Energia geotermalna to energia cieplna, pochodzącą z wnętrza naszej planety. Źródłami tego ciepła jest promieniowanie jądra, tarcie wytworzone podczas formowania się Ziemi oraz ruch płyt tektonicznych, jednak większość pochodzi z rozpadu radioaktywnych izotopów pierwiastków takich jak uran, czy tor znajdujących się w płaszczu Ziemi. Pod postacią gorącej wody i skał, ogromne zasoby czystej i ekologicznej energii czekają, by je wykorzystać, niekiedy zaznaczając swoją obecność na powierzchni poprzez wybuch gejzeru, czy wulkanu. Być może w ten sposób mityczna bogini Gaja próbowała zwrócić uwagę, na to jak wiele dóbr skrywa się pod ziemią.
W istocie – potencjał energetyczny geotermii jest olbrzymi, a perspektywa zastąpienia energetyki węglowej czystym, odnawialnym rozwiązaniem geotermalnym, napawa optymizmem. W gruncie rzeczy chodzi przecież o energię i grunt to, by była ona odnawialna. Co kryje nasza Ziemia pod swoim płaszczem? W jaki sposób człowiek wykorzystuje drzemiące w podziemiach wysokie temperatury? Postaram się nieco to przybliżyć i opisać w niniejszym artykule.
Co się dzieje pod naszymi stopami?
Patrząc w dół możemy gołym okiem zobaczyć grunt pod stopami w postaci gleby. W rzeczywistości to, czego nie dostrzegamy pod jej warstwą to kilka stref, w których zachodzi szereg procesów chemicznych, fizycznych i magnetycznych. W jądrze naszej planety, okrytym grubą warstwą płaszcza ziemskiego, z pewnością zapisana jest historia o początkach Ziemi. Jednak ze względu na odległość, jaka nas od niego dzieli, a także ekstremalne warunki w nim panujące możemy tylko tworzyć poglądy dotyczące szczegółów jego budowy oraz panujących w nich zjawisk.
Energetyka geotermalna
Energetyka geotermalna to nic innego, jak pozyskiwanie energii cieplnej, które gromadzi się w skałach, w ich szczelinach i porach, a także w gruncie i wodach podziemnych, a jej nośnikiem jest woda w postaci ciekłej lub gazowej. Jak wspomnieliśmy, energia powstaje we wnętrzu planety, a jest to wynikiem niekończącego się przenoszenia ciepła z wnętrza na powierzchnię Ziemi.
Ciepło z wnętrza Ziemi jest ciepłem pierwotnym, które wynika z procesu formowania się planety oraz ciepłem powstającym w wyniku procesów rozpadu pierwiastków promieniotwórczych w jądrze. Dodatkowym źródłem ciepła znajdującym się w skorupie ziemskiej, jest to które przenika do niej poprzez promieniowanie słoneczne. Wraz z głębokością, we wnętrzu Ziemi temperatura wzrasta. Parametr opisujący, jak zmienia się temperatura wraz z głębokością to gradient geotermiczny. Między innymi to jego wartość decyduje o tym, jaki jest potencjał geotermalny badanego miejsca. Im szybciej zmienia się temperatura wraz z głębokością, tym energetyka geotermalna jest wykorzystywana efektywniej.
W zależności od występowania złoża możemy wyróżnić geotermię niskotemperaturową, średniotemperaturową oraz taką o wysokiej entalpii (wysokotemperaturową).
Geotermia niskotemperaturowa
Potocznie określana geotermią płytką. Znajduje się na stosunkowo małych głębokościach wykorzystując najczęściej grunt, jako źródło energii cieplnej. Do zastosowań tego rodzaju geotermii należy w sposób pośredni ogrzewanie i chłodzenie budynków oraz wody użytkowej poprzez powszechnie stosowane urządzenia cieplne – pompy ciepła.
Jak działa gruntowa pompa ciepła?
Schemat działania urządzenia jest dość prosty i opiera się na przenoszeniu ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze. Gruntowa pompa ciepła pobiera ciepło z gruntu. Energia ze źródła dolnego o temperaturze gruntu trafia do wymiennika ciepła – parowacza, gdzie następuje odparowanie czynnika. Powstała para trafia do sprężarki, gdzie w wyniku sprężania gazu zgodnie z prawami termodynamicznymi następuje podwyższenie ciśnienia oraz temperatury gazu. Sprężony gaz kieruje się do górnego źródła, gdzie następuje jego skraplanie. Właśnie tutaj ciepło trafia do instalacji grzewczej. Na koniec całego procesu następuje zjawisko rozprężania, a tym samym obniżanie ciśnienia oraz temperatury czynnika, który kierowany jest z powrotem do parowacza. Obieg jest zamknięty, co gwarantuje niewyczerpalność źródła energii cieplnej.
Geotermia wysokotemperaturowa
Inaczej geotermia głęboka, ponieważ wykorzystywane w tej metodzie złoża dotyczą pozyskiwania energii ze znacznie głębszych odległości. Aby wydobyć energię cieplną na skalę większą należy wykonać otwór wiertniczy odpowiedni w zależności od panujących warunków. Geotermia pochodząca z wód termalnych ma najczęściej swoje zastosowania w rekreacji oraz leczniczych terapiach, a także w celach suszarniczych, w hodowli ryb, czy w rolnictwie, a przede wszystkim w ciepłownictwie geotermalnym. W krajach o istotnym potencjale geotermicznym możliwe jest również wykorzystywania geotermii, jako źródło energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych.
Elektrownie i ciepłownie geotermalne
Nasuwa się pytanie – jak następuje wytworzenie energii na większą skalę za pomocą ciepła we wnętrzu Ziemi?
Po wykonaniu odpowiednich do warunków otworów, a także upewnieniu się poprzez różnego rodzaju badania hydrogeologiczne, że w danym miejscu warto ingerować w jego potencjał geotermalny następuje realizacja przedsięwzięcia. W zależności, czy naszym zamiarem jest produkcja ciepła, czy energii elektrycznej, kierujemy odpowiednio czynnik. W przypadku wytwarzania energii cieplnej są to ciepłownie, które kierują ciepło do sieci ciepłowniczej. Natomiast tak, jak w przypadku powszechnie wytwarzanej energii elektrycznej, czynnik kierowany jest na turbiny w celu wygenerowania prądu w generatorze.
Ciepłownie geotermalne
Ciepłownie wykorzystują w swoich procesach dwa czynniki – czynnik grzejący (woda geotermalna ze złoża) oraz czynnik ogrzewany (woda ogrzewana w sieci grzewczej). Wodę geotermalną pozyskuje się ze złoża za pomocą pomp głębinowych, a następnie przepływa się ją przez odpowiednie urządzenia i kieruje na wymiennik ciepła. W wymienniku ciepło wody ze złoża przekazywane jest do wody sieciowej, gdzie podgrzewana jest do odpowiedniej temperatury. Po przejściu przez wymiennik woda geotermalna zatłaczana jest z powrotem do tego samego złoża geotermalnego, z którego została pobrana.
Elektrownie bezpośrednie
W bezpośrednim typie elektrowni geotermicznej, woda geotermalna wypompowana z eksploatacyjnego otworu wiertniczego bezpośrednio odparowuje do postaci pary, która kierowana jest na turbiny, gdzie następuje przemiana energii cieplnej pary na energię mechaniczną odpowiednich urządzeń, a w konsekwencji energii elektrycznej. Rozwiązanie jest stosowane rzadko ze względu na możliwość stosowania go w ściśle określonych warunkach wysokotemperaturowych.
Elektrownie binarne
Elektrownie binarne, czyli dwuczynnikowe – takie, które wykorzystują dodatkowy czynnik roboczy o określonych właściwościach, aby umożliwić wydajne pozyskiwanie energii. Takie działanie ma miejsce w sytuacji, gdy mamy do czynienia z niższymi temperaturami źródła geotermalnego.
Technologia HDR i EGS
Warto również wspomnieć o nowoczesnych technologiach HDR (Hot Dry Rock) i EGS (Enhanced Geothermal System), bazujących na pozyskiwaniu energii cieplnej oraz elektrycznej z gorących skał znajdujących się na dużych głębokościach. Hot Dry Rock to metoda polegająca na szczelinowaniu skał różnymi metodami i zatłaczaniu w nie wody. Ciepło pobierane przez przepływającą szczelinami wodę, może być wykorzystywane do pozyskania energii po wypompowaniu wody na powierzchnię. Metoda EGS działa na podobnej zasadzie, jednakże wykorzystuje nie skały całkowicie suche, lecz korzysta z systemów geotermalnych o niewielkim dopływie wód.
Jaki potencjał ma energetyka geotermalna w Polsce?
Energetyka geotermalna wciąż się rozwija i testuje swoje możliwości na całym świecie. Jednym z liderów na świecie są Stany Zjednoczone. To właśnie u naszych amerykańskich sąsiadów znajdują się słynne kalifornijskie gejzery, a także najstarszy na świecie park narodowy – Park Narodowy Yellowstone. Warto również wspomnieć o Islandii słynącej ze swojego potencjału geotermalnego i możliwości pozyskiwania zarówno energii grzewczej, jak i elektrycznej.
Według ekspertów Polska jest zaopatrzona w odpowiednią infrastrukturę oraz warunki geotermiczne, by wykorzystywać energię z ziemi. Choć nie jest to jeszcze rozwiązanie powszechnie stosowane, na zlecenie Ministerstwa Środowiska oraz Ministerstwa Nauk i Szkolnictwa Wyższego prowadzone były badania, dotyczące wyznaczenia optymalnych terenów, w przypadku których realizacja przedsięwzięcia geotermalnego byłaby skuteczna i opłacalna.
W naszym kraju występują źródła geotermalne wykorzystywane w ciepłowniach geotermalnych oraz za pomocą powszechnie stosowanych pomp ciepła. Największą ciepłownią w Polsce jest Geotermia Podhalańska znajdująca się w Bańskiej Niżnej. Powstała z inicjatywy Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Obecnie ciepłownia dostarcza czystej, nieemisyjnej i odnawialnej energii cieplnej do samej gminy Zakopane, a ponadto ma znaczny udział w produkcji energii cieplnej na całym Podhalu – w tym takie gminy jak Szaflary, Biały Dunajec oraz Poronin, a także Nowy Targ. Planowo ma powstać również najgłębszy odwiert geotermalny w kraju o długości 7 kilometrów w gminie Szaflary, mający zaopatrywać mieszkańców w ciepłą wodę lub w miarę możliwości energię elektryczną, jako pierwsza elektrownia geotermalna w Polsce.
Źródło:
Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy – ”Hot Dry Rocks w Polsce” – A. Wójcicki
Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy – Posłuchaj ekspertów: „Stan rozwoju geotermii w Polsce” – dr Mariusz Socha, dr hab. inż. Beata Kępińska, mgr inż. Marek Hajto, dr Piotr Długosz, mgr inż. Anna Karska
https://www.pgi.gov.pl