Energia ziemi - młodzież

Wprowadzenie
Energia geotermalna jest wewnętrznym ciepłem Ziemi, zakumulowanym w skałach. Częściowo jest ciepłem pierwotnym, które powstało w trakcie formowania się naszej planety, a częściowo jest ciepłem pochodzącym głównie z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych takich jak uran, tor czy potas. Temperatura Ziemi zwiększa się wraz z głębokością. Wyrażane to jest współczynnikiem nazywanym stopniem geotermicznym, który określa, co ile metrów w głąb ziemi temperatura wzrasta o 1˚C.


Ilustracja przedstawiająca wnętrze Ziemi z naniesionymi wartościami temperatur oraz głębokości

Złoża wód geotermalnych powstają zwykle w ten sposób, że wody opadowe przenikają w głąb Ziemi, gdzie ogrzewane są przez ciepło pochodzące z jej wnętrza. W niektórych miejscach złoża ciepłych i gorących wód oraz par znajdują się na tyle blisko powierzchni Ziemi (na głębokości około 3 km lub płycej), że mogą być wydobywane za pomocą otworów wiertniczych. Część gorącej wody poprzez uskoki i szczeliny wydostaje się też na powierzchnię ziemi jako gorące źródła albo gejzery.  Natomiast miejsca gdzie nie występują wody ale temperatura jest odpowiednio wysoka (≥150˚C) nazywamy gorącymi suchymi skałami (HDR - Hot dry Rocks). One również pozwalają na odzysk ciepła geotermalnego, lecz technologia ta jest jeszcze w stadium eksperymentalnym.


Fotografia przedstawiająca gejzer Old Faithful znajdujący się w parku Yellowstone w Stanach Zjednoczonych źródło wikipedia.org

Pozytywnymi cechami wykorzystania energii geotermalnej są (Górecki, Hajto 2006; Kępińska 2006):
•    teoretyczna nieograniczoność i odnawialność;
•    powszechność występowania wód geotermalnych;
•    niezależność od zmiennych warunków klimatycznych i pogodowych;
•    możliwość użytkowania bez powodowania zakłóceń w środowisku naturalnym;
•    jako lokalne źródło energii - konkurencyjność cenowa i mała wrażliwość na zmiany cen tradycyjnych nośników energii na rynkach światowych;
•    możliwość wykorzystania wód i energii termalnej do celów grzewczych: do przygotowania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania pomieszczeń gospodarczych, ale ponadto w rolnictwie, ogrodnictwie, balneoterapii i rekreacji i innych;
•    możliwość generacji prądu w elektrowniach geotermicznych.

Zasoby
Złoża par geotermalnych (złoża wysokotemperaturowe - przekraczające 150 - 200ºC.) występują w obszarach współczesnej lub niedawnej aktywności wulkanicznej lub tektonicznej. Szczególnie sprzyjające warunki do powstania systemów geotermalnych zawierających takie złoża par, które istnieją w obrębie krawędziowych stref płyt litosfery. Potencjał geotermalny aktywnych, krawędziowych stref płyt litosfery pozostaje w prostej relacji do wysokich wartości strumienia cieplnego Ziemi, spowodowanych przez intensywny magmatyzm i wulkanizm. Większość perspektywicznych regionów geotermalnych związanych z systemami o wysokich temperaturach znajduje się z reguły w obrębie tych stref. Złoża par znajdują się tam na głębokościach od kilkuset do kilku tysięcy metrów.


Płyty kontynentalne na świecie z zaznaczonymi obszarami o dużych zasobach geotermalnych oraz naniesionymi rowami tektonicznymi – granicami dywergencji (czerwona linia) oraz strefami subdukcji – granicami kowergencji (niebieska linia).

W złożach wód geotermalnych (złożach niskotemperaturowych – o temperaturach niższych od 150ºC) źródłem ciepła jest głównie naturalny strumień cieplny Ziemi. Takie systemy złóż wód geotermalnych są powszechne i występują na znacznie większych obszarach w porównaniu z systemami wysokotemperaturowymi i eksploatowane są głównie w celach tzw. bezpośredniego wykorzystania.
Znaczne ilości ciepła są zawarte również w gorących suchych skałach, które nie zawierają wód ani par, natomiast same w sobie są rezerwuarami ciepła. Masywy takie także związane są ze strefami krawędzi płyt litosfery. Możliwe jest pozyskanie z nich energii geotermalnej w celu generacji prądu elektrycznego, a technologia znajduje się obecnie w stadium badań i eksperymentów.

Historia (i sposób wykorzystania)
Zastosowanie ciepła Ziemi w postaci ciepłych wód i par wpisało się w historię wielu narodów i cywilizacji. Ich odkrycie nastąpiło zapewne przypadkowo, a kolejność stosowania mogła układać się następująco: kąpiele, ogrzewanie ciała i posiłków, próby leczenia. Grecki lekarz Hipokrates z Kos stosował je do leczenia swych pacjentów. W ten sposób powstała szkoła balneologii, której podstawą były wody geotermalne. Od nich pochodzi motto „zdrowie dzięki wodzie", znane jako „SPA” (łac. salus per aqua). W Japonii ludzie osiedlali się w pobliżu gorących źródeł już 11 000 lat przed Chrystusem, a w Azji kontynentalnej ponad 5 000 lat przed Chrystusem. Zwyczaj zakładania osad w pobliżu ciepłych źródeł praktykowany był także w wielu innych rejonach i okresach; w Europie takie były początki m.in. Budapesztu, Sofii i Reykjaviku. Także w Polsce, wzmianki o ciepłym źródle w Jaszczurówce koło Zakopanego pojawiły w XIX w. (Górecki, Hajto 2006). Natomiast najstarsze przekazy dotyczące stosowania ciepłych źródeł do celów leczniczych w Polsce pochodzą z XII - XIII wieku; dotyczą Lądka Zdroju i Cieplic Śląskich. Długimi tradycjami szczyci się także Ciechocinek oraz Iwonicz Zdrój.Do rozwoju geotermii jako nauki oraz przemysłu geotermalnego przyczyniły się źródła i inne zjawiska geotermalne, w które obfituje rejon Larderello we Włoszech. W 1904 r. uruchomiono tam pierwszą na świecie elektrownię geotermiczną, a pozostałe pracujące w tym rejonie elektrownie geotermiczne należą współcześnie do najbardziej znaczących na świecie.

Basen geotermalny na Islandii


Do ogrzewania budynków, po raz pierwszy wody geotermalne zostały wykorzystane XIV wieku we Francji, w miejscowości Chaudes - Aigues, natomiast pierwszą sieć geotermalnego centralnego ogrzewania zbudowano w latach trzydziestych XX wieku w Reykjaviku - stolicy Islandii. Z wodami i zjawiskami geotermalnymi wiążą się też początki parków narodowych. Pierwszym z nich był Yellowstone w USA, założony w 1872 r. dla ochrony i prawidłowego udostępnienia turystycznego tych zjawisk. Jest on uznany za Rezerwat Biosfery i stanowisko Światowego Dziedzictwa Geologicznego. Najciekawszym krajem pod względem wykorzystania energii geotermalnej jest Islandia - wyspa pod kołem podbiegunowym. Została zasiedlona w IX - X wieku i od tej pory jej mieszkańcy korzystali z licznych źródeł geotermalnych do kąpieli, prania, gotowania żywności, a zjawiska geotermalne i wulkaniczne pojawiały się zapisach ich dziejów. Ciepłe źródła posłużyły im nawet do obrzędu Chrztu, kiedy około 1000 r. zdecydowali się przyjąć chrześcijaństwo. Jednak do ogrzewania budynków po raz pierwszy wykorzystano wody geotermalne w 1908 r. W 1930 r. rozpoczęto budowę sieci geotermalnego centralnego ogrzewania w Reykjaviku. Było to przełomowe wydarzenie, gdyż zalety związane z zastosowaniem tego źródła energii szybko przekonały mieszkańców do coraz to nowych prób jej stosowania. Od tego czasu np. wszystkie obiekty szkolne i wiele farm zbudowano w pobliżu gorących źródeł, gdyż zapewniały tanie i ekologiczne ogrzewanie, a także wypoczynek w basenach. Od połowy lat 30-tych wdrażano różnorodne sposoby korzystania z wód i energii geotermalnej: w balneoterapii i medycynie, przemyśle spożywczym (procesy pasteryzacji i ewaporacji, pieczenie chleba, suszenie ryb), budowlanym (suszenie materiałów budowlanych), w rolnictwie, itd. Wspomniany przełom spowodował, że Islandia stała się krajem, który wykorzystuje wody geotermalne na bardzo dużą skalę i do różnych celów.
Obecnie sposoby wykorzystania energii zakumulowanej w wodach i parach geotermalnych można podzielić na dwie zasadnicze grupy (Górecki, Hajto 2006; Kępińska 2006):
•    wytwarzanie prądu elektrycznego przy wykorzystaniu par geotermalnych i innych instalacji;
•    zastosowania bezpośrednie obejmujące szeroki zakres temperatur i różnorodne cele, najbardziej powszechne w ciepłownictwie, balneoterapii i rekreacji.
Sposoby wykorzystania energii geotermalnej przedstawia diagram Lindala, nazwany tak dla upamiętnienia Baldura Lindala, islandzkiego inżyniera, który jako pierwszy go zaproponował. Wskazuje zakresy temperatur właściwe dla różnych działalności bazujących na bezpośrednim wykorzystaniu energii.

Diagram Lindalla pokazujący możliwości wykorzystania wody geotermalnej w zależności od temperatury

Oznacza to, że ciepło odzyskane z wydobytej ze złoża wody geotermalnej wykorzystywane byłoby w miarę spadku temperatury do ogrzewania budynków, suszenia produktów rolnych i przemysłowych, szklarni, w hodowli ryb i innych zwierząt, do podgrzewania gleby, nawadniania hodowli grzybów, w basenach kąpielowych i do balneoterapii. Największy udział w skali świata w zastosowaniach bezpośrednich wód geotermalnych ma ogrzewanie pomieszczeń - przy użyciu pomp ciepła, a na następnym miejscu znajdują się kąpieliska i balneoterapia. Pozostałe zastosowania to ogrzewanie pomieszczeń, szklarni oraz upraw pod osłonami i podgrzewanie gleby, zastosowania przemysłowe, hodowle wodne, suszenie produktów rolnych, topienie śniegu oraz chłodzenie i inne zastosowania.

Wykorzystanie energii geotermalnej na świecie w podziale na różne kategorie (na podstawie Lund, Freeston, Boyd 2010; Bertani 2010).

Wody termalne z powodzeniem stosowane są także przede wszystkim w balneoterapii i rekreacji. Mogą oddziaływać leczniczo i terapeutycznie ze względu na kryteria zarówno chemiczne, jak i fizyczne (temperaturę). Czynniki te występujące jednocześnie na ogół wzmacniają wzajemnie swe działanie.

Rozwój
Zgodnie z danymi, ze Światowego Kongresu Geotermalnego z 2010 r. w Indonezji (Bertani 2010; Lund, Freeston, Boyd 2010), w 78 krajach energię geotermalną wykorzystuje się w sposób bezpośredni, natomiast produkcja prądu elektrycznego ma miejsce w 24 krajach. Ponadto odnotowuje się stały wzrost wykorzystania energii geotermalnej na świecie (tab.1.1).

Tabela Moc zainstalowana oraz roczne wykorzystanie energii geotermalnej na świecie (na podstawie Lund, Freeston, Boyd 2010; Bertani 2010)


Dzięki takiemu wykorzystaniu energii geotermalnej w ostatnich latach szacunkowo udało się zaoszczędzić ok. 308 baryłek ropy naftowej rocznie oraz zapobiec emisji CO2 do atmosfery o ok. 142 miliony ton rocznie. W pierwszej piątce krajów stosujących energię geotermalną w sposób bezpośredni- biorąc pod uwagę zainstalowaną moc to: Stany Zjednoczone, Chiny, Szwecja, Norwegia i Niemcy, przy czym jest to 60% zainstalowanej mocy całego świata. W przypadku wykorzystania energii są to kraje: Chiny, Stany Zjednoczone, Szwecja, Turcja oraz Japonia i jest to 55% wykorzystania światowego. Jednak w pierwszej piątce krajów, które wyprodukowały najwięcej mocy na jednego mieszkańca znajdują się: Islandia, Szwecja, Norwegia, Nowa Zelandia i Szwajcaria. Natomiast największy przyrost mocy zainstalowanej w ostatnich pięciu latach nastąpił w: Wielkiej Brytanii, Korei, Irlandii, Hiszpanii i w Holandii (Bertani 2010; Lund, Freeston, Boyd 2010).

Ciepłownia geotermalna


Największa zainstalowana moc w produkcji energii elektrycznej ze źródeł opartych na energii geotermalnej w chwili obecnej znajduje się: w Meksyku, we Włoszech, w Nowej Zelandii, Islandii i Japonii. Natomiast w wykorzystaniu tej energii przodują: Turcja, Papua-Nowa Gwinea, Rosja, Nikaragua oraz Gwatemala (Bertani 2010; Lund, Freeston, Boyd 2010). W Polsce złoża wód geotermalnych występują w formacjach geologicznych mezozoiku. Od XIII – XIV wieku energia z pierwszych takich złóż wykorzystywana była do balneoterapii w kilku uzdrowiskach. Natomiast rozwój ciepłownictwa zainicjowany został w 1980 roku - od tego czasu do chwili obecnej powstało w Polsce sześć zakładów ciepłowniczych opartych na energii geotermalnej: na Podhalu (1992/1993r.), w Pyrzycach (1996r.), w Mszczonowie (1999r.), w Uniejowie (2001r.), Stargardzie Szczecińskim (2006r.) oraz w Słomnikach (2002r.). Równolegle z realizowanymi projektami geotermalnego centralnego ogrzewania na Podhalu powstało Laboratorium Geotermalne Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, które prowadzi prace badawczo - rozwojowe nad wielorakim wykorzystaniem energii geotermalnej w szerokim zakresie temperatur, a także monitoring podhalańskiego złoża geotermalnego. Moc zainstalowana w Polsce (włączając pompy ciepła) w chwili obecnej wynosi 281 MW a roczne wykorzystanie energii 417 GWh (Kępińska 2010; Lund, Freeston, Boyd 2010).


Rozmieszczenie ciepłowni geotermalnych na terenie Polski



Pompy ciepła
W coraz większym stopniu odzyskuje się ciepło zawarte także w gruncie, wodach gruntowych i płytko położonych partiach górotworu (których temperatury wynoszą kilka- kilkanaście stopni Celsjusza) za pomocą pomp ciepła. Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła polega na wykorzystaniu właściwości czynnika roboczego – specjalnego płynu, który paruje w bardzo niskich temperaturach (np. 0ºC), a który wypełnia wewnętrzną instalację pompy. Płyn ten przepływając przez wymiennik ciepła (parownik) pobiera ciepło niskotemperaturowe (z tzw. źródła dolnego) i parując przechodzi w postać gazową. Następnie sprężarka podnosi ciśnienie pary, czemu towarzyszy wzrost temperatury gazu. Gaz ten oddając ciepło w drugim wymienniku ciepła (skraplaczu) do układu odbiorczego (nazywanego górnym źródłem ciepła) zmienia swój stan skupienia na ciekły. Następnie czynnik roboczy przepływając przez zawór rozprężny, w którym następuje redukcja wysokiego ciśnienia i obniżenie temperatury, wraca do parownika i proces rozpoczyna się ponownie.

Ilustracja przedstawiająca schemat ideowy pompy ciepła

Powszechnie stosuje się następujące rozwiązania dolnego źródła ciepła:
•    grunt (kolektory gruntowe poziome  i pionowe)
•    woda (studnie głębinowe),
•    powietrze.
Kolektor gruntowy poziomy to rurki wewnątrz których krąży płyn niezamarzający transportujący ciepło. Powierzchnia ułożenia kolektora powinna być ok. 1,2 - 2 razy większa od powierzchni ogrzewanego budynku. Kolektor gruntowy pionowy (wykonany jest zwykle jako wymiennik w kształcie litery U z rurek wypełnionych niezamarzającym płynem). Umieszcza się go w pionowych odwiertach o głębokości od 15 do 100 m. Średnia odległość między odwiertami wynosi około 7 m. Woda wydobywana za pomocą studni to najlepsze dolne źródło ciepła dla pompy ciepła, ponieważ mamy gwarancję, że dolne źródło ciepła w ciągu całego roku będzie miało taką samą temperaturę. Woda po schłodzeniu o 4ºC w pompie ciepła zostaje odprowadzona do drugiej studni chłonnej, oddalonej o około 15 m. Ostatnio coraz częściej jako dolne źródło ciepła wykorzystywane jest powietrze. Jednak Może być ono źródłem ciepła w zakresie temperatur od -15°C do +25°C, dlatego najczęściej stosuje się je przy jednoczesnym wykorzystaniu pompy ciepła w połączeniu z np. kotłem gazowym.
Oprócz tego jako dolne źródło ciepła w pompach ciepła można także wykorzystać:
•    wodę z rzek, jezior czy stawów,
•    wody po procesach technologicznych,
•    ścieki z oczyszczalni lub innego rodzaju sieci wodociągowych i inne.



Ilustracja przedstawiająca kolektory gruntowe poziome jako dolne źródło ciepła pompy ciepła


Ilustracja przedstawiająca kolektory gruntowe pionowe jako dolne źródło ciepła pompy ciepła


Ilustracja przedstawiająca studnie głębinowe, jako dolne źródło ciepła pompy ciepła


Ilustracja przedstawiająca powietrze, jako dolne źródło ciepła pompy ciepła
Górnym źródłem ciepła w pompach ciepła najczęściej jest woda, która znajduje się w instalacji centralnego ogrzewania (w grzejnikach). Coraz częściej używa się do tego celu także powietrza. Ze względu na możliwość połączenia dolnego i górnego źródła ciepła w pompach ciepła dzielimy je na cztery zasadnicze grupy:
•    Powietrze – powietrze,
•    Powietrze – woda,
•    Solanka – woda,
•    Woda – woda.


Literatura
Górecki W., Hajto M.: Atlas zasobów geotermalnych na Niżu Polskim. Formacje mezozoiku. AGH GGiOŚ Kraków 2006
Kępińska B.: Energia geotermalna- wykorzystanie na świecie i w Europie Polityka energetyczna. T.9. Zeszyt specjalny Wydawnictwo IGSMiE PAN Kraków 2006
Lund J. W., Freeston D. H., Boyd T. L. 2010 - Direct Utilization of Geothermal Energy 2010 Worldwide Review. Proceedings World Geothermal Congress 2010 Bali, Indonesia, 25-29 April 2010
Bertani R. 2010 - Geothermal Power Generation in the World 2005–2010 Update Report. Proceedings World Geothermal Congress 2010 Bali, Indonesia, 25-29 April 2010
Kępińska B. 2010 - Geothermal Energy Country Update Report from Poland, 2005 – 2009. Proceedings World Geothermal Congress 2010 Bali, Indonesia, 25-29 April 2010

 

Loga patronów

Projekt biogazownie

biogazownie korzyści czy zagrożenia

Kalkulatory

Gry Edukacyjne

Sponsorzy

Sondy

Co sądzisz o projekcie?
 

Odwiedziło Nas

osób