Ciepło z Ziemi: geotermia

Szacuje się, że 30% ciepła Ziemi jest wynikiem działania procesów geologicznych, a 70% – wynikiem rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Pozyskiwanie ciepła z Ziemi dopiero od niedawna rozwija się szerzej. Pierwsze tego typu instalacje budowano w miejscach aktywnych sejsmologicznie, gdzie dostęp do ciepła ziemi był widoczny na powierzchni, np.: Islandia, Włochy. Rozwój technologii w ostatnich latach znacznie rozszerzył możliwości pozyskania

Na świecie technika pozyskiwania ciepła z Ziemi najszybciej rozwija się w miejscach o dużej aktywności tektonicznej (niewielka głębokość, na której usytuowane są źródła ciepła): w Nowej Zelandii, Japonii, na Filipinach, wulkanicznych rejonach Chin, USA i Meksyku. Pierwszą ciepłownię geotermalną uruchomiono w 1850 r. w Lardarello w Toskanii (Włochy). W 1904 r. dodano do niej elektrownię geotermalną. która działa do dziś.

W Polsce pierwsza instalacja powstała w 1994 r. we wsi Bińska Niżna, między Zakopanem a Nowym Targiem. Wykorzystano otwór pozostały po poszukiwaniu ropy (prace poszukiwawcze prowadzono w 1981 r.). Ropy nie znaleziono i odwiert zamknięto. Ale po przewierceniu się na głębokość 3 000 m, z otworu zaczęła tryskać pod ciśnieniem woda o temperaturze przekraczającej 90°C. Ostatnio system ten został znacznie rozbudowany, wywiercono dodatkowe otwory, a instalację pociągnięto do Zakopanego i połączono z innym większym obiektem geotermalnym o mocy 35 MW w Białym Dunajcu. Planowane jest także przedłużenie instalacji do Nowego Tagu.

Pod koniec 2006 r. podłączono aquapark pod Zakopanym na Antałówce, w budowie są także baseny geotermalne „Kurort” w Bińskiej Niżnej. Mająca kłopoty finansowe spółka geotermalna bardzo liczy na tak dużych odbiorców. Główną przyczynę finansowych perturbacji upatruje się w dużych odległościach transportu wód i związanych z tym kosztami utrzymania infrastruktury przesyłowej.

W geotermii wykorzystuje się też wody o dużo niższej temperaturze, w Uniejowie (okolice Łodzi) o 68°C, w Mszczonowie o 40°C, a w Słomnikach (okolice Krakowa) działa niewielka instalacja pompująca wodę z głębokości 400 m o temp. „zaledwie” 17°C. Żadna z tych temperatur nie wystarczy do ogrzewania, ale wspomaga tradycyjne systemy, ograniczając zużycie paliw i jest opłacalna ekonomicznie (oczywiście, dogrzewanie wody może odbywać się ze źródeł ekologicznych, np.: w Uniejowie od 2007 r. za dogrzewanie wody odpowiada kotłownia na biomasę). W dalszych planach Uniejów zamierza wykorzystać posiadane wody geotermalne także do produkcji prądu. Mimo że wody te są dość chłodne jak dla elektrociepłowni, podobna technologia już działa w Chena Hot Springs na Alasce.

Oprócz wymienionych w Polsce, według danych na koniec 2005 r. działa, jeszcze instalacja geotermalna o mocy 30 MW w Pyrzycach koło Szczecina, dostarczająca ciepło do 14-tysięcznego miasta, a także w Stargardzie Szczecińskim, o mocy 15 MW.

Także ta inwestycja cierpi niestety na trudności finansowe, głównie z powodu dużej mineralizacji wód, powodujących zawężanie odwiertu i liczne awarie instalacji (2006 r.), a płukanie i stosowanie wydajniejszych urządzeń kosztuje więcej, niż przewidywało obciążenie kredytowe.

Bardzo zaawansowane są przygotowania do budowy ujęcia w Gostyniu, a badania przygotowawcze zaczyna Konin.

Ciepło z Ziemi: jak je uzyskać

Wyróżniamy dwa podstawowe systemy: wykorzystujące ciepło wód geotermalnych oraz pompy ciepła wykorzystujące ciepło Ziemi.

Wykorzystanie energii geotermalnej polega na wierceniu głębokich otworów (kilkaset, lub kilku tysięcy metrów) – w celu pozyskania wód podziemnych o wysokiej temperaturze (od 40 do niekiedy 200°C). Wody te kieruje się następnie do wymienników ciepła, które wykorzystywane są do podgrzewania instalacji grzewczych w mieszkaniach lub wytwarzania prądu elektrycznego.

Warto podkreślić, iż Polska cechuje się jednymi z najbogatszych warunków geotermalnych w Europie. Są one jednak trudno dostępne, o dużej głębokości zalegania (potrzeba średnio głębokości około 3 000 m, aby uzyskać wody o temperaturze 100°C). Z badań wynika, że energia geotermalna może być opłacalna na ponad 80% powierzchni naszego kraju. Najlepsze warunki pod tym względem panują na pogórzu, gdzie też istnieją największe instalacje tego typu. Miasta, które zdecydowały się na inwestycje w tej dziedzinie, uzyskują do ponad 50% ciepła z tego źródła. Według „Atlasu zasobów energii geotermalnej Niżu Polskiego” z 1995 r. zasoby wód geotermalnych na tym obszarze wystarczą do uruchomienia 150–200 elektrociepłowni średniej wielkości. To tylko ułamki procent krajowego zapotrzebowania. Z badań z 1999 r. dla 200 miast przeprowadzonych przez krakowską AGH wynika, że 60 z nich może inwestować w geotermię bez obaw strat (m.in.: Szczecin, Stargard Szczeciński, Zgierz, Łódź, Piotrków Trybunalski, Koło, Żyrardów; szczegóły na stronie internetowej Ministerstwa Środowiska – przyp. autora). W trakcie tworzenia jest Związek Miast Czystej Energii, który ma wspólnie starać się o dofinansowanie wykorzystania geotermii.

Z powodu dużych kosztów analiz, a także wykonania odwiertów (które sięgają 50–70% całej inwestycji), zalicza się je do dużych przedsięwzięć. Dużym problemem może okazać się także znaczna mineralizacja wód geotermalnych (duża zawartość kamienia), co przyczynia się do zwiększenia kosztów konserwacji urządzeń, o czym wspominaliśmy.

Drugi system – pompy ciepła – proponowane są przeważnie dla małego budownictwa, chociaż zdarzają się instalacje budowane dla całych osiedli, np. na Helu czy pracujące na potrzeby niedużych elektrociepłowni (USA). Pompy ciepła w większych instalacjach są wykorzystywane także do odzysku ciepła z wód geotermalnych przy głębokich odwiertach. W tym przypadku pompy te rozumie się jednak jako bezpośrednie odbiorniki ciepła z gruntu, rzadko sięgające głębiej jak 1,5–2,5 m pod ziemią.

Działanie pompy ciepła najłatwiej zobrazować na przykładzie… pracy lodówki. Z tyłu każdej lodówki znajduje się kratka z wielu cienkich przewodów. Jeśli lodówka jest sprawna, to kratka ta jest ciepła. Jest to wynik pobieranego ciepła z wnętrza lodówki. Tak samo działa pompa ciepła, tyle, że energię cieplną pobiera z gleby, jeziora lub odwiertu studziennego.

W ziemi na głębokości 2 m panuje stała temperatura 8–10°C, niezależna od warunków zewnętrznych. Jest to wystarczające do osiągnięcia temperatury wody 40–60°C i ogrzania mieszkań w warunkach zimowych. Pompy cieplne szczególnie wydatne są przy ogrzewaniu niskotemperaturowym (ogrzewanie podłogowe lub nawiew ciepłego powietrza).

Pompy cieplne, po przełączeniu kierunku obiegu, mogą działać także jako… klimatyzacja chłodząca mieszkanie latem. Dlatego poleca się stosowanie ich razem z kolektorami słonecznymi, które po przełączeniu w okresie letnim pompy na chłodzenie, przejmują rolę producenta ciepłej wody.

Wadą pompy ciepła jest jej koszt. Ogrzanie jednorodzinnego domu wymaga położenia w gruncie kilkudziesięciu do kilkuset metrów przewodów. Jeśli dysponujemy ograniczonym terenem, instalacje można kłaść w postaci poziomych spirali, wymaga to jednak o 30% dłuższych przewodów. Jeszcze innym rozwiązaniem jest umieszczenie spirali w pionowych studniach o głębokości do 30 m. Jest to jednak rozwiązanie dużo droższe, wykorzystywane przy większych przedsięwzięciach. Z powodu oporów przepływu, długość pojedynczej pętli przewodów nie powinna przekraczać 200 m. Znaczne ograniczenie kosztów można uzyskać, kiedy zamiast w gruncie, instalację pobierającą ciepło umieszcza się w istniejącym już otworze studziennym lub na dnie zbiornika wodnego, gdy w pobliżu domu znajduje się jezioro lub staw. Przy stawie jego powierzchnia dla domu jednorodzinnego powinna umożliwiać położenie instalacji na 1000–2000 m2 przy głębokości 1,5–2 m. Należy uważać, aby nie montować zbyt dużego urządzenia do naszych potrzeb, niepotrzebnie zwiększając zużycie prądu. W większości instalacji stosuje się dwa rodzaje pomp sprężarkowych: tłokowe i spiralne (scroll). Te drugie są cichsze i mają dużo większą żywotność.

Czas zwrotu poniesionych nakładów wynosi około 10–30 lat. Należy pamiętać, że działanie pompy wymaga pobierania prądu. Duży rozrzut związany jest z warunkami konstrukcyjnymi budynku. Ogólnie zakłada się, że pompa cieplna przy ogrzewaniu jest o około 1/3 tańsza od węgla. Żywotność pompy nie powinna być krótsza jak 30 lat.

W sprzedaży pojawiają się konstrukcje, które zamiast wkopywać w ziemię, można ustawić w ogródku. Jest to blok rur i promienników o wysokości około 2 m i podobnej szerokości. Dzięki zastosowaniu jako wymienników płynów o bardzo niskiej temperaturze wrzenia (-50°C) i wydajnych pomp, mogą one pobierać ciepło z powietrza także zimą nawet przy -20°C. Wadą ich jest wysoka cena (ok. 30 tys. złotych) i duży pobór prądu.

Cdn.

Autor: TEKST: PAWEŁ SZABŁOWSKI