Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικές πηγές

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η αξιοποίηση των γεωθερμικών πεδίων χαμηλής και μέσης ενθαλπίας στην Ελλάδα, και ιδιαίτερα στο νησί της Ικαρίας, με τη χρήση δυαδικών κύκλων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (ORC). Στην περιοχή δεν έχουν διενεργηθεί μέχρι σήμερα μελέτες ώστε να γνωρίζουμε το ακριβές μέγεθος του γεωθερμικού δυναμικού, ωστόσο η ύπαρξη του μας είναι γνωστή από τις επιφανειακές εκδηλώσεις, όπως είναι οι θερμές πηγές στην περιοχή του Αγ. Κήρυκου. Για αυτόν το λόγο και οι θερμοκρασίες που εξετάζονται σε αυτήν την εργασία καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα των πεδίων χαμηλής και μέσης ενθαλπίας. Η παρούσα διπλωματική χωρίζεται σε δύο μέρη, το θεωρητικό (κεφάλαια 1,2 και 3) και στο υπολογιστικό μέρος (κεφάλαια 4,5,6 και 7). Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα βασικά στοιχεία γύρω από τη γεωθερμική ενέργεια καθώς και οι τύποι των συνηθέστερων γεωθερμικών συστημάτων ικανών για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, γίνεται μία σύντομη παρουσίαση των συνηθέστερων συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπως και η κατάσταση της γεωθερμίας μέχρι σήμερα στην Ελλάδα. Τέλος, γίνεται αναφορά στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των γεωθερμικών σταθμών παραγωγής ενέργειας και γίνεται σύγκριση με άλλους τρόπους παραγωγής ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η θερμοδυναμική ανάλυση των δυαδικών σταθμών παραγωγής. Επίσης, γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοσή τους όπως είναι η πίεση ατμοποίησης και η επιλογή του εργαζόμενου μέσου. Τέλος, αναφέρεται ο δυαδικός κύκλους Kalina και οι αρχές λειτουργίας του. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το κόστος των γεωθερμικών προγραμμάτων. Συγκεκριμένα, αναλύεται το κόστος της κύριας επένδυσης σε κόστος εξερεύνησης, κόστος επιβεβαίωσης και κόστος ανάπτυξης του γεωθερμικού πεδίου. Στο κόστος της ανάπτυξης γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στον τρόπο υπολογισμού του κόστους της γεώτρησης καθώς και του συστήματος παραγωγής και συλλογής του ατμού. Τέλος, αναλύεται το κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης (Λ&Σ). Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη της επίδρασης της πίεσης ατμοποίησης στον θερμοδυναμικό κύκλο, καθώς και η επιλογή του εργαζόμενου. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η συμπεριφορά του κύκλου σε μεταβολή της πίεσης ατμοποίησης από τα 20bar έως τα 35bar για εργαζόμενο μέσο R134a. Επίσης, συγκρίνονται τρία διαφορετικά εργαζόμενα μέσα για τέσσερις θερμοκρασίες γεωρευστού και επιλέγεται το καταλληλότερο ανά θερμοκρασία γεωρευστού. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη του συστήματος ψύξης της εγκατάστασης. Συγκεκριμένα, μελετάται η ετήσια διακύμανση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας συναρτήσει της θερμοκρασίας της θάλασσας. Στη συνέχεια γίνεται υπολογισμός της απαιτούμενης επιφάνειας του συμπυκνωτή. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται εκτενής οικονομική ανάλυση των γεωθερμικών προγραμμάτων για όλες τις θερμοκρασίες γεωρευστού και για όλα τα εργαζόμενα μέσα. Επίσης, γίνεται αξιολόγηση των επενδύσεων με τη χρησιμοποίηση τεσσάρων οικονομικών δεικτών όπως είναι αυτοί της Καθαρής Παρούσας Αξίας (NPV), του Εσωτερικού Βαθμού Απόδοσης (IRR), της έντοκης περιόδου αποπληρωμής (DPB) και του Κανονικοποιημένου Κόστους της Παραγόμενης Ενέργειας (LCOE) για δύο χρηματοδοτικά προγράμματα. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται οικονομική ανάλυση ευαισθησίας για δύο παράγοντες που συμβάλλουν στη διαμόρφωση του κόστους ενός γεωθερμικού προγράμματος. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η οικονομική βιωσιμότητα των επενδυτικών προγραμμάτων μεταβάλλοντας το κόστος του συστήματος παραγωγής ενέργειας και συλλογής του ατμού καθώς και της τιμής της γεωθερμικής βαθμίδας, και κατ’ επέκταση του κόστους γεώτρησης του πεδίου. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο αναφέρονται συνοπτικά τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παρούσα διπλωματική εργασία.

This diploma thesis examines the utilization of low and medium enthalpy geothermal resources in Greece, and especially in Ikaria island, using binary power plants (ORC). There has not been conducted any kind of research in order to learn the geothermal potential of this area, however we are aware of this due to the manifestations, such as the thermal springs in the St. Kirykos area. For this reason the temperatures under examination cover a wide range of low and medium enthalpy resources. This thesis is divided into two parts, the theoretical one (chapters 1,2 and 3) and the computational one (chapters 4,5,6 and 7). The first chapter presents some basics around geothermal energy as well as the most common geothermal systems capable for electrical energy production. Furthermore, there is a brief presentation of the most common electrical power production systems in use as well as the status of geothermal power in Greece so far. Finally, there is a reference to environmental impacts of geothermal power plants compared to other ways producing electrical energy. The second chapter presents the thermodynamic analysis of binary power plants. Also, there is a special reference to factors influencing their performance, such as the evaporating pressure of the cycle and the appropriate selection of working fluid. Finally, there is presented the Kalina cycle and its operating principles. The third chapter presents the cost of geothermal power projects. Specifically, the capital cost has been divided to exploration cost, development cost and site development cost. The development cost specifically refers to the calculation of the drilling cost and the power plant and steam gathering system cost. Finally, the Operation & Maintenance cost is being analyzed. The forth chapter presents the study of the influence of the evaporation pressure on the thermodynamic cycle, as well as the appropriate selection of the working fluid. Specifically, there was examined the behavior of the cycle into pressure variation among 20 to 35 bars with R134a as working fluid. Furthermore, three different working fluids were compared for four geothermal temperatures where the appropriate one was selected for each temperature. The fifth chapter presents the study for the cooling system of the power plant. Specifically, the annual variation of the electrical energy as a function of sea temperature was studied. Finally, an estimation of the required surface of the condenser haw been conducted. The sixth chapter presents an extensive economical analysis of geothermal projects for all geothermal temperatures and all working fluids under investigation. Also, four economic indicators, such as Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), Discounted Payback Period (DPB) and Levelized Cost of Energy (LCOE) were used, in order to evaluate the economic viability of the projects for two different funding programs. The seventh chapter presents an economic sensitivity analysis for two factors contribute to the cost of a geothermal project. Specifically, there were examined the economic viability of investment projects by changing the power plant and steam gathering system cost and the geothermal gradient value, and hence the drilling cost. Finally, the eighth chapter summarized the results of this diploma thesis.