5 / 2001 - strona startowa

WYKORZYSTYWANIE ENERGII GEOTERMICZNEJ

Julian Sokołowski

Występowanie zasobów energii geotermicznej (zawartej w skałach oraz w wodach i parach wypełniających szczeliny i pory skalne) wysokotemperaturowej (powyżej 130oC) związane jest z obszarami wulkanicznymi Ziemi, tworzącymi wąskie, długie pasy ryftowe lub subdukcyjne (Islandia, Nowa Zelandia, Japonia, Indonezja, Filipiny, Kamczatka, zachodnie wybrzeże USA, Włochy, Grecja) oraz z głębszymi (poniżej 3000 m) strefami Ziemi.

Występowanie zasobów energii geotermalnej niskotemperaturowej (poniżej 130oC), zawartej w wodach wgłębnych, związane jest głównie z basenami sedymentacyjnymi zasobnymi też w złoża ropy naftowej i gazu ziemnego. Baseny te zajmują ponad 37% powierzchni kontynentów i są dobrze rozpoznane badaniami geofizycznymi i wierceniami wykonanymi przez przemysł naftowy. W basenach sedymentacyjnych, których na globie istnieje około 200, złoża ropy i gazu ziemnego zajmują 1 do 2% powierzchni, a złoża wód geotermalnych około 98% powierzchni.

Zasoby energetyczne wód geotermalnych, możliwe do zagospodarowania w przyszłości, są znacznie większe od sumy zasobów energetycznych ropy naftowej i gazu ziemnego, przy czym należy pamiętać, że przy eksploatacji złóż ropy i gazu, kopalina wydobyta ulega w procesie przeróbki całkowitej destrukcji, natomiast przy eksploatacji wód geotermalnych odbiera się tylko część energii cieplnej, a nie co ochłodzone wody wracają do złoża, z którego zostały pobrane i tam ulegają podgrzaniu przez gorące skały otaczające. średni potencjał energetyczny otworu geotermalnego jest zbliżony do średniego potencjału energetycznego otworu ropnego (około 12,9 ton ropy na dobę z jednego otworu w świecie xi około 2,7 ton ropy na dobę w USA).

Europa licząca 10 mln km2 posiada ponad 5 mln km2 zajętych przez prowincje geotermalno-ropo-gazonośne, w których znajdują się złoża ropy naftowej, gazu ziemnego i wód geotermalnych. Na pozostałych 5 mln km2 występują dodatkowo zbiorniki wód geotermalnych lub strefy spękań tektonicznych wypełnione wodami geotermalnymi, ale nie posiadającymi złóż węglowodorów.

Od zarania dziejów ludzie na całym świecie używali gorących wód geotermalnych do kąpieli i do prania. Najdawniejsze informacje o wykorzystaniu gorących źródeł w Japonii pochodzą z przed 11 tys. lat p.n.e. Z przed ponad 1000 lat pochodzą zapisy o zastosowaniu energii geotermalnej w Chinach. W Cesarstwie Rzymskim dużą popularnością cieszyły się łaźnie publiczne, w miejscach, gdzie wypływały gorące źródła.

W 1904 roku zapoczątkowano produkcję energii elektrycznej w Larderello we Włoszech. W latach trzydziestych w stolicy Islandii, w Reykjawiku, rozpoczął działalność pierwszy, duży, miejski system ciepłowniczy.

Wykorzystanie energii geotermalnej na świecie w roku 2000 kształtowało się na poziomie blisko 49 TWh/rok jeśli chodzi o energię elektryczną i 51 TWh/rok w zakresie zastosowań bezpośrednich.

2.1. Produkcja energii elektrycznej

Energia elektryczna z par geotermalnych produkowana jest w 21 krajach na wszystkich kontynentach. Na czele listy znajdują się następujące kraje (dane z 1999 r.): USA - 2228 MWe, Filipiny - 1909 MWe, Włochy - 785 MWe, Meksyk - 755 MWe, Japonia - 547 MWe, Nowa Zelandia - 437 MWe, Islandia - 170 MWe, Salvador - 161 MWe i Kostaryka - 142 MWe. Koszt produkcji energii elektrycznej jest zróżnicowany, najczęściej wynosi 4 centy US/1 kW (Ingvar B. Fridleifsson, 2000).

2.2. Bezpośrednie zastosowanie energii geotermalnej

Wśród bezpośrednich sposobów wykorzystania energii geotermalnej dominuje ciepłownictwo (37%), kąpieliska/pływalnie/balneologia (22%), pompy ciepła (14%), szklarnie (12%), hodowle ryb (7%), przemysł (7%) (Lund i Freeston, 2000).

Zastosowania bezpośrednie bazują zarówno na zasobach wysoko i niskotemperaturowych i dlatego ich zasięg na świecie jest dużo większy niż w przypadku energii elektrycznej.

Zastosowania tej energii są silnie związane z wymogami lokalnego rynku. Najdłuższy rurociąg przesyłowy gorącej wody geotermalnej ma 63 km długości i znajduje się na Islandii. Koszt produkcji 1 kWh do zastosowań bezpośrednich jest bardzo zróżnicowany, najczęściej jednak kształtuje się poniżej 2 centów US.

W tabeli 2 przedstawiono zainstalowaną moc oraz produkcję energii w 15 krajach na świecie, przodujących w bezpośrednim wykorzystaniu energii geotermalnej.

2.3. Zastosowanie pomp ciepła

W ostatnim okresie, dzięki użyciu pomp ciepła wykorzystujących grunt i płytkie partie górotworu, jako tzw. dolne źródło ciepła lub też miejsce, gdzie można odprowadzić nadmiar ciepła w procesie chłodzenia, zastosowanie ciepła Ziemi we wszystkich krajach pokaźnie wzrosło. Pomp ciepła używa się do ogrzewania gospodarstw w okresie zimowym lub do chłodzenia (klimatyzacji) w lecie.

W czołówce światowej znajdują się Stany Zjednoczone z 400 000 pomp ciepła (około 4 800 MWt) i produkcją energii równą 3 300 GWh/rok (stan w 1999 r., Lund i Boyd, 2000).

W Europie przodującymi krajami pod względem wykorzystania pomp ciepła są: Szwajcaria, Szwecja, Niemcy i Austria. W Szwajcarii energia pozyskiwana z gruntu za pomocą pomp ciepła wynosi 434 GWh/rok (Rybach i inni, 2000) przy rocznym tempie wzrostu 12%.

2.4. Dobrodziejstwa płynące z wykorzystania energii geotermalnej

Co najmniej w 64 krajach na całym świecie ludzie korzystają z dobrodziejstw geotermii. Krajem, w którym zakres zastosowań jest najszerszy jest Islandia, gdzie 50% całkowitego zużycia energii pochodzi z systemów geotermalnych. Całkowity udział energii geotermalnej w ciepłownictwie wynosi 86% w skali kraju, a około 16% produkcji energii elektrycznej (reszta pochodzi z hydroelektrowni). Energia geotermalna jest także stosowana w uprawach szklarniowych, w przemyśle, w hodowli ryb, odtapianiu lodu i w kąpieliskach. Zadziwiający jest fakt, że w kraju o średniej temperaturze powietrza -1oC w styczniu i 12oC w lipcu ludzie pływają w odkrytych basenach praktycznie przez cały rok. W roku 1999 część publicznych kąpielisk z odkrytymi basenami w Reykjawiku (110 000 ludności) odwiedziło aż 1,7 mln osób. Według średnich danych z lat 1995 - 1999 z największego kąpieliska na świeżym powietrzu korzystało około 36 tys. osób w styczniu i 57 tys. osób w lipcu. Energia geotermalna nie tylko poprawiła stan środowiska naturalnego na Islandii, ale znacznie podniosła standard życia jej mieszkańców.

W ostatnim okresie znaczny wzrost zainteresowania energią geotermalną zaobserwowano w Turcji i Tunezji.

W Turcji zainstalowana moc na potrzeby ciepłownictwa (mieszkania i szklarnie) wzrosła ze 160 MWt w 1994 roku do 490 MWt w roku 1990. Szacuje się, że zainstalowana moc w Turcji na potrzeby ciepłownictwa w roku 2010 wyniesie 3 500 MWt (Batik i inni, 2000; Ingvar B. Fridleifsson, 2000).

2.5. Zapotrzebowanie na energię w nowym stuleciu

Szacuje się, że pod koniec XXI wieku liczba ludności na świecie podwoi się. Aby podnieść poziom życia ubogiej części świata kluczowym problemem stanie się możliwość dostępu do czystych źródeł energii po dostępnych cenach. Istnieje silna pozytywna zależność pomiędzy zużyciem energii na mieszkańca w danym kraju, a innymi wysoko cenionymi czynnikami, np. lepszą jakością życia. światowa Rada d/s Energii przewiduje, że w latach 1990 do 2050 zużycie energii pierwotnej powinno wrosnąć o 50%, a w scenariuszu przewidującym największy wzrost gospodarczy - o 275%. W obu scenariuszach epoka tradycyjnych paliw kopalnych traktowana jest już jako przeszłość. Szacuje się, że udział odnawialnych źródeł energii w 2100 roku wynosić będzie od 30 do 80% (Ingvar B. Fridleifsson, 2000). W świecie i Polsce znaczący procent wytwarzanej energii będzie stanowić energia geotermiczna i geotermalna. Udział poszczególnych źródeł w produkcji energii elektrycznej ilustruje tabela 3

Z krajowych raportów, przygotowanych na światowy Kongres Geotermalny w Japonii, wynika (Huttrer, 2000), że spodziewany wzrost zainstalowanej geotermalnej mocy elektrycznej na świecie w 2005 roku powinien wynieść 43%. Przyjąwszy dalszy 20% wzrost w ciągu kolejnych 5 lat (który odpowiada średniemu wzrostowi rocznemu w latach 1980 - 2000), produkcja energii elektrycznej mogłaby osiągnąć około 80 TWh w 2010 roku i 120 TWh w roku 2020. Produkcja energii geotermalnej do zastosowań bezpośrednich przewiduje się, że wzrośnie do 100 TWh w roku 2010 i 200 TWh w roku 2020. Oczekuje się, że wzrost tej energii znacznie wpłynie na ograniczenie emisji gazów szklarniowych do atmosfery.

2.6. Prognozy zasobowe kopalin płynnych i energii geotermicznej w Polsce

W drugim półwieczu XX wieku na obszarze naszego kraju wykonano ogromną ilość badań geologicznych, geofizycznych, wiertniczych i geosynoptycznych zmierzających do rozpoznania wgłębnej budowy geologicznej, oceny perspektyw występowania złóż w poszczególnych formacjach geologicznych, jak też dla udokumentowania złóż kopalin stałych, a przede wszystkim złóż kopalin płynnych takich jak: ropa naftowa i gaz ziemny. Profili sejsmicznych wykonano ponad 250 000 km bieżącychi ponad 7 000 odwiertów o łącznym metrażu ponad 10 000 000 mb. Dane uzyskane z tych badań posłużyły do skonstruowania dużej ilości map geologicznych, geofizycznych, strukturalnych, miąższościowych i geosynoptycznych, pozwalających na dość precyzyjne odtworzenie układu warstw występujących pod utworami czwartorzędowymi do głębokości około 12 km. Na podstawie tych materiałów kartograficznych prowadzono bieżącą uaktualnianą ocenę zasobów płynnych kopalin (ropy naftowej, gazu ziemnego i wód geotermalnych). Wyniki kolejnych ocen zasobów prognostycznych ilustruje tabela 4.

Z tabeli tej widać, że w Polsce mamy jeszcze do odkrycia od 107 do 353 mln ton ropy i 654 do 1377 mld m3 gazu ziemnego. Z Atlasu geosynoptycznego Polski (J.Sokołowski i inni, 1992 r.) wynika, że zasoby energii geotermalnej rozmieszczone są w następujących prowincjach i okręgach:

1. Prowincji karpackiej o powierzchni 13 000 km2 z wodami geotermalnymi występującymi w utworach trzeciorzędu i kredy, o łącznych zasobach 100 km3 wód geotermalnych zawierających energię cieplną równoważną 714 000 000 tpu, co daje 7,7 mln m3 wody/km2, czyli 55 000 tpu/km2;
2. Prowincji przedkarpackiej o powierzchni 16 000 km2 z wodami geotermalnymi występującymi w miocenie, kredzie, jurze i triasie, o łącznych zasobach 362 km3 wód geotermalnych zawierających energię cieplną równoważną 1 555 000 000 tpu, co daje 22,6 mln m3 wody/km2, czyli 97 000 tpu/km2;
3. Prowincji północno-zachodniej i środkowej Europy (Niżowej), o powierzchni około 250 000 km2, zasobach potencjalnych wód geotermalnych 6 224 km3 zawierających energię cieplną równoważną 32 458 mln tpu. W polskiej części tej prowincji wyróżniono następujące okręgi:
   3.1. Okręg grudziądzko-warszawski, o powierzchni około 70 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w utworach kredy, jury i triasu, o łącznych zasobach 2 766 km3 wód zawierających energię cieplną równoważną 9 835 mln tpu, co daje średnio 44 mln m3 wody/km2, czyli 168 000 tpu/km2
   3.2.Okręg szczecińsko-łódzki, o powierzchni 67 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w utworach kredy, jury i triasu, o łącznych zasobach 2 854 km3 wód, zawierających energię cieplną równoważną 18 812 mln tpu, co daje średnio 42 mln m3 wody/km2, czyli 246 000 tpu/km2.
   3.3.Okręg przedusedcko-północnoświętokrzyski, o powierzchni 39 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w triasie i permie, o łącznych zasobach 155 km3 wód, zawierających energię cieplną równoważną 995 mln tpu, co daje średnio około 4 mln m3 wody/km2, czyli 26 000 tpu/km2.
   3.4.Okręg pomorski, o powierzchni 12 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w triasie, permie, karbonie i dewonie, o łącznych zasobach 21 km3 wód, zawierających energię cieplną równoważną 162 mln tpu, co daje średnio 1,6 mln m3 wody/km2, czyli 13 000 tpu/km2.
   3.5.Okręg lubelski, o powierzchni 12 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w karbonie i dewonie, o łącznych zasobach 30 km3 wód, zawierających energię cieplną równoważną 193 mln tpu, co daje średnio 2,5 mln m3 wody/km2, czyli 1 600 tpu/km2.
   3.6.Okręg przybałtycki, o powierzchni 15 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w permie i kambrze, o łącznych zasobach 38 km3 wód, zawierających energię cieplną równoważną 241 mln tpu, co daje średnio 2,5 mln m3 wody/km2, czyli 16 000 tpu/km2.
   3.7. Okręg podlaski, o powierzchni 7 000 km2, z wodami geotermalnymi występującymi w permie i kambrze, o łącznych zasobach 17 km3 wód, zawierających energię cieplną równoważną 113 mln tpu, co daje średnio 2,5 mln m3 wody/km2, czyli 16 000 tpu/km2.
4. Region (okręg) sudecko-świętokrzyski oddzielający od siebie prowincje Przedkarpacką i Niżową posiada na swoim terenie mniejsze lokalne baseny sedymentacyjne, jak: niecka północno-sudecka, niecka centralno-sudecka, górnośląska niecka węglowa zasobne w wody geotermalne, których zasoby nie zostały w owym czasie policzone. Oprócz basenów sedymentacyjnych wody geotermalne w tym regionie istnieją również w strefach zeszczelinowanych, w utworach krystalicznych (np. Cieplice).

Wykonane szczegółowe analizy geosynoptyczno-geotermalne Górnośląskiej Niecki Węglowej (Z. Małolepszy, 2000) wykazały, że istnieją tu znaczne zasoby geotermiczne o temperaturach do 120oC (Tabela 5).

Jak widać z powyższej tabeli zasoby wydobywalne energii geotermicznej na śląsku są bardzo duże i powinno się już teraz stworzyć warunki do tego, aby ludzie zwalniani z kopalń węgla mogli znaleźć miejsce pracy przy eksplo-atacji i zagospodarowywaniu czystej energii geotermicznej. Wody śląska mają też właściwości lecznicze i w tym rejonie można by rozwinąć budowę zakładów balneologicznych i ośrodków rekreacyjnych.

Wykonane przez nas (J. Sokołowski, J. Kotyza, K. Kempkiewicz, B. Ludwikowski, E. Pawlik) w latach 1996 - 2000 oceny zasobów dla poszczególnych gmin (śląskich i małopolskich) oraz dla gmin, powiatów i województw (lubuskiego, wielkopolskiego, pomorskiego, kujawsko-pomorskiego, łódzkiego i innych) wykazały, że zasoby energii geotermicznej są znacznie większe niż to wynika z obliczeń przeprowadzonych przez J. Sokołowskiego w 1985 roku. Prawie każda gmina, znajdująca się w obrębie analizowanych województw, posiada dobre warunki do zagospodarowania energii geotermicznej, co mogło by stworzyć nowe miejsca pracy w każdej gminie i przynieść znaczne korzyści ekologiczne, ekonomiczne i społeczne.

Julian Sokołowski