Hveravirkjun

Hveravirkjanir oft nefndar jarðhitavirkjanir eru virkjanir sem sem nýta jarðhita á háhitasvæði til raforkuframleiðslu. Slíkar virkjanir geta verið af nokkrum ólíkum gerðum.

Ísland er á flekaskilum

Háhitasvæði eru svæði þar sem hiti á 1 km dýpi er yfir 200°C en lághitasvæði þau svæði þar sem hámarkshiti er undir 150°C á sama dýpi.

Jarðhitasvæðum er skipt eftir hámarkshitastigi í efsta lagi jarðskorpu en það er gjarnan metið með mælingu á hitastigli svæðisins. Háhitasvæði eru iðulega að finna á virkum gos- og rekbeltum, ýmist á flekamótum eða flekaskilum. Þar er jarðskorpan heitust og fer kólnandi eftir því sem fjær dregur og jarðlögin jafnframt eldri. Ummerki um háhitasvæði á yfirborði jarðar eru brennisteinshverir, gufuhverir, leirhverir og vatnshverir.

Uppruni orkunnar

Hitastig í miðju jarðar í kjarna hennar er um 7000°C. Uppruni þessa hita er tvíþættur. Sú orka sem átti þátt í myndun jarðarinnar fyrir 4600 milljónum ára umbreyttist í varma. Hins vegar myndast varmi í möttli og jarðskorpu vegna klofnunar geislavirkra samsæta á borð við þóríum ²³²Th, úraníum ²³⁸U og kalíum ⁴⁰K0 og berst hann til yfirborðsins með varmaburði og varmaleiðni.

Saga jarðhitanýtingar

Talið er að maðurinn hafi öldum saman nýtt sér jarðhita til að mæta ýmsum þörfum. Þar má nefna notkun til baða, þvotta, matseldar og iðnaðar. Ein frægasta laugin á Íslandi er líklega Snorralaug. Þá bendir ýmislegt til þess að jarðhiti hafi verið notaður til ylræktar til dæmis í Hveragerði og á Flúðum. Eins og nafn þeirra bendir til, voru Þvottalaugarnar í Laugardalnum lengi vel notaðar til þvotta og upp úr 1930 var farið að nota þær til húshitunar. Laugardalurinn telst þó til lághitasvæða. Þegar olíukreppa skall á árið 1970 hófst mikil vinna við að finna orkugjafa sem leysti olíu og kol af hólmi til kyndingar. Í dag eru opinberar hitaveitur á fjórða tug og litlar sveitahitaveitur tæplega tvö hundruð.

Ítalir voru fyrstir til að nýta jarðhita til raforkuframleiðslu en þá var gufuvél tengd við rafal sem framleiðir rafmagn. Í kjölfarið var fyrsta jarðhitavirkjun heims reist þar með 250 kW afköstum. Í dag er afl virkjunarinnar rúmlega 700 MW og til stendur að stækka hana í 1200 MW. Íslendingar hafa lengi verið í fremstu röð hvað varðar jarðhitarannsóknir og jarðhitanýtingu. Á Íslenskum orkurannsóknum (ÍSOR) og forvera þeirra Orkustofnun fara fram víðtækar jarðhitarannsóknir og þar er Jarðhitaskóli Sameinuðuþjóðanna til húsa.

Raforkuframleiðsla

Þversnið dæmigerðs háhitasvæðis

Einföld mynd af jarðhitavirkjun

Á háhitasvæðum er styrkur uppleystra efna í jarðhitavatni töluvert meiri en á lághitasvæðum og fer hann almennt eftir jarðfræðilegum eiginleikum svæðanna og lekt berggrunns hver efnin eru og í hve miklum mæli þau finnast. Magnið eykst eftir því sem hitastig vatnsins er hærra. Algengustu efnin í jarðhitavatni eru kísill Si, natríum Na, kalíum K, magnesíum Mg, járn Fe, klór Cl og flúor F. Það er hins vegar styrkur koldíoxíðs CO₂, brennisteinsvetnis H₂S og vetnis H₂ í vatninu sem gerir það að verkum að vatnið er súrt og því erfitt að nýta það til neyslu. Því er algengast að á háhitasvæðum séu vatnið og gufan nýtt til raforkuframleiðslu og eru fjórar gerðir virkjana algengastar.

Þurrgufuvirkjun

Þar sem eingöngu er að finna yfirhitaða (e. superheated) jarðgufu, þ.e. 180-225°C heita og við 4-8 MPa þrýsting, er þurrgufuvirkjun notuð til rafmagnsframleiðslu. Gufa úr borholu leidd í hverfil þar sem hún þenst út. Við það snúast blöð hverfilsins og þessi vélræna orka býr til rafmagn. Þrýstingur gufunnar hefur þá minnkað til muna og hún er því næst kæld í þéttiturni. Að lokum er affallsvatninu dælt aftur ofan í jörðina. Nýtni þurrgufuvirkjana nær sjaldnast 20% vegna styrks uppleystra gastegunda á borð við koldíoxíð CO₂ og brennisteinsvetni H₂S sem ekki þéttast. Vegna aukinnar þekkingar á áhrifum útblásturs þessara gróðurhúsalofttegunda auk annarra er reynt eftir fremsta megni að skila sem mestu aftur ofan í jörðina þó svo að í eldri og frumstæðari virkjunum hafi affallsvatn og –gufa verið losuð í andrúmsloftið.

Eins þreps gufuvirkjun

Í þessa tegund virkjunar er ýmist notað heitt jarðvatn undir miklum þrýstingi eða vatn sem hefur orðið að gufu á leið sinni að yfirborðinu. Þá er yfirleitt um vatnsgufu að ræða við 155-165°C og 0,5-0,6 MPa þrýsting. Vatninu er breytt í gufu (e. flashing) og gufan skilin frá því vatni sem eftir verður og líkt og í þurrgufuvirkjun notuð til að keyra hverfil sem svo knýr rafal. Í fyrra tilfellinu, með vatn við háan þrýsting er nauðsynlegt að nota búnað sem leiðir til uppgufunar og skilur jafnframt gufu frá vatni. Fyrir vatn sem þegar hefur orðið að gufu er búnaður settur upp fyrir framan hverfilinn til þess að koma í veg fyrir að vatn komist í hann. Að lokum er affallsvatninu dælt niður í jörðina. Ef ekkert vatn fer til spillis eru um 85% framleidds massa skilað aftur í jarðhitakerfið miðað við einungis um 15% í þurrgufuvirkjun.

Tveggja þrepa gufuvirkjun

Tveggja þrepa virkjun er, eins og nafnið gefur til kynna, eins þreps virkjun að viðbættu einu þrepi. Það vatn sem ekki verður að gufu í fyrra þrepinu er leitt í lágþrýstitank. Þrýstifallið verður til þess að gufa myndast og hún keyrir annan hverfil. Vatnið úr borholunni nýtist mun betur og því eykst framleitt afl um 20-25% miðað við eins þreps virkjun. Þar sem búnaðurinn er flókari er stofn- og viðhaldskostnaður hærri en ella. Þetta er jafnframt algengasta tegund jarðhitavirkjana í dag. Hellisheiðarvirkjun er dæmi um tveggja þrepa gufuvirkjun.

Tvívökva gufuvirkjun

Slík virkjun nýtir annan vökva með lægra suðumark en vatn, oft bútan C₄H₁₀ eða pentan C₅H₁₂. Varmaskiptir flytur varmaorku jarðhitavatnsins yfir í vinnsluvökvann sem þenst út og verður að gufu sem svo knýr hverfil líkt og í virkjunum sem þegar hefur verið minnst á. Vatnið sjálft kemst aldrei í snertingu við búnaðinn og því hentar þetta ferli vel á háhitasvæðum þar sem töluvert magn er uppleystra efna. Tæringu er haldið í lágmarki og þar af leiðandi viðhaldskostnaði einnig. Þetta ferli er hins vegar orkufrekt: um 30% framleidds afls fara í viðhalda þrýstingi jarðhitavatns og auka þrýsting vinnsluvökva. Einungis um 100 tvívökvavirkjanir voru starfandi árið 2004.

Umhverfisáhrif

Óhjákvæmilegt er að rask verði við borun og uppsetningu virkjunar. Framkvæmdir hafa víðtæk áhrif á jarðlög, vatnsborð, gróður, lífríki og umhverfi bæði ofan og neðanjarðar. Þá fylgir borun og prófunum töluverð hávaðamengun, en hávaði í 10 m fjarlægð frá blásandi borholu er um 120-130 dB. Hávaði frá virkjun í vinnslu er hins vegar álíka og frá öðrum orkuverum.

Í upphafi vinnslu lækkar grunnvatnsborðið sem leiðir til þess að landið sígur örlítið. Um er að ræða lækkun af stærðargráðu nokkrir mm til nokkurra cm. Verði landsig mikið getur það leitt til skemmda á búnaði og rörum neðanjarðar en einnig á nærliggjandi byggingum og vegum. Þar sem háhitasvæði er iðulega að finna á virkum rekbeltum og sprungusveimum er nauðsynlegt að taka tillit til þess við hönnun og uppsetningu virkjunar. Jarðskjálftar, eldsumbrot og kvikuhlaup milli kvikuhólfa geta einnig raskað borunum og rekstri virkjunar.

Útlitsbreytingar á yfirborði, bæði tímabundnar og varanlegar, geta orðið vegna jarðhitavirkjana. Nátturlegar laugar og hverir og önnur sérkenni hvers háhitasvæðis fyrir sig geta horfið eða skemmst en reynt er að koma í veg fyrir varanleg spjöll.

Sjónmengun vegna jarðhitavirkjana felst að mestu leyti í mannvirkjum og vegum við virkjanasvæði og er hún óhjákvæmileg. Vinnsla fer hins vegar að mestu fram neðanjarðar og dreifikerfi eru það einnig.

Mengun frá jarðhitavirkjunum hlýst mestmegnis af efnalosun uppleystra gasa í jarðgufu á borð við koldíoxíð CO₂ og brennisteinsvetni H₂S en einnig vetni H₂, metan CH₄ í minna mæli. Útblástur þessara gastegunda er þó mun minni en frá orkuverum sem brenna jarðefnaeldsneyti. Á sumum háhitasvæðum finnst vottur af þungmálmum, ýmissa salta og karbónat efna í jarðhitavatninu en eins og áður hefur komið fram er meirihluta affalsvatns dælt aftur niður í jörð og því gætir áhrifa þeirra lítið sem ekkert í umhverfi virkjana.

Nýting jarðhita á Íslandi

Kröflustöð

Nesjavallavirkjun

Þó nokkrar jarðhitavirkjanir sem framleiða rafmagn eru starfræktar á Íslandi. Þar má nefna jarðgufuvirkjun í Bjarnarflagi sem Landsvirkjun rekur og nemur orkuvinnsla hennar 18 GWh á ári. Í Kröflustöð er raforkuframleiðsla 60 MW með fullu afli. Nesjavallavirkjun framleiðir 120 MW af rafmagni. Vert er loks að nefna Svartsengi sem Hitaveita Suðurnesja rekur en þar er framleiðslugetan er 75 MW. Nýjasta jarðhitavirkjunin á Íslandi er á Hellisheiði og framleiðir hún í dag 214 MW.

Raforkuvinnsla á Íslandi árið 2007

Orkugjafi	GWh	%
Vatnsorka	8.394	70,1
Jarðhiti	3.579	29,9
Eldsneyti	3	0,0
Alls	11.976	100,0

Heimildir

• Brown, G. og J. Garnish (2004). „Geothermal Energy“, hjá G. Boyle (ritstj.), Renewable Energy: Power for a Sustainable Future. (Oxford, UK: Oxford University Press): 342-382.
• DiPippo, R. (1999, júní). „Small geothermal power plants: Design, performance and economics“ Geymt 28 maí 2015 í Wayback Machine, GHC Bulletin: 1-8 (Skoðað 28.júní 2016).
• Franz Árnason (2008). „Bætt heilsufar og almenn lífsgæði“^{[óvirkur tengill]} (Skoðað 28.júní 2016).
• Guðbjartur Kristófersson (2005). Jarðfræði. (Reykjavík: Offsetfjölritun).
• Guðmundur Pálmason. „Hvað er jarðhiti?“. Vísindavefurinn 25.9.2002. http://visindavefur.is/?id=2687. (Skoðað 28.júní 2016).
• Hitaveita Suðurnesja. „Svartsengi“ Geymt 17 júlí 2010 í Wayback Machine (Skoðað 28.júní 2016).
• Hrefna Kristmannsdóttir og Halldór Ármannsson (2001). „Umhverfismál jarðhitavirkjana“ (Skoðað 28.júní 2016).
• Landsvirkjun. „Aflstöðvar Landsvirkjunar“ (Skoðað 20. apríl 2009).
• María J. Gunnarsdóttir. (2002, janúar). „Jarðhiti - mikilvæg auðlind“ (Skoðað 28.júní 2016).
• Orkustofnun (2008). „Orkutölur 2008“^{[óvirkur tengill]} (Skoðað 28.júní 2016).
• Orkuveita Reykjavíkur. „Nesjavellir“ (Skoðað 28.júní 2016).
• U.S. Department of Energy (2008). „Geothermal Power“ (Skoðað 28.júní 2016).
• Wallechinsky, David og Irving Wallace, Geothermal „Energy History and Development“ Geymt 5 mars 2016 í Wayback Machine á Trivia-Library.com (Skoðað 28.júní 2016).

Tengt efni

• Íslenskar orkurannsóknir

Tenglar

• ÍSOR
• Orkustofnun Geymt 13 maí 2011 í Wayback Machine
• Samorka
• Orkusetur
• Landsvirkjun
• Orka Íslands - Kynningarrit um orkumál
• Vistvænt eldsneyti^{[óvirkur tengill]}
• Ráðgjafahópur um mat á háhitasvæðum Geymt 4 október 2022 í Wayback Machine