Geotermia – podstawowe informacje

Energia geotermalna to pojęcie określające naturalną energię wnętrza Ziemi, która zakumulowana jest w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne 
w skorupie ziemskiej. Od czasów starożytnych cywilizacji wody geotermalne stosowane są do celów rekreacyjnych i balneologicznych (kąpiele zdrowotne oraz próby leczenia), dopiero od niedawna (początki XX wieku) zaczęto wykorzystywać energię geotermalną do produkcji elektryczności, ciepła oraz do innych celów w wielu dziedzinach przemysłu i rolnictwa. Pierwsze instalacje geotermalne powstawały w krajach posiadających obszary aktywne sejsmologicznie, gdzie ciepło pochodzące z wnętrza ziemi ukazywało się na powierzchni 
lub było usytuowane na niewielkiej głębokości (Islandia, Włochy, Nowa Zelandia, Japonia, Chiny, USA oraz Meksyk).

Dostrzeżono równocześnie potencjał w energii geotermalnej niskiej entalpii, która wykorzystuje do produkcji energii ciepło pochodzące z gruntu, wód gruntowych i płytkich partii skorupy ziemskiej o znacznie niższej temperaturze 
niż w przypadku głębokiej geotermii. W celu odzysku ciepła zakumulowanego płytko 
pod powierzchnią ziemi wymagane jest zastosowanie pomp ciepła wspomagających układ.

Atrakcyjność źródeł geotermalnych, należących do odnawialnych źródeł energii (OZE), wynika z ich dostępności praktycznie w każdym miejscu, braku większych wahań związanych z warunkami meteorologicznymi, teoretycznej niewyczerpalności oraz odnawialności, konkurencyjności cenowej i małej wrażliwości na zmieniające się ceny nieodnawialnych źródeł energii, możliwości zastosowania tego typu energii w budownictwie jednorodzinnym do celów grzewczych oraz braku lub niskiej emisji szkodliwych produktów procesów wytwarzania energii.

W ostatnich latach w Europie Zachodniej oraz w Polsce zaobserwowano obiecujący wzrost zainteresowania instalacjami geotermalnymi. Zwiększenie ich liczby oraz mocy przekłada się na stale rosnący udział energii geotermalnej w stosunku do pozostałych odnawialnych źródeł energii. Ma to związek z dynamicznie rozwijającą się w Europie Zachodniej technologią wykorzystującą energię geotermalną niskiej entalpii (geotermalne pompy ciepła) do ogrzewania i chłodzenia budynków użyteczności publicznej, biurowców oraz od niedawna również domów jednorodzinnych. Technologia ta w krajach o dużym potencjale geotermalnym stosowana jest od dawna, jednak jej znaczący rozwój związany jest z jej coraz łatwiejszą dostępnością oraz rozpowszechnieniem dla niewielkich inwestycji oraz w budownictwie indywidualnym pomimo stosunkowo wysokich kosztów początkowych instalacji. W Polsce również wzrasta wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła ziemi do ogrzewania i chłodzenia budynków użyteczności publicznej oraz domów jednorodzinnych.

Geotermia niskotemperaturowa wykorzystuje naturalne ciepło zgromadzone w płytkich partiach skorupy ziemskiej. Wartości temperatury zgromadzonego w gruncie ciepła zależą od wielu czynników hydrogeologicznych i geologicznych, szerokości geograficznej oraz 
od lokalnych parametrów termicznych ośrodka.

Pojęcie energii geotermalnej określa energię magazynowaną i przenoszoną jako ciepło pod powierzchnią ziemi. Energia zakumulowana w gruncie, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne w skorupie ziemskiej w postaci ciepła może mieć różną temperaturę. Będzie to zależne od lokalnych warunków geologicznych, hydrogeologicznych i termicznych oraz od głębokości. Ogólnie można stwierdzić, że energia geotermalna to energia składowana w postaci ciepła pod powierzchnią ziemi. Głównym nośnikiem energii cieplnej są płyny złożowe wypełniające wszelkiego rodzaju pory i szczeliny, jednak same skały i grunt również mogą odpowiadać za transport energii cieplnej z wnętrza ziemi do płytszych partii skorupy ziemskiej. Obecnie wiadomo, że źródłem ciepła obecnego i przechowywanego pod powierzchnią ziemi jest energia grawitacyjna, siły pierwotne oraz zachodzące ciągle w obrębie ziemi rozpady promieniotwórczych izotopów. Dodatkowo w płytkich warstwach skorupy ziemskiej (do około 10 metrów) ciepło to prawie całkowicie jest generowane w wyniku działalności promieni słonecznych (energia pochodzenia solarnego). Zasoby energii geotermalnej można ogólnie podzielić 
na hydrotermiczne (woda, para lub ich mieszanina wypełniająca pory i szczeliny) 
oraz petrotermiczne (warstwy skalne oraz grunt o zdolnościach do akumulowania 
i transportowania zasobów geotermalnych).

W literaturze polskiej geotermia dzielona jest na:

• Geotermię wysokotemperaturową (geotermia wysokiej entalpii GWE), która odzyskuje ciepło z głębszych warstw skorupy ziemskiej o temperaturze umożliwiającej bezpośrednie wykorzystanie zarówno do celów grzewczych, jak 
i w wielu innych dziedzinach np. do celów rekreacyjnych, hodowli ryb i innych zwierząt, produkcji rolnej, suszenia produktów rolnych, w ogrodnictwie, 
do produkcji energii elektrycznej (w Polsce nie jest to możliwe) oraz w szeroko rozumianych procesach przemysłowych. Obecnie największy procentowy udział, w skali świata, w bezpośrednim zastosowaniu energii geotermalnej stanowi ogrzewanie pomieszczeń. Nośnikiem ciepła są płyny wypełniające pory i szczeliny skalne (woda, gaz, para lub ich mieszaniny) o różnej temperaturze w zależności od potencjału geotermalnego danego ośrodka. Ciepło to zmagazynowane jest 
w gorących skałach, pokładach solnych, parze wodnej oraz gorącej wodzie termalnej (o temperaturze co najmniej 20oC). Wydajne do eksploatacji zasoby geotermii głębokiej powinny występować w łatwo dostępnym (stosunkowo płytko pod powierzchnią ziemi) ośrodku przepuszczalnym i porowatym, w którym występują gorące płyny lub pary. Coraz częściej pozyskuje się również ciepło 
z gorących i suchych skał (HDR). Najkorzystniejsze jest wykorzystanie geotermii wysokotemperaturowej jednocześnie w wielu różnych dziedzinach przemysłu 
w taki sposób, że kolejne punkty odbioru ciepła wymagają niższej temperatury źródłowej. Zaletą stosowania geotermii wysokiej entalpii do celów ciepłowniczych jest jej całoroczna dostępność i możliwość zapewnienia całkowitego zapotrzebowania na ciepło. O możliwości występowania odpowiednio bogatych źródeł geotermalnych decyduje lokalna wartość strumienia ciepła przenoszonego z głębi Ziemi. Polska charakteryzuje się jednymi z najbogatszych zasobów geotermii wysokotemperaturowej w tej części Europy, jednak ciepło to jest trudno dostępne i znajduje się na dużych głębokościach pod powierzchnią ziemi. W związku z tym eksploatacja tego typu zasobów jest często nieopłacalna ekonomicznie przy obecnie stosowanych rozwiązaniach technologicznych.

• Geotermię niskotemperaturową (geotermia niskiej entalpii GNE), która odzyskuje ciepło geotermalne niskiej entalpii z przypowierzchniowych warstw gruntu, wód gruntowych, powietrza atmosferycznego, procesów produkcyjnych (ciepło odpadowe) oraz innych źródeł o temperaturze nie pozwalającej 
na bezpośrednie wykorzystanie. Geotermia niskotemperaturowa wymaga zastosowania instalacji wspomagających, zwanych geotermalnymi pompami ciepła (GPC), które przenoszą ciepło z niższego na wyższy poziom termodynamiczny. Ze względu na stabilność temperatury, a w konsekwencji 
na większą efektywność energetyczną, najkorzystniejszymi źródłami ciepła 
są grunty i wody podziemne. W ustawie Prawo geologiczne i górnicze określono, 
że nośnikiem ciepła geotermalnego niskiej entalpii mogą być jedynie wody, których  temperatura mierzona przy wypływie z otworu wiertniczego nie przekracza 20oC. Temperatura ta została przyjęta za wartość graniczną pomiędzy wodami termalnymi a zwykłymi. Ciepło znajdujące się w ośrodku gruntowym lub skalnym, uznawane za tzw. dolne źródło ciepła dla geotermalnych pomp ciepła, zawsze musi być zlokalizowane w miejscu zainstalowania pompy. Geotermalne pompy ciepła podnoszą wartość energii do poziomu temperatury jaka niezbędna jest do zastosowania jej do celów ciepłowniczych, chłodzących oraz w systemach wentylacji pomieszczeń i hal. W sprzyjających warunkach geotermalnych ośrodka oraz przy odpowiedniej konfiguracji instalacji system ten może być używany 
do zmiany naturalnej temperatury gruntu w celu zastosowania ośrodka 
jako magazynu ciepłej lub zimnej energii cieplnej w zależności od pory roku (stosowanie energii geotermalnej do ogrzewania w zimie i chłodzenia w lecie). 
W przeciwieństwie do geotermii wysokiej entalpii znaczący rozwój geotermii niskotemperaturowej na świecie nastąpił dopiero pod koniec XX wieku i jest obecnie jednym z najszybciej rozwijających się sposobów pozyskiwania energii 
ze źródeł odnawialnych. Jednak w Polsce rozwój ten nie jest tak dynamiczny 
ze względu na chaotyczny rozwój tej technologii oraz brak dokładnych informacji 
i regulacji prawnych dotyczących sposobu doboru geotermalnych pomp ciepła.

Opracowanie: Magdalena Tyszer

• Tweet
• Pin It