Jarðvarmavirkjun

Jarðvarmavirkjun eða jarðgufuvirkjun er gufuaflsvirkjun sem nýtir jarðhita frá háhitasvæði til raforkuframleiðslu og hitunar á neysluvatni.

Alls eru framleidd 10.715 MW af rafmagni í 24 löndum í heiminum með jarðvarmavirkjunum. Mesta orku framleiða Bandaríkin, Venesúela og Filippseyjar.

Á íslandi eru framleidd 575 MW í uppsettu rafafli í átta jarðvarmavirkjunum sem framleiða um 30% af raforku landsins. Frumorkunýtni flestra íslenskra jarðvarmavirkjana liggur á bilinu 10-15%. Þar sem hámarks fræðileg frumorkunýtni háhitavökva til raforkuvinnslu liggur á bilinu 30-40% er íðorkunýtnin hinsvegar mun hærri, um 50% fyrir nýjar jarðvarmavirkjanir.

Umhverfisáhrif.

Virkjun jarðvarma er flokkuð sem endurnýjanleg orka vegna þess að varmatap jarðar er hverfandi lítið miðað við hve varmainnihald jarðar er mikið. Jarðvarmi er eina tegundin af endurnýjanlegri orku sem ekki er uppsprottin frá sólinni heldur frá jörðinni.

Þegar boruð er hola á háhitasvæði eru margir þættir sem geta mengað. Þessi mengun er mjög mismunandi eftir eðli bergsins og staðsetningu holunnar. Hávaði er mikill frá borholu sem er að blása, en þegar hún er tekin í notkun í virkjun minnkar hávaðinn verulega og er ekki meiri en í öðrum tegundum af virkjunum. Losun á CO2 er vandamál í jarðvarmavirkjunum en hún er allt að hundraðfalt minni en gasaflstöðvar eða kolaorkuvers. Á Íslandi er losun koldíoxíðs á hverja kílóvattsstund 19 sinnum minni en frá venjulegu kolaorkuveri. Unnin hefur verið mikil bragarbót á þessu síðustu ár. Heildarlosun brennisteinsvetnis á Íslandi minnkaði um 9% milli áranna 2008 og 2009 og var 168.293 tonn árið 2009. Eggjalyktin svokallaða á hverasvæðum er þyrnir í augum margra en hún stafar af brennisteinsvetni H2S. í dag eru aðferðir til að koma í veg fyrir mengun af völdum brennisteinsvetnis. Þær eru dýrar en eru samt nauðsynlegar. Brennisteinsvetni veldur meðal annars súru regni, hefur slæm áhrif á gróður og getur haft áhrif á heilsu fólks og mannvirki. Brennisteinsvetni er eðlisþyngra en andrúmsloft og getur því safnast fyrir í lægðum. Þess vegna þarf að fylgjast vel með losun á brennisteinsvetni. Árið 2009 var heildarlosun brennisteinsvetnis á Íslandi 28.069 tonn en minnkaði um 10% frá árinu 2008. Vatnið sem kemur upp úr holunni er mengað af þungmálmum, söltum og ýmsum jónum sem innihalda kísil (Si), kalín (K), og fleiri efnum sem fara eftir eðli bergsins. Vatnið með þessum efnum eru dæld niður í jarðhitakerfið aftur og eru þess vegna lítið vandamál. Landnýting jarðvarmavirkjana er lítil miðað við t.d vatnsaflsvirkjanir. Nokkur slys hafa gerst þar sem eitraðar gufur hafa farið út í andrúmsloftið en þau atvik eru fá.

Upphaf raforkuframleiðslu með jarðhita.

Í Larderello á Ítalíu var fyrsta jarðvarmavirkjunin í heiminum sett upp 1904 þar sem gufuvél var tengd við rafal. Seinna var sett upp stærri virkjun sem framleiddi 250 kW. Í dag er afl virkjunarinnar um 700 MW og það stendur til að stækka hana í 1200 MW.

Raforkuframleiðsla með jarðgufu.

Þegar hola er boruð á háhitasvæði gýs upp gufa af miklu afli. Í henni er mikil varmaorka. Gufuþrýstingur úr borholum er mismikill, eftir því hve djúpt er borað.

Til eru nokkrar gerðir af jarðvarmavirkjunum eftir aðstæðum og eðli jarðhitans á hverjum stað.

Þurrgufuvirkjun.

Þurrgufuvirkjun er elsta hönnunin á gufuaflsvirkjun. Hún tekur gufu beint úr háhitaborholu til hverfla. Eins og nafnið gefur til kynna er um að ræða gufu með litlu vatnsinnihaldi sem er 180-225°C og 4-8 MPa sem kemur upp á miklum hraða fer í gegnum hverfil sem snýr rafal. Eftir að gufan fer í gegnum túrbínuna er hún gjarnan þéttuð og kæld og vatnið leitt aftur til baka til að mynda undirþrýsting. Þannig má auka afköst virkjunarinnar. Þurrgufuvirkjun skilar litlum afköstum miðað við nýrri gerðir af jarðvarmavirkjunum. Þær skila líka litlu vatni aftur ofan í niðurrennslisholur miðað við virkjanir með gufuskiljum.

Eins þreps gufuvirkjun.

Þessar virkjanir taka vatn úr borholum í gufuskiljur og þaðan fer gufan í hverfilinn. Af þessum sökum er gufan kaldari (155-165°C) og gefur minni þrýsting(0,5-0,6 MPa). Aftur á móti er minna af tærandi efnum í gufunni sem skilst frá en í vatninu sem kemur úr borholunni. Eins þreps virkjun er eins og tveggja þrepa virkjunin nema lágþrýstiþrepinu og hverflum í seinna þrepinu er sleppt. Leiftur þurrgufuvirkjun er nýrri gerð eins þreps virkjanna. þar er háþrýstivatn úr borholu er dregið í gegnum skilju að tanki með lægri þrýsting og gufan sem skilst (flash steam) er notuð til að knýja hverfla virkjunarinnar. vatnið sem notað er í þessa gerð verður að vera að minnsta kosti 180°C og er yfirleitt heitara. Þessi gerð er sú algengasta sem er í notkun í dag.

Tveggja þrepa gufuvirkjun.

Í hefðbundinni tveggja þrepa jarðvarmavirkjun er gufan er leidd frá einni eða fleiri borholum að háþrýstiskiljum þar sem vatn og óhreinindi eru skilin frá en hrein gufa með hærri þrýstingi er leidd inn á háþrýstiþrep hverfils. Vatnið sem skilst frá er leitt að lágþrýstiskiljum þar sem það er skilið frá lágþrýstigufu. Lágþrýstigufan er síðan leidd við lægri þrýsting inn í lágþrýstiþrep hverfilsins eða á sérstakan lágþrýstihverfil. Há og lágþrýstigufan sameinast síðan á leið sinni í gegn um hverfilinn. Hverfilhjólið snýr rafalanum sem framleiðir rafmagnið. Úr hverflinum fer gufan í eimsvala þar sem köldu vatni, sem tekið er úr þró undir kæliturni, er sprautað yfir hana svo að hún þéttist. Við það myndast undirþrýstingur í eimsvalanum og hann eykur þrýstifallið fyrir vélina og stóreykur afköst hennar. Við þetta fellur vatnið til botns í eimsvalanum og hitnar. Til þess að ná hitanum úr vatninu er því dælt út í kæliturn þar sem það er látið kólna. Á sama tíma er loft sogað inn með viftum til kælingar. Vatnið fellur síðan til botns niður í þróna þar sem hringrásin endurtekur sig því að vatninu úr kæliturninum og gufuskiljunum er dælt aftur í niðurrennslisholu.

Tvívökva gufuaflsvirkjun.

Nýjasta gerð virkjana er tvívökva virkjun. Þar er hitinn úr borholunni látinn hita upp annan vökva í varmaskipti sem hefur lægra suðumark en vatn. Þannig er hægt að nýta allt niður í 57°C heitt vatn til að hita vökvann að gufu sem knýr hverfla virkjunarinnar.

Aðrar gerðir.

Nýstárleg aðferð við að nýta jarðhita er nýting á þurrheitu bergi sem er einskonar manngert jarðhitakerfi. Þá eru boraðar tvær holur í hæfilegri fjarlægð hvor frá annarri. Í aðra holuna er dælt niður vatni og úr hinni kemur vatn sem er hitað upp af hitanum í berginu. Þar sem vatni er dælt niður í borholu í þurrum og heitum berglögum, yfirleitt graníti, þarf að búa til sprungur til að fá lekt í berginu. Þetta er mjög kostnaðarsamt og er enn á tilraunastigi.

Tenglar.

Jarðvarmavirkjanir á Íslandi