Skąd pochodzi energia geotermalna?

W skorupie ziemskiej, w war­stwach skalnych, płyną gorące pod­ziemne wody. Przypuszcza się, że w trakcie rozpadu radioaktywnych izotopów wewnątrz jądra kuli ziem­skiej powstaje temperatura 4500°C. Wytworzone ciepło emitowane jest w kierunku zewnętrznych warstw planety. Do powierzchni Ziemi do­ciera strumień energii cieplnej rzędu 0,05 W/m². Można przyjąć, że na każde 100 m w głąb skorupy ziem­skiej temperatura wzrasta o około 3°C. W rzeczywistości jednak rozkład temperatury nie jest jednorodny. Za­leży on od struktury tektonicznej da­nego obszaru, przemian tektonotermalnych w okresach dziejów Ziemi, wieku generacji ciepła.

Do produkcji energii elektrycznej najczęściej wykorzystuje się złoża do­starczające parę wodną lub bardzo go­rącą wodę (o temperaturze powyżej 150°C). Są to głównie pola geotermal­ne występujące na terenach wulka­nicznych. Do bezpośredniego zasto­sowania w przemyśle, ogrzewnictwie i w rolnictwie doskonale nadają się złoża geotermalne o temperaturze wo­dy od 20 do 150°C (tzw. złoża nisko­temperaturowe).

Na świecie

Energia geotermalna wykorzysty­wana jest w około 40 krajach. Uzy­skana w ten sposób całkowita moc cieplna przekracza 11000 MW. W Europie liderem w tej dziedzinie jest Islandia, gdzie energię wód geo­termalnych, obok elektrowni wod­nych, uznano za jedno z prioryteto­wych, źródeł energii. Import ropy naftowej ograniczony jest do mini­mum – tylko na potrzeby transportu, zaś na terenach, gdzie występują po­la geotermalne, korzysta się z tych lokalnych źródeł energii. Gorąca wo­da z otworów wiertniczych przesyła­na jest do miast rurociągami napowierzchniowymi, zaś miejska sieć ciepłownicza prowadzona jest pod ziemią. W samej stolicy Islandii – Reykjaviku – mieszkania ogrzewa­ne są energią geotermalną z ujęć usy­tuowanych w obrębie miasta. Gorą­cą wodą zasilane są baseny kąpie­lowe, a rury prowadzone pod płyta­mi chodnikowymi i podjazdami do garaży zapewniają roztapianie lodu nawet podczas srogich zim. Dzięki energii geotermalnej lokalnie rozwi­nęła się również hodowla szklarnio­wa warzyw i kwiatów. Właśnie taka gospodarka – wykorzystująca eko­logiczne źródła energii – przyczyniła się do uznania Islandii za najczyst­szy kraj na świecie.

We Francji, na przedmieściach Paryża, w 1984 roku rozpoczęto budowę miejskiego geotermalnego systemu ciepłowniczego, który obec­nie zaopatruje w ciepło 13 tysięcy mieszkań. Z odwiertów wydobywa się 600 m7h wód termalnych o tempera­turze 75°C. Innym rejonem Francji, gdzie wykorzystywana jest energia geotermalna, jest basen akwitański z kilkunastoma ujęciami.

Wody geotermalne wykorzystuje się też w Danii. Na przykład na północy Półwyspu Jutlandzkiego trzynasto-tysięczne miasto ogrzewane jest przy użyciu niskotemperaturowych źródeł geotermalnych, wspomaganych pom­pami ciepła i spalarnią śmieci.

Liczne ujęcia pracują także we Włoszech, południowej Rosji, Gre­cji, na Węgrzech, w Czechach i Sło­wacji. Poza Europą gorące źródła zostały docenione między innymi w Stanach Zjednoczonych, Chinach, Japonii i Nowej Zelandii.

Polska

Wyniki badania emisji zanieczysz­czeń poszczególnych krajów europej­skich nie są dla nas pocieszające – Polska zaliczana jest do głównych trucicieli kontynentu, niewątpliwie zaś przoduje w tej dziedzinie w akwe­nie Morza Bałtyckiego.

Energetyka kraju opiera się głów­nie na spalaniu paliw węglowych. Za­równo przemysł hutniczy, koksow­niczy, chemiczny, jak i elektrownie, elektrociepłownie oraz ciepłownie są w głównej mierze odpowiedzialne za degradację środowiska naturalnego. Gospodarka oparta na węglu nie tyl­ko zanieczyszcza atmosferę i wody, powoduje efekt cieplarniany, ale też jest przyczyną dużych strat w rolnic­twie i leśnictwie.

Obok działań proekologicznych zmierzających do ograniczenia emisji spalin, budowy oczyszczalni ścieków, prowadzi się poszukiwania źródeł energii mogących zastąpić węgiel.

W licznych odwiertach odkryto czystą energię zawartą w ciepłych wo­dach geotermalnych.

Na obszarze Polski występują głównie wody termalne o tempera­turze do 120°C. Opracowania na­ukowców z Polskiej Akademii Nauk podają, że wody geotermalne wystę­pują na obszarze 251 000 km². Obję­tość złóż geotermalnych to około 6700 km³, a ich energia cieplna wyno­si w przybliżeniu 34,5 mld ton paliwa umownego. Oszacowano, że tereny najbogatsze w energię geotermalną to Niż Polski z pasami szczecińsko- łódzkim i grudziądzko-warszawskim, niecka podhalańska i obszar zapadli­ska przedkarpackiego.

Wpływ eksploatacji złóż geotermalnych na środowisko

Energia geotermalna jest energią odnawialną, jeśli tylko nie zostanie naruszona struktura hydrogeologicz­na terenu.

Eksploatacja złóż wody podziem­nej może zaburzyć środowisko natu­ralne przez:

• zakłócenia powierzchniowe – po­wstawanie wiertni, otworów wiertni­czych, sieci rurociągów, budynków elektrowni;

• osiadanie gruntu – zależy od wa­runków geologicznych i występuje wtedy, gdy naturalny dopływ nie po­krywa ilości wody wydobytej ze zło­ża. Aby temu zapobiec, stosuje się powrotne wtłaczanie wody do zbior­nika. Dlatego też każdemu wydobyw­czemu otworowi wiertniczemu towa­rzyszy otwór zatłaczający (tzw. dublet geotermiczny);

• efekty termiczne – ciepła woda odpadowa wypuszczona na po­wierzchnię ziemi może być przyczy­ną nieodwracalnych zmian w śro­dowisku biologicznym,
• emisję substancji chemicznych – z polskich źródeł geotermalnych emisja gazów takich jak azot, dwutle­nek węgla, siarkowodór, amoniak jest minimalna, nieporównywalnie niższa od emisji gazów na polach wy­sokotemperaturowych .

Podhale

W latach osiemdziesiątych na Podhalu wykonano kilka odwiertów ba­dawczych. Wykazały one, że tempera­tura złóż geotermalnych wynosiła 86°C, przy mineralizacji 0,5-3 g/l. Wydajność wody w pojedynczych odwiertach sięgała średnio 10 m³/h/bar. Za wykorzystaniem w ciepłownictwie energii geotermalnej złóż z rejo­nu Zakopanego przemawiało wiele czynników. Ogrzewanie Podhala opar­te na węglu kamiennym i koksie powoduje duże skażenie środowiska naturalnego okolicznych parków na­rodowych. Spala się tu rocznie ok. 350 tys. ton paliw stałych. Sezon grzew­czy trwa tu zdecydowanie najdłużej, a temperatura powietrza zewnętrzne­go jest najniższa w Polsce. Dlatego właśnie tutaj powstał pilotowy Do­świadczalny Zakład Geo-termalny Polskiej Akademii Nauk – Bańska- Biały Dunajec.

Przy produkcji ciepła wykorzystuje się system dubletu geo­termalnego. Są to dwa otwory: czer­palny we wsi Bańska i chłonny we wsi Biały Dunajec. Potencjał energetycz­ny dubletu wynosi około 12 MW, zaś wydajność wody – 200 m’/h. Pobór wody termalnej następuje w eksplo­atacyjnym otworze wiertniczym na głębokości ponad 2500 m. Tempera­tura złoża wynosi 84°C, jednak woda płynąc ku powierzchni ziemi ochła­dza się i wypływając osiąga tempera­turę 80°C. Po przejściu przez dwa równolegle usytuowane płytowe wy­mienniki ciepła powraca do rurociągu. Następ-nie zatłacza się samoczynnie do tej samej warstwy wodonośnej przez oddalony o 1200 m otwór chłon­ny Biały Dunajec.

Początkowo pierwszy wymiennik dostarczał ciepło do suszarni i szklar­ni, zaś ciepło drugiego wymiennika przeznaczone było do ogrzania do­mów we wsi Bańska Niżna. W sezo­nie grzewczym 93/94 geotermalne centralne ogrzewanie pracowało w pierwszych sześciu budynkach.

W ubiegłym roku podłączono dalsze 103 domy gminy Szaflary.

Docelowo dublet geotermalny Bańska-Biały Dunajec ogrzeje ponad 400 budynków mieszkalnych.

W domach zainstalowane są kom­paktowe węzły cieplne przekazujące energię z sieci ciepłowniczej do do­mowych instalacji centralnego ogrze­wania. Koszt węzła wraz z ciepło­mierzem wynosi około 5000 zł. Aby cena nie stanowiła bariery dla przy­szłych odbiorców ciepła, węzły prze­kazywane są użytkownikom po wpła­ceniu 1000 zł. Spłata reszty kwoty nastąpi w ciągu 10 lat.

Instalacja ciepłownicza na Podha­lu wykorzystuje tylko energię geoter­malną, nie jest wspomagana innymi źródłami ciepła. Aby inwestycja geo­termalna była opłacalna, konieczne jest optymalne wykorzystanie poten­cjału energetycznego tych wód.

Na Podhalu zrealizowano ekspery­mentalny, kaskadowy model rozbio­ru ciepła:

• 86-65°C – najwyższy przedział temperatury wykorzystano do cen­tralnego ogrzewania;
• 65°C – w tej temperaturze pracu­je suszarnia drewna. Drewno w niej suszone jest lepszej jakości niż drew­no z suszarni tradycyjnych;
• 45°C – szklarnia zasilana wodą o tej temperaturze istnieje już od dwóch lat;
• 45-25°C – wodę termalną o tej temperaturze stosuje się w hodowli ryb ciepłolubnych i do podgrzewania gleby dla produkcji warzywniczej.

Dzięki pracom przeprowadzonym w Doświadczalnym Zakładzie Geo­termalnym w Bańskiej możliwe było opracowanie programu ogrzewania geotermalnego dla Podhala. Do reali­zacji przedsięwzięcia powołano spół­kę kapitałową „Geotermia Podha­lańska” SA zajmującą się produkcją i przesyłem ciepła. Generalny projekt przedsięwzięcia przygotowała firma Houe and Olsen z Danii. Głównym źródłem finansowania są pożyczki z banków krajowych i międzynarodo­wych oraz dotacje. Inwestycję poparł między innymi Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Bank Ochrony Środowiska i Ekofundusz.

Zakłada się, że sieć ciepłownicza zasilana ciepłem z kolejnych dubletów geotermalnych Podhala obejmie swym zasiegiem tereny od Nowego Targu do Zakopanego.

Pyrzyce

Położone są w niecce szczecińskiej, na terenach geologicznych bogatych w energię geotermalną. Wody geo­termalne wykorzystywane będą na terenie zwartej zabudowy miejskiej, zamieszkanym przez 16 tys. osób. W północno-wschodniej części mia­sta wykonane zostały d&a otwory eksploatacyjne, głębokości od 1480 do 1632 metrów. Otwory dostarcza­ją ponad 300 m³ wody w ciągu godzi­ny. Jej temperatura w złożu wynosi 64°C, zaś mineralizacja 120 g/l.

W miejskiej ciepłowni geotermal­nej zainstalowano dwa wymienniki (pierwszego i drugiego stopnia), wy­konane z tytanu, odporne na dzia­łanie agresywnej wody. Woda ter­malna po przejściu wymiennika I  stopnia zostaje schłodzona do tem­peratury 42°C, a w wymienniku II  stopnia do temperatury 26°C. Aby nie zaburzyć równowagi środowiska naturalnego, schłodzona woda kiero­wana jest do tej samej warstwy wo­donośnej, z której została pobrana, przez dwa otwory zatłaczające od­dalone o 1500 m od otworów eks­ploatacyjnych. W odróżnieniu od inwestycji na Podhalu, instalacja geo­termalna Pyrzyc współpracować bę­dzie z absorpcyjnymi pompami cie­pła oraz kotłami gazowymi wysoko- i niskotemperaturowymi. Moc szczy­towa ciepłowni wyniesie 50 MW. Woda geotermalna zapewni 59% rocznego zapotrzebowania na cie­pło, pozostałe 41% ciepła dostarczą kotły i pompy ciepła. Praca kotłów ograniczy się do sezonu zimowego. Przy niskich temperaturach ze­wnętrznych kotły dogrzeją wodę w sieci ciepłowniczej. W sezonie let­nim do przygotowania cieplej wody użytkowej wystarczająca jest ener­gia wód termalnych.

Zastosowanie pomp ciepła umoż­liwia optymalne wykorzystanie cie­pła zawartego w wodzie geotermalnej. Woda sieciowa powracająca z mia­sta ma temperaturę 40°C. Część jej strumienia kierowana jest na wymien­nik I stopnia, a część na pompy cie­pła. Pompy schładzają wodę sieciową z 40°C do około 25°C. Woda ta w wy­mienniku II stopnia odbiera ciepło od wody geotermalnej, obniżając jej temperaturę z 42°C do 26°C.

Wysoka mineralizacja złoża 120 g/l wymaga zastosowania syste­mu filtrów. Zatrzymują one cząstecz­ki stałe średnicy powyżej 1 jxm. Filtry zainstalowane są zarówno na ujęciu czerpalnym, jak i w otworze chłon­nym. Zapobiegają negatywnemu wzrostowi mineralizacji złoża i two­rzeniu się osadów w urządzeniach in­stalacji ciepłowniczej.

Projekt ciepłowni opracowała duń­ska firma House and Olsen z Thisted w Danii, Politechnika Szczecińska i Eko-Inwest ze Szczecina. Inwestycję finansowo wsparł kapitał duński, nie­miecki, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Ekofundusz, Komitet Badań Nauko­wych i inni inwestorzy. Wyeliminowa­nie 68 lokalnych kotłowni opalanych węglem bądź koksem niewątpliwie pozytywnie wpłynie na czystość po­wietrza i stan środowiska. Być może teren ten stanie się jednym z najczyst­szych w Polsce.

Obie inwestycje wykorzystujące energię geotermalną dla potrzeb cie­płowniczych – pyrzycka i podhalań­ska – realizowane w odmiennych wa­runkach, stanowić będą wzór do naśladowania. Ciepło Ziemi jako energia odnawialna stanowić może szansę dla ciepłownictwa naszego kraju. Oczywiście nie zaspokoi ono całkowicie potrzeb cieplnych, ale jest ważnym źródłem energii i powinno być brane pod uwagę na terenach, na których występuje.