Energia geotermalna jest najtrudniejszym do pozyskania rodzajem odnawialnego źródła energii. Najbardziej wydajne złoża gromadzą się bowiem głęboko pod powierzchnią ziemi w postaci gorącej wody, pary lub suchych gorących skał. Zasoby te można wykorzystać do generowania energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych.

Energia geotermalna – jak to działa?

Energia geotermalna jest to energia zakumulowana w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory oraz szczeliny skalne. Opłacalne wydobycie odbywa się do głębokości 4 km w głąb ziemi. Powstawanie złóż geotermalnych odbywa się dzięki obiegowi wody. Woda z opadów wnika do wnętrza ziemi, gdzie w wyniku kontaktu z intruzjami lub aktywnymi ogniskami magmy ulega nagrzaniu do znacznych temperatur. Tak nagrzana może wędrować do powierzchni ziemi w postaci gorącej wody lub pary, ewentualnie tworzyć złoża zalegające na dużych głębokościach.

Zasoby wysokotemperaturowe mogą być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach geotermalnych. Przy wyborze metody pozyskiwania prądu wpływ mają przede wszystkim parametry wody wydobywanej z wnętrza Ziemi, takie jak jej temperatura, stan termodynamiczny i skład chemiczny. Przyjęta temperatura graniczna, która pozwalała na użycie złoża do celów energetycznych stanowi 100 °C, jednak istnieją również elektrownie, które korzystają z zasobów geotermalnych o znacznie niższej wartości temperatury. Stan termodynamiczny wynika bezpośrednio z temperatury oraz ciśnienia złoża. Skład chemiczny z kolei jest czynnikiem determinującym rodzaj użytego obiegu wody złożowej – otwartego lub zamkniętego – wysoka mineralizacja prowadzi do gromadzenia się osadów w elementach odwiertów oraz ich korozję, co znacznie podraża koszt wydobycia.

Rodzaje elektrowni geotermalnych

Elektrownie geotermalne pracują podobnie do klasycznych elektrowni parowych, jeśli temperatura złoża przekracza 300 °C, muszą posiadać dodatkowy obieg ze specjalnym czynnikiem roboczym, kiedy temperatura wnętrza Ziemi jest rzędu 80-120 °C. W przypadku pośrednim należy podgrzać wodę złożową. Na tej podstawie rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje elektrowni geotermalnych.

Elektrownie jednoczynnikowe

Pierwszy z nich to systemy wykorzystujące zasoby geotermalne jako jedyne źródło zasilania. Jeśli złoże jest w postaci pary, przekierowywane jest  bezpośrednio na turbinę, natomiast w przypadku ciekłego złoża – następuje bezpośrednie odparowanie wody geotermalnej w rozprężaczu, która w postaci pary trafia na turbinę. Stamtąd po ekspansji para płynie do skraplacza. W pierwszej metodzie wymagane jest, aby woda termalna występowała w stanie pary nasyconej suchej lub pary przegrzanej. Sprawność cieplna takich elektrowni sięga 30 proc.

Elektrownie dwuczynnikowe

Drugim rodzajem są elektrownie dwuczynnikowe, tzw. binarne, gdzie gorąca woda jest kierowana do wymiennika ciepła (parownika) – spełnia on rolę kotła parowego. Oddane ciepło trafia do drugiego obiegu – z czynnikiem roboczym o niskiej temperaturze wrzenia, którym może być np. lekkie węglowodory o bardzo niskiej  temperaturze wrzenia. Czynnik roboczy pracuje tutaj według obiegu porównawczego Clausiusa-Rankine’a lub obiegu Kaliny, który często jest uważany za modyfikację obiegu C-R. Sprawność cieplna tych elektrowni mieści się w granicach 10 do 15 proc. Przykładem systemu mieszanego może być zastosowanie przy bardzo wysokim ciśnieniu źródła czołowej turbiny wodnej i układu binarnego.

Zasada działania elektrowni pierwszego typu nie jest skomplikowana ze względu na występowanie praktycznie jednego obiegu czynnika. Wodę (lub parę) geotermalną pozyskuje się poprzez użycie systemu minimum dwóch odwiertów, z których jeden jest eksploatacyjny, a drugi zatłaczający. Następuje nimi pobór gorącego medium oraz ponowne zatłoczenie po przejściu przez turbinę. W przypadku, kiedy warunki złożowe nie pozwalają na pobór wody (zbyt wysoka mineralizacja lub złoże w postaci suchych gorących skał) stosuje się zamknięty obieg wody. Jednym otworem zatłacza się zimną wodę obiegową do złoża, gdzie rozgrzewa się (zmienia w parę lub tylko podgrzewa), natomiast drugim otworem transportowana jest na powierzchnię, w celu napędzania turbin generujących prąd.

Elektrownie drugiego typu zamiast klasycznego układu wodno-parowego wykorzystują w cyklu pracy inne nośniki energii. Ich ciepło parowania stanowi niewielki procent ciepła parowania wody, przez co mogą być wykorzystywane przy niskich temperaturach złoża geotermalnego, które je podgrzewa. Zasada działania opiera się na trzech obiegach. Pierwszy to obieg geotermalny, który odpowiada za pobór medium geotermalnego poprzez odwierty, oddanie ciepła na wymienniku oraz ponowne jej zatłoczenie do złoża. Drugi obieg to tzw. obieg termodynamiczny. Krąży w nim niskowrzący nośnik energii – najczęściej pochodzenia organicznego, jak dwutlenek węgla, amoniak czy izopentan. To on odbiera ciepło w wymienniku i przekształcany jest do postaci parowej. Zachodzi to w stosunkowo niskich temperaturach (60-80°C). Następnie jest on prowadzony na łopaty turbiny powodując jej ruch obrotowy i w ten sposób napędzany jest generator prądu. Trzeci obieg odpowiedzialny jest za schłodzenie czynnika roboczego na skraplaczu. Używana jest w tym celu zimna woda, która jednak nie ma bezpośredniego kontaktu z czynnikiem. Chłodzenie może odbywać się w klasycznych chłodniach klominowych.

Negatywny wpływ elektrowni geotermalnych na środowisko

Produkowanie prądu elektrycznego przez elektrownie geotermalne może mieć negatywny wpływ na środowisko. Szczególnie narażone są takie jego elementy jak powietrze atmosferyczne oraz woda. Istnieją jednak sposoby na wyeliminowanie ryzyka tych zanieczyszczeń poprzez stosowanie zamkniętych obiegów wody oraz zachowywane środki ostrożności podczas wykonywania wierceń. Zaletą geotermii w przeciwieństwie do innych OZE jest jej dostępność przez cały rok, niezależnie od warunków pogodowych i klimatycznych. Posiada też większe współczynniki wykorzystania mocy i czasu pracy w ciągu roku oraz najniższy koszt uzyskania jednostki energii spośród elektrowni na świecie. Mimo niskich kosztów eksploatacyjnych, budowa elektrowni geotermalnych wiąże się z niezwykle wysokimi kosztami inwestycyjnymi.

Chcesz wiedzieć więcej? Przeczytaj nasz artykuł o Geotermii Podhalańskiej.

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.