Jak działa energia geotermalna?

Energia geotermalna to jedno z najbardziej obiecujących odnawialnych źródeł energii. Wykorzystuje ciepło zgromadzone w wnętrzu Ziemi. Polega na wydobywaniu gorącej wody lub pary z głębokich warstw ziemi. Dzięki temu możliwa jest produkcja energii elektrycznej oraz ogrzewanie budynków. Korzyści płynące z tego rozwiązania są imponujące: niskie koszty eksploatacji, zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych oraz szerokie możliwości zastosowania.

Energia geotermalna to ciepło zgromadzone w gruntach i skałach pod powierzchnią Ziemi. Woda opadowa przenika do wnętrza ziemi i nagrzewa się dzięki kontaktowi z gorącymi intruzjami magmy lub innymi źródłami ciepła. To naturalne źródło energii jest praktycznie bezemisyjne i może być wykorzystywane na wiele sposobów.

Szacuje się, że globalny potencjał energetyczny zasobów geotermalnych wynosi około 200 GW mocy zainstalowanej.

Energia geotermalna pochodzi z odwiertów, które umożliwiają wydobycie gorącej wody lub pary. Istnieją różne rodzaje elektrowni geotermalnych:

1. Elektrownie jednoczynnikowe: W tych elektrowniach zasoby geotermalne stanowią jedyne źródło zasilania. Gorąca woda lub para trafia bezpośrednio na turbinę, co pozwala na wytwarzanie energii elektrycznej. Sprawność cieplna takich elektrowni wynosi od 30% do nawet 40% w nowoczesnych instalacjach.

1. Elektrownie dwuczynnikowe: W tych systemach gorąca woda oddaje ciepło do czynnika roboczego (np. amoniaku). Czynnik ten zamienia się w parę i napędza turbinę. Sprawność cieplna elektrowni dwuczynnikowych wynosi od 10% do 15%. Ich zaletą jest możliwość pracy przy niższych temperaturach.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak powstają złoża geotermalne? Cały proces zaczyna się od opadów atmosferycznych, które infiltrują grunt i docierają do głębokości kilku kilometrów pod powierzchnię Ziemi. Tam temperatura może osiągać wartości powyżej 150°C!

Woda ta może być wykorzystywana zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i dla celów grzewczych. Przykładowo średnia temperatura użytecznych złóż wodno-geotermalnych wynosi około 80-100°C dla zastosowań grzewczych.

Gdy warunki nie pozwalają na pobór naturalnej wody (np. ze względu na wysoką mineralizację), stosuje się zamknięty obieg wodny. Taki system minimalizuje negatywny wpływ na środowisko oraz ogranicza ryzyko kontaminacji lokalnych zasobów wodnych.

Energia geotermalna jako odnawialne źródło przyczynia się do redukcji emisji gazów cieplarnianych o około 90% w porównaniu do tradycyjnych paliw kopalnych! Przykład Finlandii pokazuje potencjał tego źródła – odkryte tam złoża mają wystarczyć na 20 milionów lat użytkowania przy obecnym poziomie eksploatacji szacowanym na około 5 TWh rocznie.

Władze Mazowsza dostrzegają potencjał energii geotermalnej. Program „Mazowsze dla społeczności energetycznych” wspiera lokalne inicjatywy transformacyjne poprzez dotacje oraz edukację mieszkańców o korzyściach płynących z tej technologii.

Po początkowych inwestycjach związanych z budową infrastruktury (szacowanych średnio od kilku milionów dolarów za MW) koszty operacyjne są znacznie niższe niż te związane z tradycyjnymi paliwami kopalnymi. Mogą stanowić tylko około 10-15% kosztu produkcji energii elektrycznej po pierwszych latach funkcjonowania instalacji.

Dzięki temu energia ta staje się bardziej dostępna zarówno dla gospodarstw domowych (gdzie oszczędności mogą wynosić nawet kilka tysięcy zł rocznie), jak i przemysłu - zwłaszcza branż wymagających dużej ilości ciepła procesowego, np. przemysł spożywczy czy chemiczny.

Energia geotermalna znajduje zastosowanie nie tylko w produkcji prądu elektrycznego, ale także jako efektywne źródło ogrzewania budynków dzięki pompom ciepła oraz systemom grzewczym opartym na tej technologii. Według danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA), liczba pomp ciepła wzrosła o ponad 50% między rokiem 2010 a 2020 roku globalnie.

Pompy ciepła mogą zapewnić oszczędności rzędu od 30% do nawet 70% kosztu ogrzewania budynku, porównując je do tradycyjnego gazowego czy olejowego systemu grzewczego. To czyni je bardzo atrakcyjnym wyborem dla nowych inwestycji budowlanych oraz modernizacji istniejących obiektów mieszkalnych i komercyjnych.

Geotermalne pompy ciepła to urządzenia działające zgodnie z zasadami termodynamiki. Potrafią efektywnie zarządzać temperaturą wewnętrzną budynku poprzez wymianę ciepła między wnętrzem ziemi a przestrzenią mieszkalną lub biurową – ich sprawność sezonowa często przekracza wartość pięciu jednostek! Oznacza to, że za każdą jednostkę zużytej energii elektrycznej można uzyskać pięciokrotnie więcej jednostek cieplnych!

Pompy te są szczególnie efektywne tam, gdzie warunki termiczne są stabilne przez cały rok. Regiony takie jak Islandia czy Kalifornia intensywnie korzystają ze swoich zasobów energetycznych, aby zapewnić komfort termiczny mieszkańcom podczas zimniejszych miesięcy roku bez konieczności korzystania ze szkodliwych paliw kopalnianych.

Elektrownie te przetwarzają zgromadzone wewnętrzne ciepło Ziemi na energie elektryczną za pomocą różnych cykli termodynamicznych takich jak obieg Clausiusa-Rankine’a czy Kaliny - dostosowanych odpowiednio do specyfiki danego miejsca oraz jakości zasobów energetycznych.

Standardowy cykl Clausiusa-Rankine’a charakteryzuje sprawnością rzędu około 10-20%. Technologia Kaliny potrafi zwiększyć tę wartość o kilka procent dzięki możliwości pracy przy niższych temperaturach medium roboczego!

Zastosowanie nowoczesnego sprzętu pomiarowego pozwala monitorować parametry pracy elektrowni tak, aby maksymalizować jej wydajność operacyjną przez cały okres użytkowania - co przekłada się zarówno ekonomicznie, jak i ekologicznie!