ENERGIA GEOTERMALNA

co to jest? Energia geotermalna jest to energia skumulowana w głębi Ziemi w postaci gorących skał i wód, praktycznie niewyczerpalna, gdyż genezy jej upatrywać należy w konwekcji i przewodzeniu. Energia geotermalna wykorzystywana była już przed tysiącami lat, na długo przed paliwami kopalnymi, o czym świadczą stare legendy potwierdzane późniejszymi odkryciami archeologicznymi. Jednak na szeroką skalę energię wnętrza Ziemi zaczęto wykorzystywać dopiero w początkach XX wieku.

Czy wiesz, że…? Pierwsza murowana łaźnia, w której wykorzystywano wodę geotermalną, powstała na sycylijskiej wyspie Lipari, około roku 1500 p.n.e. Z kolei gorąca para ze źródeł geotermalnych po raz pierwszy znalazła zastosowanie w roku 1827, w jednej z toskańskich fabryk.

charakterystyka – co i jak?

Im dalej w głąb Ziemi, tym goręcej Im dalej w głąb Ziemi, tym goręcej. Począwszy od skorupy ziemskiej, z każdym kilometrem w głąb temperatura wzrasta o około 30°C. W głębi Ziemi znajduje się magma, będąca gorącą stopioną masą krzemianów i glinokrzemianów. A ponieważ ciepło zawsze wędruje od stref cieplejszych ku chłodniejszym, płynna magma, lżejsza i gorętsza od otaczających ją skał, wydostaje się niekiedy na powierzchnię ziemi w postaci lawy wulkanicznej. O wiele częściej niż lawa, z głębi ziemi wydobywa się jednak ogrzana przez magmę woda, występująca w formie gorących źródeł i gejzerów. Geotermia opiera się na gorących skałach lub wodach poniżej 1000 m, na mniejszych głębokościach temperatury skał i wód nadają się jedynie do wykorzystania w płytkiej geotermii wspomaganej przez pompy ciepła. Źródłem ciepła wnętrza Ziemi są reakcje rozpadu pierwiastków promieniotwórczych 238U, 235U, 232Th oraz 40K. Rocznie Ziemia traci 1021 J ciepła. Skorupa ziemska zbudowana jest ze skał osadowych i wulkanicznych o różnej przewodności cieplnej. Im skorupa jest bardziej skonsolidowana i starsza, tym stanowi lepszy ekran dla przewodnictwa ciepła.

1) Ilość ciepła, jaka jest skumulowana w danym zbiorniku skalnym, można określić za pomocą wzoru: Q=P*m*p*(T0-TK)*1015 [cal] Gdzie: - P - powierzchnia obszaru zbiornika, - m - miąższość poziomu geotermalnego, - p - średnia zawartość efektywna skał zbiornikowych, - T0 - temperatura wody w zbiorniku, - TK - temperatura wody zatłaczanej do złoża, - 1015 - przelicznik do zmiany objętości z km3 na cm3. 2) Zasoby statyczne energii geotermalnej określa wzór: ES=A*m*((1-nE)*pS*cS+nE*pW*cW)(TS-T0)) [J] Gdzie: - A - powierzchnia obszaru, - m - miąższość warstw wodonośnych, - nE - porowatość efektywna skał zbiornikowych, - TS - temperatura w stopie zbiornika geotermalnego, - T0 - średnioroczna temperatura na powierzchni Ziemi, - pW, pS - średnia gęstość wody i szkieletu skalnego kg/m3, - cW, cS - średnie ciepło właściwe wody i szkieletu skalnego J/kg*K. 3) Ocenę zasobów bilansowych określa się mnożąc zasoby statyczne przez współczynnik wydobycia R0=0,33. Moc cieplna możliwa do uzyskania ze złoża: PT=Q*cW*(T1-T2) [kW] Gdzie: - Q - wydajność otworu, - CW - ciepło właściwe wody, - T1-T2 - temperatura schłodzenia wody.

budowa Ziemi

źródło: www.mos.gov.pl

geografia

Gejzery występują zaledwie w kilku rejonach świata Gejzery występują zaledwie w kilku rejonach świata. Odkryte zostały w Islandii i to właśnie z języka islandzkiego wywodzi się ich nazwa. Najwyższy, sięgający nawet 90 metrów gejzer świata - Steamboat Geyser (rys.1) - znajduje się jednak na terenie amerykańskiego Parku Narodowego Yellowstone, będącego największym światowym skupiskiem gejzerów. Jest ich tam blisko 400, czyli połowa wszystkich gejzerów świata. Również występowanie gorących źródeł o temperaturze powyżej 150°C, ograniczone jest tylko do niektórych regionów globu. Są to: Azja Środkowa, Afryka Wschodnia i Zachodnia, część Półwyspu Arabskiego, wyspy Środkowego i Zachodniego Pacyfiku (na przykład Hawaje (rys.2)), a w Europie – Alpy. Jednak chyba najbardziej znanym ze swych złóż geotermalnych miejscem świata jest Pierścień Ognia, obejmujący strefy przybrzeżne i zachodnie wyspy Oceanu Spokojnego.

trochę historii

Stanach Zjednoczonych, Jak już było wspomniane, człowiek wykorzystywał energię wnętrza Ziemi od zarania dziejów. Na przykład rdzenni mieszkańcy obu Ameryk eksploatowali niektóre źródła geotermalne już ponad 10 000 lat temu, używając gorącej wody do gotowania i w celach leczniczych. Do gotowania, mycia się, a nawet do ogrzewania służyła woda termalna Maorysom – autochtonicznej ludności Nowej Zelandii. Starożytni Grecy wykorzystywali  gorące źródła w Pamukkale (dziś Turcja – rys.1), zaś starożytni Rzymianie, w Abano Terme, w Baden pod Wiedniem i w Pompejach (do ogrzewania domów). W starożytnych Pompejach gorące źródła służyły ogrzewaniu domów. Jednak zastosowanie energii wnętrza Ziemi na skalę przemysłową to sprawa dopiero ostatniego stulecia. W roku 1904 w Larderello we Włoszech otwarto pierwszą na świecie elektrownię geotermalną (rys.2) i choć przez następnych 50 lat wykorzystanie geotermii do produkcji energii elektrycznej ograniczało się do terenu Włoch, dziś zakłady takie pracują także w: Islandii, Nowej Zelandii, Japonii, Filipinach, Stanach Zjednoczonych, Rosji. Krajem, który w największym stopniu wykorzystuje energię geotermalną jest niewątpliwie Islandia, gdzie w ten sposób ogrzewanych jest prawie 87% budynków (Islandczycy wykorzystują energię wnętrza Ziemi do celów grzewczych od roku 1888), a około 99% gospodarstw domowych zaopatrywanych jest w gorąca wodę termalną. W 1981 islandzka produkcja całkowita energii z zasobów geotermalnych wyniosła 8 mln kJ, co odpowiada 300 tys. ton ropy naftowej.

zastosowanie

Zasoby geotermalne dzielimy na: Hydrotermiczne - Obecnie częściej wykorzystywane, gdyż odnoszą się one do wody lub pary zawartej w szczelinach skalnych. Wynika to z lepszych możliwości pozyskania ciepła z takich złóż. Petrotermiczne - zasoby raczej perspektywiczne ze względu na konieczność wtłaczania w gorącą strukturę skalną znacznych ilości wody z powierzchni Ziemi. Jeśli temperatura czynnika grzewczego przekracza 120-150°, to można go wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Przy niższych temperaturach uzyskane ciepło wykorzystuje się do celów grzewczych, klimatyzacyjnych, uzyskania ciepłej wody użytkowej, do celów balneologicznych i rekreacyjnych. Źródła energii geotermalnej ze względu na stan skupienia nośnika ciepła i jego wysokość temperatury, można podzielić na następujące grupy: - grunty i skały do głębokości 2500 m, z których ciepło pobiera się za pomocą pomp ciepła, - wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp grzejnych, - wody gorące, wydobywane za pomocą głębokich odwiertów eksploatacyjnych, - para wodna wydobywana za pomocą odwiertów, mająca zastosowanie do produkcji energii elektrycznej, - pokłady solne, z których energia odbierana jest za pomocą solanki lub cieczy obojętnych wobec soli, - gorące skały, gdzie woda pod dużym ciśnieniem cyrkuluje przez porowatą strukturę skalną. źródło: www.biomasa.org

Uzyskiwane ciepło z głębi Ziemi wykorzystuje się zasadniczo tylko na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania budynku. W tym systemie odbiór energii realizowany jest przez wymiennik ciepła, który jest umieszczony na niewielkiej głębokości (do 200 m). Wymiennik taki może być umieszczony również poziomo na głębokości 2 m. Czynnikiem obiegowym jest tutaj woda z dodatkiem środka przeciwzamarzającego (25-30%) lub solanka. Układ taki jest stosowany w gospodarstwach indywidualnych. W przypadku znacznych głębokości (powyżej 2500) temperatura czynnika grzewczego może osiągnąć na tyle wysoką wartość, że ciepło odzyskuje się w tradycyjnych wymiennikach bez wspomagania pompą ciepła. W tym przypadku instalacja jest zdolna do ogrzania kilkudziesięciu, a nawet kilkuset budynków jednorodzinnych.

Drugim powszechnym zastosowaniem ciepła Ziemi jest budowa elektrowni geotermalnej do produkcji prądu elektrycznego.      Woda geotermalna z odwiertu oddaje ciepło czynnikowi termodynamicznemu właściwego obiegu, a następnie jest zatłaczana z powrotem do złoża. Czynnik w postaci pary jest skierowany do turbiny wytwarzającej prąd elektryczny. Skroplony czynnik termodynamiczny w skraplaczu zawracany jest do wymiennika, gdzie ulega ponownemu odparowaniu.

zalety i wady

Energia geotermalna jest - podobnie jak pozostałe odnawialne źródła energii (OZE) - nieszkodliwa dla środowiska, nie powoduje bowiem żadnych zanieczyszczeń. Jej pokłady są zasobami lokalnymi, tak więc mogą być pozyskiwane w pobliżu miejsca użytkowania. Nie wszystkie OZE posiadają jednak pewne walory, charakterystyczne dla energii wnętrza Ziemi. Elektrownie geotermalne, w odróżnieniu od zapór wodnych czy wiatraków, nie wywierają niekorzystnego wpływu na krajobraz, a zasoby energii geotermalnej są, w przeciwieństwie do  energii wiatru czy energii Słońca, dostępne zawsze, niezależnie od warunków pogodowych. Należy jednak zwrócić uwagę na możliwe zagrożenia ze strony energii geotermalnej. Podczas eksploatacji złoża geotermalnego może dojść do emisji szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu. Jest to przede wszystkim siarkowodór H2S, który należy pochłonąć w odpowiednich instalacjach. To z kolei podraża koszt uzyskanej energii. Innym zagrożeniem jest radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, który wydobywa się wraz z parą z odwiertu geotermalnego. Przy niewłaściwym zaprojektowaniu instalacji geotermalnej istnieje ponadto niebezpieczeństwo wystudzenia złoża w dłuższym okresie czasu. Wśród wad energii wnętrza Ziemi trzeba także wymienić jej małą dostępność - dogodne do jej wykorzystania warunki występują tylko w niewielu miejscach.

o Polsce

…a kilka dalszych czeka na realizację. Wody geotermalne znajdują się pod powierzchnią prawie 80% terytorium Polski, w ilości ok. 6600 km3, a ich temperatura mieści się w granicach 25-150 st. C. Zasoby te są dość równomiernie rozmieszczone, na znacznej powierzchni Polski, co daje możliwość wykorzystania ich na cele energetyczne Na obecnym poziomie techniki ocenia się, że z dość znacznych zasobów energii geotermalnej istnieje możliwość tylko niewielkiego ich wykorzystania. W Polsce z geotermii można uzyskać około 4 mln t.p.u. rocznie. Przewaga wód o temperaturze do 80° C ogranicza ich wykorzystanie głównie w ciepłownictwie. Należy podkreślić, że polskie wody geotermalne mają stosunkowo niską temperaturę, zasoby tych wód koncentrują się głównie na obszarze Podkarpacia, pasie od Szczecina do Łodzi oraz regionie grudziącko-warszawskim. Zasoby energii geotermalnej zostały dość dokładnie zbadane, istnieje jednak potrzeba dalszych badań w zakresie możliwości odprowadzania do górotworu wykorzystanych wód geotermalnych. Dotychczas w Polsce wybudowano zaledwie cztery systemy ciepłownicze w oparciu o wykorzystanie wód geotermalnych – w: Pyrzycach, Zakopanem, Mszczonowie, Uniejowie, …a kilka dalszych czeka na realizację.

Oprócz zakładów zaopatrujących ludność w ciepło, istnieją również uzdrowiska wykorzystujące energię z ciepłych źródeł: Cieplice, Duszniki Zdrój (rys.1), Lądek Zdrój, Ustroń, Konstancie, Ciechocinek (rys.2). Energia geotermalna jest coraz częściej wykorzystywana w Polsce i na świecie ze względu na swoje niewątpliwe zalety. Jest czysta ekologicznie, a koszt pozyskania 1 GJ energii wynoszący 3,5 - 10 USD jest przeważnie niższy od energii uzyskanej ze spalania gazu lub ropy.

zasoby energii geotermalnej w Polsce      Polska ze względu na duże zaludnienie i strukturę geologiczną ma znaczne możliwości rozwoju energii geotermalnej. Za szybkim rozwojem geoenergetyki przemawiają następujące argumenty: - znaczne zanieczyszczenie atmosfery, gleby i wód powierzchniowych w wyniku spalania węgla, - możliwość wykorzystania istniejącej już sieci odwiertów eksploatacyjnych, - łatwość pozyskania wód geotermalnych na obszarze ponad 250 tys. km2, na których znajduje się około 30 mln mieszkańców, - korzystne warunki do wykonania odwiertów eksploatacyjnych i chłonnych, - udane inwestycje na Podhalu, w Pyrzycach i w Żyrardowie potwierdzające opłacalność ekonomiczną instalacji geotermalnych, - możliwości szerokiego wykorzystania geotermii w ciepłownictwie, suszarnictwie, balneologii i rekreacji. źródło: www.eo.org.pl

gminy i powiaty wykorzystujące ten rodzaj energii źródło: www.eo.org.pl

działania na rzecz upowszechnienia energii odnawialnej w Polsce

na plus! Regulacje prawne, mające wpływ na rozwój lokalnej gospodarki energetycznej opartej o technologie wykorzystujące odnawialne źródła energii, Inicjatywy Komisji Europejskiej oraz międzynarodowych sieci i stowarzyszeń samorządów lub organizacji działających na rzecz zrównoważonej gospodarki energetycznej, Finansowanie projektów w ramach programów ramowych Komisji Europejskiej oraz przez krajowe instytucje finansujące działania w ochronie środowiska.

fundacje – m.in. w Gdańsku Celem działania Fundacji Poszanowania Energii w Gdańsku jest: upowszechnianie postępu w dziedzinie energooszczędności i wykorzystania odnawialnych źródeł energii, a przez to zmniejszenia obciążeń środowiska oraz tworzenie podstaw instytucjonalnych i finansowych dla realizacji tego celu, inicjowanie działań społecznych w tym zakresie, praktyczne wdrażanie projektów i technologii z tej dziedziny we współpracy z instytucjami i organizacjami krajowymi i zagranicznymi, maksymalne wykorzystanie lokalnych zasobów energii, poprawa materialnych warunków życia mieszkańców regionu oraz kondycji ekonomicznej gmin w wyniku poszanowania energii i zaangażowania w wykorzystanie jej odnawialnych źródeł.

pod red. P. Gradziuk, Biopaliwa, 2003, inne źródła: pod red. P. Gradziuk, Biopaliwa, 2003, www.geothermal.marin.org, www.mos.gov.pl/dg/energia_geotermalna, www.zielonaenergia.pl, www.extrafast.de, www.pgi.gov.pl, www.nps.gov/yell/tours/norris/steambt.htm, proekologia.pl, geyser.biography.ms, www.balneoklinika.com, www.os.is, www.energiewelten.de, http://www.energia-odnawialna.net/geotermalna.html, http://www.pigeo.org.pl/, http://www.fpegda.pl/, http://euro.pap.com.pl.

wykonanie: Natalia Siwak IIg