Co to jest energia geotermalna i jakie ma podstawy?

Energia geotermalna to ciepło zgromadzone wewnątrz Ziemi, które można pozyskiwać do produkcji energii elektrycznej, ogrzewania oraz chłodzenia [1][2]. To odnawialne źródło energii wykorzystuje naturalne procesy zachodzące w głębokich warstwach naszej planety, oferując alternatywę dla tradycyjnych paliw kopalnych.

Podstawy fizyczne energii geotermalnej

Energia geotermalna ma swoje źródła w dwóch głównych procesach zachodzących we wnętrzu Ziemi. Pierwszym z nich jest rozpadu izotopów promieniotwórczych, które w sposób ciągły generują ciepło w głębokich warstwach skorupy ziemskiej [1]. Drugim źródłem jest pierwotne ciepło Ziemi, pozostałe z okresu formowania się planety [1].

Te procesy powodują, że magma pod skorupą ziemską osiąga temperatury od 700 do 1300°C [3]. Ciepło to stopniowo przenika w kierunku powierzchni, nagrzewając kolejne warstwy skał oraz podziemne wody. W rezultacie, im głębiej sięgamy, tym wyższe temperatury możemy napotkać, co stanowi podstawę dla różnorodnych zastosowań geotermalnych.

Nazwa „geotermalna” pochodzi od greckich słów „geo” (ziemia) i „thermos” (ciepło) [3], doskonale oddając istotę tego źródła energii. Energia geotermalna może występować naturalnie w postaci gejzerów, gorących źródeł i parowych kanałów [3], które od wieków fascynują ludzkość i wskazują na potencjał energetyczny wnętrza Ziemi.

Charakterystyka jako źródła odnawialnego

Energia geotermalna jest zaliczana do odnawialnych źródeł energii, jednak jej odnawianie przebiega w sposób powolny [2]. Ta charakterystyka wymaga szczególnego podejścia do eksploatacji zasobów geotermalnych. Eksploatacja musi być prowadzona z umiarem, aby nie doszło do wychłodzenia złóż czy spadku ciśnienia w systemach geotermalnych [2].

Zrównoważone wykorzystanie energii geotermalnej oznacza konieczność zachowania równowagi między poborem energii a naturalną regeneracją zasobów ciepła w danym rejonie [2]. Intensywna eksploatacja może prowadzić do lokalnego obniżenia temperatury lub ciśnienia w złożu, co wpłynęłoby negatywnie na jego długoterminową wydajność.

Zużycie energii geotermalnej jest ograniczone przez powolne odnawianie ciepła i konieczność zachowania tej równowagi eksploatacyjnej [4]. Dlatego planowanie i zarządzanie projektami geotermalnymi wymaga dokładnej analizy potencjału złoża oraz monitorowania jego parametrów w trakcie eksploatacji.

Geotermia płytka – wykorzystanie górnych warstw gruntu

Geotermia płytka to technologia wykorzystująca ciepło z górnych warstw gruntu, głównie za pomocą pomp ciepła do ogrzewania budynków [1]. Ten sposób pozyskiwania energii geotermalnej nie wymaga głębokich odwiertów, co czyni go dostępnym dla szerokiego grona użytkowników.

Gruntowe pompy ciepła stanowią kluczowy element systemów geotermii płytkiej, przenosząc ciepło z gruntu do ogrzewanych obiektów [1][2]. Systemy te wykorzystują stabilną temperaturę gruntu na głębokości kilku metrów, która przez cały rok utrzymuje się na względnie stałym poziomie.

Energia z geotermii płytkiej uzyskiwana jest poprzez wymianę ciepła między gruntem a systemem grzewczym budynku. Pompy ciepła pobierają energię cieplną z gruntu i przekształcają ją na wyższą temperaturę, umożliwiającą efektywne ogrzewanie pomieszczeń. Ten proces jest szczególnie efektywny energetycznie, ponieważ wykorzystuje naturalną akumulację ciepła w górnych warstwach ziemi.

Geotermia głęboka i systemy hydrotermalne

Geotermia głęboka polega na wydobywaniu gorącej wody lub pary z dużych głębokości do produkcji energii elektrycznej i ciepła [1]. Ta technologia wymaga wykonania odwiertów sięgających setek lub tysięcy metrów w głąb ziemi, gdzie temperatury są znacznie wyższe niż w przypadku geotermii płytkiej.

Hydrotermalne systemy geotermalne wykorzystują naturalnie występujące zasoby gorącej wody pod powierzchnią ziemi [1]. Te systemy bazują na naturalnych zbiornikach wód termalnych, które zostały nagrzane przez procesy geotermalne zachodzące w głębokich warstwach skorupy ziemskiej.

W Polsce temperatury wód geotermalnych wahają się od 20 do 100°C na głębokościach 700-3000 metrów [4]. Najbardziej perspektywiczne rejony geotermalne w naszym kraju to niecka podhalańska, obszar grudziądzko-warszawski oraz szczeciński [4]. Te regiony charakteryzują się korzystnymi warunkami geologicznymi dla rozwoju projektów geotermalnych.

Systemy hydrotermalne wykorzystują gorącą wodę lub parę do napędu turbin generujących energię elektryczną lub do bezpośredniego wykorzystania w celach grzewczych [1][2]. Efektywność tych systemów zależy od temperatury, wydajności złoża oraz jego trwałości eksploatacyjnej.

Zaawansowane systemy petrotermalne EGS

Systemy petrotermalne, określane również jako Enhanced Geothermal Systems (EGS), reprezentują najbardziej zaawansowaną technologię pozyskiwania energii geotermalnej. Te systemy polegają na sztucznym zwiększaniu przepuszczalności skał poprzez obróbkę hydrauliczną, co umożliwia wydobycie energii z gorących, suchych skał [1].

Technologia EGS polega na wtłaczaniu wody do gorących suchych skał pod wysokim ciśnieniem, co zwiększa ich przepuszczalność i umożliwia pozyskanie ciepła [1]. Process ten tworzy sztuczne systemy cyrkulacji, gdzie woda wtłaczana jednym odwiertem pobiera ciepło ze skał i powraca na powierzchnię przez drugi odwiert w postaci gorącej wody lub pary.

Systemy EGS otwierają możliwości wykorzystania energii geotermalnej w regionach, gdzie naturalne systemy hydrotermalne nie występują lub są niewystarczające. Ta technologia znacznie rozszerza potencjał geograficzny energetyki geotermalnej, umożliwiając dostęp do ogromnych zasobów ciepła zakumulowanych w suchych skałach.

Rozwój systemów petrotermalnych wymaga jednak zaawansowanej technologii wiertniczej oraz dokładnego monitorowania procesów hydraulicznego szczelinowania skał. Kluczowym elementem jest zapewnienie odpowiedniej przepuszczalności skał przy jednoczesnym zachowaniu stabilności geologicznej obszaru eksploatacji.

Komponenty i infrastruktura systemów geotermalnych

Systemy geotermalne składają się z kilku kluczowych elementów, które wspólnie umożliwiają efektywne pozyskiwanie i wykorzystanie energii cieplnej Ziemi. Odwierty stanowią podstawowy element infrastruktury, umożliwiając dostęp do zasobów geotermalnych na różnych głębokościach.

Wymienniki ciepła odgrywają kluczową rolę w transferze energii cieplnej z medium geotermalnego do systemów końcowego wykorzystania. Te urządzenia zapewniają efektywną wymianę ciepła przy jednoczesnym separowaniu czynnika geotermalnego od systemu użytkowego.

Pompy ciepła w systemach geotermii płytkiej oraz instalacje do konwersji energii cieplnej na elektryczną w systemach głębokiej geotermii stanowią kolejne niezbędne komponenty. Te urządzenia przekształcają surową energię cieplną w formy użyteczne dla końcowych odbiorców.

Istnieje bezpośredni związek między głębokością odwiertów, temperaturą złoża i jego potencjałem energetycznym – im głębsze odwierty, tym wyższe temperatury i większe możliwości zastosowań energetycznych. Ta zależność określa ekonomiczną opłacalność oraz techniczną wykonalność projektów geotermalnych.

Infrastruktura geotermalna wymaga również systemów monitoringu i kontroli, które zapewniają bezpieczną i efektywną eksploatację zasobów. Systemy te śledzą parametry takie jak temperatura, ciśnienie, wydajność oraz jakość medium geotermalnego.

Zastosowania i potencjał energetyczny

Energia geotermalna znajduje szerokie zastosowanie w różnych sektorach gospodarki, od bezpośredniego wykorzystania do ogrzewania budynków po produkcję energii elektrycznej na skalę przemysłową. Niskie i średnie temperatury wód geotermalnych są idealne do zastosowań grzewczych, natomiast wysokie temperatury umożliwiają efektywną produkcję energii elektrycznej.

Systemy centralnego ogrzewania wykorzystujące energię geotermalną charakteryzują się wysoką niezawodnością i stabilnością dostaw ciepła przez cały rok. W przeciwieństwie do innych odnawialnych źródeł energii, geotermia nie jest zależna od warunków atmosferycznych czy pór roku.

Produkcja energii elektrycznej z zasobów geotermalnych wymaga wyższych temperatur, ale oferuje możliwość ciągłej pracy niezależnie od warunków zewnętrznych. Ta charakterystyka czyni energię geotermalną cennym źródłem energii bazowej w systemach energetycznych.

Potencjał energetyczny systemów geotermalnych w Polsce koncentruje się głównie w regionach o korzystnych warunkach geologicznych, gdzie występują naturalne zasoby wód termalnych lub gdzie możliwe jest zastosowanie zaawansowanych technologii EGS.

Rozwój energetyki geotermalnej przyczynia się do dywersyfikacji źródeł energii oraz redukcji emisji gazów cieplarnianych, wspierając cele klimatyczne i energetyczne kraju. Długoterminowa stabilność tego źródła energii czyni go atrakcyjną alternatywą dla tradycyjnych paliw kopalnych.

Źródła:

[1] https://zielonestrefy.pl/artykul/energia-geotermalna/

[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_geotermalna

[3] https://www.microsoft.com/pl-pl/sustainability/learning-center/what-is-geothermal-energy

[4] https://mae.com.pl/oferta-mae/baza-wiedzy/odnawialne-zrodla-energii/energia-geotermalna