Energia geotermalna: definicja, zasoby i zastosowania

Poznaj energię geotermalną: definicję, zasoby i zastosowania — od elektrowni i ciepłownictwa po pompy ciepła. Zrównoważone ogrzewanie i efektywna produkcja energii elektrycznej.

Energia geotermalna (z greckich korzeni geo, czyli ziemi, oraz z termosu, czyli ciepła) to energia wytwarzana przez ciepło wewnątrz skorupyziemskiej.

Chociaż Słońce ogrzewa powierzchnię Ziemi, ciepło z wnętrza Ziemi nie jest spowodowane przez Słońce. Energia geotermalna skorupy ziemskiej pochodzi w 20% z pierwotnej formacji planety, a w 80% z radioaktywnego rozkładu minerałów. Ziemia jest najcieplejsza w swoim jądrze i od jądra do powierzchni ziemi temperatura stopniowo się schładza.

Zasoby energii geotermalnej sięgają od płytkiego gruntu do gorącej wody i gorącej skały znajdującej się kilka mil lub kilometrów pod powierzchnią ziemi, a w dół jeszcze głębiej do ekstremalnie wysokich temperatur stopionej skały zwanej magmą. Od czasów paleolitu była używana do kąpieli, ale obecnie jest lepiej znana z wytwarzania energii elektrycznej.

Na całym świecie energia geotermalna została wykorzystana do wytworzenia około 10 gigawatów energii elektrycznej w roku 2007, co stanowi około 0,3% energii elektrycznej zużywanej na całym świecie. W przypadku wykorzystania do wytwarzania energii elektrycznej, elektrownie geotermalne oferują zazwyczaj stałą moc.

Energia geotermalna jest również wykorzystywana bezpośrednio w ciepłownictwie komunalnym lub w innych zastosowaniach grzewczych i chłodniczych. Budynki w Islandii są ogrzewane w ten sposób z wielu miejsc geotermalnych w kraju.

Elektrownie i termiczne zastosowania energii geotermalnej są technologiami dojrzałymi, natomiast projekty ulepszonych systemów geotermalnych (EGS) są nowym rodzajem zastosowania.

Prawie wszędzie, ziemia 10 stóp (3 m) pod powierzchnią ziemi utrzymuje prawie stałą temperaturę pomiędzy 50° a 60°F (10° a 16 °C). Geotermiczne pompy ciepła mogą wykorzystać ten zasób do ogrzewania i chłodzenia budynków. System geotermicznej pompy ciepła składa się z pompy ciepła, systemu dostarczania powietrza (kanały) oraz wymiennika ciepła - systemu rur zakopanych w płytkim gruncie w pobliżu budynku. W okresie zimowym pompa ciepła pobiera ciepło z wymiennika ciepła i pompuje je do wewnętrznego systemu dostarczania powietrza. Latem proces ten jest odwrotny, a pompa ciepła ponownie wykorzystuje moc, aby przenieść ciepło z powietrza wewnętrznego do wymiennika ciepła. Ciepło usuwane z powietrza wewnętrznego w okresie letnim może być również wykorzystane do zapewnienia darmowego źródła ciepłej wody. Moc do uruchomienia pompy ciepła pochodzi z innego źródła.

Energia geotermalna uchodzi w wielu gorących źródłach jako gorąca woda lub jako para w gejzerach.

W Stanach Zjednoczonych większość geotermalnych zbiorników gorącej wody znajduje się w zachodnich stanach, na Alasce i Hawajach. Odwierty można wiercić w podziemnych zbiornikach w celu wytworzenia energii elektrycznej. Niektóre elektrownie geotermalne wykorzystują parę wodną ze zbiornika do zasilania turbiny / generatora, podczas gdy inne wykorzystują gorącą wodę do gotowania cieczy roboczej, która paruje, a następnie obraca turbinę. Gorąca woda w pobliżu powierzchni Ziemi może być wykorzystywana bezpośrednio do ogrzewania. Bezpośrednie zastosowania obejmują ogrzewanie budynków, uprawę roślin w szklarniach, suszenie upraw, ogrzewanie wody w gospodarstwach rybnych oraz kilka procesów przemysłowych, takich jak pasteryzacja mleka.

Zasoby gorącej, suchej skały występują na głębokościach od 3 do 5 mil (5-8 km) wszędzie pod powierzchnią ziemi i na mniejszych głębokościach w niektórych miejscach. Dostęp do tych zasobów polega na wtłaczaniu zimnej wody do jednego odwiertu, przepuszczaniu jej przez gorące, szczelinowane skały i pobieraniu podgrzanej wody z innego odwiertu. Obecnie nikt nie stosuje tej metody komercyjnie. Istniejąca technologia nie pozwala jeszcze na odzyskanie ciepła bezpośrednio z magmy, bardzo głębokiego i najpotężniejszego zasobu energii geotermalnej.

Rodzaje zasobów geotermalnych

Można wyróżnić kilka kategorii zasobów geotermalnych:

• Płytkie ciepło gruntowe – zasób wykorzystywany przez pompy ciepła, dostępny na głębokości kilku metrów; temperatura jest tam stosunkowo stała przez cały rok.
• Gorące źródła i zbiorniki hydrotermalne – naturalne zasoby gorącej wody lub pary, wykorzystywane bezpośrednio lub do produkcji energii elektrycznej.
• Gorąca sucha skała (HDR) – skały o wysokiej temperaturze, ale małej przepuszczalności; wymagają sztucznego stworzenia przepływu (EGS).
• Magmatyczne źródła – bardzo wysokie temperatury w pobliżu magmy; mają największy potencjał, ale dostęp technologiczny jest trudny i kosztowny.

Technologie wytwarzania energii elektrycznej

Główne technologie stosowane w elektrowniach geotermalnych to:

• Elektrownie na parę suchą – wykorzystują bezpośrednio parę z wnętrza ziemi do napędu turbiny (stosunkowo rzadkie, wymagają wysokiej temperatury i dużej dostępności pary).
• Elektrownie typu flash – gorąca woda z podziemnego zbiornika jest dekompresowana (flash), część cieczy odparowuje, a para napędza turbinę. Jest to powszechne rozwiązanie dla zbiorników o wysokiej temperaturze.
• Elektrownie binarne (obieg binarny) – gorąca woda podgrzewa ciecz roboczą o niskiej temperaturze wrzenia (np. organiczny czynnik Rankine’a), która paruje i napędza turbinę. Pozwala to wykorzystywać niższe temperatury zasobów i minimalizuje emisje.

Elektrownie geotermalne cechuje wysoki współczynnik wykorzystania mocy (capacity factor), dzięki czemu mogą dostarczać stabilną moc bazową niezależnie od warunków pogodowych.

Pompy ciepła i bezpośrednie zastosowania

Systemy geotermicznych pomp ciepła wykorzystują stałą temperaturę gruntu do efektywnego ogrzewania i chłodzenia budynków. Istnieją dwa podstawowe układy wymiennika gruntowego:

• Pionowe sondy – przewody wiercone w głąb (zajmują mniejszą powierzchnię, ale są droższe w instalacji).
• Poziome pętle – rury układane na większej powierzchni na głębokości około 1–2 m (tańsze, wymagają większego terenu).

Systemy te mogą być zamknięte (obieg płynu roboczego w rurach) lub otwarte (cyrkulacja wód gruntowych). Typowy współczynnik wydajności (COP) pomp geotermalnych wynosi zwykle kilka jednostek (często 3–5), co oznacza, że na jednostkę energii elektrycznej zużytej przez pompę przypada kilka jednostek ciepła dostarczonego do budynku.

Ulepszone systemy geotermalne (EGS)

Ulepszone systemy geotermalne (EGS) polegają na sztucznym zwiększaniu przepuszczalności gorącej, suchej skały poprzez szczelinowanie hydrauliczne i wtłaczanie wody, która po ogrzaniu jest odbierana innym odwiertem. EGS może znacząco zwiększyć dostęp do zasobów geotermalnych na obszarach bez naturalnej przepuszczalności. Wadami i wyzwaniami są wysokie koszty wierceń, zarządzanie przepływem i ryzyko indukowanych trzęsień ziemi, które wymaga monitoringu i środków zaradczych (przykłady projektów demonstracyjnych i problemów sejsmicznych odnotowano m.in. w Europie i Australii).

Zalety i ograniczenia energii geotermalnej

• Zalety: stabilne dostawy energii (możliwość pracy jako źródło bazowe), niskie emisje gazów cieplarnianych w porównaniu do paliw kopalnych, niewielka zajmowana powierzchnia elektrowni, możliwość bezpośredniego użycia ciepła (np. ciepłownictwo, przemysł, rolnictwo).
• Ograniczenia: wysokie koszty początkowe (wiercenia i eksploracja), lokalność zasobów wysokotemperaturowych (konieczność odpowiedniej geologii), ryzyko wystąpienia emisji gazów (np. H2S), subsydencji gruntu i możliwego wywoływania trzęsień ziemi przy EGS.

Oddziaływanie na środowisko i bezpieczeństwo

Energia geotermalna ma relatywnie niewielki ślad węglowy. Emisje CO2 z elektrowni geotermalnych są zwykle znacznie niższe niż w elektrowniach opartych na paliwach kopalnych, choć w niektórych złożach spod ziemi mogą wydostawać się związki siarki i inne gazy. Wymagane są odpowiednie systemy zarządzania płynami wiertniczymi, ochrona infrastruktury przed korozją i monitoring sejsmiczny dla projektów głębokich (szczególnie EGS).

Skala wykorzystania i perspektywy

Do 2007 r. na świecie wybudowano około 10 gigawatów mocy elektrycznej z geotermii. Od tego czasu moc zainstalowana wzrosła — obecnie globalnie mamy do czynienia z kilkunastoma gigawatami zainstalowanej mocy elektrycznej oraz znacznie większą skalą bezpośrednich zastosowań ciepła (ciepłownictwo, przemysł, rolnictwo). Kraje takie jak Islandia, Filipiny, Indonezja, Stany Zjednoczone, Turcja i Nowa Zelandia są ważnymi producentami energii geotermalnej.

Przyszły rozwój zależy od obniżenia kosztów wierceń i technologii głębokiego wydobycia ciepła, dalszego rozwoju EGS oraz integracji geotermii z systemami ciepłowniczymi i magazynowaniem energii. Geotermia może odegrać istotną rolę w dekarbonizacji systemów energetycznych, szczególnie jako stabilne źródło ciepła i energii elektrycznej.

Praktyczne wskazówki

• Przy planowaniu instalacji geotermicznej (pompa ciepła) warto wykonać badania geologiczne i hydrologiczne oraz porównać koszty inwestycji z oszczędnościami energetycznymi w długim terminie.
• Dla regionów o naturalnych źródłach gorącej wody lub pary opłacalne może być połączenie produkcji energii elektrycznej z zastosowaniami bezpośrednimi (kogeneracja, ciepłownictwo).
• Projekty EGS wymagają szczególnej oceny ryzyka sejsmicznego i zaangażowania społeczności lokalnych.

Energia geotermalna to zróżnicowana i stabilna technologia energetyczna z dużym potencjałem — od efektywnego ogrzewania domów po dostarczanie energii elektrycznej na skalę przemysłową. Jej dalszy rozwój zależy od postępu technologicznego, ekonomiki wierceń oraz właściwego zarządzania środowiskowego.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest energia geotermalna?

P: Jaką część światowej energii elektrycznej wytworzyła geotermia w 2007 roku?

P: Jaką temperaturę utrzymuje ziemia na głębokości 10 stóp pod powierzchnią ziemi?

P: Jak można wykorzystać geotermalne pompy ciepła do ogrzewania budynków?

P: Czy projekty rozszerzonych systemów geotermalnych to dojrzałe technologie?

Szukaj według litery