Geothermische energie is een van de meest betrouwbare en consistente bronnen van hernieuwbare energie, die warmte en energie levert door de natuurlijke warmte van de aarde aan te boren. Geothermische energie is uniek onder de hernieuwbare bronnen omdat het continu, 24 uur per dag, 7 dagen per week energie levert, ongeacht de weersomstandigheden, waardoor het een essentieel onderdeel is van de wereldwijde overgang naar een duurzame energietoekomst. Geothermische systemen werken echter in zware omstandigheden, met extreme hitte, corrosieve vloeistoffen en hoge druk diep onder het aardoppervlak. Om de duurzaamheid en efficiëntie op lange termijn in deze omstandigheden te garanderen, worden polymeren steeds belangrijker.
Dit artikel gaat in op de rol van polymeren in geothermische energie, met een focus op belangrijke casestudy's die hun cruciale bijdragen aantonen. We onderzoeken hoe deze geavanceerde materialen worden gebruikt om de uitdagingen van geothermische energieproductie te overwinnen en hoe ze zowel de efficiëntie als de duurzaamheid van geothermische centrales verbeteren.
Geothermische energie begrijpen
Geothermische energie wordt opgewekt door gebruik te maken van warmte die onder het aardoppervlak is opgeslagen. Er zijn verschillende soorten geothermische energiecentrales, maar over het algemeen vallen ze in drie categorieën uiteen:
- Droge-stoomcentrales: Dit is het eenvoudigste en oudste type geothermische centrale. Ze gebruiken stoom rechtstreeks uit ondergrondse reservoirs om turbines te laten draaien en elektriciteit op te wekken.
- Flash-stoomcentrales: Het meest voorkomende type geothermische installatie, flash stoomsystemen, onttrekken heet water onder hoge druk aan de aarde, dat vervolgens in stoom "flitst" wanneer het lagere druk aan de oppervlakte bereikt. De stoom wordt gebruikt om turbines aan te drijven.
- Binaire cycluscentrales: Bij installaties met een binaire cyclus komt het geothermische water nooit in contact met de turbines. In plaats daarvan wordt het hete water door een warmtewisselaar geleid, waar het een secundaire vloeistof met een lager kookpunt dan water verwarmt. Deze secundaire vloeistof verdampt en laat de turbines draaien.
De warmte die in deze systemen wordt gebruikt, is vaak afkomstig van diep onder de aardkorst, waar de temperatuur kan oplopen tot meer dan 300°C (572°F). De uitdagingen voor materialen in geothermische installaties zijn onder andere bestand zijn tegen corrosie door hoge concentraties opgeloste mineralen en gassen (zoals zwaveldioxide en kooldioxide), werken onder hoge druk en de integriteit behouden in extreme hitte. Dit is waar polymeren om de hoek komen kijken.
IJslandse geothermische centrale Nesjavellir en PTFE-afdichtingen
IJsland is wereldleider op het gebied van geothermische energie. Bijna 90% van de huizen wordt verwarmd door geothermische systemen. Een van de meest iconische geothermische centrales van het land is de Nesjavellir Geothermische Centrale, gelegen in de buurt van Reykjavik. De centrale wekt zowel elektriciteit als warm water op voor stadsverwarming en onttrekt energie aan een reservoir waar geothermische vloeistoffen temperaturen tot 290°C (554°F) bereiken.
De uitdaging: De extreme temperaturen en corrosieve aard van de geothermische vloeistof in Nesjavellir zetten de traditionele metalen afdichtingen in pompen en kleppen zwaar onder druk. Deze metalen afdichtingen waren gevoelig voor degradatie, wat leidde tot vloeistoflekkage en frequent onderhoud, wat resulteerde in aanzienlijke stilstand.
De polymeeroplossing: Ingenieurs bij Nesjavellir implementeerden PTFE-afdichtingen (Polytetrafluoroethylene) in plaats van de traditionele metalen opties. PTFE, een polymeer dat bekend staat om zijn chemische bestendigheid en vermogen om te werken bij extreme temperaturen, bood de noodzakelijke duurzaamheid om de zware omgeving van de geothermische vloeistof te weerstaan. PTFE-afdichtingen corroderen niet wanneer ze worden blootgesteld aan geothermische pekel, zelfs wanneer deze veel opgeloste gassen en mineralen bevat, en hun lage wrijvingseigenschappen verminderen de slijtage van mechanische onderdelen.
Impact: Door over te stappen op PTFE-afdichtingen verminderde Nesjavellir de frequentie van onderhoudsstops en werd de levensduur van de kritieke pomp- en klepsystemen verlengd. Deze verbetering verbeterde niet alleen de operationele efficiëntie van de fabriek, maar verlaagde ook de onderhoudskosten, waardoor het geothermische systeem kosteneffectiever en betrouwbaarder werd.
IJslandse Hellisheiði energiecentrale en met PFA beklede leidingen
De Hellisheiði geothermische energiecentrale in de buurt van Reykjavik is een van de grootste geothermische centrales ter wereld, met een geïnstalleerde capaciteit van meer dan 300 megawatt elektriciteit en 400 megawatt thermische energie. Net als veel andere geothermische installaties heeft deze centrale te maken met zure geothermische vloeistoffen die pijpleidingen en onderdelen van warmtewisselaars kunnen aantasten.
De uitdaging: De geothermische vloeistof in Hellisheiði bevat hoge concentraties opgeloste mineralen, waaronder silica en zwavel, die zeer corrosief zijn voor metalen leidingen. Na verloop van tijd leidde dit tot regelmatige pijpleidingbreuken, corrosievorming en een afname van de algehele efficiëntie.
De polymeeroplossing: Ingenieurs van de Hellisheiði-fabriek installeerden met perfluoralkoxy (PFA) beklede leidingen voor het transport van geothermische vloeistoffen. PFA is een fluorpolymeer met een uitstekende weerstand tegen zuren, chemicaliën en extreme temperaturen. De polymeervoering beschermde de binnenoppervlakken van de metalen pijpen tegen corrosie en zorgde ervoor dat de pijpen bestand waren tegen de zeer zure en mineraalrijke geothermische vloeistof zonder te worden aangetast.
Impact: De introductie van met PFA beklede pijpen in Hellisheiði verlengde de levensduur van de pijpleidingsinfrastructuur van de centrale en verminderde de noodzaak voor kostbare vervangingen en reparaties. Door de corrosie tot een minimum te beperken, kon de centrale een hogere thermische efficiëntie behouden, waardoor de totale output van zowel elektriciteit als warmte toenam.
Kenia's Olkaria geothermische centrale en HDPE leidingsystemen
In Kenia staat een van de grootste geothermische energiecentrales van Afrika, de Olkaria Geothermische Centrale, die een belangrijke rol heeft gespeeld bij het verminderen van de afhankelijkheid van het land van fossiele brandstoffen. De centrale boort een geothermisch reservoir met een hoge temperatuur aan, waar de temperatuur van de geothermische vloeistof 350 °C kan bereiken. De geothermische vloeistoffen in de regio zijn echter rijk aan corrosieve gassen zoals waterstofsulfide, waardoor traditionele metalen leidingsystemen kwetsbaar zijn voor snelle corrosie.
De uitdaging: De metalen leidingen die in de vloeistoftransportsystemen van de Olkaria-fabriek werden gebruikt, gingen snel achteruit door de hoge concentraties zwavel en andere corrosieve stoffen in de geothermische vloeistoffen. Dit leidde tot lekken, frequente vervanging van leidingen en kostbare stilstand.
De polymeeroplossing: Om dit probleem aan te pakken gebruikte de fabriek HDPE-buizen (High-Density Polyethylene), die bekend staan om hun uitstekende corrosiebestendigheid en lage waterabsorptie. HDPE is licht van gewicht, eenvoudig te installeren en kan de druk- en temperatuurschommelingen aan die gepaard gaan met het transport van geothermische vloeistoffen. Omdat HDPE bestand is tegen de corrosieve geothermische omgeving, is het een ideale keuze voor zowel bovengrondse als ondergrondse leidingsystemen.
Impact: Het gebruik van HDPE-buizen in Olkaria heeft corrosiegerelateerde storingen in de infrastructuur van de centrale aanzienlijk verminderd. De duurzaamheid en bestendigheid tegen chemische aantasting van de leidingen hielpen de onderhoudskosten te verlagen en de betrouwbaarheid van het geothermische vloeistoftransport te vergroten, waardoor de installatie continu kon blijven draaien en haar energieproductie kon verbeteren.
De rol van PEEK lagers in IJslandse geothermische putten
Polyether Ether Ketone (PEEK) is een ander polymeer dat van onschatbare waarde is gebleken in geothermische toepassingen. PEEK is een hoogwaardige thermoplast die zijn sterkte en structurele integriteit behoudt in extreme temperaturen en zeer corrosieve omgevingen. Het wordt vaak gebruikt in downhole-toepassingen in geothermische putten, waar apparatuur wordt blootgesteld aan hoge druk en temperaturen.
De uitdaging: Downhole pompen in geothermische putten worden blootgesteld aan enorme thermische en mechanische spanningen. Traditionele lagers van metaal of kunststoffen van lagere kwaliteit zouden het vaak begeven als gevolg van slijtage, hoge wrijving en corrosie, wat leidt tot frequente vervangingen en onderbrekingen in de geothermische energieproductie.
De polymeeroplossing: In een geothermische energiecentrale in IJsland werden PEEK lagers geïntroduceerd om de downhole pompen te ondersteunen. PEEK lagers bieden een lage wrijving en een hoge slijtvastheid, zelfs wanneer ze worden blootgesteld aan geothermische vloeistoffen met een hoge temperatuur. Hun vermogen om chemische blootstelling en schurende materialen in geothermische vloeistoffen te weerstaan, maakte hen tot de ideale keuze voor deze veeleisende omstandigheden.
Impact: De toepassing van PEEK lagers resulteerde in een drastische vermindering van pompstoringen en onderhoudsbehoeften. Dankzij de duurzaamheid van de lagers onder hoge thermische druk konden de geothermische putten efficiënter en langer draaien, waardoor de energieproductie werd gemaximaliseerd en operationele onderbrekingen tot een minimum werden beperkt.
De toekomst van polymeren in geothermische energie
Omdat geothermische energie wereldwijd blijft groeien, neemt de vraag naar duurzame, efficiënte materialen toe. Polymeren zijn onmisbaar geworden in de geothermische sector en bieden oplossingen voor veel van de moeilijkste uitdagingen in deze sector. Van PTFE-afdichtingen en met PFA beklede pijpen tot HDPE-pijpleidingsystemen en PEEK-lagers, polymeren spelen een centrale rol bij het verbeteren van de prestaties en duurzaamheid van geothermische systemen.
Deze casestudies laten zien hoe polymeren geothermische installaties hebben geholpen om de onderhoudskosten te verlagen, de operationele efficiëntie te verbeteren en de levensduur van kritieke infrastructuur te verlengen. Naarmate geothermische energie een nog belangrijker onderdeel wordt van de wereldwijde portefeuille van hernieuwbare energie, zal het gebruik van geavanceerde polymeren alleen maar toenemen, waardoor innovatie wordt gestimuleerd en ervoor wordt gezorgd dat geothermische energie een betrouwbare en duurzame bron blijft voor toekomstige generaties.