Energia geotermalna

Ogólnie energia geotermalna jest to energia zakumulowana w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Gdy nośnikiem tej energii są płyny złożowe (para, woda) wtedy mówimy o energii geotermalnej. Energia ta biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna w wyniku jej przenoszenia z wnętrza Ziemi przez przewodzenie i konwekcję. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m. Wody geotermalne zawierają rozpuszczone składniki mineralne NaCl, KCl, CaCl2, SiO2 oraz gazy (najczęściej CO2, N2). Ciepło wydzielane we wnętrzu Ziemi pochodzi z reakcji rozpadu pierwiastków promieniotwórczych 238U, 235U, 232Th oraz 40K.

Zasoby tej energii dzielimy na hydrotermiczne i petrotermiczne. Zasoby hydrotermiczne odnoszą się do wody, pary lub mieszaniny parowo-wodnej, które występują w szczelinach skalnych, żyłach wodnych lub w warstwach wodonośnych. Są one wykorzystywane obecnie.

Zasoby petrotermiczne są zmagazynowane w warstwach skalnych i mają znaczenie perspektywiczne. Sposób wykorzystania zasobów geotermalnych zależy od temperatury czynnika grzejnego. Przyjęto, że przy temperaturze powyżej 120-1500 C opłaca się go wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Przy niższych temperaturach czynnika grzejnego wchodzi w rachubę wykorzystanie do celów ciepłowniczych, klimatyzacyjnych, wytwarzania ciepłej wody użytkowej w systemach miejskich i przemysłowych, do ogrzewania szklarni, hodowli ryb, do celów balneologicznych i rekreacyjnych.

Według aktualnego stanu wiedzy źródła energii geotermicznej można podzielić ze względu na stan skupienia nośnika ciepła, a także wysokość temperatury na następujące grupy:
- grunty i skały do głębokości 2500m, z których ciepło dla celów grzejnych z wykorzystaniem pomp ciepła pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła;
- wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp grzejnych w zastosowaniu do celów grzejnych;
- wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych (w przypadku mineralizacji wody, wtłaczane są z powrotem do złoża po ich wykorzystaniu energetycznym);
- para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych) znajdująca zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej;
- wsady solne, z których energia odprowadzana jest przy po- mocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu;
- gorące skały, z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą pod wysokim ciśnieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych, na dużych głębokościach. Energia ta wykorzystywana jest w elektrowniach goetermalnych do wytwarzania energii elektrycznej oraz do celów grzejnych.

Oprócz wyżej wymienionych źródeł istnieją jeszcze sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła powstające w suchych gorących skałach (hot dry rock). Tworzą się one w wyniku utworzenia systemu szczelin podczas eksplozji ładunków wybuchowych o dużej mocy.

Po raz pierwszy energię geotermalną zastosowano do produkcji elektryczności w 1904 r. w Larderello (Włochy). Eksploatację tzw. wodno dominujących studni geotermalnych rozpoczęto uruchomieniem w 1958 roku siłowni o mocy 50 MW w Nowej Zelandii. Większość obecnie pracujących studni geotermalnych pochodzi z lat 70 i 80. tego stulecia, kiedy to rozwój metod poszukiwań geologicznych oraz technik wiertniczych wpłynął na obniżenie kosztów kapitałowych, a kryzysy energetyczne spowodowały wzrost cen paliwa konwencjonalnego.
Jednym ze źródeł energii geotermalnej są suche i gorące skały. Najbardziej znanym miejscem wykorzystania jest sztuczny geologiczny zbiornik ciepła w Los Alamos (USA), utworzony w skałach o temperaturze 200oC, na głębokości 2000 m. (Kappelmeyer 1987). Francja i Niemcy zawarły umowę (dla celów energetyki) na ekstrakcję energii suchych gorących skał o temperaturze 150oC, występujących w rejonie anomalii geotermicznej wschodniej Bawarii, na głębokości 1800 do 2000 m.

Obecnie coraz powszechniej stosowane są pompy cieplne umożliwiające korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej. Energia geotermalna niskotemperaturowa występuje poniżej głębokości 1 do1,5 m. w skałach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne uruchamiane energią elektryczną lub gazową pozwalają na zamianę niskich temperatur uzyskiwanych z ziemi (10oC – 30oC) temperatury przydatnej w ciepłownictwie (45oC – 80oC). Powszechność występowania energii geotermalnej pozwala żywić nadzieję, że w przyszłości stanie się ona głównym źródłem ogrzewania budynków wolnostojących, odległych od scentralizowanych systemów ciepłowniczych, tak jak to jest obecnie w USA, Szwajcarii, Szwecji i w wielu innych rozwiniętych krajach świata.

Według opinii specjalistów moc wszystkich instalacji goetermalnych w świecie wynosi dzisiaj około 25 tys. MW. Prognozy światowe przewidują wytworzenie około 60 tys. MW mocy z energii geotermalnej w roku 2005.

Jednym ze źródeł energii zamkniętej głęboko w Ziemi są gejzery, czyli wybuchająca para wodna o wysokiej tempera- turze, którą można wykorzystać do produkcji energii.
Gejzery są spektakularnymi zjawiskami obserwowanymi tylko w kilku rejonach świata. Ich ojczyzną jest Islandia skąd pochodzi nazwa gejzer (z języka islandzkiego “Geysa” znaczy “wylewać się”, “wytryskiwać”). Poza Islandią te gorące “fontanny” możemy zobaczyć również z takich miejscach jak: okolice Rotorua na Nowej Zelandii, Park Narodowy Yellowstone w USA, wulkaniczna Kamczatka, spotkamy je także w Japonii, Indonezji, Ameryce Środkowej i Południowej. Najwyżej położonym regionem wybuchających źródeł jest Płaskowyż El Tation w Chile leżący na wysokości 4300 m n.p.m.

Wybuchom gejzerów często towarzyszą niebezpieczne wyziewy trujących gazów zawierających dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, kwas solny, siarkowodór.

Do wybuchu gejzera dochodzi w następujący sposób: rozpalona magma z głębi ziemi ogrzewa wodę wsiąkającą z deszczu oraz krążące w niej wody gruntowe. Osiągają one temperaturę 100ºC i więcej. Zalegająca powyżej zimna woda wywiera ciśnienie podwyższające temperaturę wrzenia. 10-metrowy słup wody podnosi ciśnienie o 1 atmosferę, a temperatura wrzenia do 120ºC. Przy 90 m (ciśnienie 10 atm.) wrze- nie zachodzi przy temp.180ºC. Uwiêziona we wnętrzu ziemi woda jest przegrzana, wystarczy jednak małe zakłócenie by nastąpiła eksplozja. Gorąca woda z gejzerów jest doskonałym źródłem ciepła. Wykorzystuje się ją już od XIV w.

W Polsce nie ma gejzerów, ale znajdują się u nas ciepłe źródła, które również są wykorzystywane, np. w Pyrzycach w województwie zachodniopomorskim wybudowano system rur i pomp, dzięki któremu geotermalne źródła są wykorzystywane do ogrzewania miast.

Oprócz gejzerów które są jednymi z kilku źródeł energii geotermalnej można ją również wydobywać z suchych gorących skał.

W tym wypadku wykorzystywana jest energia nagromadzona w skałach na dużych głębokościach.

Na początku lat siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych została opracowana koncepcja wykorzystania tej energii bazująca na sztucznie wytworzonych szczelinach, w wyniku eksplozji ładunków wybuchowych dużej mocy na głębokości kilku tysięcy metrów. Do tak otrzymanych rozległych sieci szczelin w kompleksie skalnym wprowadza się otworem zatłaczającym pod wysokim ciśnieniem wodę, która w wyniku cyrkulacji pobiera energię gorących skał i po uzyskaniu odpowiedniej temperatury wprowadzana jest otworem eksploatacyjnym. Wyprowadzona na powierzchnię ziemi gorąca woda, przy takim ciśnieniu aby nie nastąpiło jej odparowanie, służy do wytwarzania pary wodnej w obiegu wtórnym, gdzie jest odpowiednio niższe ciśnienie albo gdzie czynnikiem cyrkulacyjnym jest ciecz nisko wrząca.

Powyższy sposób wytwarzania energii elektrycznej z gorących skał nosi nazwę Technologii HOT DRY ROCK (HDR). Technologia ta jest ekologicznie czysta, wykorzystuje ona praktycznie niewyczerpalne zasoby energii dostępne w dowolnym czasie w każdym miejscu na ziemi.

Złoża gorących skał przy zastosowaniu technologii HDR powinny spełniać warunki:
- w celu odebrania dla celów przemysłowych wymaganej ilości ciepła od skał, których przewodność cieplna jest na ogół niska, należy zapewnić odpowiednio rozległe złoża o dużej powierzchni wymiany ciepła;
- opory przepływu cieczy w złożu powinny być tak niskie, aby zapotrzebowanie energii do napędu pomp było mniejsze od 10% otrzymywanej energii elektrycznej brutto;
- z badań modelowych oraz eksperymentów w skali naturalnej wynika, że średnia szerokość szczelin w całym złożu powinna wynosić 1-2 mm;
- koszty wiercenia do głębokości, przy której temperatury skał są tak wysokie, że
pozwalają na przemysłowe wykorzystanie energii geotermalnej (ogrzewanie, energia elektryczna) po- winny być ekonomicznie opłacalne. Koszty wiercenia rosną z głębokością wykładniczo, a temperatura zmienia się liniowo.

Najistotniejszą charakterystyką źródła geotermalnego jest jego temperatura Tp., ilość rozpuszczalnych soli określonych moralnością roztworu, zawartość rozpuszczonych gazów oraz ciśnienie na dnie studni geotermalnej Pr. Te parametry fizyczne decydują o porównawczym wskaźniku energetycznej wartości studni geotermalnej. Do porównania potencjalnych możliwości termodynamicznych używa się pojęcia egzergii geo płynu na powierzchni studni. Wielkość ta jest iloczynem strumienia masy m i egzergii
właściwej e.
E = me
gdzie:
e = h- ho-To(s- so)

Wielkości h i s oznaczają entalpię właściwą i entropię właściwą dla warunków na po-wierzchni studni. Wielkości opatrzone indeksem (o) odnoszą się do warunków atmosferycznych panujących w obrębie studni, T jest temperaturą. W przypadku produkcji energii elektrycznej, niezależnie od szczególnych rozwiązań siłowni, tylko część egzergii zamienia się w pracę elektryczną

Wele = E u
gdzie  u jest sprawnością wykorzystania źródła geotermalnego (ang. resource utiliza-tion efficiency). Jest ona definiowana inaczej niż sprawność termiczna obiegu, ale podobnie jak ta ostatnia zależy głównie od temperatury płynu geotermalnego na powierzchni studni T i wybranego obiegu cieplnego. Przy temperaturze T= 170oC i temperaturze dolnego źródła Tc= 10oC,  u wynosi około 50- 60% dla dobrze zaprojektowanej siłowni z turbiną kondensacyjną. Odpowiada to zużyciu pary około 8 kg/kWh. Z danych literaturowych poświęconych energetyce geotermalnej wynika, że powyżej Tr= 120- 150oC opłaca się eksploatacja źródła geotermalnego dla celów produkcji energii elektrycznej. Istnieją również ogólnikowe doniesienia o wykorzystaniu geopłynu o niższych temperaturach, tj. około 80oC w zastosowaniu do binarnych siłowni energetycznych. węglem lub koksem.

Eksploatacja energii geotermalnej powoduje poważne problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na kłopotach związanych z emisją szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru H2S, który zgodnie z prawem amerykańskim musi być pochłonięty w odpowiednich instalacjach, podrażających oczywiście koszt produkcji energii elektrycznej.
Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia powoduje radon, produkt rozpadu radio- aktywnego uranu, wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na środowisko naturalne stanowi otwarty, nie rozwiązany do tej pory problem techniczny.

Wieloletnie międzynarodowe doświadczenia w zakresie pozyskiwania i użytkowania energii geotermalnych, pozwalają sformułować następujące ważniejsze
wnioski:
- Ze wszystkich rodzajów nowych źródeł energii, energia geotermalna daje największe efekty ekonomiczne.
- Ze względu na rosnące wymogi w zakresie ochrony środowiska, efektywność ekonomiczna źródeł geotermalnych będzie wzrastać, nawet w przypadku spadku cen paliw kopalnych.
- Korzyści ekonomiczne przy eksploatacji systemu grzejnego opartego w całości lub częściowo na energii geotermalnej będą wyższe niż przy systemach konwencjonalnych, a okres amortyzacji krótszy.
- Systemy geotermalne są efektywne w dużych instalacjach przy współczynniku wykorzystania mocy źródła powyżej 0,5. Jest to związane z dużymi nakładami na budowę i relatywnie niskimi kosztami eksploatacji.
- Potencjalni odbiorcy energii geotermalnej o zapotrzebowaniu łącznym przekraczającym minimalną opłacalną wydajność systemu (Q  63 x 103GJ/a) powinni być zlokalizowani możliwie blisko otworu (otworów) wydobywczego.
- Problem korozji instalacji i kolmatacji złoża jest zależny od stopnia mineralizacji oraz składu chemicznego wody i przy obecnym stanie techniki jest praktycznie opanowany.
- Korozji wymienników ciepła zapobiega się przez stosowanie tytanu,
kolmatacji przez preparowanie wody, stosowanie filtrów oraz utrzymanie odpowiedniego ciśnienia w instalacji wody geotermalnej.
- Ciepłownie geotermalne mogą pracować jako niezależne źródła ciepła lub jako
systemy wspomagające istniejące miejskie systemy ciepłownicze zasilane przez
konwencjonalne źródła ciepła.

Ze wszystkich niekonwencjonalnych (odnawialnych) źródeł energii w ostatnich latach najszybciej rozwija się właśnie geotermia. Wynika to stąd, że jej wzrost liczy się od niskiego poziomu 1750 MW mocy elektrycznej zainstalowanej na świecie w roku 1979 i 5600 MW w roku 1988 i z tego, że jest ona uzależniona od pory dnia i roku.

Ocenia się, że na obecnym poziomie techniki, ze znacznych polskich zasobów energii geotermalnej, można eksploatować tylko niewielką ich część odpowiadającą 4 mln ton p.u. Z uwagi na stosunkowo niski poziom energetyczny płynów geotermalnych, mierzony temperaturą złoża (40- 70oC), można ją będzie wykorzystać w ciepłownictwie, w ogrodnictwie, w rekreacji oraz hodowli ryb. Z uwagi na niewielkie doświadczenie eksploatacyjne prognozowanie wykorzystania energii geotermalnej w Polsce, w warunkach wolnorynkowej konkurencji na rynku energetycznym, wydaje się przedwczesne, chociaż podaje się, że w 2020 roku z odnawialnych źródeł energii Polska powinna pokrywać około 15% swoich potrzeb energetycznych.