Energia geotermalna jest to energia pozyskiwana ze skał i wód podziemnych. Na tle wyżej wymienionych typów energii odnawialnych, wyróżnia się największą stabilnością oraz stosunkowo najmniejszą uciążliwością dla środowiska przyrodniczego.
Źródłem energii geotermalnej jest wnętrze Ziemi o temperaturze około 5400 °C, generujące przepływ ciepła w kierunku powierzchni. Moc ciepła wypływającego na powierzchnię Ziemi wynosi ok. 46 TW, stąd średni strumień geotermalny wynosi ok. 0,063 W/m2, a średni gradient temperatury ok. 25 K/km.
Jeśli chodzi o zagospodarowanie źródeł energii geotermalnej, istnieje standardowy podział na geotermię wysokotemperaturową (GWE) inaczej wysokiej entalpii (na rysunku poniżej) oraz niskotemperaturową (GLE) – niskiej entalpii.
Źródło: Geotermia Podhalańska
Geotermia niskiej entalpii
Geotermia niskiej entalpii wykorzystuje ciepło ziemi w sposób pośredni – poprzez stosowanie urządzeń wspomagających – tzw. Geotermalne pompy ciepła (GPC). Działają one na zasadzie podnoszenia energii na wyższy poziom termodynamiczny. Ciepło ośrodka skalnego stanowi dla pompy tzw. dolne źródło ciepła, które powinno (ze względów ekonomicznych) znajdować się w otoczeniu takiej pompy. Zamiast ciepła skał można wykorzystać powietrze atmosferyczne, wody powierzchniowe, ciepło odpadowe itp. Duże znaczenie ma tutaj nasłonecznienie gruntu, które było szerzej omawiane przy omawianiu energii słonecznej.
Jako wartość graniczną przyjmuje się temperaturę minimalną = 30 C, wykorzystywanie zasobów o tak niskiej temperaturze określa się mianem geotermii bardzo niskiej entalpii (GBNE).
Dzięki dynamicznemu rozwojowi tej techniki grzewczej, pompy ciepła staja się coraz bardziej ekonomicznie. Jako że jest to urządzenie mechaniczne , wymaga zasilania, które jednak może być uzyskane z innych form źródeł energii odnawialnych, np elektrowni wiatrowych, dzięki czemu uzyskujemy system oparty całkowicie na odnawialnej i praktycznie niewyczerpalnej energii środowiska.
Zasada działania pomp ciepła
Zasada działania pompy ciepła, typu sprężarkowego, polega na wykorzystaniu właściwości czynnika roboczego, którym jest specjalnego płyn wypełniający wewnętrzną instalację pompy. Płyn, płynąc przez parownik, pobiera ciepło z gruntu lub wody (tzw. dolne źródło ciepła) zamieniając się w gaz. Ogrzany gaz trafia do sprężarki, gdzie ulega kompresji, a temperatura jego znacznie wzrasta. Podgrzana czynnik trafia do skraplacza, ulegając ochłodzeniu, a swoje ciepło oddaje wodzie wypełniającej instalację grzewczą i instalację ciepłej wody użytkowej, zwanych górnym źródłem ciepła. Następnie ochłodzony płyn przechodzi przez zawór rozprężny, gdzie następuje redukcja wysokiego ciśnienia i powrót do parownika, skąd cały proces rozpoczyna się ponownie.
Geotermia wysokiej entalpii
Geotermia wysokiej entalpii umożliwia bezpośrednie wykorzystanie ciepła ziemi, którego nośnikiem są substancje wypełniające puste przestrzenie skalne, takie jak woda termalna, mieszaniny pary, gazu itp. Mają one względnie wysokie wartości temperatur. Oprócz zastosowań grzewczych znajdują zastosowania w wielu innych dziedzinach: hodowla ryb, produkcji rolnej i szklarniowej, do celów rekreacyjnych (np kąpieliska). Optymalne wykorzystanie ciepła umożliwia tzw. system kaskadowy: kolejne punkty odbioru ciepła charakteryzują się coraz mniejszymi wymaganiami temperaturowymi. Źródła o bardzo wysokich temperaturach mogą być wykorzystywane do produkcji energii przy pomocy pary wodnej, jednak nie wszędzie jest on możliwy do realizacji np. w warunkach polskich nie można go wdrożyć.
Pozyskiwanie wód termalnych w geotermii wysokotemperaturowej zależy od dwóch czynników:
-
geofizycznego: czyli ziemskiego strumienia ciepła oraz związanej z nim temperatury ośrodka skalnego
-
hydrogeologicznego: przewodności hydraulicznej poziomów wodonośnych oraz mineralizacji wód podziemnych
Oprócz wody źródłem wysokotemperaturowej energii geotermalnej mogą być suche gorące skały (Hot Dry Rocks – HDR), które osiągają temperaturę ponad 150 stopni C
Na rysunku 9 wyraźnie widać, że w Polsce najlepsze warunki dla geotermii wysokotemperaturowej znajdują się w pasie północno-zachodnim. Wyniki te uzyskano dzięki wykonaniu 7000 otworów wiertniczych, głównie w latach 1970-1980. Niestety obecnie takich otworów powstaje coraz mniej (przyczyną są ich znaczące koszty), co istotnie ogranicza możliwości planowania inwestycji na nowych terenach.
Rozwój tej geoenergetyki jest jednak dodatkowo uwarunkowany opanowaniem znanych trudności eksploatacyjnych (mineralizacja wód geotermalnych powoduje wytrącanie się soli w instalacjach przy odbieraniu ciepła), a nadto ekonomicznych (brak systemowych gwarancji zwrotu kosztów wierceń o ile instalacja w danym miejscu okaże się niemożliwa).