Energia geotermalna

Odnawialne źródła energii – źródła energii, których używanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem – ich zasób odnawia się w krótkim czasie, a są to: energia spadku wody, energia słoneczna, energia wiatru, biomasy, biogazu, fal, pływów morskich oraz energia geotermalna.
Energia geotermalna, z greckiego „geo” oznaczającego Ziemię i „thermos” oznaczającego ciepło. Jest dosłownie energią pochodzącą z wnętrza naszej planety. Jest to ogromne źródło ciepła, generowane przede wszystkim przez proces rozpadu izotopów radioaktywnych takich jak potas-40 i tor-232 w skorupie ziemskiej. Im dalej w głąb Ziemi, tym goręcej. Począwszy od skorupy ziemskiej temperatura wzrasta z każdym kilometrem w głąb o około 30 stopni Celsjusza. To wewnętrzne ciepło przemieszcza się ku powierzchni Ziemi poprzez proces konwekcji i przewodzenia. Skorupa ziemska nie jest jednorodna; posiada liczne pory i szczeliny, przez które ciepłe wody podziemne mogą przemieszczać się, przenosząc ciepło w wyższe warstwy. W regionach o intensywnej aktywności tektonicznej, takich jak obrzeża płyt tektonicznych czy obszary wulkaniczne, te procesy są szczególnie wyraźne, co ułatwia wykorzystanie energii geotermalnej. Jednak chyba najbardziej znanym ze swych złóż geotermalnych miejscem świata jest Pierścień Ognia (RING OF FIRE), obejmujący strefy przybrzeżne i zachodnie wyspy Oceanu Spokojnego.

Energia geotermalna jako ekologiczne źródło energii

Energia geotermalna jest jednym z najczystszych i najbardziej ekologicznych źródeł energii dostępnych dla ludzkości z kilku kluczowych powodów:

Niska emisja gazów cieplarnianych:
Przy wydobyciu i wykorzystaniu energii geotermalnej wydzielanie gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan, czy tlenki azotu, jest znacząco niższe w porównaniu do konwencjonalnych źródeł energii, takich jak węgiel czy gaz ziemny. W rezultacie, wpływ na globalne ocieplenie jest minimalny.
Odnawialność:
Energia geotermalna jest zasobem odnawialnym, gdyż ciepło wewnętrzne Ziemi jest stale uzupełniane przez naturalne procesy.
Dostępność:
Jest dostępna 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Jest niezależna od warunków atmosferycznych, takich jak wiatr czy światło słoneczne, co czyni ją bardzo niezawodnym źródłem energii.
Mały ślad ekologiczny:
Elektrownie geotermalne zajmują znacznie mniej przestrzeni niż np. farmy wiatrowe czy pola paneli słonecznych o porównywalnej mocy wyjściowej. Dodatkowo, nie wymagają eksploatacji dużej ilości wody, co jest ważne w kontekście ochrony zasobów wodnych.
Bezpieczeństwo:
Procesy wydobycia energii geotermalnej są uważane za bezpieczne i mają niski wpływ na środowisko naturalne.
Trwałość:
Systemy geotermalne charakteryzują się długą żywotnością i relatywnie niskimi kosztami operacyjnymi po pierwotnej inwestycji.
Zminimalizowanie uzależnienia od paliw kopalnych:
Elektrownie geotermalne mogą pomóc w redukcji zależności od paliw kopalnych.

Przemysłowe zastosowania

Ogrzewanie i chłodzenie
Systemy geotermalne mogą być wykorzystane do ogrzewania i chłodzenia budynków przemysłowych i biurowych.
Zastosowania w rolnictwie
Geotermia ma zastosowanie w szklarniach, gdzie konieczne jest utrzymanie stabilnej temperatury oraz w rybołówstwie, szczególnie w hodowli ryb wymagających cieplejszej wody.
Przemysłowy recycling ciepła
Odzyskiwanie ciepła z procesów przemysłowych i wykorzystywanie go do innych celów, na przykład do ogrzewania, jest jednym z kluczowych zastosowań geotermii w przemyśle.

Proces produkcji energii geotermalnej

Eksploracja i ocena zasobów:

• Eksploracja geofizyczna: Wykorzystuje się metody takie jak sejsmologia, magnetyzm czy grawimetria do lokalizacji obszarów z wysoką aktywnością geotermalną.
• Wiercenia eksploracyjne: Po wybraniu potencjalnie obiecujących lokalizacji, przeprowadza się wiercenia eksploracyjne, aby ocenić temperaturę, przepływ wód geotermalnych i ich skład chemiczny.
• Ocena zasobów: Na podstawie zebranych danych szacuje się potencjalną wydajność źródła geotermalnego.

Wywiercenie studni geotermalnych:

• Na podstawie danych z eksploracji, wybierane jest konkretne miejsce do wywiercenia studni produkcyjnych.
• Wierci się studnie o głębokości od kilkuset do kilku tysięcy metrów, aby dotrzeć do zasobów geotermalnych.
• Po wywierceniu studni przeprowadza się testy wydajnościowe, aby określić potencjalną ilość energii, jaką można z nich uzyskać.

Budowa systemu wydobycia:

• Konstruuje się system rur, które przewodzą płyn geotermalny (wodę lub parę) z podziemnych zasobów do powierzchni. W przypadku zamkniętych systemów wykorzystuje się wymienniki ciepła do transferu energii cieplnej.
• Woda i para geotermalna często wymagają oddzielenia od innych gazów lub cieczy.

Konwersja energii geotermalnej na elektryczność:

• Płyn geotermalny jest kierowany do elektrowni geotermalnej, gdzie jego energia cieplna jest konwertowana na energię elektryczną.
• W elektrowniach geotermalnych typu suchego, para napędza turbiny parowe, które z kolei napędzają generatory produkujące elektryczność.
• W systemach ORC (Organiczne cykle Rankine’a), używa się organicznych czynników roboczych, które wrzą przy niższych temperaturach niż woda, umożliwiając wydajne wykorzystanie źródeł geotermalnych o niskich temperaturach.

Rozprowadzanie energii:

• Transformator podnosi napięcie wyprodukowanej energii elektrycznej i przesyła ją poprzez sieć elektroenergetyczną do konsumentów.

Zarządzanie odpadami i emisjami:

• „Często wprowadza się ponownie zużyty płyn geotermalny do rezerwuaru geotermalnego po oddaniu ciepła, aby podtrzymać ciśnienie i trwałość zasobu.”
• Odpady, takie jak minerały wytrącone z płynów geotermalnych, muszą być bezpiecznie przetworzone lub utylizowane.

Monitorowanie i utrzymanie:

• Aby zapewnić ciągłość produkcji i uniknąć uszkodzeń, systemy geotermalne podlegają uważnemu monitoringowi.
• Regularne konserwacje są niezbędne, by utrzymać efektywność i wydajność instalacji geotermalnych.

Energia geotermalna – trendy

• Udoskonalone Systemy Geotermalne (Enhanced Geothermal Systems – EGS):
  Technologia Enhanced Geothermal Systems (EGS), znana również jako stymulowane lub inżynieryjne systemy geotermalne. To metoda umożliwiająca wydobycie energii geotermalnej z głębokich skał, które nie zawierają wystarczających ilości wody do konwencjonalnego wykorzystania geotermalnego. W EGS stosuje się techniki takie jak hydrauliczne szczelinowanie, aby zwiększyć przepuszczalność skał. Pompuje się wodę do szczelin, gdzie się nagrzewa i następnie wydobywa na powierzchnię w postaci pary lub gorącej wody.
• Wysokotemperaturowe Pompy Ciepła:
  Pompy te pozwalają na efektywniejsze wykorzystanie niskotemperaturowych zasobów geotermalnych. Są w stanie podnieść temperaturę na potrzeby systemów ogrzewania i chłodzenia. Proces ten czyni geotermię bardziej dostępną dla szerszego grona odbiorców, w tym dla sektora mieszkaniowego.
• Wykorzystanie Binarnych Elektrowni Geotermalnych:
  Binarna technologia pozwala na produkcję energii elektrycznej przy niższych temperaturach niż tradycyjne elektrownie geotermalne. Używa ona dwóch różnych cieczy, najczęściej wody i organicznego czynnika roboczego. Pozwala to na lepszą konwersję ciepła na energię elektryczną w niższych temperaturach.
• Hybrydowe Systemy Energetyczne:
  Łączenie elektrowni geotermalnych z innymi odnawialnymi źródłami energii może zwiększyć wydajność i stabilność produkcji energii.
• Zastosowanie Sztucznej Inteligencji (AI) i Big Data:
  Użycie zaawansowanych analiz danych i AI do monitorowania i optymalizacji działania elektrowni geotermalnych może znacznie poprawić ich efektywność i wydajność.
• Mikro sieci Geotermalne:
  Lokalne systemy dystrybucji ciepła oparte na geotermii mogą dostarczać ciepło bezpośrednio do odbiorców końcowych, zmniejszając straty przesyłowe i koszty infrastruktury.

Obecnie, w niektórych częściach świata, energia geotermalna jest wykorzystywana nie tylko do produkcji energii elektrycznej, ale również do ogrzewania i chłodzenia budynków, w rolnictwie, akwakulturze i w innych procesach przemysłowych.
Wysokotemperaturowe źródła geotermalne dostarczają energii cieplnej niezbędnej do procesu odsalania.

Proces odsalania z wykorzystaniem energii geotermalnej:

Najczęściej stosowanymi metodami odsalania z użyciem geotermalnej energii cieplnej są:

Destylacja wielostopniowa (MSF – Multi-Stage Flash):
W tej metodzie wykorzystuje się ciepło geotermalne do podgrzewania wody morskiej w serii pojemników (stopni), sukcesywnie zmniejszając ciśnienie, co powoduje odparowanie części wody. Para jest następnie skraplana, dając słodką wodę.

Odwrócona osmoza (RO – Reverse Osmosis):
Choć jest to proces bardziej energochłonny, energię geotermalną można wykorzystać do wytworzenia elektryczności. Elektryczność ta jest niezbędna do napędzania pomp wysokiego ciśnienia w procesie gdzie solanka przechodzi przez membrany półprzepuszczalne, aby oddzielić słodką wodę od soli.

Energia geotermalna – innowacje

Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie pozyskiwania energii geotermalnej obejmują kilka innowacyjnych technologii i metod. Jedna z nich, rozwijana przez firmę Quaise, polega na topieniu skał na głębokościach do 20 km za pomocą żyrotronu – rodzaju wzmacniacza mikrofal wykorzystywanego w reaktorach termojądrowych. Wiązka mikrofal jest kierowana w dół otworu wiertniczego wraz z gazem, takim jak azot, argon czy powietrze. Dzięki temu gaz wiąże się z odparowaną skałą i jest unoszony w górę. Pozwala to na efektywniejsze wiercenie w celu pozyskania energii geotermalnej​.

Inny przełom to technika opracowana przez naukowców z Penn State, zwana techniką strojenia przewodnictwa pęknięć. Technika ta ma na celu zapobieganie powrotu niewystarczająco nagrzanych wód (z powodu zbyt dużych szczelin w skałach – woda za szybko przepływa i nie zdąży się nagrzać). Proponowane rozwiązanie polega na dodaniu do płynu pompowanego do rezerwuaru, materiałów zmieniających właściwości w zależności od temperatury, co pozwala na autonomiczną kontrolę przepływu wewnątrz skał. 

Energia geotermalna w Polsce

Energia geotermalna w Polsce, choć nie jest jeszcze tak szeroko wykorzystywana jak inne odnawialne źródła energii posiada znaczny potencjał rozwojowy. Polska, ze względu na swoje uwarunkowania geologiczne, ma możliwości wykorzystania energii geotermalnej przede wszystkim do celów ogrzewania.

1. Elektrociepłownia Geotermalna w Pyrzycach: Jest to jedna z najbardziej znanych instalacji geotermalnych w Polsce, wykorzystywana do ogrzewania.
2. Instalacja Geotermalna w Uniejowie: Wykorzystuje lokalne zasoby geotermalne do ogrzewania budynków oraz w celach rekreacyjnych (baseny termalne).
3. Instalacja Geotermalna w Mszczonowie: Podobnie jak w Uniejowie, wykorzystuje energię geotermalną do ogrzewania i celów rekreacyjnych.
4. Geotermia Podhalańska (Bańska Niżna, Szaflary, Zakopane): W rejonie Podhala funkcjonują różne instalacje geotermalne, głównie wykorzystywane do ogrzewania oraz w balneologii.
5. Instalacja Geotermalna w Stargardzie Szczecińskim: Wykorzystywana do ogrzewania miejskiego.

Podsumowanie

---

Źródła:

https://www.national-geographic.pl/artykul/rewolucyjny-pomysl-na-pozyskiwanie-energii-geotermalnej-wwiercic-sie-w-ziemie-na-rekordowa-glebokosc-20-km-220309010950
https://techxplore.com/news/2023-09-approach-geothermal-reservoirs.html
https://www.ekonomik.bialystok.pl/naukiscisle/Scenariusze_zajec/Warsztaty%20ekologiczne/zal_scenariusz_nr18.pdf
https://pl.wikipedia.org/wiki/Pacyficzny_pier%C5%9Bcie%C5%84_ognia