Co to jest energia geotermalna?
Energia geotermalna to energia termiczna (inaczej cieplna) powstająca głęboko pod powierzchnią Ziemi.
Temperatura ziemi wzrasta wraz z głębokością. Jest to spowodowane tym, że im głębiej od powierzchni, tym bliżej jądra Ziemi. Tę zmianę temperatury wraz z głębokością opisuje tzw. gradient geotermiczny – w większości rejonów świata temperatura wzrasta o ok. 25° C na 1 kilometr głębokości.
Jądro naszej planety znajduje się około 2 900 kilometrów pod powierzchnią, a panująca w nim temperatura przekracza 5 000° C. Energia cieplna z jądra nieustannie promieniuje na zewnątrz, rozgrzewając sąsiadujące skały, czy podziemne zbiorniki wodne. Efektem tego jest magma, która czasami wypływa na powierzchnie jako lawa w obszarach wulkanicznych, jak również rozgrzana pod ziemią woda, która wydostaje się na powierzchnie poprzez gejzery, czy gorące źródła.
Pomimo tego, że mała część energii geotermalnej przedostaje się na powierzchnię, to wciąż znaczna część tej energii znajduje się głęboko pod powierzchnią, co nie ułatwia jej wykorzystania.
Energia geotermalna zaliczana jest do odnawialnych źródeł energii (OZE), ponieważ ciepło w jądrze naszej planety powstaje nieprzerwanie i stale się odnawia.
Pozyskiwanie energii geotermalnej
Energię geotermalną pozyskuje się z wnętrza Ziemi, wykonując odwierty podobne do odwiertów naftowych.
Możliwe jest także wykorzystanie ciepła pochodzącego z gejzerów i gorących źródeł znajdujących się na powierzchni lub tuż pod nią, ale występują one na świecie stosunkowo rzadko. Z tego względu w większości miejsc na świecie do uzyskania dostępu do geotermii konieczne jest wykonanie głębokich odwiertów.
Gdzie na świecie wykorzystuje się energię geotermalną?
Energię geotermalną wykorzystuje się przeważnie w miejscach na świecie, gdzie dostęp do niej jest ułatwiony. Głównie są to obszary, w których występuje aktywność wulkaniczna w postaci wulkanów, gejzerów, czy gorących źródeł. Stąd też kraje, w których ponad 15% energii elektrycznej pochodzi z geotermii, to kraje, gdzie możemy zaobserwować aktywność wulkaniczną, są to:
- Salwador
- Kenia
- Filipiny
- Islandia
- Nowa Zelandia
- Kostaryka
Rodzaj energii geotermalnej wykorzystywany jest w zależności od jej dostępności. Na Islandii występują obfite źródła gorącej wody, która jest łatwo dostępna, co pozwala podgrzewać nawet miejskie chodniki. Z kolei w innych krajach wymagane jest wykonanie odwiertów, żeby uzyskać dostęp do źródła ciepła.
Według danych z 2020 roku, 14 438 megawatów energii geotermalnej wyprodukowało 94 949 GWh (gigawatogodzin) energii elektrycznej na całym świecie. Przy tym liczba ta rośnie z roku na rok, ponieważ sektor energii geotermalnej wciąż się rozwija, wraz z rozwojem technologii.
Krajem, który przoduje w produkcji prądu z energii geotermalnej, są Stany Zjednoczone z mocą wynoszącą 3 889 MW. Następna w rankingu jest Indonezja, która ma największe możliwości wykorzystania energii geotermalnej na świecie. Według szacunków potencjał źródeł geotermalnych w Indonezji to 29 000 megawatów, z czego obecnie wykorzystuje tylko 2 000 megawatów tej energii.
Wykorzystanie i działanie energii geotermalnej
Energia geotermalna jest dostępna prawie na całym świecie i wykorzystuje się ją głównie na dwa sposoby:
- Do ogrzewania
- Do produkcji energii elektrycznej
Przy tym wykorzystywanie geotermii do uzyskania energii cieplnej np. do ogrzania domów jest znacznie popularniejszym rozwiązaniem. W ten sposób korzysta z niej ponad 80 krajów, z kolei do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje ją znacznie mniej, bo ok. 30 państw
Opłacalność i wydajność energii geotermalnej jest uzależniona od temperatury źródła ciepła – im wyższa jest temperatura, tym większa wydajność i opłacalność.
Wykorzystanie głębokiej geotermii
Głębokie odwierty geotermalne wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej oraz w ciepłowniach geotermalnych. Do produkcji energii elektrycznej wymagana jest znacznie większa temperatura wody lub pary wodnej, żeby było to opłacalne, dlatego odwierty wykonuje się na głębokość kilku kilometrów.
Po wykonaniu odwiertu, za pomocą rurociągów transportuje się na powierzchnię parę wodną lub gorącą wodę – w zależności od tego, co jest źródłem ciepła, czy jest to podziemny zbiornik wodny, czy skupisko pary wodnej.
Para wodna o bardzo wysokiej temperaturze jest przesyłana bezpośrednio do elektrowni. Przepływając przez instalację, wprawia ona w ruch turbiny, które zaczynają się obracać, co skutkuje wytworzeniem prądu. Wykorzystanie pary wodnej do poruszenia turbin jest najstarszym sposobem wytwarzania prądu z energii geotermalnej.
W przypadku wody proces jest trochę bardziej skomplikowany. Bardzo gorąca woda (temp. powyżej 182° C) znajdująca się pod ziemią wypompowywana jest do zbiorników znajdujących się na powierzchni. Różnica w ciśnieniu i wysoka temperatura wody sprawia, że woda błyskawicznie zamienia się w parę wodną, która następnie przesyłana jest do zasilenia turbin.
Najnowsze technologie pozwalają wykorzystywać wodę o dużo niższej temperaturze, nawet 57° C. Proces wytworzenia prądu wygląda wtedy trochę inaczej. Ciepła woda pozyskana z wnętrza ziemi wykorzystywana jest nie do poruszenia turbin, a do podgrzania innego płynu. Płynu, którego temperatura wrzenia jest znacznie niższa od temperatury wrzenia wody, powoduje to znacznie szybsze powstawanie pary, która następnie wprawia w ruch turbiny. Tego typu dwuczynnikowe elektrownie geotermalne są obecnie najczęściej wybieranym rozwiązaniem, przy budowaniu nowych elektrowni geotermalnych.
Wykorzystanie płytkiej geotermii
Płytka geotermia sięga do kilkuset metrów pod ziemią. Wykorzystuje się ją głównie do ogrzewania mniejszych obiektów, np. domów jednorodzinnych oraz obiektów użytku publicznego.
W czasie zimy nawet na małej głębokości (8-20 metrów) temperatura gruntu jest wyższa niż temperatura powietrza.
W płytkiej geotermii stosuje się gruntowe pompy ciepła, które pobierają ciepło za pomocą rur, w których płynie ciecz absorbująca ciepło z gruntu. Tym samym różnią się od powietrznych pomp ciepła, które pobierają zimne powietrze, po czym je ogrzewają, co wymaga większej ilości energii elektrycznej.
Zalety energii geotermalnej
Energia geotermalna posiada wiele zalet, są to m.in.:
- Energia geotermalna jest zaliczana do odnawialnych źródeł energii (OZE). Ciepło w jądrze naszej planety powstaje bez przerwy i będzie powstawać dalej przez następne miliony lat, a może i więcej.
- Elektrownia geotermalna może funkcjonować ciągle, bez względu na panujące warunki pogodowe, porę dnia, czy porę roku. Pracuje 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, co sprawia, że można na niej polegać jak na elektrowni zasilanej paliwami kopalnymi.
- Energia cieplna bez problemu może być użyta do ogrzewania, ale także do produkcji prądu w zależności od potrzeb, co czyni ją uniwersalną energią.
- Dostęp do energii geotermalnej można uzyskać praktycznie w każdym miejscu na naszej planecie. Jeśli w danym miejscu nie występują powierzchniowe formy energii geotermalnej (np. gejzery), to zawsze znajdziemy ją pod powierzchnią.
- Ilość energii cieplnej, która powstaje we wnętrzu naszej planety, jest ogromna. Szacuje się, że wykorzystaliśmy dopiero niecałe 7% potencjału energii geotermalnej na świecie, co oznacza, że może dostarczyć nam jeszcze sporo ilości energii cieplnej i elektrycznej w przyszłości.
Wady energii geotermalnej
Energia geotermalna nie jest idealna i posiada także wady:
- Pomimo dostępu do energii geotermalnej na całym świecie, dobre warunki do jej wykorzystania występują tylko w pewnych miejscach. Najbardziej opłacalne są obszary, w których gradient geotermiczny jest ponad 2-krotnie większy od średniej.
- Pomimo że energia geotermalna jest niskoemisyjna, to wciąż możliwe jest emitowanie do atmosfery dwutlenku węgla, siarkowodoru, metanu – choć stanowi to mały procent w stosunku do elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi.
- Technologia do pozyskiwania energii geotermalnej jest dość droga, przez co koszt początkowy elektrowni i wymaganej infrastruktury jest wysoki.
- Możliwe wywołanie aktywności sejsmicznej w regionie. Znany jest przypadek ze Szwajcarii, gdzie po pojawieniu się trzęsień ziemi postanowiono zamknąć tamtejszą elektrownię geotermalną.
- Pomimo że w teorii źródło ciepła głęboko pod ziemią jest nieskończone, to zbyt szybka i nadmierna eksploatacja w jednym miejscu może doprowadzać do powolnego wychładzania się źródła.