Energia geotermalna - pozyskiwanie, zalety i wady energii geotermalnej

Energia geotermalna jest bardzo atrakcyjną alternatywą dla tradycyjnych, „brudnych” technologii energetycznych opartych na surowcach nieodnawialnych. W dobie prognozowanego niedostatku gazu czy ropy naftowej stwarza potencjał dla stabilności gospodarczej. Niestety, jej pozyskanie nie jest łatwe i wiąże się z pewnymi stratami środowiskowymi. Jak ekologiczna jest więc tak naprawdę energia geotermalna i jak rysuje się jej przyszłość w Polsce?



Geotermalne źródła na Islandii. Źródło: Creative Travel Projects/ShutterstockGeotermalne źródła na Islandii. Źródło: Creative Travel Projects/Shutterstock
  1. Co to jest energia geotermalna?
  2. Jak pozyskuje się energię geotermalną?
  3. Zalety i potencjał energii geotermalnej
  4. Wady energii geotermalnej
  5. Energia geotermalna w Polsce
Historia wykorzystania energii geotermalnej jest długa i sięga czasów paleolitu, kiedy to ludzie odkryli zalety kąpieli w źródłach termalnych. Starożytni Rzymianie w Wielkiej Brytanii stosowali gorące strumienie spod ziemi do ogrzewania swych łaźni, a we Francji w XV w. istniał już pierwszy system grzewczy oparty na najgorętszych w Europie źródłach Chaudes-Aiges i zasilający gospodarstwa domowe. Dopiero na początku XX w. zainteresowanie energią geotermalną nabrało jednak wymiaru industrialnego.

Co to jest energia geotermalna?


Energia geotermalna to w skrócie ciepło pochodzące z wnętrza Ziemi. Temperatura wewnątrz jądra naszej planety wynosi nawet 5200 °C i, mimo że powoli się obniża, będzie wysoka jeszcze przez miliardy lat. Zasilają ją radioaktywne izotopy takie jak potas-40 i tor-232, które rozpadają się, generując ciepło. Ponieważ jednak skorupa ziemska jest znacznie chłodniejsza, przez cały czas zachodzi proces transferu energii z wnętrza na zewnątrz. Rozgrzane do czerwoności skały topnieją i tworzą magmę, która miejscami przeciska się wyżej i wyżej w kierunku powierzchni lądu ogrzewając również podwodne strumienie.

W efekcie skały i woda w obrębie skorupy ziemskiej (sięgającej 40 km w głąb) osiągają temperaturę nawet 370°C. Jest to więc naturalne źródło ciepła, które spontanicznie wydostaje się na ląd w postaci wulkanicznej lawy, gejzerów czy wspomnianych już gorących źródeł. Idea geotermiki polega na sięgnięciu w głąb planety i wykorzystaniu drzemiącej w niej energii do celów gospodarczych, zarówno ogrzewania, jak i produkcji prądu.

Jak pozyskuje się energię geotermalną?


Potencjał geotermiczny jest różny w różnych miejscach Ziemi. Na Islandii obserwuje się ogromną ilość gorących źródeł sięgających powierzchni lądu i tam energia geotermalna jest bardzo łatwa do wykorzystania. W innych lokalizacjach potrzeba wiercić kilka kilometrów w głąb, aby dotrzeć do optymalnego poziomu temperatury. Stąd też sposób pozyskiwania energii z wnętrza Ziemi zależy przede wszystkim od jej dostępności w danym obszarze.

W najprostszym schemacie energię geotermalną niskotemperaturową (ok. 150°C) pozyskuje bezpośrednio z odwiertów i wykorzystuje do ogrzewania szklarni, stawów hodowlanych czy domów. Bardziej zaawansowana technologia obejmuje pompy ciepła, które umieszcza się w odwiertach na poziomie do 100 metrów. Pompa połączona jest z powierzchnią rurą, w której krąży woda lub glicerol, a która przenosi ciepło spod ziemi do urządzeń odbiorczych. Latem ten sam układ może działać jako system chłodzący. Pompy ciepła ogrzewają już miliony domów i placówek publicznych na świecie.

Na głębokości 3 km znajdują się już wysokotemperaturowe wody termalne, które wykorzystuje się w balneologii oraz ciepłowniach. Ogrzewanie nie jest jednak jedynym celem geotermiki. Energię z głębi Ziemi można bowiem przetworzyć również na prąd, którego w dzisiejszej rzeczywistości nigdy dość. W tym celu wykorzystuje się odwierty sięgające nawet 6 km i wykorzystujące wysoką temperaturę suchych skał (ok. 200°C). Przetwarzana jest ona elektrowniach geotermalnych działających na zasadzie:
  • Suchej pary – z głębinowych odwiertów pozyskuje się suchą parę o temperaturze ok. 200°C , która kierowana jest do turbiny i tam skraplana.
  • Mokrej pary – parę z ciekłego złoża odzyskuje się najpierw w rozprężaczu, a następnie kieruje do turbiny prądotwórczej.
  • Binarnej – wykorzystującej czynnik pośredniczący zwany wymiennikiem ciepła oraz drugi obieg z czynnikiem roboczym. Zachodzi tu tzw. cykl ORC (Organic Rankine Cycle) polegający na użyciu substancji organicznej do wygenerowania pary przy niższej temperaturze.

Binarne elektrownie geotermalne pobierają również ciepło przez odwierty, ale jest ono przekazywane do obiegu, w którym krąży niskowrzący nośnik energii, typu amoniak czy dwutlenek węgla. Tam w temperaturze do 80°C dochodzi do produkcji pary, która dalej napędza turbinę. Technologia ta, choć dość skomplikowana, pozwala generować prąd nawet przy źródłach geotermalnych o niższych temperaturach. 

Warto wspomnieć też o technologii EGS (Enhanced Geothermal Systems), która pozwala na wykorzystanie energii Ziemi nawet w lokalizacjach, gdzie nie występuje płynny czynnik mogący przewodzić ciepło. W tym wariancie do odwiertów sięgających 1-5 km w głąb skorupy ziemskiej wpompowuje się wodę pod wysokim ciśnieniem. W efekcie dochodzi do pęknięć i rozpuszczania się skał i powstaje studnia, w której woda podgrzewana jest temperaturą skał. Można ją wówczas odpompować na powierzchnię i wykorzystać w elektrowni.

Ciekawostka: Energię pozyskuje się również z gorącej wody będącej produktem ubocznym w procesie eksploatacji złóż gazu i ropy naftowej. Odzyskiwanie ciepła z takich wód jest szczególnie istotne w ubogich, zindustrializowanych regionach świata.
Gorące źródła są przykładem naturalnego wykorzystania energii geotermalnej. Źródło: janken/Shutterstock

Zalety i potencjał energii geotermalnej


W porównaniu z energetyką opartą na spalaniu paliw kopalnych geotermika prezentuje szereg korzyści ekologicznych. Emisja dwutlenku węgla związana z produkcją prądu jest tutaj sześć razy niższa niż w przypadku elektrowni zasilanych gazem ziemnym. Nie bez znaczenia jest też fakt, że jej zasoby w danym miejscu są stałe i nie zależą od warunków atmosferycznych, tak jak w przypadku energii słonecznej czy wiatrowej.

Koszty operacyjne elektrowni geotermalnych są nawet o 80% niższe niż tradycyjnych elektrowni wykorzystujących paliwa kopalne. Potencjał jest zaś wysoki – istniejące dziś zakłady produkują nawet 2000 MW. Zajmują przy tym niewielką powierzchnię lądu i nie wymagają dużych zasobów wody.

Wady energii geotermalnej


Niestety, geotermika nie jest pozbawiona mankamentów. Jednym z najpoważniejszych są wysokie koszty budowy elektrowni. Same tylko urządzenia do wiercenia to kolosalne koszty wynikające z niesprzyjających warunków panujących pod ziemią (wysokie ciśnienie i temperatura). Odwiert jest zaś niezbędny, aby określić potencjał geotermiczny danej lokalizacji – w 20% przypadków okazuje się on niewystarczający. Nie wszędzie też bowiem istnieją warunki do pozyskiwania energii spod ziemi – wiele państw nie posiada odpowiedniego potencjału. W niektórych lokalizacjach natomiast po dziesiątkach lat eksploatacji temperatura w studniach obniża się, uniemożliwiając dalsze wykorzystanie.

Wreszcie, choć zaliczana do ekologicznych, odnawialnych energii geotermika nie jest zupełnie „czystą” technologią. Gorące ciecze pompowane spod ziemi zawierają wiele toksycznych substancji, które mogą przedostać się do środowiska, m.in. arsen, bor czy rtęć. Zawarte są w również nich m.in. rozpuszczony amoniak, metan oraz dwutlenek węgla, a więc niesławne gazy cieplarniane. Same elektrownie emitują też dwutlenek siarki oraz siarkowodór – gaz o nieprzyjemnym zapachu zgniłych jaj. Są więc do pewnego stopnia zagrożeniem dla czystości powietrza, choć oczywiście nieporównywalnie mniejszym niż tradycyjne elektrownie węglowe.
Elektrownia geotermalna. Źródło: N.Minton/Shutterstock
Tabela przedstawiająca podstawowe fakty o energii geotermalnej; opracowanie własne

Energia geotermalna w Polsce


Według raportu NIK energia geotermalna w Polsce obecnie stanowi jedynie 0,3% wszystkich odnawialnych źródeł energii (OZE) – w Unii Europejskiej wskaźnik ten jest 10 razy wyższy. W 2021 r. w kraju pracowało 6 elektrowni geotermalnych zaopatrujących sieci ogrzewania (Mszczonów, Poddębice, Pyrzyce, Uniejów, Stargard i Podhale). Łącznie w 2020 r. wyprodukowały one 256 GWh ciepła. Jednocześnie w Polsce zainstalowanych było ok. 70 tysięcy pomp ciepła generujących co najmniej 650 MW energii. Ich udział w krajowej produkcji OZE wyniósł 2,69%.

Wśród wymiernych korzyści warto wspomnieć o spadku emisji zanieczyszczeń w Zakopanem na poziomie porównywalnym do 13,6 t węgla kamiennego wskutek zakupu energii geotermalnej z ciepłowni na Podhalu. Poza tym wskazuje się na poprawę lokalnego bezpieczeństwa energetycznego i uniezależnienie od zmian cen paliw kopalnych.
Pozostaje mieć nadzieję, że geotermika będzie się dalej rozwijać. Zdaniem geologów nawet 80% powierzchni naszego kraju posiada korzystne energii do rozwoju elektrowni – najbardziej sprzyjająca sytuacja panuje w południowo-zachodniej Polsce. Ministerstwo Klimatu i Środowiska przygotowało „Wieloletni Program Rozwoju Wykorzystania Zasobów Geotermalnych w Polsce”. Zgodnie z jego założeniami do 2040 r. zaplanowano wykonanie 78 otworów badawczych oraz 78 instalacji geotermalnych o łącznej mocy 290 MW. To zdecydowanie dobra prognoza dla krajowego sektora energetycznego!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

1. „WHAT IS GEOTHERMAL ENERGY? HOW DOES IT WORK?” TWI Global, https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/geothermal-energy, 14/09/2022
2. “What is geothermal energy?” Jack Unwin, https://www.power-technology.com/analysis/what-is-geothermal-energy/, 14/09/2022
3. “Geothermal Energy” National Geographic, https://education.nationalgeographic.org/resource/geothermal-energy, 14/09/2022
4. “Examining Geothermal Energy Advantages and Disadvantages” Tin Lok Wu, https://earth.org/geothermal-energy-advantages-and-disadvantages/, 14/09/2022
5. „Geotermia – mamy zasoby, tylko na razie mało z nich korzystamy” Najwyższa Izba Kontroli, https://www.nik.gov.pl/aktualnosci/energia-wod-termalnych.html, 14/09/2022
6. “Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce w latach 2019–2021” Beata Kepińska, Przegląd Geologiczny vol.69, nr. 9 2021

Ocena (3.6) Oceń: