Ciepło z głębin planety — geneza i fizyka procesu
Zgromadzona pod powierzchnią ziemi, w skałach i wypełniających ich szczeliny płynach, energia stanowi naturalny zasób ciepła pochodzący z jądra naszej planety. Kiedy jej nośnikiem jest para i woda — tzw. płyny złożowe — mamy do czynienia z energią geotermalną. Jest to odnawialny zasób, ponieważ jądro Ziemi nieustannie produkuje ciepło wydzielane podczas reakcji rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Gorące wody cyrkulujące w przepuszczalnej warstwie skorupy ziemskiej, poniżej 1 km głębokości, stanowią fundament działania energetyki geotermalnej.
Technologia stosowana w pozyskiwaniu energii geotermalnej jest nieco podobna do odwiertów wykorzystywanych w wydobyciu ropy naftowej. Proces pozyskiwania takiej energii musi przebiegać w kontrolowanym tempie — nadmierna intensywność wydobycia mogłaby doprowadzić do wychłodzenia skał i utraty wydajności źródła. Temperatura skał wzrasta średnio o 2–3 stopnie Celsjusza na każde 100 metrów głębokości, co oznacza, że na głębokości 2000 metrów wody osiągają temperaturę rzędu 60–70 stopni Celsjusza.
Warunki efektywnego wydobycia i przetwarzania
Wydobycie wód termalnych jest opłacalne, kiedy zalegają na stosunkowo niewielkiej głębokości, mają wysoką temperaturę oraz zawierają niewielkie ilości składników mineralnych — nadmiar minerałów powoduje korozję instalacji oraz obniża sprawność systemów. Minerały takie jak chlorki, siarczany czy związki żelaza osadzają się na ściankach rur i wymienników ciepła, co wymusza kosztowne zabiegi konserwacyjne.
Wzrost popularności pozyskiwania tego rodzaju energii przyczynia się do rozwoju nowych technologii. Energia geotermalna jest wykorzystywana w elektrowniach geotermalnych pełniących rolę zakładów ciepłowniczych — możliwe jest to dzięki użyciu specjalnych pomp ciepła. W instalacjach niskotemperaturowych (poniżej 90 stopni) stosuje się czynniki robocze o niskiej temperaturze wrzenia, które wyparowują pod wpływem ciepła wody geotermalnej i napędzają turbiny.
Zastosowania praktyczne energii z wód termalnych
Ogrzewanie budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej
Uzyskane ciepło spożytkować możemy na ogrzewanie domów, lokali mieszkalnych oraz budynków użyteczności publicznej. Wykonanie odwiertów i montaż właściwej instalacji to koszt od kilkudziesięciu do nawet kilkuset tysięcy złotych, w zależności od głębokości odwiertu i lokalnych warunków geologicznych. Warto jednak rozważyć tę koncepcję — długoterminowe oszczędności eksploatacyjne rekompensują wysokie nakłady początkowe, a okres zwrotu inwestycji wynosi zazwyczaj 8–15 lat.
Przemysł, rolnictwo i rekreacja
Tak pozyskane ciepło używa się również do ogrzewania kompleksów rekreacyjnych — na bazie energii geotermalnej funkcjonują już nowoczesne kąpieliska termalne, które dodatkowo mogą oferować wodę o właściwościach leczniczych. Wykorzystuje się je również w:
- odmrażaniu i usuwaniu lodu z jezdni oraz chodników — systemy takie zainstalowano m.in. w Reykjaviku
- ogrzewaniu upraw pod osłonami (szklarnie, tunele foliowe) — pozwala to na przedłużenie sezonu wegetacyjnego o kilka miesięcy
- suszeniu produktów rolnych i przetwórczych — zastosowanie znajduje w suszarniach ziarna, owoców czy grzybów
- hodowli ryb w kontrolowanych warunkach termicznych — zwłaszcza gatunków ciepłolubnych takich jak tilapia czy sandacz
Wytwarzanie energii elektrycznej
Pozyskaną energię geotermalną wykorzystuje się również do produkcji prądu elektrycznego. Prym wiodą tutaj Islandia (pokrywa ok. 30% zapotrzebowania na energię elektryczną), Kostaryka oraz Filipiny — kraje te charakteryzują się intensywną aktywnością geotermalną związaną z położeniem w strefach sejsmicznych. Filipiny zajmują drugie miejsce na świecie pod względem zainstalowanej mocy w elektrowniach geotermalnych, zaraz po Stanach Zjednoczonych. Produkcja energii elektrycznej wymaga wód o temperaturze co najmniej 150 stopni Celsjusza — takie warunki występują głównie w rejonach wulkanicznych.
Zasoby i wykorzystanie w polsce
Specjaliści w dziedzinie złóż energii szacują, że na około 80% powierzchni Polski istnieje możliwość wykorzystania wód geotermalnych — w różnym stopniu opłacalności i wydajności. Na terenie naszego kraju zbudowano już kilka zakładów pozyskujących energię tym sposobem — znajdują się m.in. w Pyrzycach, Mszczonowie, Stargardzie oraz Poddębicach. W uzdrowiskach w Uniejowie, Cieplicach i Ciechocinku wody geotermalne znalazły swoje zastosowanie w lecznictwie — zamontowano tam też instalacje do ogrzewania obiektów i napełniania basenów.
Największy potencjał geotermalny w Polsce posiadają niż podkarpacki, niż polski oraz Sudety — w tych regionach wody termalne występują w największych ilościach i na dostępnych głębokościach. Na niżu polskim wody o temperaturze 20–90 stopni zalegają na głębokościach 1000–3000 metrów, co czyni je relatywnie dostępne przy obecnym poziomie technologii wiertniczych. Barierą rozwoju energetyki geotermalnej w Polsce pozostają wysokie koszty początkowe, brak stabilnych mechanizmów wsparcia inwestycji oraz długi okres zwrotu nakładów — co zniechęca potencjalnych inwestorów mimo długoterminowej opłacalności.
Wykorzystanie zasobów geotermalnych w europie
W niektórych krajach europejskich jak np. Austria, Szwecja czy Norwegia system ciepłowniczy jest w znacznym stopniu oparty na odnawialnych źródłach — choć w Szwecji i Norwegii dominują raczej pompy ciepła niskotemperaturowe niż klasyczne wody termalne. Prym wiedzie Islandia, która z uwagi na wulkaniczne ukształtowanie terenu i korzystne warunki hydrologiczne jest krajem, w którym przemysł w dużej mierze oparty jest na wykorzystaniu wód termalnych.
Islandia pokrywa około 90% zapotrzebowania na ogrzewanie budynków mieszkalnych za pomocą energii geotermalnej — niemal całość stolicy Reykjaviku ogrzewana jest tym sposobem. System ciepłowniczy Reykjaviku opiera się na wodach geotermalnych pobieranych z kilkunastu odwiertów zlokalizowanych w promieniu 20–30 km od miasta. Włochy, Turcja oraz kraje bałkańskie (Macedonia Północna, Serbia) również intensywnie rozwijają geotermię — Włochy posiadają najstarszą działającą elektrownię geotermalną w Larderello (działa od 1913 roku), która była pierwszą na świecie instalacją produkującą energię elektryczną z ciepła ziemi.
Francja oraz Niemcy inwestują w niskotemperaturowe systemy geotermalne wykorzystujące pompy ciepła — choć nie dysponują spektakularnymi zasobami wód termalnych, rozbudowują infrastrukturę umożliwiającą efektywne wykorzystanie ciepła z płytszych warstw gruntu. W Paryżu funkcjonuje ponad 40 instalacji geotermalnych zasilających systemy ciepłownicze dzielnic mieszkalnych, pobierających wodę o temperaturze 60–80 stopni z utworów jury środkowej na głębokości około 1500–2000 metrów.
