Energia geotermalna – zasada działania i wykorzystanie

Czas czytania:0min0s
0%
energia geotermalna

Energię można pozyskiwać nie tylko z siły żywiołów takich jak słońce, wiatr czy woda. Efektywne źródła znajdują się również głęboko pod powierzchnią gruntu. Energia z wnętrza Ziemi – czym jest i jak powstają ciepło oraz prąd z energii geotermalnej? Dowiedz się więcej o tym najbardziej zagadkowym odnawialnym źródle energii.

Geotermia – popularność w Polsce i na świecie

Energia geotermalna, zarówno na całym świecie, jak i w samej Polsce, nie jest najpopularniejszym z odnawialnych źródeł. Jej potencjał jest jednak ogromny. Całość bazuje na tzw. gorących źródłach i wielu osobom z pewnością kojarzy się z islandzkimi gejzerami. I słusznie. Jako przykład na początek Islandia będzie doskonałym wzorem wykorzystania energii z wnętrza Ziemi. W tym kraju ponad 90% energii wykorzystywanej do ogrzewania pochodzi właśnie z geotermii. Coraz częściej też z odnawialnego źródła generowana jest energia elektryczna.

Islandia korzysta z wyjątkowych warunków, jakie stwarza jej geograficzne położenie. Obrazowym dla ukazania tego, czym jest energia geotermalna widokiem, są naturalne gejzery. Siłę, która tkwi pod ziemią pokazują te największe - jeden z nich – Steamboat Geyser, znajdujący się na terenie Parku Narodowego Yellowstone w USA, wyrzuca wodę nawet na 90 metrów, a unosząca się para ma 92°C. Ilość ciepła zmagazynowana we wnętrzu naszej planety jest ogromna i wynosi ok. 35 TW. Do głębokości 10 km przekracza 50 000-krotnie ilość ciepła zgromadzoną we wszystkich złożach gazu ziemnego i ropy naftowej na całym świecie. To tylko pokazuje możliwości, jakie są ukryte pod ziemią i które z powodzeniem można wykorzystać w celach energetycznych.

Oprócz Islandii, wykorzystanie energii geotermalnej rozwija się również we wspomnianych Stanach Zjednoczonych, a także m.in. w Turcji, Nowej Zelandii, Indonezji i na Filipinach. Nie trzeba jednak szukać daleko, bowiem również w Polsce korzysta się z geotermii.

Najlepszym tego przykładem jest duża inwestycja o nazwie Geotermia Podhalańska – zasila ona 90% hoteli w Zakopanem, dostarczając do nich ciepło. Przedsięwzięcie jest wciąż rozwijane i dołącza do niego coraz więcej małopolskich gospodarstw. Jak w ogóle doszło do tego, że zaczęto w Polsce wykorzystywać energię geotermalną? Złoża były często odkrywane wtedy, kiedy szukano zupełnie czego innego – ropy naftowej. Tak było chociażby w przypadku okolic Bańskiej Niżnej. Dzisiaj poszukiwanie możliwości pozyskiwania energii z wód geotermalnych jest już celem samym w sobie, a jej źródła są coraz częściej zagospodarowywane – elektrownie geotermalne znajdują się m.in. w Mszczonowie, Poddębicach, Pyrzycach i Uniejowie. Są to inwestycje zorientowane na pozyskiwanie ciepła, nie prądu. Energia geotermalna w Polsce ma się więc całkiem dobrze, jednak są wciąż niewykorzystane obszary występowania wód geotermalnych, które dają szansę na nowe inwestycje.

Czy wiesz że…
W Polsce również wykorzystuje się energię geotermalną do generowania ciepła. Największą i najbardziej znaną tego typu inicjatywą jest tzw. Geotermia Podhalańska, zasilająca 90% zakopiańskich hoteli.

Wiemy już gdzie najczęściej jest wykorzystywana, jednak na czym polega energia geotermalna? Jak powstaje i skąd się bierze? Już wyjaśniamy.

Energia geotermalna - jak to działa?

Energia geotermalna to nic innego jak energia cieplna pochodząca z wnętrza Ziemi. Swój początek bierze w płaszczu Ziemi, gdzie powstaje na skutek rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Ze względu na to, że podczas rozpadu jądrowego wydzielane są duże ilości energii, w samym sercu planety panują bardzo wysokie temperatury, osiągające nawet kilka tysięcy stopni Celsjusza. To wszystko dzieje się jednak kilometry w głąb Ziemi. Im wyżej i bliżej do powierzchni, tym temperatura jest niższa - spadek to nawet 80° C na jeden kilometr. Na skutek konwekcji, tzn. ruchu materii związanego z różnicami temperatur, tak przetransportowana energia cieplna gromadzi się w skałach i wodzie znajdującej się głęboko pod skorupą Ziemi. Ciepło to dalej albo kumuluje się pod powierzchnią, zalegając na głębokościach, albo wydobywa się na zewnątrz – to zjawisko widoczne w postaci gejzerów.

Nie wszędzie energia geotermalna może być wykorzystywana w takim samym stopniu. Jej efektywność jest uzależniona od warunków geograficznych, a dokładniej geologicznych, związanych m.in. z aktywnością wulkaniczną czy infiltracją wód opadowych. Znaczenie ma też wymiar tzw. gradientu geotermicznego, czyli wskaźnika opisującego zmiany temperatury Ziemi wraz z głębokością. Dla Polski ten parametr wynosi ok. 32-33°C/km, zaś w przypadku Islandii to nawet 100°C/km.

Pozyskiwanie energii geotermalnej bazuje na wydobywaniu jej za pomocą odwiertów o głębokości kilku kilometrów. Z tego też powodu jest to najtrudniejsze do wykorzystania odnawialne źródło energii, gdyż wymaga ono zaawansowanej technologii i dużych nakładów. Jednak sama zasada działania jest dosyć prosta.

Wykonuje się zwykle dwa otwory w ziemi – jeden do pobierania gorącej wody lub pary wodnej, drugi do „oddawania” wody z powrotem pod powierzchnię. Omówmy najpierw, jak pobrana gorąca woda może zostać wykorzystana do ogrzania naszych mieszkań. W uproszczeniu, proces ten bazuje na trzech elementach – zamkniętym pierwszym obiegu, w którym płynie woda pozyskiwana z Ziemi, wymienniku ciepła oraz zamkniętym drugim obiegu, w którym płynie woda dostarczana z elektrowni geotermalnych do naszych domów. Zamknięty obieg oznacza, że woda głębinowa nie miesza się z wodą płynącą w instalacji kanalizacyjnej.  Gorąca woda spod ziemi (może mieć nawet 250 stopni Celsjusza!) zostaje wypompowana na powierzchnię. Trafia do wymiennika ciepła, gdzie oddaje część swojej energii wodzie krążącej w drugim obiegu, która to cieplejsza wraca do naszych mieszkań. Po ochłodzeniu woda głębinowa zostaje odpompowana pod powierzchnię Ziemi, gdzie ponownie się ogrzewa i cały proces można powtórzyć.

A jak to się dzieje, że z gorącej wody można wyprodukować prąd? W tym przypadku, woda wydobyta z wnętrza Ziemi musi mieć o wiele wyższą temperaturę i ciśnienie niż ta, którą możemy wykorzystać do produkcji energii cieplnej. Woda na potrzeby produkcji energii elektrycznej może mieć nawet 460°C i ciśnienie 30 bar, czyli 30 razy większe niż to, z którym stykamy się na co dzień! Woda o takich parametrach jest wypompowana spod powierzchni i trafia na turbinę, gdzie część jej energii cieplnej zostaje przekształcona na energię mechaniczną. Następnie energia ta zostaje przekazana do generatora, który przekształca ją na energię elektryczną. Po przekazaniu energii, woda głębinowa zostaje z powrotem oddana pod ziemię. W ten sposób zamyka się cykl.

Należy pamiętać, że cel, w jakim można pobierać energię zależy m.in. od rodzaju źródła. Jeśli jest ono niskotemperaturowe – zwykle możliwe będzie korzystanie jedynie na potrzeby ogrzewania. Jeśli jest wysokotemperaturowe – realne jest również wykorzystanie w celu generowania prądu. Wciąż wykorzystanie energii geotermalnej bazuje najczęściej na produkcji ciepła. Najlepszym przykładem tego, że stosunek wykorzystania jest nierówny, są dane z Islandii, czyli lidera jeśli chodzi o kraje korzystające z geotermii. Ponad 90% mieszkańców może tam używać energii geotermalnej do celów grzewczych. Jeśli jednak chodzi o energię elektryczną, to z wnętrza Ziemi pochodzi tylko ok. 27% całkowitej produkcji.

Źródła i wykorzystanie energii geotermalnej

W kontekście rodzaju źródła warto dodać, że nie każde będzie równie efektywne. Dla opłacalności wydobycia liczy się nie tylko temperatura, ale i skład chemiczny źródła. Dlaczego? Chodzi m.in. o stopień mineralizacji – jeśli złoża są mocno zmineralizowane, to koszt wydobycia jest wyższy, ponieważ w odwiertach gromadzą się osady powodujące korozję. Nie zawsze więc będzie warto próbować pozyskiwać ciepło z takiego odwiertu.

Jak korzystać z energii geotermalnej? Są dwa podstawowe sposoby – bezpośrednie użytkowanie ciepła z energii źródła lub korzystanie z wykorzystaniem pompy ciepła. Wszystko zależy od odległości od źródła wód geotermalnych, jego możliwości oraz celów, jakim służyć ma pobierana energia.

Czy wiesz że…
Tzw. płytka geotermia umożliwia wykorzystanie energii z wnętrza Ziemi na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych. To sposób na uzyskanie m.in. efektywnego ogrzewania.

Energia geotermalna może być wykorzystywana również na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych. Zwykle w tym kontekście mowa jest o tzw. płytkiej geotermii, która bazuje na wykorzystaniu wspomnianych pomp ciepła. Ogrzewanie geotermiczne w domu współpracuje z tradycyjnymi instalacjami, takimi jak grzejniki czy systemy podłogowe. Ten sposób ogrzewania jest bardzo wydajny i efektywny, montowana w gruncie instalacja charakteryzuje się niskimi kosztami eksploatacji. Należy jednak zaznaczyć, że dość wysokie są początkowe wydatki – zaczynają się od kilkudziesięciu tysięcy złotych.

Zalety energii geotermalnej

Geotermia to świetna alternatywa dla tradycyjnych sposobów na ogrzewanie z użyciem kotłów czy gazu. To również nowoczesny sposób na pozyskiwanie energii elektrycznej. Jakie są plusy wykorzystania energii z ciepła geotermalnego? Na pewno brak emisji szkodliwych substancji do atmosfery oraz odnawialność. Jej generowanie nie wpływa negatywnie na klimat czy środowisko.

Z praktycznego i efektywnościowego punktu widzenia energia geotermalna to również dobry wybór. Jest bowiem niezależna od warunków pogodowych, jej moc jest równomierna w skali roku. Można łatwiej przewidzieć, ile energii uda się pozyskać, ponieważ nie ma dodatkowych czynników warunkujących jej efektywność. To przewaga geotermii nad takimi odnawialnymi źródłami energii jak słońce czy wiatr.

Energia geotermalna może być również wykorzystywana na mniejszą skalę niż z wykorzystaniem głębokich, kilkukilometrowych odwiertów. Na poziomie pojedynczego gospodarstwa domowego mowa jest zwykle o tzw. płytkiej geotermii. W takim przypadku instalacja OZE sprawia, że dom nabiera większej wartości – jest w nim dostęp do własnego, ekologicznego źródła energii.

Wady energii geotermalnej

Odnawialne źródło energii z wnętrza Ziemi ma również swoje wady i minusy. Jednym z nich jest to, że nie na każdym terenie jego wykorzystanie jest możliwe. Po pierwsze, nie wszędzie znajdują się równie efektywne źródła (czyli takie o odpowiedniej temperaturze). Po drugie, nawet jeśli są gdzieś pod powierzchnią, to czasem jest to na tyle głęboko osadzone złoże, że nie jest opłacalne jego wydobycie.

W kwestii korzystania z energii geotermalnej pewnego rodzaju minusem jest też sama technologia pozyskiwania. Chodzi o to, że potrzebna jest cała infrastruktura, system odwiertów – jest to więc dosyć kosztowne rozwiązanie. Czasem mówi się też, że energia geotermalna nie jest do końca odnawialnym źródłem. Dlaczego? Wszystko z uwagi na fakt, że zasoby ciepła we wnętrzu Ziemi są w pewnym stopniu ograniczone. Uważa się, że pobierając gorącą wodę lub parę i oddając ją w formie zimnej, stopniowo wychładza się źródła. Jest to bardzo powolny proces, ale jednak w jakimś stopniu wyczerpujący złoże. Wydaje się jednak, że stosunek ciepła znajdującego się we wnętrzu Ziemi, do stopnia, w jakim wykorzystywana jest energia geotermalna, nie daje uzasadnienia do martwienia się tym tematem przez najbliższe dziesiątki lat.

Energia z wnętrza Ziemi – nie tylko ciepło

Pozyskiwanie energii z wód geotermalnych ma swoje zalety i wady i może brzmi skomplikowanie, ale wcale takie nie jest. Korzystanie z geotermii jest możliwe zarówno w dużej skali, gdzie inwestycje są podejmowane na szczeblu państw i rządów, jak i na poziomie pojedynczych gospodarstw domowych. Chociaż jest to najtrudniejsze do pozyskiwania odnawialne źródło energii, to jednak z pewnością w najbliższych latach wykorzystanie energii geotermalnej będzie coraz większe, a technologia rozwijając się, będzie oferowała dodatkowe możliwości. Najistotniejsze dla popularyzacji wydaje się obecnie zwiększenie roli geotermii w generowaniu energii elektrycznej (nie jedynie cieplnej) oraz obniżenie kosztów samych inwestycji w elektrownie geotermalne.

Dowiedz się więcej o odnawialnych źródłach energii. Przeczytaj artykuł!