Na czym polega energia geotermalna?

Energia geotermalna to ciepło zgromadzone w skałach i wodach podziemnych, pochodzące z rozpadu izotopów promieniotwórczych i z ciepła pierwotnego planety. Dlatego temperatura rośnie z głębokością, przeciętnie o około 30°C na każdy kilometr. Im głębiej sięga odwiert, tym gorętsza woda, a od jej temperatury zależy, czy ogrzeje miasto, czy napędzi turbinę.

Źródło energii geotermalnej

Energia geotermalna to ciepło zgromadzone w skałach i wodach podziemnych, które można wydobyć i zamienić na ogrzewanie albo prąd. Należy do odnawialnych źródeł energii. Ciepło wnętrza Ziemi ma dwa źródła: rozpad izotopów promieniotwórczych w skorupie i płaszczu oraz ciepło pierwotne, zachowane od narodzin planety. Oba zasilają strumień cieplny Ziemi, płynący z wnętrza ku powierzchni, dlatego temperatura rośnie z głębokością – przeciętnie o około 30°C na każdy kilometr. Ten przyrost nazywa się gradientem geotermicznym i lokalnie bywa znacznie większy lub mniejszy. Ciepło niesione przez wodę krążącą w porowatych skałach tworzy systemy hydrotermalne, a ciepło zamknięte w suchych, zwartych skałach – systemy petrotermalne.

Płytki grunt rządzi się innym bilansem. Do głębokości kilkunastu metrów jego temperaturę kształtują głównie Słońce i pory roku, a dopiero niżej przeważa ciepło z wnętrza Ziemi. Klasyfikacja geotermii według PIG-PIB zalicza do geotermii płytkiej zasoby sięgające do głębokości 200 m. Z nich korzysta gruntowa pompa ciepła, a ciepłownia sięga po złoża leżące kilometry niżej.

Jak ciepło z głębi Ziemi trafia do kaloryfera i turbiny?

Gorącą wodę wydobywa się jednym otworem, oddaje jej ciepło w wymienniku i zatłacza drugim otworem z powrotem do złoża. Taka para otworów to dublet geotermalny.

1. Wypompowanie wody termalnej otworem produkcyjnym, wspomagając wypływ pompą głębinową, gdy ciśnienie złoża nie wystarcza.
2. Przekazanie ciepła w wymienniku wodzie z sieci ciepłowniczej – oba obiegi pozostają rozdzielone, więc solanka nie trafia do kaloryferów.
3. Zatłoczenie schłodzonej wody otworem zatłaczającym do tej samej warstwy skał, z której ją pobrano.

Po co oddawać złożu wodę, z której odebrano już ciepło? Woda termalna bywa silnie zmineralizowana, więc zrzut do rzeki zanieczyściłby środowisko. Jej powrót podtrzymuje ciśnienie w zbiorniku i wydajność otworu produkcyjnego.

O zastosowaniu decyduje temperatura wody na wypływie. Granicę między rodzajami elektrowni geotermalnych wyznacza 182°C. Zastosowania układają się w trzy przedziały:

• Kilkadziesiąt stopni – ogrzewanie bezpośrednie przez wymiennik; wodę chłodniejszą niż około 30–40°C zwykle dogrzewa się pompą ciepła.
• Woda gorętsza, poniżej 182°C – prąd z obiegu binarnego, w którym płyn geotermalny oddaje ciepło w wymienniku drugiemu czynnikowi.
• Powyżej 182°C – klasyczna elektrownia geotermalna typu flash, zasilana płynem pompowanym z dużej głębokości.

Pierwszy przedział obsługuje ciepłownia geotermalna, która przez wymiennik zasila miejską sieć. W mroźne dni ciepłownia wspiera się kotłem szczytowym. Elektrociepłownia geotermalna łączy oba cele. Woda termalna oddaje ciepło kolejno w dwóch wymiennikach, najpierw obiegu turbiny, potem sieci ciepłowniczej.

Obieg binarny rozwiązuje problem wody zbyt chłodnej dla klasycznej turbiny. Ciepło trafia w nim do czynnika, który wrze w niższej temperaturze niż woda, odparowuje i napędza turbinę. Płyn geotermalny nie styka się z tym czynnikiem i w całości wraca do złoża.

Gruntowa pompa ciepła to osobna, płytka ścieżka dla pojedynczego budynku. Odbiera ciepło gruntu przez sondy lub kolektor. Sprężarka zasilana prądem podnosi jego temperaturę do poziomu potrzebnego instalacji grzewczej.

Odnawialna, ale nie niewyczerpalna

Geotermia jest odnawialna w skali planety, ale pojedyncze złoże można wychłodzić. W odróżnieniu od nieodnawialnych źródeł energii ciepło w skałach się odtwarza. Granice technologii wyznaczają trzy czynniki:

• Tempo poboru – eksploatacja jest zrównoważona, gdy pobór ciepła nie przekracza jego naturalnego uzupełniania; przy nadmiernym chłodna woda od otworu zatłaczającego dociera do produkcyjnego.
• Zużycie prądu – pompy głębinowe i obiegowe pracują na energii elektrycznej, więc emisje pośrednie zależą od tego, skąd pochodzi prąd.
• Ryzyko geologiczne – dopiero odwiert pokazuje, ile wody i o jakiej temperaturze odda złoże, a koszt wiercenia ponosi się przed tą odpowiedzią.

Rozstaw otworów i moc instalacji dobiera się więc do zasobów. Ta sama reguła obejmuje płytką geotermię. Według materiału PIG-PIB o płytkiej geotermii jej zasoby są praktycznie niewyczerpalne przy zrównoważonej pracy pompy. Zbyt intensywny odbiór ciepła wychładza grunt wokół sond z sezonu na sezon.

Gdzie w Polsce leżą zasoby geotermalne i do czego się je wykorzystuje?

Najlepsze warunki geotermalne w Polsce mają Niż Polski i Podhale. Wody termalne, czyli według Prawa geologicznego i górniczego wody o temperaturze na wypływie co najmniej 20°C, zalegają tam zwykle od jednego do kilku kilometrów pod powierzchnią. Na mapie geotermalnej Polski najcieplejszymi wodami wyróżnia się Podhale.

Z tych obszarów wyrosło krajowe ciepłownictwo geotermalne. Pierwszą ciepłownię uruchomiono na Podhalu, w Bańskiej Niżnej, w 1994 r., a kolejną na Niżu, w Pyrzycach, w 1996 r. Ostatnią z ujętych w wykazie ciepłowni geotermalnych PIG-PIB otwarto w Poddębicach w 2013 r.

Temperatura polskich złóż przesądza o ich zastosowaniu. Kilkadziesiąt stopni to przedział ogrzewania bezpośredniego, dlatego dominuje ciepłownictwo. Z wyników kontroli NIK wynika, że w okresie objętym kontrolą ponad 94 proc. krajowego ciepła z wód termalnych dawało sześć działających ciepłowni.

Kierunki rozwoju geotermii

Udział geotermii mogą zwiększyć systemy petrotermalne (EGS), sięgające do ciepła skał bez naturalnej wody. EGS pobudza istniejące szczeliny w gorących suchych skałach albo tworzy nowe. Według protokołu ryzyka sejsmicznego EGS taka zmiana warunków pod ziemią może wywoływać wstrząsy indukowane. Wstrząsy te opóźniły na świecie co najmniej dwa projekty.

Krajowe plany zapisano w rządowej mapie drogowej geotermii, którą Ministerstwo Klimatu i Środowiska ogłosiło 11 maja 2022 r. Dokument planuje rozwój geotermii do 2040 r., z perspektywą do 2050 r. Czy dotychczasowe tempo pozwala w to uwierzyć? W Polsce działa 6–10 ciepłowni geotermalnych, zależnie od sposobu liczenia.

Plan nie jest jednak wynikiem. O miejscu geotermii wśród OZE w Polsce przesądzą wyniki kolejnych odwiertów i tempo przyłączania ich ciepła do sieci systemowych.