8. Energia geotermalna

Ludzie już od tysięcy lat np. Starożytni Grecy wykorzystują gorącą wodę z głębi Ziemi do celów bytowych tj. ogrzewanie domów czy zasilania łaźni parowych. Z kolei pierwsze ujęcie leczniczych wód termalnych w Polsce znajduje się od XVIIw. w Lądku Zdroju. Pierwszą elektrownię geotermalną otwarto we Włoszech w 1904 roku. Kolejne elektrownie wykorzystujące wody termalne powstawały na Islandii, w Nowej Zelandii, w Japonii, na Filipinach czy w Stanach Zjednoczonych.

Źródłem energii geotermalnej jest gorące wnętrze kuli ziemskiej, ciepło z głębi Ziemi wydobywa się na powierzchnię za pomocą gorącej magmy lub ogrzanych przez nią pokładów wód w postaci gorących źródeł lub gejzerów. Energia zgromadzona we wnętrzu ziemi jest ogromna i niewyczerpywalna. Dodatkowo z każdym kilometrem w głąb Ziemi temperatura wzrasta. Przyjmuje się, że na każdy kilometr temperatura zwiększa się o 25oC, czyli 25oC/km. Najgłębsze odwierty sięgają kilkunastu kilometrów jednak zazwyczaj opłaca się wykonywanie odwiertów jedynie do 3 km głębokości. W wielu miejscach gorące źródła zalegają poniżej tej granicy, zaś w innych woda samoczynnie wypływa na powierzchnię tworząc gorące źródła lub gejzery. Występują one zazwyczaj w rejonach związanych z aktywnością sejsmiczną i wulkaniczną.

Światowe zasoby źródeł geotermalnych szacuje się na około 8∙10³⁰ J. Możliwy do pozyskania potencjał energii geotermalnej to około 3∙10¹⁵ J.

8.1 Rodzaje zasobów geotermalnych

• Geotermia niskotemperaturowa (płytka)

Wykorzystuje ciepło zgromadzone w gruncie, tuż pod powierzchnią Ziemi oraz w skałach na głębokości na ogół do 300 m.

• Geotermia wysokotemperaturowa (głęboka)

Wykorzystuje ciepło Ziemi zgromadzonego głównie w zbiornikach (złożach) wód termalnych, znajdujących się na ogół na głębokości do 3000 m. Wymaga wykonania głębokiego otworu wiertniczego, zwykle w postaci tzw. dubletu geotermalnego.

• Geotermia suchych, gorących skał

Technologia pozyskiwania energii wnętrza Ziemi z gorących, nie zawierających wody (suchych) skał. Wymaga ona wykonania głębokich otworów wiertniczych (do 6000 m) i przeprowadzenia w nich zabiegów szczelinowania górotworu i zatłaczania wody. Woda przepływając przez szczeliny skalne przejmuje ciepło od skał, a po wypompowaniu na powierzchnię Ziemi jest wykorzystywana do pozyskiwania energii elektrycznej lub ciepła. Na poniższym rysunku (Rysunek 38) przedstawiono rodzaje geotermii w zależności od głębokości odwiertu wraz z przykładowymi inwestycjami.

8.2 Zasoby geotermalne w Europie

Zasoby geotermalne nie są rozłożone równomiernie na całej Ziemi. Możliwość wykorzystania zasobów geotermalnych jest ściśle powiązana z lokalizacją na Ziemi.

W Europie można wyróżnić 30 prowincji geotermalnych, zajmujących ponad połowę jej powierzchni. Największa prowincją jest Prowincja Centralnoeuropejska (1,6 mln km2)

Największy udział w zainstalowanej mocy geotermalnej mają: Włochy, Islandia, Turcja, Portugalia, Niemcy i Francja.

8.3 Zasoby w Polsce

Polska posiada bardzo korzystne warunki geotermalne. Około 80 % naszego kraju występuje w trzech prowincjach geotermalnych – karpacką, podkarpacką oraz centralno- europejską, a możliwość wykorzystania wód geotermalnych dla obszaru Polski to około 40%.

Dla tych obszarów temperatura wody szacowana jest na 30-130°C. W niektórych miejscach sięga ona nawet 200 stopni. Głębokość, na jakiej znajdują się pokłady wód geotermalnych to 1-10 km, dlatego najczęściej robione są odwierty, a naturalny wypływ ciepłej wody zdarza się bardzo rzadko.

8.4 Energia geotermalna – ciepłownie geotermalne w Polsce

Ciepłownie geotermalne w Polsce

• Bańska Niżnj (1994 r.), woj. małopolskie;
• Pyrzyce (1996 r.), woj. zachodniopomorskie;
• Mszczonów (1999 r.), woj. mazowieckie;
• Uniejów (2001 r.), woj. łódzkie;
• Stargard (2005 r.), woj. zachodniopomorskie;
• Poddębice (2013 r.), woj. łódzkie.

W 2020 r. rzeczywiste zużycie energii geotermalnej wyniosło 1073 TJ, w KPD zakładano, że ma wynieść 4814 TJ.

Jednocześnie Krajowy Plan Na Rzecz Energii i Klimatu na lata 2021–2030 z 2019 r. (KPEiK) określił niższe (niż KPD) prognozy w zakresie zużycia energii geotermalnej w Polsce:

• 1298 TJ w 2020 r.;
• 1884 TJ w 2025 r.;
• 2470 TJ w 2030 r.

8.5 Sposoby wykorzystania źródeł geotermicznych

Sposób wykorzystania gorących wód wnętrza Ziemi zależy od temperatury, ilości rozpuszczonych gazów i soli. Ciepłą wodę można wykorzystywać do wielu procesów technologicznych jak suszenie czy odparowanie roztworów. W energetyce wody i pary geotermalne wykorzystuje się do dwóch celów: produkcji energii elektrycznej i ogrzewania. Przy czym ogrzewanie jest najbardziej rozpowszechnionym i najprostszym sposobem wykorzystania energii geotermalnej.

Wyróżnia się trzy sposoby wykorzystania wód geotermalnych do ogrzewania:

• Bezpośrednie ogrzewanie. W tym przypadku wydobyta woda geotermalna bezpośrednio ogrzewa budynki. Bezpośrednie ogrzewanie jest stosowane rzadko ze względu na wysokie zmineralizowanie wody, która powoduje korozję instalacji. Pośrednie ogrzewanie W tym przypadku woda geotermalna wydobywana z otworu ogrzewa za pośrednictwem wymiennika wodę ogrzewającą budynek tak, że woda geotermalna i ta w systemie centralnego ogrzewania nigdy się nie mieszają. Pozwala to na ograniczenie korozji instalacji u odbiorców ciepła.
• Ogrzewanie za pomocą pompy ciepła.  Jeżeli temperatura wody wynosi mniej niż 30–40oC, to nie nadaje się ona bezpośrednio do ogrzewania. Jednak woda o takiej temperaturze posiada ciągle duże ilości energii, które mogą zostać zagospodarowane za pomocą pompy ciepła. Pompa ciepła to urządzenie, za pomocą, którego ciepło z gruntu, wody czy powietrza – ośrodka o niższej temperaturze przenoszone jest do ośrodka o wyższej temperaturze. Jest to możliwe dzięki dostarczeniu pracy do napędu sprężarki w pompach sprężarkowych, lub ciepła w pompach absorpcyjnych. Praca pompy powinna być efektywna. Miarą efektywności jest współczynnik wydajności cieplnej zwany COP (coefficient of performance). Wielkość współczynnika COP, czyli efektywność pompy zależy od temperatury źródła ciepła oraz konstrukcji pompy. Przykładowo przy COP = 4, ¼ to praca włożona z zewnątrz, zaś ¾ to energia pobrana np. z gruntu. Oznacza to, że 3 razy więcej energii pozyskujemy niż wkładamy w postaci pracy.
• Produkcja energii elektrycznej.  Energię geotermalną o wysokiej temperaturze wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej. Para wprowadzana jest do generatora i napędzając turbinę produkuje energie elektryczną. W taki sposób energia elektryczna otrzymywana jest w ponad 20 krajach. W Europie największymi producentami energii elektrycznej ze źródeł geotermalnych są Włochy i Islandia.

Rysunek poniżej przedstawia schemat wykorzystania energii geotermalnej w zależności od temperatury źródła.

8.6 Zalety i wady wykorzystania energii geotermalnej

Zalety wykorzystania energii geotermalnej

• Jest to stabilne źródło ciepła;
• Zasoby geotermalne występują powszechnie;
• Eksploatacja geotermii nie oddziałuje negatywnie na środowisko;
• Stosunkowo niskie koszty eksploatacyjne.

Wady wykorzystania energii geotermalnej

• Wysokie nakłady inwestycyjne – istnieje konieczność wykonania odwiertów;
• Niewłaściwa gospodarka może spowodować zanieczyszczenie atmosfery oraz wód powierzchniowych i głębinowych szkodliwymi gazami i minerałami;
• Wody geotermalne mogą powodować korozję instalacji.