Tradycyjne systemy hydrotermalne, wykorzystujące gorące wody lub pary znajdujące się stosunkowo blisko powierzchni, są znane i komercyjnie eksploatowane od wielu dekad. Nie jest to jednak jedyny sposób korzystania z ciepła wnętrza Ziemi. Bardziej zaawansowane koncepcje zakładają sięganie do znacznie głębszych i gorętszych partii skorupy ziemskiej. Projekty tego typu określa się mianem geotermii superhot (supergorącej) lub supercritical (nadkrytycznej) i coraz częściej wskazuje się je jako potencjalną odpowiedź na globalne wyzwania energetyczne.
Jak to działa – w skrócie?
W systemach geotermii SHR (Super Hot Rocks), czyli supergorących skał, woda jest wtłaczana głęboko w gorące, zwykle suche skały krystaliczne, gdzie ulega intensywnemu podgrzaniu. Następnie powraca na powierzchnię w postaci pary lub bardzo gorącego płynu, który może zostać wykorzystany do produkcji energii elektrycznej w turbinach.
Eksploatacja odbywa się na znacznie większych głębokościach niż w klasycznej geotermii, gdzie panują bardzo wysokie temperatury i ciśnienia. Kontrastuje to z dzisiejszym, wciąż niewielkim (aktualnie ok. 17 GW mocy zainstalowanej na świecie), sektorem geotermii konwencjonalnej, który zazwyczaj wykorzystuje naturalne zbiorniki gorących wód podziemnych w regionach o podwyższonym gradiencie geotermalnym.
Źródło: https://news.cornell.edu/stories/2024/12/superhot-rock-energy-could-power-geothermal-systems-anywhere (dostęp 15.03.2026)
O jakich warunkach mowa?
Powyżej temperatury 374 °C i ciśnienia 221 barów woda przechodzi w stan nadkrytyczny, w którym zanika granica między fazą ciekłą a gazową. Płyn nadkrytyczny charakteryzuje się wysoką entalpią oraz właściwościami pośrednimi między cieczą a gazem, dzięki czemu może przenosić znacznie więcej energii niż konwencjonalne płyny geotermalne.
Warunki takie występują zwykle w pobliżu strefy przejścia krucho-plastycznego w skorupie ziemskiej, gdzie chłodniejsze, kruche skały górnej części skorupy przechodzą w gorętsze i bardziej plastyczne skały głębszych partii.
Czy „superhot” i „supercritical” to te same warunki?
Choć terminy „supergorący” i „nadkrytyczny” bywają używane zamiennie, mają nieco inne znaczenie:
- Supergorący odnosi się do samej temperatury skały, niezależnie od warunków ciśnienia. Oznacza bardzo wysoką temperaturę, zwykle powyżej 400 °C.
- Nadkrytyczny odnosi się do stanu płynu, który osiąga zarówno temperaturę, jak i ciśnienie powyżej punktu krytycznego wody (T>373°C i P>22 MPa), co sprawia, że zachowuje się jak „półciecz, półgaz”. W takich warunkach zanika wyraźna granica między fazą ciekłą a gazową.
W praktyce oba terminy dotyczą tej samej strefy wysokotemperaturowej w skorupie ziemskiej. Określenie „nadkrytyczny” dotyczy jednak parametrów fizycznych płynu, natomiast „supergorący” odnosi się wyłącznie do temperatury skał. Woda w stanie nadkrytycznym zatrzymuje dużo ciepła, tak jak ciecz, ale jednocześnie przemieszcza się z łatwością gazu. W niektórych odwiertach osiąga się bardzo wysokie temperatury, lecz ciśnienie nie przekracza punktu krytycznego. W takich przypadkach mówimy o geotermii SHR.
W tym miejscu warto od razu zaznaczyć, że istnieją pewne problemy z wykorzystaniem warunków nadkrytycznych jako celu w głębokim wierceniu. Zawartość energii w płynie (tj. entalpia) nie rośnie liniowo wraz ze wzrostem ciśnienia. Oznacza to na przykład, że płyn o temperaturze 400 °C może mieć niższą entalpię przy ciśnieniu 300 barów niż przy 240 barach.
Czym jest „gęstość energii” w geotermii i jak odnosi się ona do SHR?
W kontekście geotermii mówi się zwykle o dwóch aspektach związanych z gęstością energii:
- Gęstość energii skupiona w płynie (entalpia) – czyli ile energii cieplnej niesie ze sobą 1 kg płynu (para wodna/woda termalna), wyrażana w kJ/kg. Im wyższe temperatura i ciśnienie płynu, tym większa energia w tej samej ilości płynu.
Porównując – klasyczna para geotermalna ma ok. 2000 kJ/kg, a nadkrytyczna > 3000 kJ/kg.
- Gęstość mocy przestrzennej (ang. power density) – określa, ile megawatów mocy można uzyskać w stosunku do wielkości pola geotermalnego, czyli np. ile MW mocy przypada na 1 km² obszaru eksploatacji.
W klasycznej geotermii potrzebujemy wielu odwiertów, a pole geotermalne zajmuje kilka kilometrów kwadratowych, przez co uzyskiwana moc jest rozproszona. W geotermii SHR jeden odwiert może mieć 5–10 razy większą wydajność. Oznacza to, że tę samą moc można uzyskać z mniejszej liczby odwiertów i z mniejszego obszaru. Dlatego też mówi się o większej gęstości mocy przestrzennej geotermii SHR.
Jak głęboko trzeba sięgnąć i w jakich skałach?
W przybliżeniu zakłada się, że konieczne będzie dotarcie do zasobów na głębokości do 15 km (obecnie typowe odwierty geotermalne sięgają do ok. 7 km w głąb ziemi).
W regionach o wysokim gradiencie geotermalnym, takich jak obszary wulkaniczne lub ryftowe, bardzo wysokie temperatury można jednak znaleźć znacznie płycej. Przykładami takich miejsc są m.in. Nowa Zelandia, Islandia, Włochy, Turcja czy niektóre części zachodnich Stanów Zjednoczonych. Tym samym można przypuszczać, że właśnie tam technologia geotermii supergorącej będzie skomercjalizowana w pierwszej kolejności.
W systemach supergorącej geotermii występują pewne preferencje geologiczne. Nie odnoszą się one jednak do jednego konkretnego typu skały. Kluczowe są raczej temperatura, przepuszczalność i kontekst tektoniczny, a nie sama litologia. Ważnym czynnikiem kontrolującym występowanie takich zasobów jest temperatura przejścia krucho-plastycznego skał (ang. brittle-ductile transition). Wraz ze wzrostem temperatury skały zaczynają odkształcać się plastycznie zamiast pękać. Może to stanowić problem w przypadku systemów opartych na inżynieryjnym tworzeniu przepuszczalności, takich jak EGS (Enhanced Geothermal Systems), ponieważ w tak wysokiej temperaturze i ciśnieniu szczeliny mają tendencję do zamykania się, co ogranicza przepływ płynów. Z tego względu korzystne są warunki, w których skały pozostają kruche przy możliwie wysokiej temperaturze oraz zawierają rozwiniętą sieć naturalnych spękań.
Na stronie Clean Air Task Force dostępnej pod adresem https://www.catf.us/shr-map/ dostępna jest mapa świata z przybliżoną głębokością występowania bardzo wysokich temperatur (ok. 450°C). Model temperatury został opracowany przez Clean Air Task Force we współpracy z Uniwersytetem Twente. Pozwala on na oszacowanie regionalnego potencjału geotermalnego w różnych częściach globu. Mapa zawiera również informacje o projektach geotermalnych nowej generacji.
Jaki jest związek inżynieryjnych systemów geotermalnych (EGS) i systemów zamkniętych (AGS) z energią supergorących skał?
Energia supergorących skał odnosi się do systemów geotermalnych wykorzystujących znacznie wyższe temperatury niż te, z których dotychczas korzystano. Jednak takie zasoby mogą być eksploatowane zarówno w systemach EGS (Enhanced Geothermal Systems), jak i w zamkniętych systemach AGS (Advanced Geothermal Systems). Bezpośredni kontakt z gorącą skałą osiąga się poprzez zatłaczanie płynu przez odwiert, gdzie krąży on, przechodząc przez drobne, naturalne lub sztucznie wytworzone szczeliny w skale i absorbując ciepło. Podgrzany płyn jest następnie wydobywany na powierzchnię drugim odwiertem produkcyjnym. Alternatywą dla cyrkulacji wody przez szczeliny są systemy zamknięte (AGS). W tym przypadku płyn roboczy krąży w zamkniętym obiegu w rurach przechodzących przez gorącą skałę na dużej głębokości. Ciepło przekazywane jest przez przewodnictwo ze skały do płynu w rurze.
Czy płyny nadkrytyczne to płyny magmowe? Jakie jest ich pochodzenie?
Nadkrytyczne płyny hydrotermalne nie są automatycznie płynami magmowymi, ale mogą mieć z nimi związek lub z nich częściowo pochodzić. Najczęściej powstają one z wody infiltracyjnej (np. pochodzącej z opadów atmosferycznych), która wnika głęboko w skorupę ziemską i ogrzewa się w pobliżu gorących intruzji magmowych, osiągając warunki nadkrytyczne. W takim przypadku pochodzenie wody jest hydrotermalne, natomiast źródłem ciepła pozostaje magma.
Zarówno płyny magmowe jak i wody z opadów atmosferycznych mogą występować w warunkach nadkrytycznych i łatwo się ze sobą mieszają. Analizując skład chemiczny płynów, minerałów oraz skał z rdzeni wiertniczych, a także mierząc temperaturę i ciśnienie w otworze, geolodzy są w stanie z dużą dokładnością określić charakter płynów przecinanych przez odwiert. Każdy typ płynu posiada bowiem charakterystyczny „podpis chemiczny”, swoisty geochemiczny „odcisk palca”, który pozwala określić jego pochodzenie. Na przykład płyny związane z odgazowaniem magmy często zawierają podwyższone stężenia pierwiastków i gazów typowych dla środowiska magmowego, np. ołów, cynk, miedź czy tellur. Metale te nie występują w dużych ilościach w płynach pochodzących z opadów atmosferycznych.
W krajach z aktywnością wulkaniczną, takich jak Nowa Zelandia, logicznym źródłem ciepła wydawałaby się magma. Jednak bezpośrednie wykorzystywanie płynów magmowych – podobnie jak wykorzystywanie samej magmy – może prowadzić do bardzo szybkiej degradacji materiałów odwiertowych i instalacji powierzchniowych. Doświadczenia z Islandii pokazują skutki ekstremalnych temperatur i agresywnej chemii takich płynów. Dlatego większość współczesnych projektów geotermii supergorącej koncentruje się na eksploatacji bardzo gorącej wody, która przenika skałę w pobliżu intruzji magmowych, lecz nie bezpośrednio w strefie płynów magmowych.
Skład płynów
Płyny podkrytyczne i nadkrytyczne mogą powstawać zarówno w wyniku odgazowania magmy, jak i w trakcie późnych etapów krystalizacji intruzji magmowych. Badania wskazują, że powstające płyny nadkrytyczne są zazwyczaj zubożone w główne pierwiastki skałotwórcze (Si, Na, K, Ca, Mg i Al), natomiast wzbogacone w pierwiastki lotne, takie jak C, S i B.
Dojrzałe płyny zbiornikowe w systemach geotermalnych charakteryzują się zwykle alkalicznym pH, wysokimi stężeniami chlorków, niską zawartością magnezu oraz podwyższonymi stężeniami sodu i potasu. Taki skład odzwierciedla intensywną interakcję wody ze skałą w warunkach wysokiej temperatury.
Z kolei płyny kwaśne, zawierające podwyższone ilości siarczanów, są często związane z procesami ogrzewania parowego, kondensacji pary oraz interakcji gazów z wodą. Tego typu środowisko może prowadzić do zwiększonego ryzyka korozji materiałów oraz wytrącania osadów mineralnych (tzw. scaling), co ma istotne znaczenie przy projektowaniu konstrukcji odwiertów i instalacji geotermalnych.
Szczegółowe dane dotyczące składu chemicznego płynów z odwiertów geotermalnych zarówno w stanie podkrytycznym, jak i nadkrytycznym dostępne są w Geothermal Data Repository (Repozytorium Danych Geotermalnych), pod adresem https://gdr.openei.org. Zgromadzona baza danych obejmuje informacje o płynach pozyskane z 25 odwiertów w polach geotermalnych, w których temperatury przekroczyły 350 °C. Choć kompletność danych różni się pomiędzy poszczególnymi polami, zestaw ten pozwala przeanalizować szerokie spektrum warunków chemicznych charakterystycznych dla układów geotermalnych w pobliżu stanu krytycznego i w warunkach nadkrytycznych. Dane te są szczególnie istotne dla procesu doboru materiałów konstrukcyjnych w przyszłych systemach geotermii nadkrytycznej.
Ile będzie kosztować wytworzenie energii z SHR?
Według modeli ekonomicznych opracowanych przez Clean Air Task Force docelowo energia geotermalna z supergorących skał może kosztować tyle co energia wyprodukowana z gazu ziemnego czy promieni słonecznych.
Uśredniony koszt energii dla przyszłych, dojrzałych już elektrowni zasilanych ciepłem SHR oszacowali również Hot Rock Energy Research Organization (HERO) wraz z LucidCatalyst. Analiza opiera się na wskaźniku LCOE (Levelized Cost of Electricity) – czyli standardowym narzędziu w branży energetycznej, służącym do porównywania kosztów różnych technologii wytwarzania energii. Oblicza się go poprzez podzielenie całkowitych kosztów budowy i eksploatacji elektrowni przez energię wyprodukowaną przez tę elektrownię (w całym okresie pracy). Z udostępnionych danych wynika, że dojrzała technologia produkująca energię z SHR może wytwarzać prąd w cenie ok. 20–35 USD/MWh. Dla porównania, hurtowe ceny energii elektrycznej w USA w ostatnich latach często mieściły się w przedziale około 40–60 USD/MWh, choć wartości te są silnie zależne od regionu.
Czy energia supergorących skał jest odnawialna, a może grozi wyczerpaniem ciepła pochodzącego z Ziemi?
Wykorzystanie energii supergorących skał nie grozi wyczerpaniem ciepła Ziemi. W skali czasu ludzkiej cywilizacji zasoby cieplne głębokich skał można uznać za praktycznie niewyczerpywalne. Jednakże warto podkreślić, że geotermia klasyfikowana jest jako pół-odnawialne źródło energii (ang. semi-renewable), ponieważ, aby mogła być zasobem odnawialnym, gwarantującym długoterminową dostępność, musi być właściwie zagospodarowana.
Co ciekawe, w niektórych analizach szacuje się, że ok. 0,1% ciepła Ziemi mogłoby zaspokajać globalne zapotrzebowanie na energię nawet przez 2 miliony lat. Ilość energii potrzebnej ludziom jest więc znikoma w porównaniu z energią produkowaną przez Ziemię.
Czy supergorące skały mogą wytwarzać wodór?
Wodór jest alternatywnym paliwem, które może odegrać ważną rolę w dekarbonizacji wielu sektorów gospodarki, w tym transportu oraz ogrzewania. Jest on również kluczowym surowcem w produkcji amoniaku, coraz częściej rozważanym jako potencjalne bezemisyjne paliwo ciekłe, szczególnie w transporcie morskim i energetyce.
Analiza Lucid Catalyst, opracowana dla Clean Air Task Force, wskazuje, że energia z supergorących skał mogłaby być wykorzystana do produkcji wodoru na dużą skalę.
Wodór powstaje z wody poprzez proces elektrolizy, w którym cząsteczki wody są rozdzielane na wodór i tlen. Proces ten wymaga dostarczenia energii. W przypadku systemów SHR można bezpośrednio wykorzystać wysokotemperaturową parę wodną, co znacząco zwiększa efektywność całego procesu. Do tego celu stosuje się technologię SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) – wysokotemperaturowe urządzenie elektrochemiczne z ceramicznym elektrolitem. W takim układzie część energii potrzebnej do rozdzielenia cząsteczek wody dostarczana jest w postaci ciepła, dzięki czemu zapotrzebowanie na energię elektryczną jest mniejsze. Sprawność wysokotemperaturowej elektrolizy może osiągać 85–90%, podczas gdy klasyczna elektroliza wody osiąga zwykle 60–70%. Oznacza to, że przykładowa elektrownia SHR o mocy rzędu 300 MW mogłaby potencjalnie produkować ok. 130 ton wodoru dziennie (skala porównywalna z instalacjami obecnie wykorzystywanymi w rafineriach).
Źródła
1. “The concept of the Japan Beyond-Brittle Project (JBBP) to develop EGS reservoirs in ductile zones”, Hiroshi Asanuma, Hirofumi Muraoka, Noriyoshi Tsuchiya, Hisao Ito, 2012
2. “Towards Utilization of Superhot Geothermal Resources – the IDDP Project and Beyond”, Gunnar Gunnarsson, Arna Pálsdóttir, Kolbrún Ragna Ragnarsdóttir, Þráinn Friðriksson, 2024
3. https://www.beehive.govt.nz/release/government-gaining-ground-pursuit-supercritical-geothermal-energy (dostęp 04.03.2026)
4. https://www.catf.us/2025/07/introduction-next-clean-energy-frontier-superhot-rock-review-past-ventures-ongoing-research-activities/ (dostęp 04.03.2026)
5. https://www.catf.us/shr-map/ (dostęp 04.03.2026)
6. https://www.catf.us/2025/09/an-introduction-to-the-next-clean-energy-frontier-successes-from-the-iceland-deep-drilling-project/ (dostęp 04.03.2026)
7. https://www.superhotrock.org/ (dostęp 04.03.2026)
8. https://www.thinkgeoenergy.com/new-zealand-and-iceland-sign-cooperation-agreement-on-geothermal-development/ (dostęp 04.03.2026)
9. https://www.beehive.govt.nz/release/nz-and-iceland-collaborate-geothermal-energy (dostęp 04.03.2026)
10. https://www.resources.org/common-resources/incentivizing-superhot-rock-geothermal-exploration/ (dostęp 08.03.2026)
11. https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2025/11/19/volcano-geothermal-energy/ (dostęp 08.03.2026)
12. https://www.thinkgeoenergy.com/superhot-rock-geothermal-the-holy-grail-for-geothermal/ (dostęp 08.03.2026)
13. https://geothermalnextgeneration.com/ (dostęp 09.03.2026)
14. https://www.nedo.go.jp/english/index.html (dostęp 12.03.2026)
15. https://www.lavashow.com/blog/lava-academy/dive-into-iceland-s-geothermal-energy-on-the-lava-academy-podcast (dostęp 14.03.2026)
16. https://www.iea-gia.org/emerging-geothermal-technologies (dostęp 14.03.2026)
17. Superhot Rock Geothermal, A Vision for Zero-Carbon Energy “Everywhere”, L. Bruce Hill, 2021
(https://www.catf.us/wp-content/uploads/2021/09/CATF_SuperhotRockGeothermal_Report.pdf)
18. “Supercritical Geothermal: Resources, Drilling Experience, and Technological Gaps”, William Kibikas, Tatiana Pyatina, Meng Meng, Eva Schill, Nicole Taverna, Scott Mello, Travis Broadhurst, Patrick Dobson, 2026
19. “Gaps, challenges, and pathways forward for superhot rock geothermal: summary report”, Hill, Jenna, Terra Rogers, and Megan Sever, 2025
20. “Sub- and Supercritical Geothermal Fluids – A Global Database”, Eva Schill, William Kibikas, Tatiana Pyatina, Meng Meng, Nicole Taverna, Scott Mello, Travis Broadhurst, Patrick Dobson, 2026
21. “IDDP-1 Drilled Into Magma – World’s First Magma-EGS System Created”, Guðmundur Ómar Friðleifsson, Bjarni Pálsson, Albert L. Albertsson, Björn Stefánsson, Einar Gunnlaugsson, Jónas Ketilsson, Þór Gíslason, 2015
22. https://www.youtube.com/watch?v=3L3694VMlWI (dostęp 14.03.2026)
