Energetyka geotermalna
Energia geotermalna – energia wnętrza Ziemi, która pochodzi z gorących par i wód zakumulowanych pod powierzchnią Ziemi. Możemy wyróżnić energię pierwotną, która powstała podczas procesów powstawania skorupy ziemskiej oraz energię jądrową, pochodzącą z procesów rozpadu pierwiastków.
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.
Zbiorniki, z których może być odzyskiwana energia geotermalna znajdują się na dużej głębokości sięgającej kilku tysięcy metrów poniżej poziomu terenu. Akumulacja wody w skałach zbiornikowych następuje wtedy, gdy skały spełniają określone parametry; najważniejszymi z nich są porowatość, przepuszczalność i szczelinowatość. W innym wypadku ciepło w skałach nie mogłoby być zmagazynowane. W zbiornikach tych występują:
- Złoża par geotermalnych – złoża charakteryzujące się temperaturami powyżej 150-200ᵒC na głębokości 1 km. Głównym źródłem ciepła jest magma w komorach lub zakumulowana na niewielkich głębokościach. Towarzyszą obszarom, na których w niedalekiej przeszłości miała miejsce działalność wulkaniczna. Pary geotermalne używane są do napędzania turbin.
- Wody geotermalne – złoża wykorzystywane w bezpośredni sposób do produkcji energii, mające temperaturę poniżej 150ᵒC. Energia w tym przypadku odzyskiwana jest za pomocą wymienników ciepła lub pomp ciepła. Mogą one być wykorzystywane do zasilania sieci ciepłowniczej, lecz mogą być także stosowane w balneoterapii, rekreacji, przemyśle itd. Są bardzo popularne i nie ograniczają się jedynie do obszarów aktywnych wulkanicznie.
- Gorące suche skały (ang. Hot Dry Rocks) – znajdują się na głębokości min. 5 000 m i nie zawierają par ani wód geotermalnych. Energia w nich zawarta może być odzyskana za pomocą wody wtłaczanej do górotworu pod olbrzymim ciśnieniem.
Energię zakumulowaną we wnętrzu Ziemi wykorzystuje się na wiele sposobów, w zależności od temperatury. Gdy temperatury w złożu przekraczają 100ᵒC, złoża wykorzystywane są do produkcji energii elektrycznej. Oprócz produkcji prądu, geotermia znajduje zastosowanie do centralnego ogrzewania, klimatyzacji, w rolnictwie, a także w hodowli zwierząt, w przemyśle spożywczym, do suszenia produktów rolniczych i przemysłowych, w rekreacji i lecznictwie.
Rodzaje złóż geotermalnych:
-
Złoże artezyjskie – złoże charakteryzujące się samoczynnym wypływem wody geotermalnej z wykonanego otworu w górotworze. Warstwy wodonośne występują pod ciśnieniem hydrostatycznym, które umożliwia naturalny wypływ wód na powierzchnię – są to systemy geotermalne z wydobyciem samoczynnym.
-
Złoże subartezyjskie – tam, gdzie nie ma wysokich ciśnień wody znajdującej się pod powierzchnią znajdują się wody subartezyjskie. W celu wydobycia wody na powierzchnię należy skorzystać z pomp głębinowych, umożliwiających transport wody spod powierzchni Ziemi – są to systemy z wydobyciem wymuszonym.
Budowa geologiczna danego obszaru, rozwój geotektoniczny, procesy chemiczne zachodzące w głębi Ziemi, bliskość zjawisk wulkanicznych – to wszystko ma wpływ na to, jak szybko zmienia się temperatura wraz ze wzrostem głębokości. Głębokość (mierzona w metrach), na której temperatura wzrasta o 1°C w stosunku do punktu początkowego to stopień geotermiczny.
Prędkość przepływu ciepła jest określana przez strumień cieplny – przedstawia, jak szybko energia przepływa w określonej jednostce czasu z miejsca o temperaturze wyższej do miejsca o temperaturze niższej.
Na podstawie sposobu wydobycia wód geotermalnych oraz ilości zastosowanych otworów wiertniczych mówimy o systemach:
- jednootworowych – układ ten składa się z jednego otworu wiertniczego, brak jest zaś dodatkowego otworu chłonnego, który ma za zadanie ponowne oddanie wody do górotworu. Ciepło w takim przypadku odzyskiwane jest przy wykorzystaniu pomp ciepła lub wymienników, albo bezpośrednio wykorzystywane w przemyśle lub rolnictwie. Jest to rozwiązanie stosowane bardzo rzadko. Takie rozwiązanie może spowodować wyczerpanie się złoża przy zbyt długim okresie eksploatacji oraz szkody w środowisku wód powierzchniowych (konieczność chłodzenia wody oddawanej do cieków powierzchniowych lub zbiorników retencyjnych) oraz podziemnych. Mają one jednak taką zaletę, że na etapie realizacji inwestycji są zdecydowanie tańsze od dwu- czy wielootworowych.
- dwuotworowych (tzn. dublet geotermalny) – wydobycie wody odbywa się przy wykorzystaniu dwóch otworów wiertniczych: jednego wydobywczego i jednego chłonnego. Energia wody z wnętrza Ziemi przekazywana jest do wymiennika, a następnie po schłodzeniu zatłaczana jest z powrotem pod powierzchnię. System dwuotworowy zapewnia odnawialność złoża i utrzymuje jego parametry eksploatacyjne.
- wielootworowych – najczęściej w jego skład wchodzi jeden otwór produkcyjny i dwa otwory chłonne.
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 wody geotermalnej – 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 w wodzie składników stałych, przedstawiana głównie w g/dm3. Wyróżnia się wody niezmineralizowane, o zawartości do 1 g/dm3 rozpuszczonych składników stałych oraz wody zmineralizowane, które zawierają ich więcej niż 1 g/dm3. Mineralizacja wpływa negatywnie na różne elementy instalacji geotermalnych przez to, że rury pokrywają się wytrąconymi minerałami. Występuje również większe ryzyko korozji. Dlatego też konieczne jest stosowanie wymienników ciepła pomiędzy obiegiem wody geotermalnej a tej, która krąży w sieci.
Im wyższa temperatura wód geotermalnych oraz wydajność odwiertu, a mniejsza mineralizacja, tym lepsze warunki geotermalne.
Zastosowania energii geotermalnej:
- Wytwarzanie prądu elektrycznego – przy wykorzystaniu par geotermalnych,
- Zastosowania bezpośrednie – najbardziej powszechne: ciepłownictwo, rolnictwo suszenie, rekreacja i balneoterapia, hodowle wodne, procesy przemysłowe,
- Pompy ciepła,
Wyróżnia się trzy podstawowe układy odbioru energii z wód geotermalnych:
- Układ monowalentny – układ geotermalny jest jedynym układem produkcji energii cieplnej bez dodatkowego źródła ciepła,
- Układ biwalentny – produkcja energii wspomagana jest przez konwencjonalne źródło ciepła podczas wysokiego zapotrzebowania na energię,
- Układ kombinowany – system geotermalny i konwencjonalne źródło ciepła są jednocześnie wykorzystywane do produkcji ciepła.
Źródła: globenergia.pl
Dużą grupą urządzeń korzystającą z zasobów zakumulowanych w ośrodku są pompy ciepła, będące urządzeniami grzewczymi lub grzewczo- chodzącymi przekazującymi energię ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze. W zależności od ośrodka, z którego czerpana jest energia wyróżnić można powietrzne, gruntowe oraz wodne pompy ciepła. W zależności od przeznaczenia urządzenia, czy pompa ma za zadanie tylko grzać czy również chłodzić, dostępne są pompy ciepła grzewcze oraz grzewczo- chłodzące tzw. rewersyjne pompy ciepła.
Więcej o pompach ciepła w dziale Pompy ciepła