Energią geotermalną nazywamy energię pochodzącą z wnętrza Ziemi zakumulowaną w systemach hydrotermalnych lub gorących suchych skałach (ang. hot dry rocks), przy czym wyróżnia się energię pierwotną będącą pozostałością po procesach formowania się planety oraz energię powstającą w wyniku procesów rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Ciepło zaliczane do zasobów geotermalnych charakteryzuje temperatura co najmniej 20°C.
Zgodnie z pojęciem stopnia geotermicznego, definiowanego jako głębokość (mierzona w metrach), na której temperatura wzrasta o 10°C w stosunku do punktu początkowego, temperatura zmienia się w zależności od budowy geologicznej obszaru, rozwoju geotektonicznego, procesów chemicznych zachodzących w głębi Ziemi, bliskości zjawisk wulkanicznych oraz obecności wód wgłębnych. Średni stopień geotermiczny w Polsce wynosi około 33 m/°C. Podobnie jak w innych krajach Europy, w Polsce występują głównie baseny sedymentacyjne, wypełnione wodami geotermalnymi o temperaturach od 20°C do około 90°C, których zasoby geotermalne wynoszą w przybliżeniu 2,9*1017 J/km2.
Powszechność występowania, odnawialność oraz brak zależności od zmieniających się warunków klimatycznych są niewątpliwymi zaletami energii geotermalnej. Daje to możliwość wykorzystania potencjału geotermalnego do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz zastosowania w rolnictwie, balneoterapii i rekreacji.
Rodzaje energii geotermalnej
Obecnie wykorzystuje się przede wszystkim ciepło zgromadzone w złożach wód i par geotermalnych będących nośnikami ciepła na powierzchnię terenu. Zbiorniki te, eksploatowane głównie z głębokości do czterech tysięcy metrów, zbudowane są ze skał charakteryzujących się wysokimi parametrami porowatości, szczelinowatości oraz przepuszczalności, co znacznie ułatwia akumulację ciepła.
Złoża par geotermalnych – złoża o wysokiej entalpii wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Charakteryzują się temperaturami przekraczającymi 150°C.
Wody geotermalne – złoża o niskiej entalpii wykorzystywane w sposób bezpośredni do produkcji energii cieplnej, także w balneoterapii i rekreacji (pod warunkiem że spełniają stawiane im wymagania). Charakteryzują się temperaturami niższymi od 150°C.
Zasada wykorzystania par i wód geotermalnych polega w pierwszym z przypadków na wykorzystywaniu par do napędzania turbin, połączonych wałem obrotowym z generatorem produkującym prąd elektryczny. Woda geotermalna wydobywana przez otwory wiertnicze oddaje natomiast ciepło w wymiennikach lub pompach ciepła, które następnie przekazywane jest do medium zasilającego sieć ciepłowniczą.
Na coraz większą skalę złoża o niskiej entalpii wykorzystywane są także do produkcji energii elektrycznej w systemach binarnych opartych na obiegu cieplnym Rankine’a. Medium robocze o temperaturze parowania niższej od temperatury wrzenia wody jest odparowywane podczas wymiany ciepła z wodą geotermalną, po czym przechodzi przez turbinę parową połączoną z generatorem, podobnie jak ma to miejsce przy wykorzystaniu złóż par geotermalnych. Zużyta para jest skraplana w kondensatorze i ponownie przepływa do parownika.
Poza parami oraz wodami geotermalnymi ciepło zawarte w gruncie w coraz większym stopniu odzyskuje się także za pomocą pomp ciepła z płytkich partii skorupy ziemskiej o temperaturach sięgających kilkunastu stopni Celsjusza. Jest to sposób nie tylko ogrzewania pomieszczeń, ale także ich chłodzenia.
Pompa ciepła – urządzenie wykorzystujące niskotemperaturową energię geotermalną zakumulowaną w gruncie i wodach podziemnych, a następnie przekazujące energię cieplną o wyższej temperaturze do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.
Perspektywicznymi źródłami ciepła są także suche gorące skały krystaliczne (hot dry rocks) niezawierające par ani wód geotermalnych. (…)
Rodzaje złóż geotermalnych
Pozyskiwanie energii geotermalnej polega głównie na wykorzystywaniu wspomnianych par i wód geotermalnych, wydobywanych otworami wiertniczymi. W zależności od ciśnienia, kształtu zbiornika i rzeźby powierzchni terenu wyróżnia się złoża artezyjskie oraz subartezyjskie.
Złoże artezyjskie – złoże charakteryzujące się samoczynnym wypływem wody geotermalnej (podniesienie słupa wody ponad powierzchnię terenu) po wykonaniu odwiertu, co ma związek z występowaniem warstw wodonośnych pod ciśnieniem hydrostatycznym.
Złoże subartezyjskie – w strefach niższych ciśnień hydrostatycznych słup wody geotermalnej w otworze nie przekracza powierzchni terenu. Woda jest eksploatowana (podnoszona) przez otwór produkcyjny przy zastosowaniu urządzeń wydobywczych (najczęściej są to agregaty pompowe zapuszczone do otworu).
Pompa głębinowa – urządzenie stosowane w geotermalnych otworach wiertniczych do wydobywania wód ze złóż subartezyjskich oraz utrzymania odpowiednio wysokiej wartości ciśnienia wody złożowej, ewentualnie zwiększenia wydajności eksploatowanych wód.
Informacje o złożu niezbędne do oceny możliwości przyszłej eksploatacji, takie jak potwierdzenie występowania poziomu wodonośnego, pobranie próbki wody złożowej czy określenie ciśnienia złożowego oraz zakumulowanej w nim energii, uzyskuje się poprzez opróbowanie geotermalnych poziomów wodonośnych.
Systemy odwiertów geotermalnych
Metodyka wykonywania otworu wiertniczego polega na niszczeniu struktury skał przez obracający się po dnie otworu świder, na który wywierany jest poprzez obciążniki (umieszczone w kolumnie otworu) nacisk osiowy. Urobek usuwany jest następnie za pomocą płuczki wiertniczej na powierzchnię, gdzie zwiercone cząstki skały są od niej oddzielane. Wyróżnia się otwory pionowe, kierunkowe (skośne) oraz z końcowym odcinkiem poziomym. Na podstawie sposobu wydobycia wód geotermalnych oraz ilości zastosowanych otworów wiertniczych mówimy o systemach jednootworowych, dwuotworowych oraz wielootworowych.
System jednootworowy jest rozwiązaniem stosowanym bardzo rzadko, głównie w warunkach niewystarczającego zapotrzebowania na ciepło. Jest to układ oparty na wykorzystaniu jednego otworu wiertniczego, którym woda geotermalna jest eksploatowana, a następnie, po oddaniu części ciepła w wymienniku ciepła, jest wykorzystywana do celów przemysłowych, rolniczych czy rekreacyjnych (pod warunkiem że spełnia stawiane jej wymogi). Wadą takiego rozwiązania jest możliwość wyczerpania złoża przy zbyt długim okresie eksploatacji oraz szkody w środowisku wód powierzchniowych (konieczność chłodzenia wody oddawanej do cieków powierzchniowych lub zbiorników retencyjnych) oraz podziemnych. Zaletą systemów jednootworowych są natomiast niższe koszty na etapie realizacji inwestycji.
Istnieje możliwość wykorzystania systemu jednootworowego do eksploatacji wód geotermalnych przy ich jednoczesnym zatłaczaniu. Metoda ta polega na wykorzystaniu przestrzeni pierścieniowej między rurami wydobywczymi a rurami okładzinowymi, do której wprowadzana jest zimna woda wykorzystująca zjawisko konwekcji do powolnego ogrzewania się w swoistym zamkniętym wymienniku ciepła, jaki stanowi przestrzeń międzyrurowa. Po oddaniu ciepła woda wprowadzana jest w cyrkulacyjny obieg za pomocą pompy rotacyjnej. Zastosowanie tego typu rozwiązań jest korzystne w warunkach zaadaptowania niewykorzystanych otworów wiertniczych o potencjale eksploatacyjnym.
System dwuotworowy, nazwany także dubletem geotermalnym, składa się z otworu wydobywczego (produkcyjnego) oraz otworu zatłaczającego (chłonnego). Jest to najczęściej stosowane rozwiązanie eksploatacji wód geotermalnych. Zaletą systemu dwuotworowego jest uzyskanie dużych wydajności eksploatacyjnych w przypadku korzystnych warunków złożowych. Woda geotermalna jest wydobywana otworem produkcyjnym, oddaje ciepło w wymienniku ciepła lub pompie ciepła do wody obiegowej (konieczność wynikająca z wysokiej mineralizacji, woda złożowa nie może krążyć w obiegu ciepłowniczym), a następnie schłodzona zatłaczana jest otworem chłonnym do złoża. Rozwiązanie to zapewnia nie tylko odnawialność złoża oraz utrzymanie jego parametrów eksploatacyjnych, ale także spełnienie wymogów ochrony środowiska (brak degradacji wód podziemnych).
Samoprzepływ wód geotermalnych – proces polegający na samoczynnym wypływie i zatłoczeniu do złoża wody geotermalnej, możliwy dzięki różnicy ciśnień otworów eksploatacyjnego i chłonnego oraz przyrostowi ciśnienia hydrostatycznego zatłaczanej wody (efekt wzrostu ciężaru właściwego przy spadku temperatury w wymienniku ciepła).
System wielootworowy składa się z więcej niż dwóch otworów wiertniczych. Najczęściej w jego skład wchodzą jeden otwór produkcyjny i dwa otwory chłonne. Po oddaniu ciepła woda jest zatłaczana do złoża, przy czym tempo wydobycia, a co za tym idzie obniżania temperatury źródła nie powinno przekraczać szybkości ponownego jej ogrzania we wnętrzu Ziemi. W przypadku obniżenia się temperatury wydobywanej na powierzchnię wody geotermalnej istnieje możliwość wykonania nowych otworów eksploatacyjnych oddalonych od pierwotnie istniejących w taki sposób, aby wychłodzona strefa złoża mogła zostać ponownie nagrzana do pierwotnej temperatury.
Rodzaje układów stosowanych w instalacjach geotermalnych
Z punktu widzenia energetyki cieplnej nadrzędnym celem instalacji geotermalnej jest produkcja ciepła użytkowego o parametrach wymaganych przez odbiorców wraz z zapewnieniem dostatecznego komfortu cieplnego niezależnie od zmiennych warunków atmosferycznych i klimatycznych, przy maksymalnej efektywności termodynamicznej i ekonomicznej. Wyróżnia się trzy podstawowe układy odbioru energii z wód geotermalnych: układ monowalentny, układ biwalentny oraz układ kombinowany.
Układ monowalentny jest samowystarczalnym układem produkowania energii cieplnej przez instalację geotermalną. Rozwiązanie to stosowane jest w warunkach wysokich temperatur charakteryzujących złoże geotermalne, przy czym zainstalowana moc dostosowana jest do maksymalnego zapotrzebowania na ciepło przez odbiorców lokalnych. System monowalentny jest także wykorzystywany przy zastosowaniu układu kaskadowego, jednakże sposób ten jest ściśle uzależniony od potrzeb odbiorców, a co za tym idzie, ma ograniczone możliwości wdrażania.
Układ biwalentny jest rozwiązaniem, w którym produkcja ciepła przez instalację geotermalną jest wspomagana przez urządzenia konwencjonalne podczas szczytowego zapotrzebowania przez odbiorców lokalnych na moc cieplną. Konieczność instalowania dodatkowego źródła ciepła podnosi koszty inwestycji, jednak samo złoże geotermalne oraz jego moc dyspozycyjna wykorzystywane są bardziej efektywnie niż ma to miejsce w przypadku układów monowalentnych.
Układ kombinowany wykorzystuje do produkcji ciepła równocześnie instalację geotermalną oraz urządzenia konwencjonalne zainstalowane w tradycyjnej kotłowni. Wynika to ze znacznie mniejszej mocy cieplnej złoża geotermalnego w stosunku do potrzeb odbiorców, przy czym moc dyspozycyjna złoża wykorzystywana jest w największym stopniu w stosunku do układów monowalentnych oraz biwalentnych.
Podstawowymi elementami systemów ciepłowniczych, dla których czynnikiem łączącym w technologiczną całość jest nośnik ciepła, są centralne źródło ciepła zasilające w energię cieplną system ciepłowniczy oraz sieć ciepłownicza, która spełnia funkcję transportującą ciepło ze źródła do węzłów cieplnych pośredniczących z kolei w przekazywaniu energii cieplnej z wody sieciowej do instalacji wewnętrznych odbiorców. Dodatkowymi elementami instalacji geotermalnych w porównaniu z tradycyjnymi ciepłowniami są wymienniki ciepła, pompy ciepła i ewentualnie kotły konwencjonalne (układ biwalentny i kombinowany).
Wymienniki ciepła – zachodzi w nich wymiana ciepła pomiędzy wodą geotermalną a grzewczą wodą sieciową.
Konieczność zastosowania wymiennika ciepła pomiędzy obiegiem wody geotermalnej a sieciowej wynika z korozyjnego oddziaływania wód geotermalnych na poszczególne elementy instalacji, co ma związek z mineralizacją, a uniemożliwia bezpośrednie jej zastosowanie do celów grzewczych. Wymienniki ciepła stosowane w instalacjach geotermalnych wykonywane są najczęściej z tytanu oraz jego mieszanin, co znacznie zmniejsza agresywny charakter oddziaływania wód geotermalnych na materiały, z których jest wykonany.
Rozwiązania prowadzenia rurociągów przesyłowych pomiędzy otworem produkcyjnym a wymiennikami ciepła są spójne z ideą ich budowy dla konwencjonalnych instalacji ciepłowniczych. Istotnym elementem rurociągów są pompy rotacyjne, które pozwalają na ponowne zatłoczenie zużytej wody do złoża, wymuszając wcześniej jej przepływ pomiędzy głowicami otworów produkcyjnego i chłonnego. W związku z zanieczyszczeniami (drobne cząstki skalne, zanieczyszczenia z rurociągu przesyłowego) wody geotermalnej, przed wymiennikami ciepła jest ona filtrowana w celu ochrony instalacji. Proces filtrowania jest powtarzany za pompami zatłaczającymi, aby zapobiec zjawisku kolmatacji (zamulanie) warstwy wodonośnej.
Czynniki wpływające na opłacalność wykorzystania zasobów geotermalnych
Wykorzystanie energii geotermalnej jest determinowane przez szereg czynników. Warunki geologiczne, parametry wody złożowej, efektywność termodynamiczna zastosowanych procesów oraz kalkulacje ekonomiczne i struktura odbiorców ciepła to podstawowe z nich.
Skupiając się na opłacalności wykorzystania złóż dla celów energetycznych, istotne jest przede wszystkim właściwe rozpoznanie parametrów geologiczno-złożowych, takich jak temperatura wód geotermalnych, mineralizacja, głębokość zalegania złoża czy wydajność eksploatacyjna.
Temperatura wód geotermalnych – wysokość temperatury wód geotermalnych wynika wprost z temperatury złożowej przy uwzględnieniu obniżenia jej wartości o wielkość spadku temperatury wody w trakcie jej wydobywania na powierzchnię terenu.
Mineralizacja – zawartość rozpuszczonych składników stałych wyrażone g/dm3. Mineralizacja wpływa negatywnie na urządzenia instalacji geotermalnych poprzez zwiększenie szybkości zachodzenia procesu korozji oraz powodowanie zjawiska pokrywania się rur eksploatacyjnych warstwą wytrąconych minerałów. Wyróżnia się wody niezmineralizowane, o zawartości do 1 g/dm3 rozpuszczonych składników stałych, oraz wody zmineralizowane, które zawierają ich więcej niż 1 g/dm3.
Im wyższa temperatura oraz wydajność, a mniejsza mineralizacja, tym lepsze warunki geotermalne. Poprawne rozpoznanie tych parametrów pozwala na prawidłowe prognozowanie kosztów związanych z planowaniem i realizacją inwestycji oraz jej przyszłą eksploatacją, przy czym cechą charakterystyczną dla instalacji geotermalnych są wysokie nakłady inwestycyjne w zestawieniu ze stosunkowo niewielkimi nakładami eksploatacyjnymi. Całkowity koszt budowy instalacji geotermalnej kształtują przede wszystkim koszty wykonania otworów wiertniczych przy mniejszym udziale kosztów wykonania elementów instalacji na powierzchni terenu, co powoduje tendencję czerpania energii geotermalnej ze stosunkowo mniejszych głębokości przy zachowaniu optymalnych parametrów złożowych.
Z punktu widzenia projektowania instalacji geotermalnych ważne są nie tylko własności zbiornikowe wód podziemnych, ale także odpowiednia lokalizacja topograficzna i precyzyjne określenie sposobów zagospodarowania czerpanej ze złoża energii. Wykorzystanie wód w pełnym zakresie temperatur (sposób kaskadowego wykorzystania wód geotermalnych) pozwala na znaczną poprawę efektywności instalacji oraz zwiększenie przychodów ze sprzedaży energii cieplnej.
Artykuł powstał na podstawie „Atlasów zasobów geotermalnych na Niżu Polskim”, opracowanego przez zespół pod kierownictwem prof. Wojciecha Góreckiego z Katedry Surowców Energetycznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Michał Kaczmarczyk, Redakcja GLOBEnergia
Cały artykuł – GLOBEnergia 2/2009
