Systemy geotermalne - zarys historii wykorzystania zasobów geotermalnych

Energia geotermalna jest to ciepło pochodzenia naturalnego, zgromadzone w płynach złożowych (np. woda, para wodna, solanka), skałach lub gruncie. Ciepło to pochodzi z okresu formowania się planety oraz z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej. Jest przenoszone z głębi Ziemi ku jej powierzchni poprzez mechanizmy przewodzenia i konwekcji. Systemy geotermalne to natomiast obszary w skorupie ziemskiej, w których gęstość strumień ciepła i związane z nimi akumulowanie energii są znacząco wyższe niż w innych regionach. Systemy te często objawiają się wypływem gorącej wody i/lub pary na powierzchnię Ziemi, natomiast znaczna część zasobów nie jest „widoczna” na powierzchni terenu i objawia się tylko lokalnie podwyższoną wartością gęstości strumienia ciepła. Warto również zauważyć, że zasoby geotermalne stanowią jedyne odnawialne źródło energii, które nie pochodzi ze Słońca.

Energia geotermalna jest wykorzystywana od tysięcy lat na całym świecie. Jej wczesne wykorzystanie koncentrowało się na kąpielach, praniu i gotowaniu w naturalnych źródłach termalnych. Dobrymi przykładami krajów o długiej historii wykorzystania wód geotermalnych są Chiny i Japonia. W Europie, ruiny łaźni termalnych, które pochodzą z czasów Cesarstwa Rzymskiego, można znaleźć od Anglii na północy po Syrię na południu. Począwszy od XIX wieku, widzimy szybki wzrost komercyjnego wykorzystania energii geotermalnej na całym świecie.

Począwszy od późnych lat 1970-tych, zaproponowano różne systemy klasyfikacji systemów geotermalnych w oparciu o temperaturę lub zawartość energii w płynie złożowym. Alternatywnie, systemy geotermalne można klasyfikować w oparciu o ich typ i charakterystykę geologiczną, naśladując klasyfikację rodem z geologii ekonomicznej. Prostą, ale użyteczną klasyfikację opracowano na Islandii, gdzie systemy niskotemperaturowe zdefiniowano jako systemy o temperaturze poniżej 150 °C na głębokości 1 km (lub gradiencie dt/dZ ≤ 150 °C/km), natomiast systemy wysokotemperaturowe zdefiniowano jako układy o temperaturze przekraczającej 200 °C na głębokości 1 km w skorupie ziemskiej (lub gradiencie dt/dZ ≥ 200 °C/km). Ta prosta klasyfikacja sprawdziła się w przypadku pól geotermalnych na Islandii. Aby rozszerzyć ją na resztę świata, system temperatur pośrednich można zdefiniować jako systemy znajdujące się pomiędzy systemami wysoko- i niskotemperaturowymi, a tę klasę reprezentuje wiele systemów zlokalizowanych w basenach sedymentacyjnych.

Wykorzystanie energii geotermalnej do ogrzewania pomieszczeń zostało zapoczątkowane na Islandii w ubiegłym stuleciu. Islandia, będąca wyspą wulkaniczną, posiada bogate zasoby geotermalne z płynami złożowymi o temperaturze i częstokroć także składzie chemicznym, nadającymi się do bezpośredniego wykorzystania w ogrzewnictwie. Ólafsfjördur była pierwszą wioską na Islandii, która była całkowicie ogrzewana wodą geotermalną, a wkrótce potem tym samym śladem poszedł Reykjavik. Niemniej, już wcześniej istniały gospodarstwa rolne wykorzystujące lokalnie występujące ciepłe źródła zarówno do ogrzewania pomieszczeń, jak i uprawy warzyw w szklarniach. Pierwszy kryzys naftowy na Islandii zmusił władze do podwojenia wysiłków w celu zmniejszenia zależności od importowanych paliw węglowodorowych. Obecnie, zarówno na Islandii, jak i w wielu krajach na świecie zwiększa się wysiłki na rzecz zastąpienia ogrzewania pomieszczeń za pomocą paliw kopalnych bezpośrednim wykorzystaniem wód geotermalnych.

Produkcja energii elektrycznej z geotermii rozpoczęła się we Włoszech ponad sto lat temu. Miało to miejsce już w 1913 roku, gdy zaczęto eksploatować parę wodną z systemu geotermalnego Larderello w zachodniej części Toskanii. Od czasu pionierskich prac we Włoszech, wiele krajów poszło w ich ślady i zaczęło wykorzystywać zasoby geotermalne o stosunkowo wysokiej entalpii do produkcji energii elektrycznej. Wspomniane pole Larderello jest pod wieloma względami wyjątkowe, ponieważ zawiera przegrzaną parą. Większość wysokotemperaturowych systemów geotermalnych, stosowanych do wytwarzania energii za pomocą tego, co często określa się jako konwencjonalną metodę, opiera się na odwiertach, w których następuje rozprężanie płynu na 2 fazy, tj. na mieszaninę wody i pary. Na powierzchni para wodna jest oddzielana od wody, a następnie gazy nieulegające kondensacji są oddzielane od pary, zanim para zostanie przepuszczona przez turbinę, które w połączeniu z generatorem generuje energię elektryczną.

Inna metoda wytwarzania energii elektrycznej obejmuje cykl organiczny Rankine (ORC – ang. Organic Rankine Cycle). Wykorzystuje ona obieg Clausiusa-Rankine’a z dodatkiem niskowrzącego płynu roboczego. Metoda ta jest najbardziej odpowiednia dla systemów geotermalnych o średniej temperaturze, tj. 90 – 150 °C, czyli takich jak te często są spotykane w basenach sedymentacyjnych.

Szczególnym rodzajem systemów geotermalnych są tzw. systemy wspomagane EGS (Enhanced Geothermal Systems), czasami nazywane również systemami gorących, suchych skał, tj. HDR (Hot Dry Rock systems). W tym celu woda jest zatłaczana pod bardzo wysokim ciśnieniem, która poprzez szczelinowanie hydraulicznego jest stosowna do zwiększenia naturalnej przepuszczalności górotworu. Następnie, ciecz po podgrzaniu jest wydobywana przez otwór produkcyjny i używana do wytwarzania energii.

W ciągu ostatniego stulecia wykorzystanie energii geotermalnej znacznie wzrosło. Obecnie obejmuje ono wiele różnych zastosowań, począwszy od bezpośredniego wykorzystania energii cieplnej do takich celów jak ogrzewanie pomieszczeń, ogrzewanie szklarni, suszenie żywności, zastosowania przemysłowe, rekreacja basenowa i wiele innych, aż po wytwarzanie energii elektrycznej. W ciągu ostatniej dekady zainstalowana moc w elektrowniach geotermalnych znacznie wzrosła, podobnie jak bezpośrednie wykorzystanie ciepła, w tym wykorzystanie płytkich zasobów za pomocą gruntowych pomp ciepła. Wzrost wytwarzania energii elektrycznej można przypisać głównie takim krajom jak USA, Indonezja, Turcja i Kenia. Nowe instalacje gruntowych pomp ciepła pojawiają się masowo w krajach takich jak Chiny, USA, Szwecja i Szwajcaria. Inne formy bezpośredniego wykorzystania ciepła są coraz bardziej popularne w takich krajach takie jak Chiny, Turcja, Japonia i Islandia. To obrazuje, w jak zróżnicowany sposób są wykorzystywane na świecie zasoby geotermalne o różnym pochodzeniu i temperaturze.

Niemniej, aby przyspieszyć rozwój geotermii w nadchodzących dekadach, konieczne jest szersze wykorzystanie „niekonwencjonalnych” zasobów. Wiąże się to z zastosowaniem wspomnianej wcześniej technologii EGS w gorących, ale słabo przepuszczalnych częściach skorupy ziemskiej, technologii wciąż będącej w fazie rozwoju. Również para przegrzana lub nawet nadkrytyczne zasoby geotermalne w głębokich pokładach systemów wulkanicznych są badane poprzez eksperymentalne głębokie wiercenia. Miejmy nadzieję, że takie wiercenia zostaną skomercjalizowane w ciągu następnej dekady lub dwóch. Wreszcie, grzbiety śródoceaniczne zawierają zasoby o ogromnym potencjale, ponieważ znajdują się na granicach płyt tektonicznych, gdzie gęstość ziemskiego strumienia ciepła osiąga najwyższe wartości.

Oprócz rozwoju, jak również propagowania różnych trybów bezpośredniego wykorzystania zasobów geotermalnych, należy położyć większy nacisk na poprawę efektywności energetycznej, zarówno w bezpośrednim użytkowaniu, jak i w wytwarzaniu energii elektrycznej. Kaskadowy odzysk energii z zasobów geotermalnych ma na celu to. Oprócz korzyści z większego odzysku energii z zasobów geotermalnych, wpłynie w większości przypadków do obniżenia jej kosztów.