Γεωθερμική Ενέργεια

1. ΓΕΝΙΚΑ

Γεωθερμία είναι η αποθηκευμένη στη γη θερμότητα, μέσα στα θερμά ρευστά (νερό και ατμό) και πετρώματα. Θερμά για τις κλιματολογικές συνθήκες της χώρας μας θεωρούνται τα ρευστά ή πετρώματα με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 25οC. Η θερμική ενέργεια που περιέχεται σε αυτά είναι η γεωθερμική ενέργεια.

Οι υψηλές θερμοκρασίες που συναντάμε στα βαθιά στρώματα του πλανήτη μας οφείλονται στη μετάπτωση των ραδιενεργών ισοτόπων των στοιχείων Ουρανίου, Θορίου και Καλίου, καθώς και στο βαρυτικό πεδίο της γης.

Οι ποσότητες θερμότητας που είναι αποθηκευμένες μέσα στη γη είναι τεράστιες. Η χρήση αυτής της ενέργειας όμως  είναι οικονομικά σύμφορη μόνο όπου οι γεωλογικές, υδρολογικές και γεωφυσικές συνθήκες του χώρου επιτρέπουν την ανάπτυξη ενός γεωθερμικού συστήματος. Το γεωθερμικό σύστημα συνίσταται σε υπόγειο νερό το οποίο κυκλοφορεί σε βάθος έως λίγων χιλιομέτρων, και εκεί θερμαίνεται από την επαφή του με θερμά πετρώματα. Καθώς το θερμό νερό είναι λιγότερο πυκνό από το κρύο, τείνει στη συνέχεια να ανέλθει προς την επιφάνεια λόγω άνωσης.

Τα γεωθερμικά συστήματα δημιουργούνται συνήθως σε περιοχές με ενεργή ηφαιστειότητα, όπου η  θερμότητα του πετρώματος αυξάνει στο βάθος πάνω από τα μέση γήινη βαθμίδα (2,5~3οC/100m), γεγονός που επιτρέπει την ανάπτυξη μεγάλων θερμοκρασιών σε μικρά σχετικά βάθη και κάνει οικονομικά συμφέρουσα την εκμετάλλευση της γήινης θερμότητας. Όταν στην περιοχή αυτή υπάρχει ταμιευτήρας νερού με ικανό στεγανό κάλυμμα για την αποφυγή διάχυσης της θερμότητας, αυτός θερμαίνεται και κάνει δυνατή την εκμετάλλευση του γεωθερμικού πεδίου (η περιοχή που φιλοξενεί τα θερμά ρευστά) μέσω της απόληψής του είτε από τις φυσικές θερμές πηγές, είτε – κατά κανόνα – μέσω γεωτρήσεων (Σχήμα 1). Παρά ταύτα, οικονομικά ενδιαφέροντες γεωθερμικοί ταμιευτήρες φιλοξενούνται και σε περιοχές μακριά από πρόσφατη ηφαιστειότητα, σε περιοχές όπου έντονη ενεργή εφελκυστική τεκτονική δημιουργεί, με τη λέπτυνση του φλοιού και τα μεγάλα –βαθιά ρήγματα, ανώμαλες θερμικά συνθήκες και επιτρέπει την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων.

Σε ορισμένες περιοχές, έχει γίνει επίσης προσπάθεια για την εκμετάλλευση της θερμότητας που φιλοξενείται σε θερμά ξηρά πετρώματα, με ζεύγη γεωτρήσεων οι οποίες εισάγουν κρύο νερό από τη μία και αντλούν θερμότερο από την άλλη πλευρά. Τα μέχρι σήμερα αποτελέσματα από αυτές τις προσπάθειες δεν ήταν σύμφορα οικονομικά.

Οι χρήσεις του γεωθερμικού ρευστού διαφοροποιούνται σημαντικά ανάλογα με το ύψος της θερμοκρασίας του, και γι αυτό κατηγοριοποιούνται σε:

– Υψηλής θερμοκρασίας (“υψηλής ενθαλπίας”), με θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 150οC , για παραγωγή ηλεκτρισμού.
– Μέσης θερμοκρασίας (“μέσης ενθαλπίας”), με θερμοκρασίες μεταξύ 100-150οC, και
– Χαμηλής θερμοκρασίας (“χαμηλής ενθαλπίας”), με θερμοκρασία μικρότερη των 100οC, για «άμεσες χρήσεις» (θέρμανση χώρων, ξήρανση προϊόντων κ.α.).

Τα γεωθερμικά ρευστά των θερμών πηγών αξιοποιούνται από την αρχαιότητα σε όλο τον πλανήτη, όμως για λουτροθεραπευτικούς μόνο σκοπούς.

Η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας ξεκινά στη βιομηχανική εποχή στις 4 Ιουλίου του 1904, όταν κινείται με γεωθερμικό ατμό η πρώτη γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, στο Λαρντερέλο της Ιταλίας. Το 1944, η εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύς παραγωγής στο Λαρντερέλο ήταν ήδη 127 MW.

Η ενεργειακή κρίση της δεκαετίας του -70 και η εκρηκτική επιδείνωση των περιβαλλοντικών προβλημάτων, προσανατόλισε την ενεργειακή πολιτική σε παγκόσμιο επίπεδο στην προσπάθεια ανάπτυξης και χρήσης των ανανεώσιμων ήπιων μορφών ενέργειας και από τότε η γεωθερμία αρχίζει να αναπτύσσεται με γοργούς ρυθμούς. Μόνο την προηγούμενη δεκαετία (1990-2000) η εγκατεστημένη ισχύς παραγωγής ηλεκτρισμού με γεωθερμία αυξήθηκε περίπου 45%. Η παρούσα κατάσταση της χρήσης γεωθερμικής ενέργειας στον πλανήτη συνοψίζεται στο Σχήμα 2  και τον Πίνακα 1 που παρατίθενται.

Η γεωθερμική ενέργεια καλύπτει σήμερα μόνο το 0,5% των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη. Με αυτή την έννοια δεν είναι μία σοβαρή πηγή ενέργειας. Μπορεί όμως να γίνει καθοριστικός παράγοντας και μοχλός ανάπτυξης σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο περιοχών που είναι προικισμένες σε θερμά ρευστά. Η Ισλανδία καλύπτει το 50% των ενεργειακών αναγκών της με γεωθερμική ενέργεια.

Ένα χρήσιμο παραπροϊόν των γεωθερμικών ρευστών είναι κατά περιπτώσεις τα άλατα που αυτά περιέχουν. Στο Λαρντερέλο εξάγεται από αυτά βόριο, στην Ιαπωνία καίσιο, στην Καλιφόρνια υδράργυρος και άλλα βασικά μέταλλα.

Χρήσεις της Γεωθερμικής Ενέργειας

Τα κύρια χαρακτηριστικά που καθορίζουν τις δυνατές χρήσεις και την οικονομικότητα των γεωθερμικών ρευστών είναι η θερμοκρασία τους, ο απολήψιμος όγκος και η χημική σύστασή τους. Ο βασικότερος παράγοντας είναι η θερμοκρασία. Η θέση του γεωθερμικού πεδίου είναι επίσης σημαντική, ιδιαίτερα στις άμεσες χρήσεις, καθώς η μεταφορά του θερμού ρευστού σε πολύ μεγάλες αποστάσεις  (δεκάδων χιλιομέτρων) δεν είναι δυνατή.

Στο Σχήμα 3 παρατίθενται οι πιθανές χρήσεις του θερμού ρευστού με βάση την θερμοκρασία του.

Η βασική χρήση των ρευστών μέσης και υψηλής θερμοκρασίας είναι η παραγωγή ηλεκτρισμού. Στα ρευστά υψηλής θερμοκρασίας, ο γεωθερμικός ατμός χρησιμοποιείται στις παραδοσιακού τύπου μονάδες με τον ίδιο τρόπο και τεχνική που εφαρμόζεται για τα ορυκτά καύσιμα και την πυρηνική ενέργεια. Η βασική διαφορά εδώ είναι ότι η πίεση εισόδου του γεωθερμικού ατμού στην τουρμπίνα παραγωγής δεν μπορεί να ρυθμιστεί κατά βούληση, αλλά καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά του ταμιευτήρα. Επίσης, η απόδοση του γεωθερμικού ατμού είναι χαμηλή: Μόνο περίπου 10% της εξαγόμενης από τις γεωτρήσεις θερμικής ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Ως γενική εκτίμηση, απαιτείται η παραγωγή δύο κιλών ατμού το δευτερόλεπτο για την παραγωγή 1 MW ηλεκτρικής ενέργειας.

Για τα ρευστά με θερμοκρασίες από 85 έως 175οC, χρησιμοποιείται ο δυαδικός κύκλος ή κύκλος Rankine με οργανικό ρευστό. Τα δυαδικά συστήματα είναι μικρές αρθρωτές μονάδες που η ισχύς τους δεν ξεπερνά τα 3 MWe. ΤΟ δυαδικός κύκλος απαιτεί μεγαλύτερη επένδυση σε σχέση με τις παραδοσιακού τύπου μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού, έχει όμως σοβαρά περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα, καθώς λειτουργεί ως κλειστό κύκλωμα και τα ρευστά δεν έρχονται σε επαφή με το περιβάλλον αλλά επανεισάγονται άμεσα.

Η θερμική ενέργεια των ρευστών, μετά την παραγωγή ηλεκτρισμού, χρησιμοποιείται κατά κανόνα στη συνέχεια σε παράλληλες άμεσες χρήσεις (αφαλάτωση, θέρμανση χώρων κ.α.), βελτιώνοντας ουσιαστικά την απόδοση του όλου συστήματος.

Η άμεση χρήση των γεωθερμικών ρευστών είναι πολύ πιο αποδοτική. Για θέρμανση χώρων π.χ., θεωρώντας μία αρχική θερμοκρασία νερού 80οC και θερμοκρασία απόρριψης 20οC, η απόδοση είναι 75%.

Κατά κανόνα, δεν είναι δυνατή η άμεση χρήση του ίδιου του γεωθερμικού νερού, λόγω της χημικής του σύστασης. Συνήθως είναι βεβαρημένο σε άλατα και επιβλαβή άλλα στοιχεία. Ρευστά με υψηλή αλατότητα δημιουργούν συνήθως προβλήματα κατακαθήσεων-καθαλατώσεων στο σύστημα άντλησης-παραγωγής, και έχουν αναπτυχθεί ιδιαίτερες τεχνικές για την αντιμετώπισή τους.

Τα γεωθερμικά ρευστά προέρχονται κατά κανόνα από γεωτρήσεις. Το βάθος των γεωτρήσεων για παραγωγή ηλεκτρισμού κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 1500-2500 μέτρων, υπάρχουν όμως και γεωθερμικές γεωτρήσεις βάθους 4 χιλιομέτρων. Το κόστος μιας βαθιάς γεωθερμικής γεώτρησης σε ένα ηφαιστειακό περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας είναι περίπου 1,5 εκατομμύρια € και η κατασκευή της απαιτεί 2-3 μήνες.

Οι γεωτρήσεις για ρευστά χαμηλής θερμοκρασίας είναι συνήθως αρκετά ρηχότερες και πολύ πιο φτηνές στη κατασκευή τους. Συνήθως είναι βάθους λίγων εκατοντάδων μέτρων και σπάνια ξεπερνούν τα 1000 μέτρα βάθος.

Η Κατάσταση στην Ελλάδα...

Ο ελλαδικός χώρος, λόγω της θέσης του σε μία από τις  πιο ενεργές τεκτονικά περιοχές του κόσμου, και λόγω της γεωλογικής του δομής, είναι ιδιαίτερα ευνοημένος από γεωθερμικής πλευράς. Ελπιδοφόρες περιοχές βρίσκονται διάσπαρτες σχεδόν σε όλη την επικράτεια, ενώ βεβαιωμένα γεωθερμικά πεδία καλύπτουν μεγάλο μέρος της (Πίνακας 2).

Η χώρα μας, η Ιταλία και η Ισλανδία είναι τα μόνα ευρωπαϊκά κράτη με γεωθερμικά πεδία υψηλών θερμοκρασιών, κατάλληλα να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Το ηφαιστειακό τόξο του νοτίου Αιγαίου, (Σουσάκι, Αίγινα, Μέθανα, Μήλος, Σαντορίνη, Κως, Νίσυρος) είναι μία μεγάλη θερμικά ανώμαλη περιοχή που δημιουργεί ιδανικές συνθήκες για πεδία υψηλών θερμοκρασιών. Στα γεωθερμικά πεδία της Μήλου και Νισύρου εκτιμάται δυναμικό 200 και 50 MWe αντίστοιχα.

Κατέχουμε, παρά ταύτα τη θλιβερή παγκόσμια πρωτιά, χάρη σε λαθεμένες στρατηγικές και άστοχες ενέργειες του παρελθόντος, να μην εκμεταλλευόμαστε γεωθερμικά πεδία όπως της Μήλου, για «περιβαλλοντικούς λόγους», τη στιγμή που η σημερινή τεχνολογία και τεχνογνωσία μπορεί να επιλύσει πλήρως κάθε πρόβλημα εκμετάλλευσης του γεωθερμικού ρευστού, με ελάχιστες επιπτώσεις στο περιβάλλον, σίγουρα λιγότερες από τις επιπτώσεις της καύσης πετρελαίου των μονάδων ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν στους ίδιους χώρους. Για το λόγο αυτό παραμένουν ανεκμετάλλευτα τα πεδία στη Μήλο και τη Νίσυρο, ενώ δεν έχουν ερευνηθεί μία σειρά άλλες ελπιδοφόρες περιοχές (Κίμωλος, Πολύαιγος, Κως, Γυαλί κ.α.).

Παράλληλα στις ίδιες περιοχές του ηφαιστειακού τόξου και σε νησιά με πολύ αυξημένη τουριστική κίνηση (Σαντορίνη, Κως κ.α.), υπάρχουν αναξιοποίητα αποθέματα γεωθερμικών ρευστών χαμηλής ενθαλπίας. Αποθέματα που θα μπορούσαν να συμβάλουν καθοριστικά στην διεύρυνση και επιμήκυνση της τουριστικής περιόδου (λουτροτουρισμός, θέρμανση πισινών και χώρων) και στα τεράστια προβλήματα ύδρευσής τους (μονάδες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού).

Σε ό,τι αφορά στη γεωθερμία χαμηλής ενθαλπίας, σε προχωρημένο στάδιο έρευνας βρίσκονται η περιοχή Κεντρικής-Ανατολικής Μακεδονίας και εν μέρει η Θράκη. Ήδη σε ορισμένα από τα βεβαιωμένα πεδία (Νιγρίτα, Λαγκαδάς, Νέα Απολλωνία, Σιδηρόκαστρο, Νέα Κεσσάνη) έχει αρχίσει η εκμετάλλευση, κυρίως για θέρμανση θερμοκηπίων (Πίνακας 3). Στις παραπάνω περιοχές εκτιμάται ότι υπάρχουν ακόμη μεγάλα περιθώρια έρευνας και πολύ μεγαλύτερες δυνατότητες αξιοποίησης, ειδικότερα δε στην περιοχή της Θράκης, με πολύ ελπιδοφόρα αναμενόμενα αποτελέσματα.

Υπάρχουν επίσης περιοχές με μεγάλο αγροτο-κτηνοτροφικό κυρίως ενδιαφέρον και δυναμικό που βρίσκονται σε εμβρυακό στάδιο έρευνας. Περιοχές όπως η Θεσσαλία, και η Δυτική Πελοπόννησος, έχουν ελάχιστα ερευνηθεί ενώ οι ενδείξεις για ύπαρξη πεδίων χαμηλής ενθαλπίας είναι θετικές. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης η ευρύτερη περιοχή της πρωτεύουσας.

  Στη σημερινή κρίσιμη καμπή της χώρας και καθοριστική φάση για τις κατευθύνσεις ανάπτυξης της οικονομίας, η ενίσχυση της έρευνας και αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας της χώρας μπορεί να παίξει ουσιαστικό ρόλο στην προώθηση εθνικών και κοινοτικών στόχων. Σε μία Ευρώπη που προγραμματίζει η γεωθερμική ενέργεια να καλύπτει to 2010  1000 MWe και 5000 MWt, η χώρα μας -ιδιαίτερα μάλιστα ευνοημένη, δεν μπορεί να μείνει σε εμβρυακά επίπεδα. Η συμβολή της γεωθερμίας στη σημαντική μείωση της χρήσης πετρελαίου για ηλεκτροπαραγωγή και αφαλάτωση στα νησιά του νοτίου Αιγαίου, για θέρμανση οικισμών και θερμοκηπίων σε ένα μεγάλο μέρος του ελλαδικού χώρου, μπορεί να είναι καθοριστική, με σοβαρά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη αλλά και την ενεργειακή απεξάρτηση της χώρας. Η γεωθερμική ενέργεια πρέπει να θεωρηθεί παράγοντας αποκέντρωσης και περιφερειακής ανάπτυξης μιας και αυτή η ενέργεια δεν μεταφέρεται, απαιτώντας επί τόπου εκμετάλλευση.

Το Γεωθερμικό πεδίο της Νισύρου...

Η ύπαρξη των ατμίδων και των θερμών πηγών, της ενεργής ηφαιστειότητας και  των υδροθερμικών ιστορικών κρατήρων, έθεσαν τη Νίσυρο στους πρώτους στόχους της γεωθερμικής έρευνας του ΙΓΜΕ αρχικά και της ΔΕΗ κατόπιν, στη δεκαετία του -70. Όλες οι ερευνητικές εργασίες έδειξαν την ύπαρξη ενός γεωθερμικού ταμιευτήρα με μεγάλες θερμοκρασίες σε σχετικά μικρό βάθος, και το 1981-1982 πραγματοποιήθηκαν από τη ΔΕΗ δύο βαθιές γεωτρήσεις έρευνας-παραγωγής, μέσα στην καλδέρα της Νισύρου, στην περιοχή Λακκί. Η πρώτη (Ν1 – μέγιστο βάθος 1810μ) συνάντησε μετά το βάθος των 1400 μέτρων ένα υδροθερμικό ταμιευτήρα πολύ υψηλής θερμοκρασίας (> 450 oC), πολύ μεγάλες πιέσεις και ρευστά με πολύ μεγάλη αλατότητα. Το Σεπτέμβρη του 1981 πήραμε μια γεύση από τη δυναμική κατάσταση που βρίσκεται σήμερα το ηφαίστειο της Νισύρου, με την “περιπέτεια” της πρώτης δοκιμής παραγωγής στην γεώτρηση Ν1.  Το γεωθερμικό ρευστό που παράχθηκε σε ελάχιστα λεπτά ξεπέρασε την πίεση των 45 ατμοσφαιρών καταστρέφοντας το πιεσόμετρο, ξεπέρασε το όριο του θερμομέτρου (400°C) και χρειάστηκε να γίνει σε μισή ώρα εισαγωγή 40.000 λίτρων θαλασσινού νερού με πίεση 75 ατμοσφαιρών, για να μπορέσει να ελεγχθεί η κατάσταση. Στις 6 ώρες που η γεώτρηση ήταν σε παραγωγή αποτέθηκαν από το γεωθερμικό ρευστό πάνω από 120 τόνοι θειούχων και χλωριούχων αλάτων. Έτσι η Νίσυρος αποδείχθηκε το δυναμικότερο και με τη μεγαλύτερη θερμοκρασία ερευνημένο γεωθερμικό πεδίο του κόσμου σε περιβάλλον σύγκρουσης πλακών, εξ αιτίας της ύπαρξης μαγματικού θαλάμου πολύ θερμού και σε μικρά βάθη.

Η δεύτερη βαθιά γεώτρηση (Ν2 –μέγιστο βάθος 1543μ) συνάντησε τον υδροθερμικό ταμιευτήρα υψηλής θερμοκρασίας σε μικρότερο βάθος (1000-1400m), και ρευστά και πιέσεις λιγότερο προβληματικές. Κατά τα τεστ παραγωγής της εκτιμήθηκε ότι μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια 2 MWe.

Η αντίδραση των κατοίκων του νησιού στην αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας, που οφείλεται κυρίως σε λαθεμένες ενέργειες και μη ορθή διαχείριση του γεωθερμικού πεδίου της Μήλου από τη ΔΕΗ, οδήγησε στην παύση των εργασιών έρευνας και ανάπτυξης-αξιοποίησης του πεδίου της Νισύρου. Από τα υπάρχοντα στοιχεία εκτιμάται ότι το πεδίο θα μπορούσε να παράγει άνετα περίπου 20 ΜWe.

Πέρα από τα ρευστά υψηλής θερμοκρασίας, τα ρευστά χαμηλής θερμοκρασίας (45-75 βαθμούς, πιθανά και υψηλότερα, ως 95 οC) είναι άφθονα,  παρουσιάζουν ελάχιστα έως καθόλου προβλήματα για τον εντοπισμό, την άντληση, τη χρήση και διάθεσή τους, και μπορούν να καλύψουν μεγάλο εύρος εφαρμογών (αφαλάτωση, ιαματικό τουρισμό, κάθε είδους καλλιεργητική δραστηριότητα, ψύξη-θέρμανση κ.α.). Επίσης τα ρευστά μέσης θερμοκρασίας (120-140 βαθμούς) που υπάρχουν σε ρηχούς σχετικά ταμιευτήρες (<1200 μ.), με πολύ λιγότερα προβλήματα από αυτά της υψηλής θερμοκρασίας, είναι δυνατόν να αξιοποιηθούν για ηλεκτροπαραγωγή με μικρού μεγέθους και όχλησης σταθμούς.