GENERERING AV ELEKTRICITET
TEKNIK ▼
GENERERING AV ELEKTRICITET
Att generera elektricitet från geotermiska kraftverk är oftast
ett bra alternativ. Vanligen säger man att man bör få upp temperaturer kring
150℃ för att få god lönsamhet men förutsättningarna varierar kraftigt mellan olika platser så man kan tjäna
mycket på att utreda dessa innan beslut fattas.
Hittills har generering av
elektricitet från geotermiska källor inte kunnat konkurrera med andra
energislag i Sverige.
Med tanke på att el- och energipriserna har skenat på
sista tiden och att samhällets sårbarheter har blottlagts på ett skrämmande
sätt har förutsättningarna kraftigt förändrats.
När ledningar för gasförsörjning ner till Europa
har sprängts och att det troligen är förenat med stora besvär och kostnader att laga dessa så
är det risk för att prisnivåerna är här för att stanna.
Även bristerna i transmissionskapaciteten har visat sig tydligt genom
att prisskillnaderna på elenergi haft stora skillnader mellan norr och söder.
Behovet av elektricitet kommer att öka med tanke på en allmän
övergång till elektrifiering som visar sig bland annat i den snabbt ökade
flottan av elbilar samtidigt som elintensiva industrier både byggs och planerar
att byggas på många orter i framför allt norra Sverige. I den regionen sker i
dag en stor del av vår elproduktion och elpriset för konsumenter är för
närvarande relativt lågt men detta kommer med all sannolikhet att ändras då
dessa industrier successivt kommer att sättas i drift. Måhända är vi redan nu
framme vid ett läge där produktions- och transmissionskostnaderna kommer att ligga på en
nivå där det kan vara intressant att utvärdera lokal produktion av elektricitet.
Även om det geotermiska vattnet aldrig når kokpunkten för vatten kan man generera elektricitet genom att använda en sekundär ”binär” vätska som har lägre kokpunkt istället för att använda en traditionell ångdriven turbin. I Chena Hot Springs i Alaska finns det geotermiska kraftverket i världen som använder lägst berggrundstemperaturen för kommersiell kraftproduktion.
Trots att de endast använder en vattentemperatur kring 70℃ har de radikalt sänkt kostnaderna för att generera el genom att de minskat distributionskostnaderna för den diesel som tidigare användes för att generera elektricitet.
I detta fall, liksom i alla situationer där man producerar, eller avser att producera elektricitet bör man göra noggranna undersökningar och jämföra de olika metoder som finns tillgängliga. Man bör jämföra både det ekonomiska resultatet och konsekvenserna för miljön på både kort och lång sikt.
En enkel regel när man ska generera elektricitet från geotermisk energi är att man får högre verkningsgrad ju högre temperatur man får upp ur berggrunden.
Det finns många exempel på kraftverk där man har en borrhålstemperatur kring 150℃ och får en verkningsgrad över 10 % vid generering i ORC-maskiner. Detta kan verka lågt men med tanke på de låga kostnaderna för att driva anläggningen för att ta ut energin ur berggrunden är det oftast betydligt mer lönsamt än det verkar. En ORC-maskin eller ”Organic Rankine Cycle” som förkotningen kallas så för att den använder en organisk, högmolekylär massvätska med en kokpunkt, som inträffar vid en lägre temperatur än kokpunkten för vatten. Den lågtempererade ångan används i turbiner till användbart arbete, som i sig kan omvandlas till el.
Bokstaven O i ORC står för att man använder en organisk vätska med hög molekylmassa med en vätske-ångfasförändring, eller kokpunkt, som sker vid en lägre temperatur jämfört med vattenånga. Vätskans egenskaper möjliggör användning av källor med lägre temperaturer.
På senare tid har tillverkare av ORC-maskiner marknadsfört sig genom att säga att verkningsgraden i deras maskiner har ökat med massor av procent. Detta är kanske riktigt men dessa, till synes stora förbättringar kan vara betydelselösa med tanke på den stora begränsningen som ligger i den totala värmeenergin man kan använda för att utföra det arbete som krävs för att generera elektricitet.
En Carnotmotor eller värmemotor arbetar enligt Carnot-cykeln. Teorin bakom motorn togs ursprungligen fram av fransmannen Sadi Carnot 1824 och modellen vidareutvecklades senare av Benoît Paul Émile Clapeyron och utreddes matematiskt av Rudolf Clausius. Detta arbete ledde till det grundläggande termodynamiska begreppet entropi.
Trots att ORC-maskiner har relativt låg verkningsgrad är de ofta ett utmärkt alternativ för generering av elektricitet. Med tanke på den stora mängden energi som går att ta ut ur berggrunden genom att bygga större geotermiska anläggningar så får man låga driftskostnader under den långa tid som anläggningen kan producera elektricitet. Stora delar av världen har utmärka geologiska och termiska förutsättningar för att generera elektricitet och detta har också gjorts sedan början av 1900-talet. Eftersom produktionen är utsläppsfri kan geotermiska kraftverk byggas nära förbrukarna och placeras där de behövs.
Carnotcykeln
Carnot-cykeln, består av två isotermiska processer och två adiabatiska processer. Den kan betraktas som den mest effektiva cykeln för en värmemotor som fysikens lagar tillåter. När termodynamikens andra lag säger att inte all tillförd värme i en värmemotor kan användas för att utföra arbete, sätter Carnot-effektiviteten gränsvärdet på den del av värmen som kan användas.
För att kunna närma sig Carnot-effektiviteten måste processerna som är ingår i värmemotorns cykler vara reversibla och inte innebära några förändringar i entropin. Därför är Carnot-cykeln är en idealisering, eftersom inga verkliga motorprocesser är reversibla och alla verkliga fysiska processer innebär en viss ökning av entropin.
En värmemotor verkar genom att överföra energi från ett varmt område till ett kallare område och genom att omvandla en del av den energin till mekaniskt arbete. Tar man exemplet från Chena hot springs där vattnet håller cirka 70℃ och räknar med att vi skulle kunna ta ut energin i vattnet genom att sänka temperaturen till 0℃ skulle den högsta teoretiska effekten ligga kring 20 %. Detta är som sagt vid ett idealt läge och i verkligheten är verkningsgraden betydligt lägre, inte minst för att temperaturen inte går att sänka så mycket.
I anläggningen där bilden ovan är tagen har man ett delta T kring 80 ℃. Med de temperaturer som finns i systemet, cirka 150 ℃ upp ur berget och en returtemperatur på 67℃ är den teoretiska Carnoteffekten 18,9 % medan den verkliga effekten ligger strax över 10 %.
Carnoteffekten räknas ut enligt
((T1– T2)/T1)*100
och är alltså den högsta teoretiska effekten man kan ta ut ur en värmemotor. Temperaturerna anges normalt i Kelvin.