Jak działają elektrownie geotermalne i skąd czerpią energię z ziemi?

Energia geotermalna pozyskiwana jest poprzez wykorzystanie ciepła zgromadzonego pod powierzchnią Ziemi, głównie w postaci gorącej wody i pary. Elektrownie geotermalne działają poprzez pobieranie tego ciepła, przekształcając je na energię elektryczną i cieplną, co umożliwia zaspokajanie potrzeb energetycznych z odnawialnych źródeł. Proces obejmuje kompleksowy cykl zamknięty, uwzględniający wydobycie medium, napędzanie turbin, skraplanie oraz wtłaczanie schłodzonej wody lub pary z powrotem do złoża, co zapewnia ciągłość działania i dbałość o środowisko [1][4].

Podstawy działania elektrowni geotermalnych

Podstawą funkcjonowania elektrowni geotermalnych jest dostęp do zasobów cieplnych pod powierzchnią ziemi. Energia pobierana jest głównie za pomocą głębokich odwiertów, z których transportowana jest gorąca woda lub para, o temperaturze przekraczającej zwykle 100°C [1][4]. Kluczowy element stanowią odwierty eksploatacyjne oraz zatłaczające, umożliwiające zarówno pobór, jak i zwrot medium do złoża, dzięki czemu proces ma charakter zamkniętego obiegu [1].

Wydobyta z głębi ziemi gorąca woda lub para trafia bezpośrednio na turbinę, która przekształca energię cieplną w energię mechaniczną – ta zaś, poprzez generator, zamienia się na energię elektryczną. Po przepłynięciu przez turbinę medium przechodzi do skraplacza, gdzie ulega ochłodzeniu i zmianie stanu skupienia z pary na ciecz. Schłodzona woda zostaje następnie zatłoczona ponownie do złoża geotermalnego, co ogranicza straty ciepła oraz minimalizuje wpływ na środowisko [1][4].

Układy i technologie wykorzystywane w elektrowniach geotermalnych

Elektrownie geotermalne mogą działać w różnych konfiguracjach technologicznych. Najbardziej rozpowszechnione są układy wodno-parowe, gdzie para napędza turbinę bezpośrednio [1]. Alternatywą są systemy pośrednie, wykorzystujące wymienniki ciepła i niskowrzące czynniki robocze w tzw. obiegu termodynamicznym – tu ciepło przekazywane jest do innego medium, które, po przegrzaniu i odparowaniu, zasila turbinę, a następnie jest skraplane i kierowane z powrotem do wymiennika [1].

Efektywność produkcji energii zależna jest od temperatury oraz jakości medium geotermalnego. Konieczne jest stosowanie odpowiednio głębokich odwiertów oraz nowoczesnych turbin i systemów skraplania. Kluczowe znaczenie mają wymienniki ciepła oraz precyzyjna kontrola obiegu czynnika roboczego, co ogranicza straty energii i zapewnia stabilność pracy [1][4].

Pozyskiwanie i zarządzanie energią cieplną z wnętrza Ziemi

Energia geotermalna pochodzi bezpośrednio z wnętrza Ziemi – z gorących skał, gruntów i wód podziemnych, w których zgromadzone jest ciepło będące efektem procesów geologicznych [4]. Proces jej pozyskiwania wymaga wierceń technologicznie zbliżonych do odwiertów naftowych, choć różniących się głębokością oraz konstrukcją [4].

Odnawialność energii geotermalnej nie jest nieograniczona – regeneracja ciepła w złożu następuje powoli, co sprawia, że zbyt intensywne pozyskiwanie energii może prowadzić do wychłodzenia złoża i obniżenia jego efektywności. W związku z tym kluczowe są rozwiązania zwrotu schłodzonego medium do źródła oraz racjonalne zarządzanie cyklem eksploatacyjnym [4].

Geotermalne pompy ciepła jako alternatywa wykorzystania energii z ziemi

Technologią uzupełniającą są geotermalne pompy ciepła (GPC), które nie generują energii elektrycznej, ale pozwalają czerpać energię cieplną z gruntu lub wód podziemnych do bezpośredniego ogrzewania lub chłodzenia budynków [2][3]. Pompy te wykorzystują stałą temperaturę ziemi, realizując obieg sprężarkowy czynnika chłodniczego.

Proces obejmuje cykl parowania, sprężania, skraplania oraz rozprężania czynnika roboczego, umożliwiając przekazywanie ciepła z gruntu do instalacji grzewczej lub odwrotnie – usuwanie nadmiaru ciepła z budynku do ziemi. Pompy ciepła mogą wykorzystywać energię nie tylko z gruntu, ale również z wód gruntowych lub nawet powietrza, co zwiększa wszechstronność ich zastosowań [2][3].

Elementy składowe i powiązania systemów geotermalnych

Kluczowe elementy elektrowni geotermalnej obejmują odwierty (eksploatacyjny oraz zatłaczający), turbiny (parowe lub napędzane czynnikiem roboczym), wymienniki ciepła w układach pośrednich, skraplacze oraz pompy ciepła i sprężarki w mniejszych systemach [1][4].

Efektywność działania całego systemu zależna jest od temperatury medium – im wyższa temperatura gorącej wody lub pary, tym większa sprawność konwersji na energię elektryczną. Równoczesne prawidłowe zarządzanie tempem eksploatacji i zatłaczaniem medium spowalnia proces wychłodzenia złoża. Systemy pomp ciepła mogą być również częścią większej sieci energetycznej, współdziałając z innymi źródłami ciepła [1][4].

Podsumowanie – skąd elektrownie geotermalne czerpią energię?

Elektrownie geotermalne czerpią energię bezpośrednio z ciepła wnętrza Ziemi – ze skał, wód gorących i oparów znajdujących się pod powierzchnią. Proces ten wymaga zaawansowanych technologii odwiertowych, umożliwiających wydobycie medium o wysokiej temperaturze, a następnie efektywne przetworzenie tego ciepła na energię elektryczną lub użytkową. Cechą kluczową jest zamknięty obieg – schłodzony płyn wraca do ziemi, co pozwala zachować ciągłość procesu i spowalnia wychłodzenie złoża [1][4].

Energia geotermalna, choć uznawana za odnawialną, jest w praktyce ograniczona powolnym procesem regeneracji ciepła w złożu. Równocześnie jej istotnym atutem jest stabilność dostaw oraz niskie emisje w porównaniu do konwencjonalnych źródeł energii. Geotermalne pompy ciepła stanowią innowacyjne dopełnienie ekologicznych rozwiązań grzewczych, pozwalając efektywnie gospodarować energią cieplną zgromadzoną w środowisku naturalnym [3][4].

Źródła:

• [1] https://www.odnawialne-firmy.pl/wiadomosci/pokaz/122,jak-dziala-elektrownia-geotermalna
• [2] https://www.mae.com.pl/oferta-mae/baza-wiedzy/odnawialne-zrodla-energii/energia-geotermalna
• [3] https://e-magazyny.pl/eksperckim-okiem/ukryte-zrodlo-ciepla-geotermalna-energia-odkrywa-swoj-potencjal/
• [4] https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_geotermalna
• [5] https://eon.pl/dla-domu/portal-o-odnawialnych-zrodlach-energii/zielona-energia/energia-geotermalna-zasada-dzialania-wykorzystanie