 kvadratmeter per GW·h mot 3 632 och 1 335 kvadratmeter för kolanläggningar respektive vindkraftsparker. De använder 20 liter sötvatten per MW·h mot över 1000 liter per MW·h för kärnkraft, kol eller olja.
Geotermiska kraftverk kan också störa gejsrars naturliga kretslopp. Till exempel i Beowawe, Nevada , som var oskyddade geotermiska brunnar, att bryta ut på grund av utvecklingen av dubbelflashstationen.
Lokal klimatkylning är möjlig som ett resultat av arbetet med de geotermiska cirkulationssystemen. Men enligt en uppskattning från Leningrad Mining Institute på 1980-talet kommer eventuell nedkylning att vara försumbar jämfört med naturliga klimatfluktuationer.
Även om vulkanisk aktivitet producerar geotermisk energi är den också riskabel. Från och med 2022 Puna Geothermal Venture fortfarande inte återgått till full kapacitet efter 2018 års nedre Puna-utbrott .
Ekonomi
Geotermisk kraft kräver inget bränsle; den är därför immun mot bränslekostnadsfluktuationer. Kapitalkostnaderna tenderar dock att vara höga. Borrning står för över hälften av kostnaderna och prospektering av djupa resurser innebär betydande risker. En typisk brunnsdubblett i Nevada kan stödja 4,5 megawatt (MW) elproduktion och kostar cirka 10 miljoner dollar att borra, med en felfrekvens på 20 %. Totalt kostar elstationsbyggnation och brunnsborrning cirka 2–5 miljoner € per MW elektrisk kapacitet, medan den utjämnade energikostnaden är 0,04–0,10 € per kW·h. Förbättrade geotermiska system tenderar att ligga på den höga sidan av dessa intervall, med kapitalkostnader över 4 miljoner USD per MW och utjämnade kostnader över 0,054 USD per kW·h under 2007.
Forskning tyder på att lagring i reservoarer skulle kunna öka den ekonomiska livskraften för förbättrade geotermiska system i energisystem med en stor andel variabla förnybara energikällor .
Geotermisk kraft är mycket skalbar: ett litet kraftverk kan försörja en by på landsbygden, även om startkapitalkostnaderna kan vara höga.
Det mest utvecklade geotermiska fältet är gejsrarna i Kalifornien. Under 2008 stödde detta fält 15 stationer, alla ägda av Calpine , med en total produktionskapacitet på 725 MW.
Se även
- Förbättrat geotermiskt system
- Jordvärme
- Varm torr bergart geotermisk energi
- Islands djupborrningsprojekt
- Lista över ämnen för förnybar energi per land
- Termiskt batteri
externa länkar
- Artiklar om geotermisk energi Arkiverade 26 oktober 2020 på Wayback Machine
- Den geotermiska samlingen av University of Hawaii i Manoa
- GRC geotermiska bibliotek
| Geotermisk energi | |
|
|---|---|---|
| Efter land | ||
| Teknologier | ||
| Energikoncept | ||
| ||
| Afrika | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Asien | |||||
| Europa |
|
||||
| Nordamerika | |||||
| Oceanien | |||||
| Sydamerika | |||||