AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA im. Stanis awa Staszica w Krakowie Wydzia Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Kierunek Elektrotechnika ukasz Mruk Analiza mo liwo ci wykorzystania niekonwencjonalnych róde energii w obiekcie budowlanym Opiekun Prof. dr hab. in. Romuald W odek Kraków 2004

2 Spis tre ci Spis tre ci Przedmowa Wst p Cel i zakres pracy Poj cie Zrównowa onego rozwoju energetycznego w odniesieniu do rozwoju energii odnawialnej w Polsce Energia geotermalna Wprowadzenie Sposoby pozyskiwania energii geotermicznej Charakterystyka wód geotermalnych Dziedziny wykorzystania energii geotermalnej Charakterystyka warunków geotermalnych w Polsce Zarys warunków geotermicznych Polski Zasoby wód geotermalnych w Polsce Charakterystyka elementów i systemów pozyskiwania i wykorzystania energii geotermicznej Ogólna klasyfikacja Podstawy wymiany ciep a w geotermalnych wymiennikach ciep a Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej Geotermalne systemy wydobywczo przetwarzaj ce Technologie wykorzystania energii geotermalnej w ciep owniach i elektrowniach Podstawowe uk ady systemów energii geotermalnej w ciep ownictwie Podstawowe schematy ciep owni geotermalnych Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrowniach i elektrociep owniach Przegl d udanych przedsi wzi ze róde geotermicznych w Polsce Porównanie geotermalnego ród a ciep a ze ród em konwencjonalnym Podsumowanie DODATKI

3 Spis tre ci A. Zasoby i mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych w Ma opolsce - zarys A.1. Wyst powanie wód geotermalnych w Ma opolsce A.2. Wytypowane strefy do wykorzystania energii geotermalnej B. Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu B.1. Charakterystyka hydrogeotermalna niecki podhala skiej B.2. Zarys historyczny zagospodarowania wód geotermalnych na Podhalu B.3. Geotermalny system ciep owniczy na Podhalu B.3.1. Geneza projektu B.3.2. Aspekt techniczny B.3.3. Efekt ekologiczny Spis literatury

4 Przedmowa Przedmowa Niniejsza praca Analiza mo liwo ci wykorzystania niekonwencjonalnych róde energii w obiekcie budowlanym zosta a po wi cona jednemu z odnawialnych róde energii którym jest szeroko rozumiana energia geotermiczna. Podj cie si pisania takiego tematu na wydziale elektrycznym, z jednej strony mo e by ciekawym uzupe nieniem wiedzy, w troch innym zakresie ni ta zdobyta w trakcie realizacji studiów, z drugiej jednak strony stanowi pewne wyzwanie, z uwagi na konieczno szukania nowych róde informacji. Decyzja o podj ciu pisania pracy magisterskiej na taki w a nie temat, wynik a z zainteresowania odnawialnymi ród ami energii, jak równie z sentymentu dla Podhala, gdzie obok wspania ej górskiej przyrody, istnieje jeszcze jedno naturalne bogactwo tego regionu energia geotermalna. W trakcie poszukiwa materia ów potrzebnych do realizacji niniejszej pracy, na geotermalnym szlaku pojawiali si yczliwi ludzie, s u cy swoj rad i pomoc. Dlatego w tym miejscu autor sk ada serdeczne podzi kowania, w szczególno ci Panu Dr in. Wies awowi Bujakowskiemu, Kierownikowi Zak adu Energii Odnawialnej w Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi PAN, Pani Dr Beacie K pi skiej, Kierownikowi Laboratorium Geotermalnego PAN w Bia ym Dunajcu oraz Panu Mgr in. Tomaszowi Misarko, pracownikowi PEC Geotermia Podhala ska S.A., za okaza pomoc, oraz cenne uwagi i wskazówki. Pragn równie serdecznie podzi kowa opiekunowi pracy, Panu Prof. dr hab. in. Romualdowi W odkowi, za po wi cony czas, yczliwo i opiek naukowo techniczn. Kraków, czerwiec 2004 ukasz Mruk 4

5 Wst p 1. Wst p wiat pocz tku XXI wieku nastawiony jest na konsumpcyjny styl ycia, równie w dziedzinie energetyki. Zwi kszaj ce si potrzeby energetyczne i zwi zane z tym szybkie wyczerpywanie si surowców mineralnych, to objaw post pu technologicznego, który w por nie skierowany na odpowiednie tory mo e przyczyni si do nieodwracalnych zmian globalnego klimatu Ziemi. Rabunkowa gospodarka zasobami paliw kopalnych, zagra a nie tylko stabilno ci energetycznej przysz ych pokole, ale przede wszystkim zwi zana jest z ogromn dewastacj i zatruwaniem rodowiska naturalnego. Trzeba otwarcie powiedzie, e znacz cy w tym udzia ma wiatowa energetyka zawodowa i przemys owa, oparta w a nie w przewa aj cym stopniu na spalaniu paliw kopalnych w tym w gla najwi kszego truciciela naszej ziemskiej atmosfery. Dalsza eksploatacja paliw konwencjonalnych w obecnym stopniu, mo e doprowadzi w przysz o ci do realnego kryzysu paliwowego oraz do przekroczenia bariery ekologicznej o niewyobra alnych skutkach klimatycznych. Jedynym lekarstwem wydaje si wi c wprowadzanie technologii energooszcz dnych oraz zast powanie paliw konwencjonalnych niekonwencjonalnymi, odnawialnymi ród ami energii. Uzyskany w ten sposób cel, ograniczenia rabunkowej gospodarki zasobami kopalnymi i zmniejszenia zanieczyszczenia rodowiska, powinien by realizowany jak najszybciej. Tak rozumiana proekologiczna modernizacja sektora paliwowo energetycznego jest jak najbardziej po dana, i na szcz cie zauwa a si coraz wi ksze zainteresowanie i dzia ania zmierzaj ce ku temu celowi. Obecnie wiele pa stw na wiecie zda o sobie spraw z dobrodziejstw wynikaj cych ze stosowania odnawialnych róde energii (O E) i coraz cz ciej si gaj po ten typ energii, jako alternatyw dla róde konwencjonalnych. Polska jako kraj cz onkowski Unii Europejskiej, zobowi zany jest do ograniczenia udzia u paliw konwencjonalnych w bilansie energetycznym kraju, na rzecz energii pozyskiwanej z O E na poziomie 12% w 2010 roku. Fakt ten wymusza wi c podejmowanie konkretnych dzia a zmierzaj cych do zrealizowania naszych zobowi za wobec UE pod tym wzgl dem. Jest to powa ne wyzwanie, ale mimo wszystko realne do osi gni cia, bowiem wed ug licznych analiz, krajowe zasoby O E mo liwe do pozyskania pod wzgl dem technicznym i ekonomicznym wynosz 25 30%, w odniesieniu do ca kowitego bilansu energetycznego Polski. 5

6 Wst p W ród zasobów energii odnawialnych w Polsce, znacz cy udzia ma energia geotermalna, bowiem jak udokumentowano, na obszarze niemal 90% naszego kraju, wyst puj zbiorniki wg bnych wód termalnych. Najbardziej zasobne i korzystne pod wzgl dem parametrów geotermalnych s obszary Ni u Polskiego oraz Podhala gdzie ju obecnie istnieje kilka zak adów geotermalnych, zapewniaj cych ogrzewanie i ciep wod u ytkow okolicznym miastom. Na wiecie ten rodzaj energii równie rozwija si w szybkim tempie i oprócz wykorzystania do celów grzewczych, energia geotermalna znajduje zastosowanie w ró nych dziedzinach, w tym równie, przy odpowiednich warunkach do produkcji pr du elektrycznego. Zagadnienia wykorzystania energii geotermalnej, s obecnie realizowane w ramach specjalistycznego dzia u energetyki zwanego geoenergetyk. W niniejszej pracy energia geotermalna stanowi przedmiot zainteresowania pod wzgl dem mo liwo ci jej wykorzystania w warunkach polskich do celów grzewczych w budownictwie. 6

7 Cel i zakres pracy 2. Cel i zakres pracy Celem pracy jest przedstawienie rozwi za umo liwiaj cych wykorzystanie niekonwencjonalnych róde energii w obiekcie budowlanym, na przyk adzie energii geotermicznej, ze szczególnym uwzgl dnieniem energii geotermalnej. W pracy zwrócono g ównie uwag na mo liwo ci pozyskania i wykorzystania energii geotermalnej do celów grzewczych, i zwi zanego z tym efektu ekologicznego z tytu u zast pienia energi odnawialn i czyst, konwencjonalnych róde energii opartych na spalaniu paliw kopalnych. Zakres pracy obejmuje zatem: - zagadnienia geologiczne zwi zane z energi geotermiczn, - ogóln charakterystyk hydrogeologiczn wyst powania energii geotermalnej na obszarze Polski z uwzgl dnieniem potencjalnych zasobów wód podziemnych i mo liwej do pozyskania z nich energii, - przegl d ró nych sposobów pozyskiwania i wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej i wg bnej energii geotermalnej, - rodzaje i rozwi zania techniczne ciep owni geotermalnych z uwzgl dnieniem przystosowania do nich odbiorców ciep a, - efekt ekologiczny zwi zany z wycofywaniem ciep owni konwencjonalnych na rzecz ciep owni geotermalnych, - zarys udanych przedsi wzi geotermalnych w Polsce, - analiz mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych w Ma opolsce, - charakterystyk zagospodarowania geotermii na Podhalu. 7

8 Poj cie zrównowa onego rozwoju Poj cie Zrównowa onego rozwoju energetycznego w odniesieniu do rozwoju energii odnawialnej w Polsce Poj cie Zrównowa onego rozwoju energetycznego zrodzi o si z rosn cej ogólno wiatowej troski o ujemne skutki jakie niesie za sob zaspakajanie coraz wi kszych potrzeb ludzko ci w zakresie zaopatrzenia w energi, jaka zarysowa a si w ko cu XX wieku [3]. Coraz wi ksze zapotrzebowanie na energi pierwotn uwarunkowane rozwojem gospodarczym i przyrostem ludno ci na Ziemi, powoduje wyczerpywanie si konwencjonalnych surowców energetycznych, jakimi s paliwa kopalne. Jednak nie wyczerpywanie si naturalnych zasobów paliw konwencjonalnych, lecz globalne ska enie rodowiska naturalnego produktami ich spalania: py ami, tlenkami siarki, azotu i w gla, jest najwi kszym zagro eniem dla ludzko ci. Bez wprowadzania rodków zaradczych polegaj cych na oszcz dzaniu energii, zast powaniu tradycyjnych no ników innymi, bardziej przyjaznymi dla rodowiska naturalnego, trudno b dzie zahamowa dalsz degradacj otaczaj cego nas wiata. Problematyka ta omawiana by a na wielu konferencjach mi dzynarodowych, m.in. na Szczycie Ziemi w Rio De Janeiro, oraz wiatowym Szczycie Klimatycznym w Kioto w 1997 roku, jak równie na wielu wiatowych Kongresach Energetycznych. Polityka energetyczna sta a si wi c jedn z wa nych zasad zrównowa onego rozwoju energetycznego, który umo liwia zaspokojenie potrzeb energetycznych, nie b d c równocze nie szkodliwym dla rodowiska. Idea zrównowa onego rozwoju energetycznego obejmuje dwa podstawowe kierunki dzia a polegaj ce na: zapewnieniu dostatecznej ilo ci energii obecnie i w przysz o ci, zmniejszeniu szkodliwo ci oddzia ywania paliw na rodowisko naturalne. Bior c pod uwag wyczerpywalno paliw kopalnych oraz ich szkodliwy wp yw na otaczaj ce nas rodowisko, podejmuje si odpowiednie kierunki dzia a, maj ce tym zagro eniom zaradzi poprzez [3]: zwi kszenie udzia u odnawialnych róde energii (biomasa, energia geotermalna, energia wiatru, s o ca, wody) w globalnym bilansie energetycznym, zwi kszenie efektywno ci wykorzystania energii (technologie energooszcz dne), tak by, zu ywaj c mniej energii, mo na by o zapewni 8

9 Poj cie zrównowa onego rozwoju... odpowiedni poziom us ugi energetycznej (komfort cieplny, poziom o wietlenia itp.) Konieczno oszcz dnego traktowania zasobów kopalnych w wiecie, a szczególnie ochrony naszego naturalnego rodowiska, to wymogi stawiane ludzkiej dzia alno ci politycznej i gospodarczej. Równie z konieczno ci takiej dzia alno ci mamy do czynienia w Polsce, gdzie najwi kszy udzia w bilansie emisji zanieczyszcze rodowiska, zw aszcza emisji SO 2, ma energetyka zawodowa (rys. 3.1.). Zmniejszenie emisji SO 2, jak równie CO 2 i NO X, b dzie mo liwe tylko wtedy, gdy zostan podj te odpowiednie kroki w zakresie oszcz dnego wykorzystywania energii i jej pozyskiwania ze róde odnawialnych. ród a zanieczyszcze powietrza w Polsce [tys. ton] SO2 NO2 Py Rodzaj zanieczyszczenia Ogó em En.zawodowa En.przemys owa Tech.przemys owe Inne ród a stacjonarne ród a mobilne Rys Zestawienie róde zanieczyszcze powietrza w Polsce ród o: Opracowanie w asne na podstawie [13] Poprawa stanu rodowiska naturalnego poprzez wykorzystywanie odnawialnych róde energii (O E), uzale niona jest w du ej mierze od tego w jakim stopniu polityka ekologiczna, zostanie zintegrowana z polityk gospodarcz, co le y obecnie w kwestii Rz du. Mo na jednak powiedzie, e energetyka odnawialna, jak do tej pory, nie mia a priorytetu w polityce gospodarczej pa stwa, a pojedyncze zapisy dotycz ce tej energii mia y raczej charakter 9

10 Poj cie zrównowa onego rozwoju... deklaratywny. Nie mniej jednak wprowadzenie w ycie przez Sejm RP w 2001 roku Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce, by o wa nym momentem dla przysz ego rozwoju róde odnawialnych w Polsce. W/w dokument zak ada zwi kszenie udzia u energii ze róde odnawialnych w bilansie paliwowo energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i do 14% w roku Kolejnym krokiem sprzyjaj cym rozwijaniu si energetyki niekonwencjonalnej w Polsce, by o uchwalenie Rozporz dzenia Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 30 maja 2003 roku, w sprawie obowi zku zakupu energii elektrycznej i ciep a z odnawialnych róde energii, oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciep a. Fakt ten, jak równie nasze zobowi zania wobec Unii Europejskiej (12% w 2010 r) w tym temacie, przyczyni y si do wi kszego zainteresowania wprowadzeniem odnawialnych róde energii w Polsce, w tym równie technologi pozyskiwania energii geotermalnej. Jednak za o enia musia y zosta skonfrontowane z aktualnymi mo liwo ciami pozyskiwania energii odnawialnych w Polsce. Na prze omie kilku ostatnich lat dokonano szeregu analiz, dotycz cych oszacowania potencja u technicznego O E na terenie naszego kraju. W prace zaanga owane by y mi dzy innymi: Europejskie Centrum Energii Odnawialnej przy Instytucie Budownictwa Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa (EC BREC), oraz Bank wiatowy. Istniej jednak pewne rozbie no ci w ocenie potencja u technicznego O E wyst puj cych w Polsce wg poszczególnych ekspertyz, nie mniej jednak mo na stwierdzi, e oko o 30% rocznego zapotrzebowania na energi pierwotn w Polsce (na rok 2000) mo na uzyska z odnawialnych róde energii (rys. 3.2.). Z danych zawartych w na rysunku 3.2., wynika e najwi kszy potencja energetyczny posiada biomasa, oko o 810 PJ, a z pozosta ych O E mo e z ni konkurowa w a ciwie tylko energia geotermalna. Energia geotermalna prócz tego e zajmuje drugie miejsce w ród odnawialnych róde energii pod wzgl dem potencja u technicznego (200 PJ), posiada równie inna wa n cech daj c jej przewag nad pozosta ymi O E. Energia geotermalna jest mianowicie pozbawiona zale no ci od zmiennych warunków pogodowych i klimatycznych, co w porównaniu np. z energi wiatrow czy s oneczn daje jej znaczn przewag, je eli chodzi o stabilno energetyczn. 10

11 Poj cie zrównowa onego rozwoju... Udzia O E w bilansie energetycznym kraju *) Energia [PJ] Odnawialne ród a energii Biomasa 70,38% En.geotermalna 17,38% En.s oneczna 4,78% En.wodna 4,34% En.wiatrowa 3,12% Rys Potencja energetyczny O E w Polsce, mo liwy do wykorzystania pod wzgl dem techniczno ekonomicznym *) - Energia z O E mo liwa do pozyskania wynosi ok PJ co stanowi ok. 30% rocznego zapotrzebowania na energi pierwotn w Polsce (ok PJ r), 1 PJ = J ród o: Opracowanie w asne na podstawie [13], [35] W Polsce istniej znaczne zasoby odnawialnych róde energii, których wykorzystanie w przysz o ci mo e zrealizowa plan energetyczny kraju, zawarty w Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce, co z pewno ci przyczyni si równie do polepszenia komfortu ycia ludzi przez ograniczenie emisji do atmosfery szkodliwych dla zdrowia gazów. Jednak aby tak si sta o, potrzebna jest wi ksza wiadomo i przekonanie ludzi do takiej formy energii, ale przede wszystkim konkretne dzia ania Rz du, wspieraj ce rozwój O E. 11

12 Energia geotermalna 4. Energia geotermalna 4.1. Wprowadzenie Energia geotermiczna jest wewn trznym ciep em Ziemi, zgromadzonym w magmie, ska ach i p ynach (woda, para wodna, ropa naftowa, gaz ziemny itp.) wype niaj cych pory i szczeliny skalne. Energia geotermalna obejmuje natomiast cz energii geotermicznej zawartej w wodzie, parze wodnej oraz gor cych suchych ska ach. Ciep o wn trza Ziemi pochodzi cz ciowo z procesów formowania si naszej planety w przesz o ci, a cz ciowo jest ciep em pochodz cym z innych wewn trznych róde ciep a, do których nale procesy naturalnego rozk adu pierwiastków promieniotwórczych (uranu, toru, potasu), oraz procesy cieplne zachodz ce w j drze ziemi. Ciep o Ziemi nagromadzone w jej wn trzu jest ogromne. Do g boko ci oko o 10 km przekracza krotnie ilo ciep a, jak mo na uzyska ze wszystkich z ó paliw tradycyjnych, czyli ropy naftowej, w gla i gazu ziemnego oraz z pierwiastków promieniotwórczych wykorzystywanych w energii atomowej. Zachodz cy nieustannie proces przep ywu ciep a od wn trza Ziemi ku powierzchni warstw skorupy, spowodowany strumieniem cieplnym, jest ci g ym ród em ciep a dla formacji skalnych, od których z kolei nagrzewa si woda wype niaj ca ich wolne przestrzenie zwana wod geotermaln. Zag biaj c si w g b Ziemi, temperatura wzrasta, osi gaj c w wewn trznym j drze warto nawet 6200 C (rys. 4.1.). Km: ok C ok C do 6200 C Rys Budowa wn trza Ziemi ród o: [33] 12

13 Energia geotermalna Ten przyrost temperatury zwi zany ze zmian g boko ci nosi nazw gradientu geotermicznego lub stopnia geotermicznego i jest czynnikiem decyduj cym o lokalnych warto ciach temperatury ska a tym samym o temperaturze wody wype niaj cej pory i szczeliny skalne. Temperatura ziemi bezpo rednio w pobli u jej powierzchni (do ok. 10 km) zmienia si w przybli eniu liniowo wraz z g boko ci i wzrasta rednio o ok. 33 C na 1 km, tak e na g boko ci 3 km wynosi w przybli eniu 100 C. Gradient geotermiczny nie jest taki sam na ca ym obszarze Ziemi. W ró nych rejonach geograficznych naszego globu mo e on osi ga znaczne anomalie zarówno dodatnie jak i ujemne w porównaniu z warto ci redni. Przyk adem anomalii dodatnich s rejony du ej aktywno ci wulkanicznej (gdzie gradient osi ga warto ci nawet 60 C/km), a anomalii ujemnych strefy wiecznej zmarzliny, gdzie ujemna temperatura si ga nawet g boko ci 1 kilometra. W Polsce rednia warto gradientu geotermicznego wynosi oko o 30 C/km. Szczególnie sprzyjaj ce warunki do powstawania systemów geotermalnych, wyst puj w obr bie kraw dzi p yt litosfery (rys. 4.2.) w tzw. strefach ryftowych i strefach subdukcji. Rys Dynamika Ziemi ród o: [33] 13

14 Energia geotermalna Strefy ryftowe stanowi miejsca o mniejszych mi szo ciach skorupy i litosfery, do których dop ywa gor ca materia z g bi Ziemi. W strefach subdukcji tworzy si skorupa kontynentalna, dzia aj intensywne procesy tektoniczne powoduj ce sp kania. W miejscach tych mamy do czynienia z wulkanizmem i wysokim strumieniem cieplnym. ród em ciep a s tutaj gor ce ska y magmowe, których temperatura osi ga warto ci kilkuset stopni Celsjusza, co przyczynia si do wyst powania takich zjawisk jak gor ce ród a czy gejzery. Dla istnienia takich zjawisk, prócz gor cych ska wulkanicznych blisko powierzchni, potrzebne s równie wody z opadów zasilaj ce ska y wodono ne, którym to ska y magmowe oddaj swoje ciep o (rys. 4.3.). Do obszarów bogatych w takie zjawiska nale mi dzy innymi: Islandia, Nowa Zelandia, Japonia, Filipiny, Indonezja i zachodnie wybrze e Stanów Zjednoczonych gdzie wyst puj z o a energii geotermalnej o wysokich temperaturach na niedu ych g boko ciach. Z o a tego typu systemów geotermalnych, maj ograniczony zasi g i wyst puj przewa nie na obszarach s abo zamieszka ych i mniej dost pnych. Rys Schemat systemu geotermalnego z dominuj cym udzia em pary ród o: [33] 14

15 Energia geotermalna Bior c pod uwag wykorzystanie energii geotermalnej na potrzeby ludzko ci, znaczenia nabieraj z o a geotermalne w postaci par lub wód, które nadaj si do ich praktycznego wykorzystania. To praktyczne wykorzystanie dotyczy wód, które znajduj si na g boko ciach umo liwiaj cych ich op acaln ekonomicznie, oraz mo liw technicznie eksploatacj. Obecnie uwa a si, e taka praktyczna eksploatacja, za pomoc otworów wiertniczych, mo liwa jest dla g boko ci wynosz cej do 3 4 km. Ze wzgl du na charakter no nika energii, z o a geotermalne dzielimy na: z o a par geotermalnych wyst puj cych w obszarach wspó czesnej lub niedawnej dzia alno ci wulkanicznej, gdzie ród em ciep a ogrzewaj cym wody, która przechodzi w stan pary, s komory i ogniska magmowe zalegaj ce p ytko pod powierzchni terenu (1 3 km). Temperatury w z o u par na g boko ci 1 km przekraczaj C, z o a wód geotermalnych których wyst powanie charakteryzuje si znacznie wi kszym rozprzestrzenieniem ni z o a par. Ciep o ogrzewaj ce wody geotermalne pochodzi g ównie z j dra Ziemi, dlatego ich wyst powanie nie ogranicza si jedynie do obszarów wulkanicznych. Temperatura w z o ach par na g boko ci 1 km jest oczywi cie ni sza od 150 C, ale z o a te s atwiejsze w eksploatacji, odbiorze oraz przesyle energii cieplnej. Ocenia si, e oko o 70 krajów dysponuje zasobami wód geotermalnych, które mog by wykorzystywane w sposób ekonomicznie op acalny. Na terenie Polski z o a par geotermalnych nie wyst puj, s natomiast znaczne zasoby wód geotermalnych wyst puj cych w basenach sedymentacyjnych i strukturalnych, które w wielu miejscach charakteryzuj si odpowiednimi warunkami do ich ekonomicznego wykorzystania. Ocena mo liwo ci wykorzystania energii z ó geotermalnych, jest zazwyczaj poprzedzona szczegó owymi badaniami geosynoptycznymi, które maj na celu oszacowanie tzw. zasobów energii geotermalnej. Ca kowite zasoby energii geotermalnej pochodz cej z wn trza Ziemi s ogromne, jednak tylko niewielka ich cz mo e by wykorzystana w celach u ytkowych, ze wzgl du na ograniczenia techniczne i op acalno ekonomiczn aktualnych technologii pozyskiwania energii z wn trza Ziemi. Przedstawiaj c zasoby energii geotermalnej, dokonuje si pewnego ich podzia u ze wzgl du na sposób pozyskiwania tej energii, oraz podzia u uwzgl dniaj cego ich warto pod k tem obj to ciowo energetycznym. 15

16 Energia geotermalna Bior c pod uwag sposób pozyskiwania energii geotermalnej, jej zasoby dzieli si na dwa rodzaje [10]: Zasoby hydrogeotermalne gdzie no nikiem ciep a s naturalne, wolne wody podziemne, eksploatowane otworami wiertniczymi, Zasoby petrogeotermalne czyli energia suchych ska, lub ska wysadów solnych, które pozyskuje si przez wprowadzenie wody otworami wiertniczymi do gor cych formacji skalnych. Drugi podzia obj to ciowo energetyczny, zasobów geotermalnych obejmuje [10], [22]: Ca kowite zasoby geotermalne ca kowita ilo ciep a nagromadzonego w skorupie ziemskiej do pewnej g boko ci (zwykle do 10 km), odniesiona do redniej temperatury rocznej na powierzchni terenu. Ca kowite zasoby obejmuj zarówno zasoby hydrogeotermalne jak i pertogeotermalne, Dost pne zasoby geotermalne cz zasobów ca kowitych udost pnionych wierceniami. Ten typ zasobów przyj to oblicza do g boko ci maksymalnie 7 km, oraz dwóch g boko ci po rednich, w zale no ci od wyst powania pi ter hydrogeologicznych (np. 3 i 5 km), Statyczne (potencjalne) zasoby geotermalne ca kowita obj to wody wolnej lub ilo energii w niej zawartej, wyst puj cej w porach i szczelinach skalnych danego zbiornika geotermalnego, mo liwa technologicznie do wyprowadzenia otworami wiertniczymi na powierzchni Ziemi, Dynamiczne zasoby geotermalne obj to wody przep ywaj cej przez przekrój poprzeczny poziomu wodono nego w jednostce czasu lub naturalny drena wód wzd u profilu struktury, Dyspozycyjne zasoby geotermalne zasoby wszystkich warstw wodono nych, wyst puj cych w skali regionalnej. S to zasoby mo liwe do gospodarczego wykorzystania w okre lonym czasie, których pobór nie wp ynie na ilo i jako ogólnych, sta ych zasobów wody podziemnej, Zasoby eksploatacyjne udokumentowana cz zasobów geologicznych, definiowana przez ilo wody mo liw do wydobycia ze z o a w sposób racjonalny i ekonomicznie uzasadniony, w warunkach okre lonego re imu eksploatacji. Praktycznie zasoby eksploatacyjne obejmuj wody o minimalnej temperaturze 50 C, si gaj ce do g boko ci oko o 3000 metrów. 16

17 Energia geotermalna Traktuj c wody podziemne jako naturalne ród o energii, najwa niejsz spraw jest ocena ilo ci tej energii, która w przysz o ci mo e by wykorzystana. Najpro ciej ilo energii cieplnej zakumulowanej w wodach geotermalnych mo na oszacowa mno c obj to wód przez ró nic T pomi dzy temperatur z o ow T Z i temperatur ko cow T K. Dokonuj c szacunków ilo ci zasobów energii geotermalnej, jako temperatur ko cow T K przyjmuje si zazwyczaj temperatur równ 20 C, lub odnosi si do redniej temperatury powietrza [26_e]. Ilo ciep a zakumulowanego w wodach wyst puj cych na powierzchni 1km 2, wokó otworu wykonanego lub projektowanego, mo na oszacowa na podstawie poni szego wzoru [26_e]: n q mi h i ( Tzi - Tk ) (4.1) 1 gdzie: q ilo ciep a zawartego w wodach wyst puj cych w n warstwach [Mcal/m 2 ], m wspó czynnik porowato ci, h mi szo warstwy [m], T Z temperatura z o owa [ C], T K temperatura ko cowa wód zu ytych [ C], n liczba warstw Sposoby pozyskiwania energii geotermicznej W zale no ci od miejsca wydobywania i przetwarzania energii geotermicznej na inne rodzaje energii, mo na dokona podzia u na: 1. Technologie przetwarzania energii geotermicznej bezpo rednio w ziemi tj: - geotermoelektryczne uzyskiwanie energii elektrycznej za pomoc pó przewodnikowych ogniw termoelektrycznych, umieszczonych bezpo rednio w magmie lub wysokotemperaturowym p ynie, - geotermochemiczne prowadzenie procesów chemicznych takich jak: polimeryzacja czy fermentacja za pomoc specjalnych reaktorów umieszczonych w gor cych p ynach, 17

18 Energia geotermalna - geotermomineralne polegaj ce na wytworzeniu po danych z ó w wyniku procesu krystalizacji poprzez wprowadzanie do z o a odpowiednich reagentów. 2. Technologie wykorzystania energii geotermicznej polegaj ce na jej przetworzeniu ju na powierzchni ziemi, na energi ciepln, elektryczn lub wykorzystane w innych procesach technologicznych za pomoc odpowiedniego no nika ciep a, którym mo e by : - woda geotermalna, - przegrzana woda geotermalna w postaci pary, - gor ce suche ska y. Bior c pod uwag technologie przetwarzania energii geotermicznej wymienione w punkcie 1., nale y je traktowa raczej jako przysz o ciowe, bowiem obecnie s to procesy o jeszcze stosunkowo ma ym rozeznaniu. Technologie wymienione w punkcie 2., nale y zaliczy do technologii wykorzystania i przetwarzania energii geotermalnej a wi c cz ci energii geotermicznej zawartej w wodzie, parze wodnej, oraz gor cych suchych ska ach. Technologie przetwarzania energii geotermalnej, bior c pod uwag aktualny stan techniki, s mo liwe do przeprowadzenia, jednak o ich praktycznym wykorzystaniu, decyduj zasoby energii geotermalnej na danym obszarze, parametry tych zasobów, ale przede wszystkim zapotrzebowanie na ten rodzaj energii i op acalno ekonomiczna takich inwestycji. Systemy pozyskiwania energii geotermalnej s u ce do jej wydobywania z wn trza Ziemi na jej powierzchni, obejmuj najcz ciej nast puj ce elementy [10]: znajduj cy si na okre lonej g boko ci górotwór, z naturalnie lub sztucznie wytworzonymi strukturami otwartych porów, wydr e, szczelin i p kni o okre lonej przepuszczalno ci, spe niaj cy funkcj skalnego wymiennika ciep a, kana y cz ce roboczy poziom skalnych wymienników ciep a z powierzchni Ziemi, ruchomy p ynny no nik ciep a (woda), naziemny zespó urz dze technicznych do przetwarzania i wykorzystania energii geotermalnej. 18

19 Energia geotermalna Systemy eksploatacji energii geotermalnej (rys a g), ze wzgl du na rodzaj z o a, jego po o enie i parametry mo emy podzieli na [10]: a.) jednootworowy system eksploatacyjny z samoczynnym wyp ywem s abo zmineralizowanej wody geotermalnej i ci nieniu artezyjskim, b.) jednootworowy system eksploatacyjny s abo zmineralizowanej wody geotermalnej z poziomu wodono nego o ci nieniu subartezyjskim, z wykorzystaniem pompy g binowej PG, Zespó urz dze wydobywczo - eksploatacyjnych a.) Rys b.) PG Strop Warstwa wodono na Sp g c.) Jednootworowy otwarty system eksploatacyjny s abo zmineralizowanych wód geotermalnych, z wykorzystaniem pomp g binowych, ze sztucznie podwy szon przepuszczalno ci z o a w pobli u otworu wydobywczego, d.) jednootworowy system eksploatacyjny z o a geotermalnego z zastosowaniem wymiennika ciep a zanurzonego w warstwie zmineralizowanej wody geotermalnej. Czynnikiem obiegowym mo e by woda cyrkuluj ca w oddzielnym obiegu z odpowiednimi odbiornikami ciep a, e.) jednootworowy system wydobywczo zat aczaj cy stosowany w przypadku zmineralizowanych wód geotermalnych; woda geotermalna pobierana jest ze z o a po o onego ni ej i zat aczana jest do z o a po o onego wy ej, 19

20 Energia geotermalna c.) d.) PG f.) dwuotworowy system zamkni ty z otworami wydobywczym i zat aczaj cym, z wymuszon cyrkulacj, stosowany w przypadku zmineralizowanych wód geotermalnych, g.) dwuotworowy system wykorzystania energii geotermalnej gor cych ska na du ych g boko ciach ze sztucznie wytworzon przepuszczalno ci w wyniku eksplozji adunków wybuchowych du ej mocy. Odbieranie ciep a od gor cych (zeszczelinowanych) ska odbywa si w wyniku wymuszonej cyrkulacji wody. W przypadku temperatury ska znacznie przewy szaj cych temperatur 100 C, cyrkuluj ca w gor cym z o u woda zmienia si w par wodn. e.) f.) 20

21 Energia geotermalna g.) O wyborze jednego z w/w systemów pozyskiwania energii geotermalnej decyduj : rodzaj z o a, po o enie oraz stopie mineralizacji w przypadku z ó wód geotermalnych. Technologie pozyskiwania energii geotermalnej z gor cych suchych ska na obecnym etapie maj raczej charakter badawczy i do wiadczalny, a z racji konieczno ci wykonywania kosztownych zabiegów w odwiertach s bardzo drogie, wi c w najbli szych latach nie nale y powa nie rozpatrywa ich zastosowania. Inaczej jest natomiast w przypadku technologii wykorzystania z ó wód geotermalnych, które to obecnie znalaz y zastosowanie w kilkudziesi ciu pa stwach na wiecie. Polska równie posiada bogate zasoby wód geotermalnych o niskiej i redniej entalpii, które w wielu rejonach naszego kraju mog stanowi lokalne czyste ród o energii, mo liwe do wykorzystania w ekonomicznie op acalny sposób. W dalszej cz ci pracy przedstawiono mo liwo ci wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej (ciep a gruntu i wody gruntowej), oraz wg bnej energii Ziemi w postaci wód geotermalnych Charakterystyka wód geotermalnych Wody geotermalne s to wody wyst puj ce w g bi Ziemi, wype niaj ce przestrzenie porowe lub szczelinowe ska przepuszczalnych, od których odbieraj ciep o. Umownie mo na stwierdzi, e wody geotermalne s wodami, które mog 21