Advanced Geothermal Systems (AGS) – bez wiercenia w niepewność

Globalny potencjał głębokiej geotermii został oszacowany przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (ang. IEA) na ponad 280 000 EJ (dla głębokości 5–8 km) i dodatkowo ok. 21 000 EJ (na głębokości < 5 km) w skali 20 lat (dane z roku 2024). To znacznie więcej niż obecne światowe zużycie energii przez odbiorcę końcowego – ok. 440 EJ, wskazane w raporcie IEA Energy Efficiency 2023. Przy założeniu średniego gradientu geotermalnego 30^oC/km, możemy oszacować, że na głębokości 2-5 km uzyskamy temperaturę wynoszącą ok. 60-150^oC. To wartość wystarczająca do bezpośredniego ogrzewania, a także do generowania elektryczności przy użyciu technologii ORC (Organiczny Cykl Rankine’a). Niestety nie każde z tych miejsc będzie miało podziemny rezerwuar gorącej wody. Czy zatem korzystanie z opisanych powyżej, obfitych zasobów ciepła jest poza naszym zasięgiem?

Nowa generacja technologii geotermalnej

Geotermia od lat kojarzy się z naturalnie występującymi gorącą wodą i parą, które wydobywane są z głębi ziemi w miejscach o odpowiednich warunkach geologicznych. Jednak ograniczenia klasycznych rozwiązań mogą zostać wyeliminowane dzięki zaawansowanym systemom geotermalnym (ang. Advanced Geothermal Systems, akr. AGS).

Czym różni się AGS od EGS?

W poprzednim artykule omówiliśmy szerzej wspomagane systemy geotermalne (EGS).  W skrócie można uprościć, iż EGS polega na hydraulicznym tworzeniu przepływu w sztucznie stymulowanych skałach, dając potencjalną możliwość korzystania z geotermii w dowolnym miejscu na świecie. AGS idzie jeszcze dalej:

• W ogóle nie potrzebuje obecności naturalnego ani sztucznego zbiornika.
• Nie wymaga kruszenia skał ani przepompowywania płynów między warstwami.

Zamiast tego AGS oparte jest na zamkniętym obiegu ciepła, gdzie medium krąży w hermetycznym układzie rur, przekazując energię z głębokich, gorących warstw ziemi na powierzchnię – jak gigantyczny spiralny grzejnik ukryty pod ziemią. Technologię AGS i EGS różni także trwałość systemu. Na dzień dzisiejszy szacuje się, że standardowy czas pracy instalacji z wykorzystaniem EGS to ponad 40 lat, natomiast AGS – ponad 100 (Vouillamoz, kontakt osobisty 2025). Pozyskiwanie ciepła metodą AGS jest jednak wolniejsze, z uwagi na wykorzystanie kondukcji, podczas gdy ESG przewodni ciepło za pomocą konwekcji i adwekcji.

Jak dokładnie działają zaawansowane systemy geotermalne?

W przeciwieństwie do systemów tradycyjnych (DGS) lub wspomaganych (EGS), AGS nie wymagają szczelinowania, ani obecności wody w skałach. Zamiast tego ciecz robocza (np. woda, czasem z dodatkami, m.in. glikolem) krąży w szczelnie izolowanych rurach w zamkniętym obiegu. Ciepło przenoszone jest za pomocą przewodzenia (system kondukcyjny). Pozyskana energia pochodzi wyłącznie z kontaktu rur z gorącą, suchą skałą. Technologia wolna jest od szkodliwych emisji gazów. Zaawansowane systemy geotermalne mogą działać na zasadzie efektu termosyfonowego, czyli naturalnego obiegu ciepła, wykorzystującego różnicę temperatur. Do jego działania nie są więc potrzebne pompy głębinowe ani wysokie ciśnienia.

Dwie główne konfiguracje AGS

• Zamknięty obieg współosiowy w jednym odwiercie (ang. single well coaxial closed-loop)

Prostszy system, niemniej jego zdolność produkcji energii ograniczona jest maksymalną możliwą do wywiercenia długością odwiertu. Wymaga on niemal perfekcyjnej izolacji termicznej między rurami, w celu uniknięcia strat ciepła. (Maver i in. 2023; Maver, Vestavik 2024)

• Zamknięta cyrkulacja wieloodwiertowa (ang. multi-leg circular closed-loop)

System przypominający podziemne „kaloryfery”, złożone z wielu odwiertów łączących się na różnych poziomach. Pozwala to na skalowanie mocy i zoptymalizowanie układu pod kątem warunków geologicznych. Jest to bardziej wydajna technologia, jednocześnie obarczona wyższymi kosztami początkowymi (ang. CAPEX) (Vouillamoz, kontakt osobisty 2025)

Kluczowe cechy AGS:

• Bezpośrednia kontrola przepływu ciepła, bez ryzyka utraty ciśnienia czy indukowanej sejsmiczności.
• Obieg zamknięty (brak kontaktu z wodami gruntowymi i skałami przepuszczalnymi, co przyczynia się do zmniejszenia ryzyka środowiskowego)
• Brak potrzeby iniekcji i reiniekcji płynów do złoża (zmniejszenie ryzyka środowiskowego, zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną dzięki naturalnie występującemu efektowi termosyfonu).
• Brak szczelinowania i hałasu (bezpieczniejsze i bardziej akceptowalne społecznie, ponadto możliwe do zastosowania nawet w środku miasta).
• Można go z powodzeniem stosować tam, gdzie EGS okazuje się niewystarczające – AGS sprawdzi się praktycznie wszędzie, gdzie temperatura pod powierzchnią jest wystarczająca (zwykle >150°C).
• Mniejsze zużycie wody  (AGS to technologia „sucha”).
• Pełna skalowalność (technologię można wdrażać zarówno w małych gminach, jak i dużych aglomeracjach).
• Dopasowywalna wydajność energetyczna (system jest bardziej przewidywalny i łatwiejszy w projektowaniu).
• Długowieczność – infrastruktura energetyczna nie jest narażona na kontakt z korozyjną solanką, wymagania związane z utrzymaniem systemu w sprawności są mniejsze.

Wyzwania, z którymi wiążą się zaawansowane systemy geotermalne:

• Konieczność bardzo precyzyjnego, kierunkowego wiercenia.
• Straty ciepła przy dłuższych trasach przepływu.
• Utrzymanie integralności mechanicznej zamkniętego układu.
• Koszty wiercenia i konieczność dostępu do zaawansowanego sprzętu (początkowe koszty CAPEX dla projektów AGS/EGS sięgały ok. 14 000 $/kW – czyli około 10x więcej niż w przypadku energii wiatrowej, ale prognozy IEA wskazują na możliwość obniżenia ich do 3-7 tys $/kW do roku 2035)
• Oziębianie skał – z czasem eksploatowane pole ulega znacznej utracie temperatury, co zmniejsza efektywność termiczną.
• Długość odwiertu determinuje głębokość z jakiej możliwe jest pobieranie ciepła (a od tego zależy powierzchnia wymiany ciepła)

Przykłady w praktyce:

Jednym z pionierów AGS jest kanadyjska firma Eavor Technologies (https://eavor.com), która opracowała system o nazwie Eavor-Loop™. W 2019 roku zbudowano pierwszą instalację demonstracyjną – prototyp Eavor-Lite™ w Albercie (Kanada), a obecnie technologia testowana jest m.in. w Niemczech i USA.

System działa całkowicie  pasywnie, wykorzystując efekt termosyfonu. Wartym odnotowania jest także fakt, iż wieloboczne sekcje odwiertu są nieobudowane. Zamiast tego zastosowano technologię uzbrojenia odwiertu za pomocą chemicznego uszczelniacza (Rock Pipe). Z opublikowanego raportu (Zatonski, Brown, 2023), podsumowującego 4 lata pracy instalacji pilotażowej w Albercie, dowiadujemy się, że system  wyprodukował blisko 20 GWh_th. Pierwotna temperatura formacji przy głębokości pionowej otworu wiertniczego 2400 m wynosiła 78^oC. Po 4 latach eksploatacji temperatura wylotowa ustabilizowała się na poziomie 50^oC (szybkość produkcji 20m³/godz.).

W realizowanym w Geretsried (Niemcy) najnowszym projekcie Eavor-Loop™, odwiert ma osiągnąć głębokość 4,5km. Moc cieplna systemu została wstępnie oszacowana na ok. 64 MW, a założona produkcja energii elektrycznej na ok. 8.2 MW. Firma podaje także, że zaoszczędzi planecie emisji ok. 44 000t ekwiwalentu CO₂ rocznie. Twórcy wskazują, że technologia Eavor-Loop™ ma jeszcze jedną zaletę – może być zastosowana na 99% powierzchni Niemiec.  

Jedną z najbardziej innowacyjnych firm na rynku AGS jest szwajcarska EAPOSYS (https://www.eaposys.com/) , która od 2017 roku rozwija autorską technologię E.AGS – zaawansowany, wieloodwiertowy system geotermalny o zamkniętym obiegu. Współpracując z firmą Well Engineering Partners, EAPOSYS opracował unikalną konstrukcję tzw. „odwiert serwisowy” (ang. service well), która umożliwia motylkowe rozmieszczenie odgałęzień (ang.multilateral wells) na różnych głębokościach w formie zamkniętej półpętli. Odwierty iniekcyjne/produkcyjne połączone są z odnogami tworząc kanał przewodzący ciepło.

System ten pozwala na stopniowe skalowanie instalacji, może rozpocząć pracę już po wykonaniu pierwszej pętli, a kolejne elementy dodawane są w miarę potrzeb. Dodatkową zaletą jest możliwość serwisowania i ponownego wejścia do konkretnych odgałęzień dzięki stałej obecności odwiertu serwisowego, co znacząco upraszcza utrzymanie instalacji.

Co istotne, całość może być zrealizowana przy użyciu jednej platformy wiertniczej, ograniczają koszty przestojów niepracujących platform i zwiększając efektywność. Dzięki elastyczności geometrycznej, system E.AGS można dostosować do zróżnicowanych warunków geologicznych, zachowując wysoką wydajność cieplną. (Vouillamoz, kontakt osobisty, 2025). Bazując na dotychczas udostępnionych danych (Perrochet, Vouillamoz 2023) badania symulacyjne wskazują na możliwość uzyskania ok. 1–5 MW_th wydajności cieplnej w przypadku średniej wielkości instalacji. Dodatkowo z opcją uzyskania 100–400 kWe energii elektrycznej w systemach ORC (jeśli utrzymana zostanie odpowiednio wysoka temperatura na wylocie odwiertu, tj. ok. 90^oC). Firma opracowała także oprogramowanie symulacyjne EAPOSIM, które pozwala wizualizować i planować instalacje AGS.

Z kolei duńska firma Green Therma (https://greentherma.com) opracowała i testuje system współosiowo-zamknięty w pojedynczym odwiercie, oparty na rurociągu typu „rura w rurze” (ang. „pipe-in-pipe”), zakończonym warstwą izolacji próżniowej (ang. vacuum inner tubing). W jednym odwiercie o głębokości 2–4 km (+ 4–8 km w poziomie), odgiętym horyzontalnie, firma montuje podwójny przewód próżniowy.

Rura zewnętrzna służy do zatłaczania zimnej wody do odwiertu. Woda poprzez kontakt z gorącą, suchą skałą ulega ogrzaniu, po czym wraca na powierzchnię  wewnętrznym przewodem izolowanym próżniowo. System posiada wysoką sprawność, ogrzana woda wraca niemal bez utraty energii (strata ciepła to ok. 2–3 %). Test technologii Dual Vacuum Pipe (DualVac™) został pomyślnie przeprowadzony w 2024 roku w ośrodku testowym Ullrigg w Norwegii.

Wnioski

Zaawansowane systemy geotermalne to obiecujący kierunek rozwoju niskoemisyjnych źródeł energii. Dzięki zastosowaniu zamkniętych obiegów i eliminacji wielu barier związanych z tradycyjną geotermią, AGS może odegrać ważną rolę w transformacji energetycznej, również w krajach, które dotąd uchodziły za „niegeotermalne”.

Bibliografia / Źródła:

• EAPOSYS (https://www.eaposys.com)
• Vouillamoz Naomi, kontakt osobisty, czerwiec-lipiec 2025
• Eavor Technologies (https://eavor.com)
• Green Therma (https://greentherma.com)
• Zatonski V., Brown C. “Eavor-Lite Update After Four Years Of Operation”, 2023
• U.S. Department of Energy (https://energy.gov)
• Bloomberg: „The Geothermal Startup That Could Power the Planet”, 2021
• IEA Geothermal Reports (2022–2024)
• CORDIS EU Project: Gerlachsheim Demonstration Plant (EU Innovation Fund)
• ThinkGeoEnergy.com – artykuły o wdrożeniach AGS (2020–2024)
• Cascade Institute “Ultradeep Geothermal Research and Action Roadmap”, 2024
• Vouillamoz N., Scherrer P. “EAPOLAB Initiative to Realize Advanced Geothermal Systems”, 2023
• Vouillamoz N. van Og G. “Energy-Environment-Social Balance of Deep Geothermal System”, w przygotowaniu
• Vouillamoz N., Mengiardi J., Garitte B., Kompatscher M. “SwissDGS: Breaking the Ice – Bringing Circular Deep Geothermal Systems to reality in Switzerland”, w przygotowaniu
• Maver, K. G.; Vestavik, O. M.; Rasmussen, J. P.,Larsen, C-E. “Closed loop single well geothermal solution, Special Topic: Reservoir Engineering & Geoscience”, First Break, 41, 2023
• https://www.thinkgeoenergy.com/eavor-completes-182-million-equity-round-to-advance-closed-loop-geothermal
• https://greentherma.com/our-projects/#demonstration_project
• https://www.iea.org/news/growth-in-global-energy-demand-surged-in-2024-to-almost-twice-its-recent-average
• https://jpt.spe.org/new-iea-report-next-generation-geothermal-can-go-global-but-oil-and-gas-industry-must-show-the-way