GEOLOGIJA 59/1, 99-114, Ljubljana 2016 http://dx.doi.org/10.5474/geologija.2016.007 © Author(s) 2016. CC Atribution 4.0 License rij • • i •v v • j i ••• i j t ••• Stanje izkoriščanja geotermalne energije in nekateri zanimivi dosežki v geotermalnih raziskavah in razvoju v svetu The state of exploitation of geothermal energy and some interesting achievements in geothermal research and development in the world Dušan RAJVER, Nina RMAN & Andrej LAPANJE Geološki zavod Slovenije, Dimičeva ulica 14, SI-1000 Ljubljana, Slovenija; e-mail: dusan.rajver@geo-zs.si, nina.rman@geo-zs.si, andrej.lapanje@geo-zs.si Prejeto / Received 29. 6. 2016; Sprejeto / Accepted 13. 7. 2016; Objavljeno na spletu / Published online 11. 8. 2016 Ključne besede: geotermalna energija, geotermalna elektrika, neposredna raba geotermalne energije, geotermalne toplotne črpalke, svet, Slovenija, znanstveno-tehnološki dosežki Key words: geothermal energy, geothermal electricity, direct use of geothermal energy, geothermal heat pumps, World, Slovenia, scientific-technological achievements Izvleček Pričujoči pregledni članek prikazuje najnovejše stanje izkoriščanja geotermalne energije v svetu in primerjavo s prejšnjim obdobjem, tako v proizvodnji električne energije kot v različnih kategorijah neposredne rabe. Proizvodnja elektrike iz geotermalnih elektrarn s skoraj 12,8 GWe moči se odvija v 26 državah in je ob koncu leta 2014 dosegla 73.700 GWh. To je še vedno le 0,31 % vse proizvedene elektrike na svetu in pri tem bo zanimivo spremljati bodoči delež. V zadnjem petletnem obdobju je bil razvoj hiter predvsem v državah, kjer je bil le-ta v preteklosti počasnejši in, seveda, z ugodnimi geološkimi (tektonskimi) pogoji (Islandija, Kenija, Nova Zelandija, Turčija itd.). Neposredna raba geotermalne energije zajema bistveno več držav, danes kar 82, čeprav je med njimi nekaj takšnih, kjer se to odvija skoraj zgolj z geotermalnimi toplotnimi črpalkami (GTČ) na energijo plitvega podzemlja (Finska). Inštalirana moč v neposredni rabi znaša 70.885 MWt in izkoriščena geotermalna energija, vključno z GTČ, kar 592.638 TJ/leto (ob koncu 2014). V izkoriščeni energiji prevladuje delež GTČ s kar 55,2 %, sledijo bazenski kompleksi za kopanje in plavanje z balneologijo z 20,2 %, ogrevanje prostorov s 15,0 % (večina za daljinsko ogrevanje), ogrevanje rastlinjakov in tal s 4,9 %, itd. V drugem delu prikazujemo nekaj zanimivih tehnoloških in znanstvenih novosti pri raziskavah in izkoriščanju geotermalne energije. Abstract The article presents the latest status of geothermal energy use worldwide and the comparison with the previous period, both in electricity generation as well as in the various categories of direct use. Electricity production takes place in 26 countries and has at the end of 2014 reached 73,700 GWh from geothermal power plants with nearly 12.8 GW of installed power. This is still only 0.31 % of the total electricity produced in the world and it will be interesting to monitor the future share of geothermal energy in doing so. In the last 5-year period the development was particularly rapid in countries where it was slower in the past and, however, with favorable geological (tectonic) conditions (Iceland, Kenya, New Zealand, Turkey, etc.). Direct use of geothermal energy covers a significant number of countries, today there are 82, although some of them are such where it takes place almost solely by geothermal (ground-source) heat pumps (GHP) on shallow subsurface energy (Finland). Installed capacity in the direct use is 70,885 MWt and geothermal energy used, including the GHP, is 592,638 TJ/year (end of 2014). Within the used energy the share of GHP dominates with 55.2 %, followed by the bathing and swimming pools complexes incl. balneology by 20.2 %, space heating by 15.0 % (the majority of it is district heating), heating of greenhouses and soil with 4.9 %, etc. The second part presents some interesting technological and scientific innovations in exploration and exploitation of geothermal energy. 100 Dušan RAJVER, Nina RMAN & Andrej LAPANJE Uvod Raznolika dejavnost v raziskavah in razvoju potencialnih geotermalnih polj kakor tudi izkoriščanje in tehnologija rabe geotermalne energije se v svetovnih razmerah še nadalje nezadržno širi, kar je pokazal tudi zadnji svetovni geotermalni kongres v Melbournu v aprilu 2015 (WGC, 2015, v guTiERREz-nEGRiN, 2015). To se je videlo tudi po številu sprejetih referatov v primerjavi s prejšnjimi kongresi (sl. 1). 1400 1 346 1995 2000 2005 2010 2015 Leto/Year Sl. 1. Rast svetovnega geotermalnega kongresa v smislu sprejetih referatov (Horne, 2015). Fig. 1. The growth of the World Geothermal Congress in terms of papers accepted (Horne, 2015). Znova se je izkazalo, da so indirektne in površinske metode (geofizika, geokemija in geologija) še naprej zelo pomembne v raziskavah in upravljanju geotermalnih virov. Številni referati o raziskavah kažejo, kako dejavno in zahtevno je iskanje novih virov. Poleg tega še nikoli ni bilo toliko referatov namenjenih raziskavam v zvezi s izboljšanimi geotermalnimi sistemi (angl. Enhanced Geothermal Systems, EGS) kot ravno na tem kongresu. Čeprav so potekali v zadnjem desetletju številni projekti na več celinah, so poglavitne težave, vezane na vrtanje in stimulacijo rezervoarja, upočasnile razvoj te tehnologije. Kot rezultat je danes v poskusnem obratovanju le nekaj demonstracijskih pilotnih elektrarn (v ZDA in Avstraliji), med stalno delujočimi pa sta sedaj edini Soultz-sous-Forets (Renski tektonski jarek) v Franciji, in Habanero v severovzhodnem delu Južne Avstralije, njuna skupna inštalirana moč pa je 2,5 MWe. Proizvodnja električne energije iz geotermalne energije v svetovnem merilu ni ravno vsepovsod prisotna, saj se še vedno večinoma odvija le v državah, ki ležijo na robovih aktivnih tektonskih plošč. Bistveno bolj je razširjena neposredna raba geotermalne energije, namreč v kar 82 državah na vseh petih celinah (od skupno 204 držav sveta). Zanimivo je, da je na vsaki celini razmerje med inštalirano močjo geotermalnih elektrarn in proizvedeno elektriko približno enako. Obe Ameriki in Azija (brez Oceanije) proizvedejo skupaj preko 65 % vse geotermalne elektrike. Glede neposredne rabe pa je znatno padlo razmerje inštalirane kapacitete glede na izkoriščeno energijo za vso Ameriko, saj je tam 27,7 % vse svetovne inštalirane moči in le 16,9 % vse svetovne izkoriščene geotermalne energije v neposredni rabi. To je posledica visokega deleža geotermalnih toplotnih črpalk z nizkim faktorjem izkoristka (razpoložljivosti) za tovrstne enote v ZDA in Kanadi, kar velja sicer tudi v mnogih evropskih državah. Izkoriščanje geotermalne energije v letu 2014 Številke o izkoriščanju geotermalne energije, tako za proizvodnjo električne energije kot za njeno neposredno rabo, prikazujemo v preglednicah 1 do 5 in slikah 2 do 8 šele za leto 2014, saj so Bertani (2016) ter Lund & Boyd (2016) z zbiranjem svetovnih podatkov zaključili, z dopolnitvami vred, že v juniju 2015. Proizvodnja električne energije iz geotermalne energije Električno energijo iz geotermalnih virov proizvajajo v 26 državah, pri tem sta Grčija in Argentina zaprli svoji elektrarni zaradi neznanih okoljskih in ekonomskih razlogov že pred letom 2010. Vendar sta do leta 2020 obe napovedali postavitev novih geotermalnih elektrarn z močjo 40 oziroma 30 MWe. Poleg tega postavitev prvih geotermalnih elektrarn napoveduje še precej drugih držav (Bertani, 2015, 2016; IGA, 2016): Alžirija, Argentina, Armenija, Bolivija, Kanada, Čile, Češka, Djibuti, Dominika, Ekvador, Grčija, Honduras, Hrvaška, Madžarska, Indija, Iran, Latvija, Montserrat, Nizozemska, Nevis, Peru, Poljska, Slovaška, Španija, Švica in Velika Britanija. Predvsem v evropskih državah naj bi šlo skoraj izključno za binarne elektrarne. Parno-prevladujoči vir (suha para) se seveda lahko izkorišča neposredno na turbinah, medtem ko se mora vir vroče vode z znižanjem tlaka bliskovito upariti, da se proizvaja para (za opis tehnologije glej članek Rajver in sod. (2012)). Nizkotemperaturni viri, ki prevladujejo v evropskih geotermalnih sistemih, s temperaturo večinoma pod 150 °C, zahtevajo uporabo sekundarnega fluida z nizkim vreliščem za ustvarjanje pare v binarni ali t.i. ORC (angl. Organic Rankine Cycle) elektrarni. Potem ko para zapusti turbino, se navadno uporablja mokri ali suhi hladilni stolp za kondenzacijo pare, da se do skrajnosti poveča temperaturni padec med prihajajočo in odhajajočo paro ter tako poviša učinkovitost delovanja. Proizvedena elektrika je na svetu porazdeljena glede na tip elektrarn takole (Bertani, 2015): 23 % elektrarne na suho paro, 41 % na enojno uparitev, 19 % na dvojno uparitev, 2 % na trojno uparitev, 12 % na binarni in kombinirani cikel, 2 % na hibridne in 1 % na znižani tlak. Ob koncu leta 2014 je celotna svetovna kapaciteta vseh elektrarn znašala 12.731 MWe, proizvedena električna energija iz njih pa 73.694 GWh. Slika 2 kaže proizvedeno električno energijo iz geotermalne 0 Stanje izkoriščanja geotermalne energije in nekateri zanimivi dosežki v geotermalnih raziskavah in razvoju v svetu 101 c 15 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 Sl. 2. Proizvedena električna energija (GWh) iz geotermalne energije v svetu po državah. Skupno proizvedene elektrike je 73.694 GWh ali 0,31 % svetovne neto proizvodnje (23.536.500 GWh). Podatki so večinoma za leto 2014 (Bertani, 2016). Fig. 2. Produced electricity (GWh) from geothermal energy worldwide per countries. Total energy is 73,694 GWH or 0.31 % of world net production (23,536,500 GWh). Data are mostly for 2014 (Bertani, 2016). ' 0 v ¿p & a0 energije za vseh 26 držav, kot je bilo poročano v letu 2015. Podatke za vodilne države v proizvodnji elektrike iz geotermalne energije kaže tabela 1. Eden od pomembnih vidikov razvoja geotermalnih elektrarn je delež njihovega prispevka v državni in regionalni kapaciteti ter proizvodnji električne energije določenih držav. Kar osem držav in tri regije vodijo v takšnem prispevku z več kot 10 % proizvedene električne energije iz geotermalnih elektrarn (tab. 2). Omenimo lahko, da za celotno Italijo veljata deleža 0,8 % (v kapaciteti) oziroma 1,9 % (v proizvedeni elektriki), denimo za Mehiko le 1,7 % oziroma 2,3 %, in za ZDA le 0,3 % oziroma 0,5 % (samo za Kalifornijo pa 4,4 % proizvedene elektrike). Tabela 1. Vodilne države v proizvodnji elektrike (podatki veljajo večinoma za leto 2014) iz geotermalne energije z vsaj 100 MWe inštalirane moči elektrarn (Bertani, 2015, 2016). Table 1. Leading countries in electricity generation (data mostly for 2014) from geothermal energy with at least 100 MWe of installed capacity (Bertani, 2015, 2016). Država/Country Inštalirana moč/ Installed capacity (MWe) Letna proizvedena energija/Annual electricity produced (GWh) ZDA/USA 3450 16600 Filipini/Philippines 1870 9646 Indonezija/Indonesia 1340 9600 Nova Zelandija/New Zealand 1005 7000 Mehika/Mexico 1058 6071 Italija/Italy 916 5660 Islandija/Iceland 665 5245 Turčija/Turkey 407 3247 Kenija/Kenya 636 2868 Japonska/Japan 520 2687 Kostarika/Costa Rica 207 1511 El Salvador 204 1442 Nikaragva/Nicaragua 159 492 Tabela 2. Delež kapacitete geotermalnih elektrarn v skupni inštalirani moči elektrarn in v proizvodnji električne energije iz geotermalnih elektrarn v izbranih državah in regijah, po poročanju v 2015 (Bertani, 2016). Table 2. Proportion of the capacity of geothermal power plants (PPs) in a total installed capacity of PPs and in the electricity production from geothermal PPs in selected countries and regions, as reported in 2015 (Bertani, 2016). Država ali regija/ Country or Region % državne ali regionalne kapacitete/ % of national or regional capacity (MWe) % državne ali regionalne električne energije (GWh/leto)/ % of national or regional electricity (GWh/yr) El Salvador 13,7 24 Filipini/Philippines 11,4 14 Francija/France*, Guadaloupe 9 9 Indonezija/Indonesia 3,4 4,5 Islandija/Iceland 25,8 29 Italija/Italy*, Toskana/Tuscany 25 33 Kenija/Kenya 27,2 50 Kitajska/China*, Tibet 25 25 Kostarika/Costa Rica 7,4 15 Nikaragva/Nicaragua 13,5 10 Nova Zelandija/New Zealand 10,4 16,2 Papua-Nova Gvineja/ Papua-New Guinea 7,1 13 Portugalska/Portugal*, Azori/Azores 22 22 *Številke veljajo le za omenjene regije v označenih državah. Za Tibet odstotka nista točno znana. / Numbers are only valid for the above mentioned regions in the designated countries. Tibet percents are not exactly known. 16600 9646 9600 102 Dušan RAJVER, Nina RMAN & Andrej LAPANJE Slika 3 kaže precej drzno napoved v dvigu inštalirane kapacitete geotermalnih elektrarn na svetu do leta 2020, ki jo Bertani (2016) temelji na številnih načrtih v državah, ki doslej še niso postavile nobene geotermalne elektrarne ter na številnih zarisanih in po dolgotrajnih raziskavah že ovrednotenih projektih, katere naj bi končno pretvorili v dejanske elektrarne. Ta izziv bo, kot pravi Bertani (2016), sposoben pokazati celotni geotermalni skupnosti jasen znak o možnosti in pripravljenosti geotermalne industrije biti eden od najpomembnejših dejavnikov med obnovljivimi viri energije na bodočem trgu elektrike. Bertani (2016) je prav tako ocenil pričakovane geotermalne cilje za leto 2050: • iz hidrotermalnih virov: 70 GW , oziroma e 7 • skupno 140 GWe (vključno z EGS sistemi in drugimi nekonvencionalnimi viri) Če bi bil dosežen cilj 140 GWe, bi bilo možno proizvajati do 8,3 % skupne svetovne elektrike samo iz geotermalne energije, kar bi pokrilo potrebe 17 % svetovnega prebivalstva. Še več, približno 40 držav, večinoma v Afriki, Srednji in Južni Ameriki ter na pacifiškem območju, bi lahko 100 % pokrilo svoje potrebe po elektriki iz geotermalne energije. Ocenjena kapaciteta 21,4 GWe za leto 2020 (sl. 3) je v skladu z dolgotrajno napovedjo za standardna hidrotermalna polja. Vseeno pa je morda ta napoved preveč optimistična, glede na to, da je Bertani (2010) še pred šestimi leti za leto 2015 napovedal za vse elektrarne na svetu skupno inštalirano moč 18.500 MWe, od katerih pa smo še precej oddaljeni. V letu 2015 so postavili in priključili v omrežje še nekaj sto MWe iz novih elektrarn, tako da je stanje ob koncu 2015 znašalo okrog 13,2 GWe (Sawin et al., 2016). Prav zanimivo bo videti, koliko se bo skupna kapaciteta približala napovedanemu cilju. Omenimo lahko tudi to, da je na Japonskem gradnja novih geotermalnih elektrarn skorajda zastala, japonski proizvajalci turbin in druge opreme za geotermalne elektrarne pa so zelo dejavni drugod po svetu in zasedajo prva tri mesta. Naštejmo pet najpomembnejših proizvajalcev na svetu: Toshiba, Mitsubishi, Fuji (vsi trije Japonska), Ormat (Izrael in ZDA) in Ansaldo-Tosi (Italija). Neposredna raba geotermalnih virov Za svetovni pregled sta Lund & Boyd (2016) zbrala podatke iz 65 držav, ki izkoriščajo geotermalno energijo za neposredno rabo toplote. K temu sta dodala še druge vire informacij iz 17 držav, ki niso poročale za zbornik kongresa WGC 2015. Neposredna raba geotermalne energije se odvija v 82 državah, kar je porast glede na 78 držav, poročanih leta 2010. Nove dežele, ki so tokrat poročale o neposredni geotermalni rabi, so Grenlandija, Madagaskar, Pakistan in Saudska Arabija. Ocenjena inštalirana termična moč za neposredno rabo ob koncu leta 2014 je bila 70.885 MWt, kar je skoraj 46,2 % porast glede na 2010, z rastjo 7,9 % letno in s faktorjem razpoložljivosti 0,265. Izkoriščena toplotna energija v direktni rabi ob koncu leta 2014 je tako znašala 592.638 TJ/leto (164.635 GWh/leto 25.000 i? 20.000 b TO a TO o T3 (U (A C 15.000 ^ 10.000 o E TO C S 5.000 TO > LU O a> § o «B 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 Leto/Year 0 Sl. 3. Inštalirana moč (levo) in proizvedena elektrika (desno) iz geotermalne energije od leta 1950 do 2020 v svetu; podatki za proizvedeno elektriko pred letom 1995 so pomanjkljivi ali neznani (Bertani, 2016). Točke kažejo na leta, ko so bile vrednosti poročane na svetovnih kongresih, dejansko pa veljajo za leto prej (n.pr. za leto 2014 in ne za 2015, za 2009 in ne za 2010, itd.). Fig. 3. Installed capacity (left) and produced electricity (right) from geothermal energy from 1950 up to 2015; data for electricity before 1995 are incomplete or unknown (Bertani, 2016). Points indicate the year when values were reported at the WGC, in fact they are subject to the previous year (e.g. 2014 and not for 2015, 2009 and not 2010, etc.). Stanje izkoriščanja geotermalne energije in nekateri zanimivi dosežki v geotermalnih raziskavah in razvoju v svetu 103 ali 14.155 ktoe/leto), kar je porast za 39,8 % glede na 2010 in z letno rastjo 6,9 % (sl. 4). Delež izkoriščene geotermalne energije v direktni rabi znese le 0,104 % vse proizvedene primarne energije v svetu (13.541 Mtoe v letu 2013; podatki po IEA, 2015). Porazdelitev izkoriščene geotermalne energije po kategorijah rabe kaže tabela 3. Kar 89 % vse izkoriščene energije za ogrevanje prostorov gre za daljinsko ogrevanje. »Ostale rabe« so kategorija, ki zajema različne rabe, katerih podrobnosti so pomanjkljive, vključuje pa gojenje živali in alge spiruline ter izločanje soli. V kategoriji »Taljenje snega in hlajenje (klimatizacija)« prevladuje taljenje snega. Vsa privarčevana energija v letu 2014 znaša 52,8 Kategorija neposredne rabe/ Category of direct use Kapaciteta/ Capacity (MWt) Energija (TJ/leto)/ Utilization (TJ/year) Izkorišč. energija v % / Used energy in % Faktor razpol./ Capacity factor Geotermalne toplotne črpalke/ Geothermal heat pumps* 50258 326848 55,2 0,206 Kopanje & plavanje, vklj. balneologija/ Bathing & swimming, incl. balneology 9143 119611 20,2 0,415 Ogrevanje prostorov, vklj. daljinsko ogrev./Space heating, incl. district heating 7602 88668 15,0 0,370 Rastlinjaki & pokrito gretje tal/ Greenhouse heating 1972 29038 4,9 0,467 Ribogojništvo/ Aquaculture pond heating 696 11953 2,0 0,545 Industrijska procesna toplota/ Industrial uses 614 10454 1,8 0,540 Taljenje snega & hlajenje/ Snow melting & cooling** 360 2596 0,4 0,229 Sušenje v poljedeljstvu/ Agricultural drying 161 2030 0,3 0,400 Ostale rabe/Other uses 79 1440 0,2 0,578 SKUPAJ 70885 592638 100 0,265 Tabela 3. Povzetek različnih kategorij neposredne rabe v svetu v letu 2014 (poročano v 2015), podatki po Lund & Boyd (2016). Table 3. Summary of the various categories of direct use worldwide in 2014 (reported in 2015), according to Lund & Boyd (2016). Opombe / Remarks: *faktor razpoložljivosti za GTČ velja samo v načinu gretja / Capacity factor for GHPs applies only in heating mode. **samo za taljenje snega: 307 MWt in 2.323 TJ/leto/for snow melting only: 307 MWt and 2.323 TJ/yr. 80.000 70.000 5 60.000 as o J 50.000 nj (fl £ 40.000 nj .8 0 30.000 as a. ro nj 20.000 c ro 1 10.000 0 1990 Kapaciteta/Capac Energija/Energy, ity, MWt TJ 700.000 600.000 500.000 400.000 300.000 200.000 o P £ j š? s o ifl m ■z 3 <3 N 100.000 1995 2000 2005 Leto / Year 2010 2015 2020 Sl. 4. Neposredna raba geotermalne energije v obdobju od 1995 do 2015 z inštalirano kapaciteto (levo) in izkoriščeno energijo (desno); po Lund & Boyd (2016). Točke kažejo na leta, ko so bile vrednosti poročane na svetovnih kongresih, v resnici pa veljajo za leto prej (n.pr. za leto 2014 in ne za 2015, za 2009 in ne za 2010, itd.). Fig. 4. Direct use of geothermal energy in the period from 1995 to 2015 with an installed capacity (left) and utilized energy (right); after Lund & Boyd (2016). Points indicate the year when values were reported at the WGC, in fact are subject to the previous year (e.g. 2014 and not for 2015, 2009 and not 2010, etc.). 104 Dušan RAJVER, Nina RMAN & Andrej LAPANJE milijonov ton naftnega ekvivalenta (toe) ali 352 mil. sodčkov nafte, kar je preprečilo izpust v ozračje 46,1 milijonom ton ogljika in 149,1 milijonom ton CO2, to pa zajema tudi privarčevanje za pogon geotermalnih toplotnih črpalk (GTČ) v hladilnem načinu (v primerjavi z rabo pogonskega goriva za proizvodnjo elektrike v ta namen). Neposredna raba geotermalnih virov se primarno odvija za ogrevanje prostorov in hlajenje. Navadno zajema temperature virov pod 150 °C. Glavna prednost takega izkoriščanja v nizko do srednjetemperaturnem razponu je, da so ti viri bolj razširjeni in obstajajo v vsaj 82 državah v ekonomsko dosegljivih globinah. Tipična oprema vsebuje: črpalke v vrtini in obtočne črpalke, toplotne izmenjevalce, cevovode za prenos in porazdelitev termalne vode, opremo za odvzem toplote, vršne in pomožne energetske obrate (običajno na fosilna goriva) za znižanje izrabe geotermalnega fluida in znižanje števila potrebnih vrtin, ter sisteme za odstranitev izrabljenega fluida (reinjekcijske vrtine). Omenjeni faktor razpoložljivosti 0,265, kar ustreza 2321 uram polne obremenitve letno, je nižji od poročanih faktorjev v letu 2010 (0,28), v letu 2005 (0,31) in v letu 2000 (0,40). Nižji faktor in nekoliko nižja stopnja rasti za letno neposredno rabo geotermalne energije sta posledica številčnega porasta inštalacij geotermalnih toplotnih črpalk, ki kažejo nizek faktor razpoložljivosti, in ta je sedaj 0,21 v svetovnem poprečju. Pet držav z največjo inštalirano močjo (MWt) v neposredni rabi, vključno z GTČ, so: Kitajska, ZDA, Švedska, Turčija in Nemčija, ki predstavljajo 65,8 % svetovnih zmogljivosti. Pet držav z najvišjo letno izkoriščeno energijo (TJ / leto) v neposredni rabi, vključno z GTČ, so: Kitajska, ZDA, Švedska, Turčija in Islandija, ki zajemajo 63,2 % svetovne rabe. Seveda pa pregled podatkov glede površine ali prebivalstva držav pokaže, da prevladujejo manjše (in bogatejše) države, zlasti skandinavske. V "top pet" se potem za inštalirano moč (MWt / prebivalstvo) uvrščajo: Islandija, Švedska, Finska, Norveška in Švica; in glede letne rabe energije (TJ / leto / prebivalstvo): Islandija, Švedska, Finska, Nova Zelandija, Norveška (Lund & Boyd, 2016). Druga znatna sprememba od leta 2010 je velik porast enot geotermalnih toplotnih črpalk (GTČ) na vir toplote tal oz. plitvega podzemlja. Rastoče zavedanje in priljubljenost GTČ imata najbolj značilen vpliv na neposredno rabo geotermalne energije. Letna izkoriščena energija z enotami GTČ se je povišala 1,63-krat, inštalirana moč pa 1,52-krat glede na 2010 (sl. 5). Kategorija GTČ tvori največji delež v skupni inštalirani kapaciteti neposredne rabe (70,90 %) in v skupni letni izkoriščeni energiji (55,15 %). Skupno ekvivalentno število 12-kW postavljenih enot toplotnih črpalk (kar je tipična nazivna moč v ZDA in večjem delu Evrope) je okrog 4.190.000 v 48 državah, največ v ZDA, Kanadi, Evropi in na Kitajskem. To je 52 % porast glede na število (U TS 350.000 300.000 2 250.000 ra ra t- 500 ppm Au in > 700 ppm Ag, toda manjše zaloge kovin (< 10.000 unč Au) in zelo visoka vrednost ohranitve izloča te lokacije kot potencialne vire. Vzorčenje proizvodnih vrtin je pokazalo, da imajo globoke rezervoarske vode koncentracije Au od < 0,1 do > 20 ppb in koncentracije Ag od < 2 do > 2000 ppb. Omejeni podatki kažejo, da bi pri skromnih koncentracijah proizvodne vrtine lahko proizvedle letno 0,3 do 3,0 kg Au, vrtine na območju Rotokawe pa celo 19-70 kg Au/leto. Pri skromnih koncentracijah Ag bi proizvodne vrtine lahko letno proizvedle 3-100 kg Ag, vrtine v krajih Mokai in Rotokawa pa kar 680-7500 kg Ag/leto. Skupne količine vodnega zlata in srebra v geotermalnih rezervoarjih bi lahko bile reda velikosti 10.000 unč Au in več 100 tisoč unč Ag ali celo več. Potrebne so nove tehnologije za pridobivanje plemenitih kovin iz fluidnega pretoka v proizvodnih vrtinah brez poseganja v proizvodnjo geotermalne energije, da bi bila neprestana ekstrakcija kovin izvedljiva. Druga možnost je, da pustimo, da se plemenite kovine kopičijo v dvofaznih cevovodih, in jih nato poberemo v intervalih, ki ustrezajo delovanju parnega geotermalnega polja (Broadlands-Ohaaki) in ki so optimalni z vidika dobičkonosnosti. 112 Dušan RAJVER, Nina RMAN & Andrej LAPANJE Vrtanje najbolj vroče geotermalne vrtine na svetu v Italiji Raziskovalci in tehnologi iz vse Evrope so združili moči v sledenju skupnega cilja, da postane potencialno najbolj energetsko bogata vrtina na svetu realnost. Globoka vrtina se bo vrtala v Larderellu v Toskani (Italija), za projekt pa je namenjenih 15,6 milijona € raziskovalnih sredstev (Iga News, 2016, 102, str. 23). Projekt DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Super-CRitical AMBients of continental Europe) vodi globalni proizvajalec zelene energije Enel Green Power. Cilj je izvleči največ možne energije iz vrtine. Izjemna vročina globoko pod Toskano pomeni, da bodo tako pritiski kot temperature tik na tisti meji, čemur so tudi inovativne tehnologije trenutno kos. Do sedaj so v tako ekstremnih pogojih temperature in tlaka uspeli delno nadzorovati vrtino le na Islandiji v vrtini IDDP- 1. Nekaj posebnega se zgodi, ko temperatura doseže 374 °C, tlak pa je 218-kratni zračni tlak na površini. Naletimo na tisto, čemur pravimo superkritična voda. Ni ne tekočina in niti ne para. Pojavlja se v fizikalni obliki, ki vključuje obe fazi, kar pomeni, da privzame povsem nove lastnosti. Superkritični fluid se obnaša kot močna kislina, saj bo uničil karkoli, vključno elektroniko in vrtalno opremo. Ima pa tudi svoje prednosti. Ob uspešno izvedeni vrtini je lahko proizvodnja energije iz nje celo desetkrat višja kot pa voda in para dosežeta iz standardne geotermalne vrtine. Prav tako se lažje pretaka skozi razpoke in pore kamnin. Lahko prenaša v raztopini dragocene minerale na površje. Operacija vrtanja zahteva visoko napredne tehnične priprave. Zaradi tega bo glavni tehnološki preboj najprej modeliran v posebej izdelanem simulatorju. To je SINTEF Petroleum Research že razvil za vrtanja za nafto in plin v napravi, podobni letalskemu simulatorju. Simulator bo podal vse razpoložljive podatke o načrtovani vrtini in njeni lokaciji. Superkritični fluid mora biti pod nadzorom. Za čimbolj natančno napoved, kako se bo ta tekočina obnašala tako v globini v vrtini kot na njeni poti proti površju, se mora celoten proces modelirati v simulatorju toka. Simulator toka "LedaFlow" omogoča analizo bolj podrobnih in kompleksnih scenarijev toka, ki vključujejo t.i. večfazni prenos, kjer se nafta, plin in voda vsi pretakajo po istem cevovodu. Medtem ko se nadaljuje delo na modeliranju in simulaciji naprednih operacij vrtanja, se še ena raziskovalna skupina spoprijema z drugačnimi težavami. Razvili bodo specialno sondo in jo spustili v vrtino, da izmerijo, kako dobro se vrtina obnaša in če zdrži temperature do 450°C in zelo visoke tlake. V ta namen razvijajo po meri zasnovano visoko temperaturno elektroniko, zaprto v neke vrste termos flaško, imenovano tudi Dewar flaška. Posoda mora biti dobro izolirana za zaščito merilnega instrumenta v njeni notranjosti v razmerah meritev v vrtini v trajanju nekaj ur pri temperaturah 250 do 450 °C. Takrat jeklo postaja krhko, plastika in elektronika pa odpovesta ali pa se pričneta taliti. Običajno elektronika deluje le kratek čas pri temperaturah nad 200 °C. Sedaj delajo s proizvajalci na izdelavi baterij, varnih za uporabo pri teh temperaturah. Projekt se je začel v Pisi sredi maja 2016, vrtanje se bo predvidoma pričelo v jeseni 2016. Tabela 6. Porazdelitev neposredne rabe geotermalne energije po celinah; po Lund & Boyd (2016). Table 6. The distribution of the direct use of geothermal energy by continent; after Lund & Boyd (2016). Celine/Continents Število držav/ # Countries %MWt %TJ/ leto-year Afrika/Africa 8 0,2 0,4 Ameriki/Americas 16 27,7 16,9 Azija/Asia 18 35,8 43,9 Evropa*/Europe* 37 35,6 37,3 Oceanija/Oceania 3 0,7 1,5 *Vključuje CIS države (Armenija, Belorusija, Gruzija, Rusija in Ukrajina)/Includes CIS countries (Armenia, Belarus, Georgia, Russia and Ukraine). Zaključni komentarji Geotermalna energija lahko kot povsod prisotna trajnostna in obnovljiva energija nadomešča druge oblike energijske rabe, posebej fosilna goriva, ki so ekološko gledano najbolj problematična, a prispevajo v svetovni preskrbi s primarno energijo več kot 80 %. Nekaj držav izstopa kot glavne koristnice geotermalnih fluidov za neposredno rabo (Kitajska, ZDA, Japonska, Islandija in Nemčija), seveda pa je bil razvoj v večini držav počasen. To ni presenetljivo, saj so geotermalni energiji glavni tekmec razmeroma poceni fosilna goriva, začetni stroški geotermalnih projektov pa so visoki. V mnogih državah so vseeno izvajali potrebne temeljne raziskave, izvedli inventure in ovrednotili svoje vire kot pripravo na razvoj, ko bo gospodarska situacija boljša in bodo vlade in privatni investitorji videli koristi v razvoju domačega obnovljivega energetskega vira. Porazdelitev neposredne rabe geotermalne Stanje izkoriščanja geotermalne energije in nekateri zanimivi dosežki v geotermalnih raziskavah in razvoju v svetu 113 Tabela 7. Znatni doprinosi neposredne rabe geotermalne energije k državnemu gospodarstvu; po Lund & Boyd (2016). Table 7. Significant contributions of direct-use geothermal energy to a country's economy; after Lund & Boyd (2016). Islandija/Iceland 90 % stavbnega prostora je ogrevano / 90 % of building space heating Japonska/Japan 2000 onsenov, 5000 javnih kopališč, 1500 hotelov s 15 mil. turistov letno / 2000 onsens, 5000 public baths, 1500 hotels serving 15 million guests / year Švedska/Sweden 20 % stavb je ogrevano s sistemi GTČ / 20 % of building heated using GHPs Švica/Switzerland 90.000 inštaliranih enot GTČ (ca 3 enote/km2) / 90,000 geothermal heat pumps installed («3 units/km2) Tunizija/Tunisia 244 ha ogrevanih rastlinjakov / 244 ha of greenhouses heated rurčija/Turkey 90.000 stanovanj je ogrevano v 16 mestih - blizu 30 % vseh stanov. enot / 90,000 apartment residences heated in 16 cities-approaching 30 % of the total units ZDA/USA 1,4 milijona enot GTČ (7 % letna rast) / 1.4 million geothermal heat pumps (7.0 % annual growth) energije po celinah sveta je v tabeli 6. Vodilni celini sta Azija in Evropa z 18 oziroma 37 državami, ki izkoriščajo geotermalno energijo v direktnih aplikacijah. Poleg visokotemperaturnih se uporabljajo tudi nizko do srednjetemperaturni geotermalni viri v kombiniranih toplotnih-električnih obratih (angl. combined heat and power plant, CHP) za soproizvodnjo toplote in elektrike, kjer vroče vode, pogosto s temperaturami pod 100 °C, sprva peljejo skozi binarno ORC (Organic Rankine Cycle) elektrarno, nato za kaskadno ogrevanje prostorov, bazene, rastlinjake in/ali ribogojstvo, preden se jih vrača nazaj v vodonosnik. CHP projekti zagotovo povečajo izkoriščenost vira in izboljšajo ekonomiko projekta, kot se je pokazalo na Islandiji, v Avstriji in Nemčiji, kakor tudi na oregonskem tehnološkem inštitutu (Klamath Falls, ZDA). V 42 državah sveta je bilo v zadnjih petih letih (2010 - 2014) izdelanih skupno 2218 novih vrtin, tako za namen neposredne rabe (38,7 %) kot proizvodnjo elektrike (48,8 %), in to v skupni globini 9.534,5 km, kot navajata Lund & Boyd (2015, 2016). To nam poda poprečno globino 4,3 km/vrtino, ki je 4-krat večja globina, kot je bila v obdobju 2005 - 2009. Tu niso zajete številne plitve vrtine za toplotne črpalke. Države, v katerih so izdelali za več kot 100 km vrtin, so: Madžarska, Kitajska, Kenija, Turčija, ZDA, Mehika, Filipini in Nova Zelandija. Največ vrtin po globinskih kilometrih je bilo izdelanih v Aziji (48,4 % in 1074 vrtin). Nadalje je bilo v 52 državah razporejeno 34.000 človek-leto dela v geotermiji in v geotermalne projekte v 49 državah je bilo vloženih 20 milijard US dolarjev, največ v Aziji (44 %). Glede prispevka geotermalne neposredne rabe k nacionalnemu energetskemu proračunu izstopa nekaj držav, vsaka s svojimi posebnostmi (tabela 7). Večina porasta te rabe se zelo jasno pripisuje geotermalnim toplotnim črpalkam. Razvoj bo v bodoče vseboval večji poudarek na obratih (elektrarnah) za kombinirano toploto in elektriko, posebno na tistih, ki bodo uporabljale nižjetemperaturne fluide do 100 °C. Največji porast bo zajemala inštalacija in uporaba GTČ, ker se le-te lahko uporabljajo kjerkoli v svetu, kot se je pokazalo v Švici, Skandinaviji, Avstriji, Nemčiji, na Madžarskem, v Kanadi, ZDA in še kje. Sedanja nizka cena fosilnih goriv, predvsem nafte, zavira razvoj rabe geotermalne energije v nekaterih državah, vendar je pričakovati, da to ne bo dolgo trajalo, in bo geotermalna energija v naslednjih desetletjih postajala konkurenčna fosilnim gorivom. Prav tako so zelo pomembne okoljske koristi z njeno rabo, zato je pričakovati boljše razumevanje in sprejemljivost te vrste obnovljivega vira energije kakor tudi ostalih tovrstnih virov. Zato je pomembno širiti poznavanje o koristnosti rabe geotermalne energije, njene različne možne uporabe in okoljske koristi, ki iz nje izhajajo. V Sloveniji skoraj vse kategorije rabe geotermalne energije iz termalne vode kažejo v zadnjih petih letih stagnacijo v izkoriščanju te energije, izjema je ogrevanje rastlinjakov. Stalno rast beleži seveda tudi izkoriščanje plitve geotermalne energije s sistemi GTČ. Literatura Bertani, R. 2010: Geothermal power generation in the World, 2005-2010 Update Report. Proceedings, World Geothermal Congress 2010, Nusa Dua, Bali, Indonesia, IGA: 41 p. Bertani, R. 2015: Geothermal power generation in the World, 2010-2015 Update Report. Proceedings, World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, IGA: 19 p. Bertani, R. 2016: Geothermal power generation in the world 2010-2015 update report. Geothermics, 60: 31-43. http://dx.doi. org/10.1016/j.geothermics.2015.11.003 Fisher, A.T., Mankoff, K.D., Tulaczyk, S.M., Tyler, S.W., Foley, N., & the Wissard Science Team 2015: High geothermal heat flux measured below the West Antarctic Ice Sheet. Sci. Adv., 1: 1-9, doi:10.1126/sciadv.1500093. Fridleifsson, G.O., Elders, W.A. & Albertsson, A. 2014: The concept of the Iceland deep drilling project. Geothermics, 49: 2-8, doi:10.1016/j. geothermics.2013.03.004. 114 Dušan RAJVER, Nina RMAN & Andrej LAPANJE Fridleifsson, G.O., PAlsson, B., Albertsson, A.L., Stefansson, B., Gunnlaugsson, E., Ketilsson, J. & Gislason, G. 2015: IDDP-1 drilled into magma - world's first magma-EGS system created. Proceedings, World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, IGA: 12 p. GuTiERREz-NEGRiN, L.C.A. 2015: The World Geothermal Congress 2015. IGA's Melbourne Declaration. IGA News,100: 2-5. Hauksson, T. & Markusson, S.H. 2013: Silica in superheated steam of the IDDP-1 exploratory geothermal well in Krafla. Experimental study. IDDP-1 Flow test 2010-2012. Landsvirkjun LV-2013-050: 299-332. Horne, R.N. 2015: Introduction to the World Geothermal Congress 2015 Technical Program. Proceedings, World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, IGA: 15 p. Iea, 2015: Key World Energy Statistics. OECD/ International Energy Agency, 80 p. Iga News 2015: Newsletter of the International Geothermal Association, 101: 32 p. Iga News 2016: Newsletter of the International Geothermal Association, 102: 34 p. Lund, J. W. & Boyd, T. L. 2015: Direct utilization of geothermal energy 2015 Worldwide review. Proceedings, World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, IGA: 31 p. Lund, J. W. & Boyd, T. L. 2016: Direct utilization of geothermal energy 2015 Worldwide review. Geothermics, 60: 66-93, doi:10.1016/j. geothermics.2015.11.004. Markusson, S.H. & Hauksson, T. 2015: Utilization of the hottest well in the world, IDDP-1 in Krafla. Proceedings, World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, IGA: 6 p. Milles, u., 2015: Electric impulses fragment hard rock. New process uses high-voltage impulses for deep geothermal drilling. BINE Information Service, BINE Projektinfo 13/2015, FIZ Karlsruhe, 5 p. Rajver, D., Lapanje, A. & Rman, N. 2012: Možnosti proizvodnje elektrike iz geotermalne energije v Sloveniji v naslednjem desetletju = Possibilities for electricity production from geothermal energy in Slovenia in the next decade. Geologija, 55/1: 117-140, doi:10.5474/ geologija.2012.009. Rajver, D., Rman, N., Lapanje, A. & Prestor, J. 2016: Geothermal energy use, Country update for Slovenia. Proceedings, European Geothermal Congress 2016, Strasbourg, France, EGEC: 18 p. Sawin, J.L. (lead author & content editor) et al., 2016: Renewables 2016 Global Status report. Key Findings 2016, REN21 secretariat, Paris: 32 p. Simmons, S.F., Brown, K.L., Browne, P.R.L. & Rowland, J.V. 2016: Gold and silver resources in Taupo Volcanic Zone geothermal systems. Geothermics, 59: 205-214. doi:10.1016/j. geothermics.2015.07.009 Internetni viri (dostopni 12.7.2016): Internet 1: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/ar-ticle-3173966/Forget-drills-Shell-wants-use-GUNS-Firm-backs-plans-fire-giant-bullets-ground-reach-geothermal-energy. html#ixzz3hD8ZAXiw Internet 2: http://www.bine.info/fileadmin/content/Presse/ Projektinfos_2 015/PM_13_2 015/Projek-tInfo_1315_engl_internet.pdf Internet 3: http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp7cn-tn_id=138450&org=NSF&from=news Internet 4: http://newsroom.niu.edu/2014/10/29/exploring-t-he-unseen-west-antarctic-coastline/