Energia geotermalna – jak to działa ?

Najgorętsza zielona energia – energia geotermalna.

Energia geotermalna, pochodząca z głębi ziemi jest używana do gotowania, kąpieli i utrzymywania ciepła już od czasów rzymskich.

Dziś jest to obiecująca opcja czystej energii, a wielu jest takich, którzy mają nadzieję, że dodatkowo zmniejszy zużycie paliw kopalnych w najbliższej przyszłości.

Potencjał geotermalny zidentyfikowano w ponad 80 krajach świata i jest on wykorzystywany w coraz powszechniej.

W Islandii 90% ogrzewania jest zaspokajane energią geotermalną, w tym większości miast, jak Reykjavik i Akureyri, używa się sieci rur ciepłej wody do ogrzewania budynków, a nawet chodników na zewnątrz, aby stopić na nich śnieg.

W blisko 30 krajach na całym świecie, jest wykorzystywana energia geotermalna.

Partnerstwo Uniwersytetu Narodów Zjednoczonych – Program Treningowy Geotermii  (UNU – GTP)  z Orkustofnun (Krajowy Urząd Energetyki Islandii), stara się zwiększyć wykorzystanie energii geotermalnej na świecie dzieląc się pozytywnym doświadczeniem.

UNU – GTP pomaga krajom rozwijającym się poprzez szkolenia specjalistów oraz badania i rozwój energii geotermalnej.

Program oferuje sześcio – miesięczne szkolenia specjalistyczne, z możliwością ich rozszerzenia i uzyskania tytułu Master of Science w dziedzinie nauk geotermalnych lub inżynierii.

Wykorzystanie ciepła geotermalnego.

Energia geotermalna jest stała i niezależna od warunków pogodowych – w przeciwieństwie do wiatru, energii słonecznej i wodnej .

Jej źródło znajduje się w rdzeniu Ziemi, gdzie powolny rozpad pierwiastków promieniotwórczych – proces , który dzieje się we wszystkich skałach – produkuje ciepło.

Skorupa ziemska jest podzielona na 14 płyt, które poruszają się w różnych kierunkach z różnymi prędkościami.

Granice płyt charakteryzują uskoki, są to obszary występujących trzęsień ziemi i aktywności wulkanicznej.

Geotermalne pola lub obszary są powszechne na granicach płyt z aktywnością wulkaniczną – na przykład wzdłuż Ring of Fire.

W uproszczonym modelu woda deszczowa która przemieszcza się pod ziemią wzdłuż pęknięć w skałach, zbiera się w naturalnych podziemnych zbiornikach, w pobliżu źródła ciepła (np. komory magmy).

Woda nagrzewa się i następnie przesuwa się w kierunku powierzchni ziemi.

Woda do wykorzystania w energetyce geotermalnej jest pobierana przez otwory, które przecinają “ścieżki” przepływu ciepłej wody w skałach podziemnych.

Wykorzystywanie energii geotermalnej zazwyczaj odbywa się na głębokości maksymalnie 3000 m od powierzchni ziemi.

Pierwszy generator energii geotermalnej został zbudowany w 1904 roku, w Toskanii, we Włoszech.

Zasoby geotermalne i elektrownie – rodzaje

Gorące fakty

Istnieją dwa rodzaje wodnych zasobów geotermalnych:

• o temperaturze 150°C lub gorętsze, które znajdują się w obszarach aktywności wulkanicznej – energia z tych źródeł jest wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej (przy użyciu pary do uruchomienia turbiny)
• o temperaturze niższej niż 150 °C, które znajdują się w takich miejscach jak baseny sedymentacyjne lub wygasłe obszary wulkaniczne – są wykorzystywane bezpośrednio do celów ogrzewania, chłodzenia, kąpieli, hodowli ryb czy produkcji warzyw w szklarniach.

Podstawowe typy systemów geotermalnych:

• niskotemperaturowe (geotermia płytka). Wykorzystuje ciepło zgromadzone w gruncie, tuż pod powierzchnią Ziemi oraz w skałach na głębokości do 300 m. Opiera się na działaniu gruntowych pomp ciepła. Gruntowe pompy ciepła posiadają one potencjał do rozwoju na całym świecie, ponieważ wykorzystują temperaturę ziemi, a nie potrzebują prawdziwego źródła geotermalnego.
• wysokotemperaturowa (geotermia głęboka). Ten rodzaj geotermii korzysta z ciepła Ziemi zgromadzonego głównie w zbiornikach (złożach) wód termalnych, na głębokości do 3000 m. Wymaga wykonania głębokiego otworu wiertniczego. W Polsce takim przykładem jest Ciepłownia Geotermalna w Mszczonowie, gdzie wykonano odwiert o głębokości 1793 m, a temperatura wody wynosi 45°C.
• geotermia suchych skał – to technologia pozyskiwania energii cieplnej z wnętrza Ziemi, z gorących skał, przy niewielkim dopływie wód.

1: zbiornik ciepłej wody
2: ciepła woda pobierana z ziemi
3: wytwarzanie prądu elektrycznego (z generatora)
4: energia elektryczna dostarczana do sieci
5. pozostała gorąca woda może być jeszcze używane do celów grzewczych
6: energia cieplna może być ponownie wykorzystana
7. zimna woda jest podawana z powrotem do ziemi – do ponownie ogrzania przez Ziemię

Inne wykorzystanie geotermii

W niektórych przypadkach niskie temperatury zasobów wód geotermalnych mogą być wykorzystywane do tworzenia binarnych elektrowni, w których ciepło jest przenoszone z wód geotermalnych na płyn o niższej temperaturze wrzenia, np. amoniak. Płyn ten po osiągnięciu stanu pary napędza turbinę.

Podczas gdy temperatury powyżej ziemi zmienia się z dnia na dzień, temperatury w górnej warstwie ziemi są względnie stałe.

Gleba jest cieplejsza niż powietrze w zimie i chłodniejsza niż powietrze w lecie, więc gruntowe pompy ciepła dokonują transferu ciepła z podłoża do budynków w zimie, a latem dostarczają chłodnego powietrza.

Energia geotermalna i redukcja emisji CO2

Wody geotermalne zawierają rozmaite ilości gazów, głównie azot, dwutlenek węgla i siarkowodór, w zależności od położenia pola cieplnego.

Jednak większość wody wykorzystywanej w geotermii jest ponownie wtryskiwany do ziemi, gdzie dzięki energii geotermalnej Ziemi jest na nowo ogrzewana i ponownie wykorzystywana.

Emisje CO2 z energii elektrycznej produkowanej ze źródeł geotermalnych wysokiej temperatury są około 10 razy mniejsze niż z paliw kopalnych.

Natomiast CO2 emitowane z zasobów geotermalnych niskotemperaturowych, wykorzystywanych do celów bezpośrednich, to tylko ułamek tych, z pól geotermalnych o wysokiej temperaturze.

W Reykjaviku, zawartość CO2 emitowana z wykorzystywanych zasobów niskotemperaturowych jest niższa niż zawarta w zimnej wodzie gruntowej .

Pompy ciepła mają również duży potencjał redukcji emisji CO2 .

Ponadto, jeśli energia elektryczna, która napędza pompę jest produkowany z odnawialnych źródeł energii, takich jak elektrownie wodne lub energii geotermalnej, emisja CO2 będzie zerowa.

Wykorzystanie doświadczeń Islandii

Poziom CO2 w atmosferze stale rośnie, dlatego musimy wspierać działania, które stabilizują ten poziom poniżej 350 części na milion, a zatem zmniejszają zagrożenia zmian klimatu na przyszłość.

Rozwój zasobów geotermalnych na świecie jest sposobem na ograniczenie wpływu na środowisko przy produkcji energii.

Reykjavik jest obecnie jedną z najczystszych stolic świata, dzięki zmniejszeniu emisja CO2 poprzez wymianę źródeł ogrzewania opartego na węglu i oleju na ogrzewanie geotermalne.

Na szczęście są kraje intensywnie rozwijające się, takie jak Chiny (obecnie kraj o najwyższym bezpośredniego wykorzystania zasobów geotermalnych) i Kenia, które są zainteresowane wykorzystaniem geotermalnego doświadczenia Islandii.

“Zapotrzebowanie na energię elektryczną w Kenii nadal rośnie i nacisk kładziony jest na konwencjonalne źródła energii, jak i odnawialną energię wodną”, powiedział kenijski geochemik, Sylvia Joan Malimo.

“Rząd kenijski planuje dalszego wykorzystanie pól geotermalnych w celu uzupełnienia obecnych źródeł energii elektrycznej i zwiększenie do dziesięciu razy zainstalowanej mocy geotermalnej. “

Badania na całym świecie trwają nad  doskonaleniem systemów geotermalnych, które są jeszcze w początkowej fazie rozwoju.

Może to stworzyć ogromne nowe możliwości.

Korzystanie z takiej nowej technologii, pozwalającej np: wykorzystywać zasoby gorącej magmy oznaczałoby, że energia geotermalna może być pobierana z miejsc, które nie posiadają podziemnych kieszeni pary lub przegrzanej wody.

Z pewnością wykorzystanie energii geotermalnej jest korzystne.

Energia Geotermalna w Polsce

Energia geotermalna i wody geotermalne w Polsce to przeważnie ciepłownictwo systemowe oraz balneoterapia (za: Beata Kępińska, Marek Hajto; Przegląd Wykorzystania Energii Geotermalnej w Polsce, w latach 2022–2023; VIII Ogólnopolski Kongres Geotermalny Kraków 2023)

• w przypadku systemów c.o. z udziałem energii geotermalnej, od 2022 r. w Polsce pracuje ich siedem: na Podhalu (od 1993 r.), w Mszczonowie (od 2000 r.), Pyrzycach (1996 r.), Uniejowie (od 2000 r.), Stargardzie (od 2006 r., po renowacji od 2012 r.), Poddębicach (od 2013 r.) oraz w Toruniu (od jesieni 2022 r.).
• w końcu 2022 r. łączna zainstalowana cieplna moc geotermalna tych systemów wynosiła ok. 129 MW.
• udział ciepła geotermalnego w produkcji i sprzedaży ciepła w wyżej wymienionych, poszczególnych systemach wahał się w zakresie 30–100%.
• w 2022 roku było w Polsce 12 uzdrowisk stosujących wody geotermalne.
• w sektorze rekreacji, spa i wellness działało co najmniej 17 ośrodków stosujących wody geotermalne.

Energia geotermalna wady i zalety

Zalety wykorzystania energii geotermalnej są oczywiste, należą do nich:

• niezawodne źródło zasilania – w przeciwieństwie do energii słonecznej i wiatrowej, energia geotermalna jest zawsze dostępna, 365 dni w roku
• nadaje się do instalacji na dużą i małą skalę,
• jest stosunkowo niedroga – oszczędności wynikające z bezpośredniego wykorzystania mogą sięgać nawet 80% w porównaniu z paliwami kopalnymi.

Ale energia geotermalna, jej wykorzystanie, niesie za sobą też ryzyka / wady:

• zanieczyszczenie powietrza i wody to dwa główne problemy środowiskowe związane z technologiami energii geotermalnej,
• obawy dotyczą bezpiecznego usuwania odpadów niebezpiecznych,
• ryzyko stanowić może też lokalizacja i osiadania gruntu, będące efektem odwiertów,
• ponadto większość elektrowni geotermalnych wymaga dużej ilości wody do chłodzenia.
• wysokie koszty początkowe inwestycji.

Jak możemy wykorzystać energię geotermalną w mikroskali ?

zdjęcie wprowadzające: Rxn111130 lic. CC BY-SA 4.0

w artykule wykorzystano tekst  Dorthe H. Holm is licensed under a CC BY-NC-SA 3.0

 CZY WIESZ ?

Polska ma największe zasoby wód geotermalnych w Europie, ale energetykę geotermalną rozwija powolutku !