ENERGIA ZGROMADZONA W ZIEMI
Jaki istnieje związek między tematem dotyczącym energii odnawialnej a wnętrzem Ziemi?
Celem wyjaśnienia tego zagadnienia należy poznać, oczywiście w formie bardzo uproszczonej, budowę kuli ziemskiej.
Kula ziemska składa się z jądra, płaszcza i skorupy ziemskiej. Jądro wewnętrzne występuje w stałym stanie skupienia ze względu na ogromne ciśnienie, jądro zewnętrzne w stanie płynnym. Na pograniczu jądra i płaszcza ziemskiego temperatura wynosi około 45000C, stąd strumienie ciepła wędrują ku powierzchni. Płaszcz przykryty jest cienką warstwą, o miąższości (grubości) od 0 do 10 km pod oceanami i ok. 40 km na lądach (maksymalnie 70 km w obrębie gór), zwaną skorupą ziemską. Zewnętrzną, sztywną powłokę Ziemi obejmującą skorupę ziemską i górną część płaszcza ziemskiego, o miąższości ok. 70-80 km i temperaturze dochodzącej do 700°C, nazywamy litosferą. Temperatura w obrębie skorupy wzrasta wraz z głębokością, średnio o 3 stopnie na 100 metrów. Najwyższe temperatury występują w miejscach o najmniejszej miąższości skorupy ziemskiej - w strefach występowania zjawisk wulkanicznych.
Energia geotermalna to energia zgromadzona w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Energia ta, biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna. W wyniku przewodzenia i konwekcji (ruch cieczy lub gazu wywołany różnicami gęstości substancji znajdującej się w polu grawitacyjnym), energia cieplna przenoszona jest z wnętrza Ziemi ku jej powierzchni. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniżej 1000 m.
PRZYKŁAD ISLANDII
Przykładem praktycznego wykorzystania energii geotermalnej jest Islandia, wyspa położona w północnej części Oceanu Atlantyckiego. Dzięki szczególnemu położeniu, na grzbiecie śródoceanicznym, gdzie mamy do czynienia z podwyższoną aktywnością wulkaniczną, mieszkańcy wyspy mogą korzystać z bogatych zasobów energii geotermalnej. Jest ona wykorzystywana do ogrzewania oraz do produkcji energii elektrycznej. Koszty jej uzyskania są względnie niskie, stąd też zimą, niektóre chodniki w Reykjavíku (stolica Islandii) czy Akureyri są podgrzewane.
Islandia posiada trzy większe elektrownie geotermalne, które dostarczają 17% krajowej produkcji energii elektrycznej. Dodatkowo gorąca woda wykorzystywana jest do ogrzewania blisko 87% budynków w kraju.
Jednakże nie ma czego zazdrościć Islandii. Istnieje więcej zagrożeń spowodowanych aktywnością wulkaniczną (erupcje wulkaniczne, popioły wulkaniczne, powodzie powodowane szybkim topnieniem lodowców w wyniku wypływu lawy) niż pożytku z wykorzystania energii geotermalnej.
Polska, na szczęście, położona jest poza obszarami wulkanicznymi i sejsmicznymi. Mamy natomiast obszary, które w niedalekiej przeszłości, oczywiście w sensie geologicznym, były aktywne pod tym względem.
NAJLEPSZE PODHALE
Zasoby energii geotermalnej w Polsce związane są z wodami podziemnymi różnych pięter stratygraficznych, występujących na różnych głębokościach w obrębie jednostek geologicznych Niżu Polskiego, Sudetów i Karpat. Najkorzystniejsze warunki eksploatacji wód termalnych do celów grzewczych istnieją w obrębie niecki podhalańskiej. Decyduje o tym sytuacja geologiczna, wysoka temperatura na wypływie (sięgająca 90oC), niska mineralizacja (do 3 g/dm3), wysoka wydajność (nawet do 550 m3/h z pojedynczego ujęcia), dobra odnawialność złoża i łatwa dostępność terenu. Dobre warunki występowania wód termalnych istnieją w zachodniej części Karpat (Ustroń, Jaworze), gdzie zasoby wody związane są z utworami podłoża (spękane i skrasowiałe dolomity i wapienie dewońskie). Wody termalne nawiercono również w zapadlisku przedkarpackim. W Sudetach powszechnie spotykamy wody termalne o mineralizacji poniżej 1g/dm3. We wschodniej części Sudetów wody termalne charakteryzują się niską mineralizacją i temperaturą w przedziale 20 – 45oC oraz wydajnością 1,2 –108 m3/h. Podstawowe zasoby wód geotermalnych na Niżu Polskim związane są z warstwami wodonośnymi ery mezozoicznej. Wody geotermalne zakumulowane są tutaj przede wszystkim w formacjach piaszczystych dolnej kredy i dolnej jury (okresy ery mezozoicznej).
POMPY CIEPŁA
Jak dotąd na terenie Polski funkcjonują cztery geotermalne zakłady ciepłownicze: Bańska Niżna, Pyrzyce, Mszczonów i Uniejów.
Warmia i Mazury, w tym Szczytno, leżą w obszarze o tzw. „małym strumieniu cieplnym” (ciepło płynące z głębi Ziemi), wynikającym z zalegania w głębi krystalicznego podłoża. Możemy natomiast wykorzystać ciepło niskotemperaturowe przy użyciu tzw. „pomp ciepła”.
Zasada ich działania jest prosta i analogiczna do działania lodówki. Pompa ciepła pobiera energię (ciepło) z ziemi. Kumuluje je do odpowiedniej wysokości i przekazuje do wymiennika ciepła. W wymienniku, do którego dostarczana jest woda o temperaturze +10°C odbywa się parowanie czynnika chłodniczego. Jak zawsze parowanie jest pobieraniem ciepła z otoczenia. W tym przypadku ciecz parująca ma przykładowo -10°C i w związku z tym pobiera ciepło od wody, następnie „ogrzana” para cieczy, mając już temperaturę +3°C, jest zasysana przez elektrycznie napędzaną sprężarkę. W sprężarce następuje wzrost ciśnienia pary. Po opuszczeniu sprężarki para ma ciśnienie około 20 bar, co jest równoznaczne z podwyższeniem jej temperatury do około +70°C. W tym stanie para oddaje ciepło w drugim wymienniku do wody obiegu grzewczego.
NIESPRZYJAJĄCE WARUNKI
Energia wnętrza Ziemi ma istotną przewagę nad niektórymi innymi odnawialnymi źródłami energii. Jej zasoby są dostępne niezależnie od warunków klimatycznych czy też wahań pogody. Mimo występowania w każdym miejscu na Ziemi, nie wszędzie można ją łatwo pozyskać. W Polsce wody geotermalne znajdują się pod powierzchnią blisko 80% terytorium, ich eksploatację utrudniają jednak niesprzyjające wydobyciu warunki i wysokie koszty budowy instalacji. Efektem ubocznym korzystania z energii geotermalnej jest niebezpieczeństwo zanieczyszczenia atmosfery, a także wód powierzchniowych i głębinowych przez szkodliwe gazy i minerały (siarkowodór, radon).
Ryszard Jerosz