Μελέτη υβριδικών ανανεώσιμων συστημάτων παραγωγής ενέργειας με Γεωθερμία

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη διαφόρων υβριδικών ανανεώσιμων συστημάτων παραγωγής ενέργειας, βασισμένων στη γεωθερμία. Η μελέτη υβριδικών ανανεώσιμων συστημάτων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς είναι γνωστή η παγκόσμια ανησυχία για τις κλιματικές αλλαγές και το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τα συστήματα αυτά προέρχονται από τον υβριδισμό ανανεώσιμων συστημάτων, άρα συμβάλλουν στην προστασία του περιβάλλοντος λόγω μηδενικών εκπομπών ρυπαντών. Στην παρούσα διπλωματική θα μελετηθούν υβριδικά ανανεώσιμα συστήματα παραγωγής ενέργειας, τα οποία βασίζονται στη γεωθερμία, δηλαδή την ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της Γής. Η παρούσα διπλωματική χωρίζεται σε δύο μέρη, το θεωρητικό μέρος (κεφάλαια 1 και 2) και το υπολογιστικό μέρος (κεφάλαια 3 και 4). Στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα βασικά στοιχεία γύρω από τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία αποτελεί τη βασική πηγή ενέργειας των εγκαταστάσεων που μελετάμε. Αναφέρονται τα βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της γεωθερμίας έναντι των άλλων μορφών ενέργειας, οι δυνατότητες χρήσεις της γεωθερμίας (άμεσες και έμμεσες), καθώς και οι κυριότεροι θερμοδυναμικοί κύκλοι ηλεκτροπαραγωγής από γεωθερμική ενέργειας. Τέλος, γίνεται μια αναφορά στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της γεωθερμίας, καθώς επίσης δίνονται και ορισμένα στοιχεία για το μέλλον της γεωθερμικής ενέργειας. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζονται στοιχεία από διάφορες μελέτες που έχουν γίνει πάνω στα υβριδικά συστήματα γεωθερμίας. Παρουσιάζονται μελέτες συνδυασμού γεωθερμικών συστημάτων με συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, καθώς και με ηλιακή ενέργεια. Oι παραπάνω μελέτες αναφέρονται σε γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας. Επίσης, παρουσιάζεται μια μελέτη συνδυασμού ηλιακών συλλεκτών με αντλίες θερμότητας. Τέλος, παρουσιάζονται ενδεικτικά τα βασικά εξελιγμένα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής από γεωθερμία. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη συνδυασμού γεωθερμικής ενέργειας με θερμική ενέργεια προερχόμενη από καύση βιομάζας. Συγκεκριμένα, μελετάται η δυνατότητα παρεμβολής ενός λέβητα ζεστού νερού σε έναν απλό κύκλο ORC, με σκοπό την υπερ-θέρμανση του εργαζόμενου μέσου προ της εισόδου του στον ατμοστρόβιλο. Παρου-σιάζονται οι επιδόσεις της υβριδικής εγκατάστασης, ενώ γίνονται σαφή τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της εγκατάστασης, μέσω ενεργειακής και εξεργειακής ανάλυσης της. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη συνδυασμού γεωθερμικής ενέργειας με ηλιακή ενέργεια. Συγκεκριμένα, μελετάται η δυνατότητα παρεμβολής παραβολικών συλλεκτών σε έναν απλό κύκλο ORC, με σκοπό την υπερθέρμανση του εργαζόμενου μέσου προ της εισόδου του στον ατμοστρόβιλο. Αρχικά, γίνεται διαστασιολόγηση της εγκατάστασης με σκοπό τη μέγιστη δυνατή υπερθέρμανση του εργαζόμενου μέσου την ώρα της μέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι επιδόσεις της εγκατάστασης για την 21η Ιουνίου και την 21η Δεκεμβρίου. H μελέτη πραγματοποιήθηκε για το νησί της Μήλου. Τέλος, γίνεται εξεργειακή ανάλυση της παρούσας εγκατάστασης.

The purpose of this diploma thesis is to study various hybrid renewable energy systems, based on geothermal energy. The study of hybrid renewable energy systems is very interesting due to worldwide concern about climate change and global warming. These systems come from the hybridization of renewable energy systems, thus contributing to environmental protection due to zero emissions of air pollutants. In this diploma thesis will be studied hybrid renewable energy systems, based on geothermal energy, ie energy from the Earth’s interior. This thesis is divided into two parts, the theoretical part (Chapters 1 and 2), and the computational part (Chapters 3 and 4). The 1st Chapter presents some basics around geothermal energy, which is the main source of energy in the power plants studied. There are presented the main advantages and disadvantages of geothermal energy over other forms of energy, the potential uses of geothermal energy (direct and indirect), and the main thermodynamic cycles of power generation. Finally, there is given a report on the environmental impacts of geothermal energy, and there are also given some information about the future of geothermal energy. The 2nd Chapter presents data from several studies done on hybrid geothermal systems. There are presented studies done on combination of geothermal systems with conventional power plants, and solar energy. These studies refer to high enthalpy geothermal fields. There is also presented a study of combining solar collectors with heat pumps. Finally, there are presented the main aspects of advanced geothermal systems for electricity production. The 3rd Chapter presents the study of combination of geothermal energy with heat energy from biomass burning. Specifically, we study the possibility of inserting a hot water boiler in a typical ORC cycle in order to superheat the working fluid before entering the steam turbine. There is also presented the performance of the hybrid plant, and finally, the main advantages and disadvantages of the establishment are made clear through energy and exergy analysis. The 4th Chapter presents the study of combining geothermal energy with solar energy. Specifically, we study the possibility of inserting parabolic collectors in a typical ORC cycle in order to superheat the working fluid before entering the steam turbine. First, the plant sizing is based on the maximization of working fluid’s superheating at the time of maximum solar radiation. Then, there is shown the performance of the hybrid plant on the 21st June and 21st December. The study is done for Milos Island. Finally, an exergy analysis is made on this hybrid plant.