Energia geotermalna Prof. dr inż. Ryszard Tytko
Energia cieplna ziemi i powietrza jest energią wnętrza Ziemi, Zgromadzoną w skałach i wodach podziemnych. Ciepło we wnętrzu Ziemi jest po części ciepłem pierwotnym, które powstało w trakcie formowania naszej planety, a częściowo jest ciepłem pochodzącym głównie z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych takich jak uran, tor czy potas. Temperatura zwiększa się wraz z głębokością (ok. 25 C/km), osiągając ok. 6000 C w jądrze Ziemi.
Pod skorupą ziemską znajduje się warstwa gorących i roztopionych skał, zwanych magmą. Czasami gorąca magma wydostaje się na powierzchnię jako lawa. Magma, której temperatura osiąga nawet 1400 C, ogrzewa otaczające skały i zawarte w nich wody. Ilość ciepła zmagazynowana we wnętrzu Ziemi jest ogromna i wynosi ok. 35 TW, do 10 km przekracza 50 000-krotnie ilość ciepła zgromadzoną we wszystkich złożach gazu ziemnego i ropy naftowej na świecie.
Wody opadowe przenikają w głąb Ziemi, gdzie ogrzewane są przez ciepło pochodzące z jej wnętrza. W niektórych miejscach złoża ciepłych i gorących wód oraz par, znajdują się na tyle blisko powierzchni Ziemi (do 3 km), że mogą być wydobywane za pomocą otworów wiertniczych. Część gorącej wody poprzez uskoki (struktury powstające w wyniku przemieszczania się skał) i szczeliny, wydostaje się na powierzchnię Ziemi jako gorące źródła albo gejzery.
Jednak większość wody pozostaje głęboko pod ziemią w szczelinach i porach skał. Takie naturalne nagromadzenia wody i pary wodnej, nazywane są zbiornikami lub złożami geotermalnymi. Najwyższe temperatury związane są z obszarami gdzie zjawiska wulkaniczne występują współcześnie lub też miały miejsce w niedalekiej przeszłości geologicznej. Obszary takie określane są jako gorące plamy, a grubość skorupy ziemskiej jest tam najmniejsza. Tworzą one tak zwany pierścień ognia, przebiegający wzdłuż łuków wysp wulkanicznych na Pacyfiku i wzdłuż zachodnich wybrzeży Ameryki Płn. i Pd.
Zasoby geotermalne Dzielimy je na hydrotermiczne i petrotermiczne. Zasoby hydrotermiczne odnoszą się do wody, pary lub mieszaniny parowo-wodnej, które występują w szczelinach skalnych o temperaturze od 200 300 C, żyłach wodnych lub w warstwach wodonośnych o temperaturze 60 95 C. Są one wykorzystywane obecnie.
Zasoby petrotermiczne są zmagazynowane w gorących warstwach skalnych i mają znaczenie perspektywiczne. Sposób wykorzystania zasobów geotermalnych zależy od temperatury czynnika grzejnego. Przyjęto, że przy temperaturze powyżej 120 150 C, opłaca się wykorzystać je do produkcji energii elektrycznej. Przy niższych temperaturach czynnika grzejnego, wchodzi w grę wykorzystanie zasobów geotermalnych do celów: ciepłowniczych, klimatyzacyjnych, wytwarzania ciepłej wody użytkowej w systemach miejskich i przemysłowych, do ogrzewania szklarni, hodowli ryb, do celów balneologicznych i rekreacyjnych.
Źródła energii geotermalnej Źródła energii geotermalnej można podzielić ze względu na stan skupienia nośnika ciepła, a także na wysokość temperatury na następujące grupy: grunty i skały do głębokości 2500 m, z których ciepło dla celów grzewczych z wykorzystaniem pomp ciepła, pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła; wody gruntowe jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła, stosowane do celów grzewczych;
wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych (w przypadku dużej mineralizacji np. 50 mg/l, wody zatłaczane są z powrotem do złoża po ich wykorzystaniu energetycznym); para wodna wydobywana przy pomocy eksploatacyjnych otworów wiertniczych, znajdująca zastosowanie w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej;
wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy pomocy solanki, lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np.izobutanu; gorące skały, z których energia odbierana jest przez wodę cyrkulującą, pod wysokim ciśnieniem, przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie w kompleksach skalnych, na dużych głębokościach. Energia ta wykorzystywana jest w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej oraz do celów grzewczych.
Oprócz wyżej wymienionych źródeł, istnieją jeszcze sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła, powstające w suchych gorących skałach (hot dry rock). Powstają one w wyniku utworzenia systemu szczelin, podczas eksplozji ładunków wybuchowych o dużej mocy.
Parametry termodynamiczne wód geotermalnych Najistotniejszą charakterystyką źródła geotermalnego jest jego temperatura Tp, ilość rozpuszczalnych soli, zawartość rozpuszczonych gazów oraz ciśnienie na dnie studni geotermalnej Pr. Te parametry fizyczne decydują o porównawczym wskaźniku energetycznej wartości studni geotermalnej. Do porównania potencjalnych możliwości termodynamicznych używa się pojęcia egzergii geopłynu na powierzchni studni.
Egzergia to jakość energii. Jest to część energii, która może być wykorzystana. Niewykorzystana część energii (straty), nosi nazwę anergii. Wielkość egzergii jest iloczynem strumienia masy m i egzergii właściwej e.
gdzie: E wartość energii cieplnej złoża geotermalnego [J]; T temperatura geopłynu na powierzchni [K]; m masa geopłynu wypływająca z odwiertu [kg/h]; e egzergia właściwa geopłynu [J/kg]; h entalpia właściwa geopłynu wypływającego [kj/mol]; s entropia właściwa [J/K].
Wielkości h i s oznaczają entalpię właściwą i entropię właściwą, dla warunków na powierzchni studni. Wielkości opatrzone indeksem o, odnoszą się do warunków atmosferycznych, panujących w obrębie studni, T jest temperaturą.
W termodynamice technicznej entalpia właściwa (odniesienie do jednostki masy geopłynu) wyraża się wzorem: gdzie: H entalpia (zawartość ciepła) suma energii wewnętrznej układu w [J]. Jest to energia geopłynu, która zależy od temperatury, przy stałym ciśnieniu i nazywa się również pojemnością cieplną; h 0 entalpia standardowa, podawana jest przy ciśnieniu 1 bar i temperaturze 298 K. 1 mol wody posiada entalpię równą 286 kj/mol; s entropia, opisuje nie tylko ilość przeniesionej energii E, ale też warunki, w jakich ta ilość została przeniesiona (T).
Przybliżoną wartość energii uzyskanej ze złoża geotermalnego, można wyznaczyć za pomocą wzoru: gdzie: E wartość energii cieplnej złoża geotermalnego [J]; v prędkość wypływu geopłynu [m/s]; S π d 2 /4 przekrój rury doprowadzającej gorącą wodę na powierzchnię [m2]; cp ciepło właściwe wody [J/kg K]; ρ gęstość wody [kg/m3]; T1 temperatura wypływającej wody geotermalnej z otworu wydobywczego [K]; T2 temperatura wpływającej wody geotermalnej do otworu chłonnego [K].
Moc cieplną złoża geotermalnego można wyznaczyć z wzoru: gdzie: E wartość energii cieplnej złoża geotermalnego [J]; t czas [s].
W przypadku produkcji energii elektrycznej, niezależnie od rozwiązań technicznych siłowni, tylko część egzergii zamienia się w pracę elektryczną.
Gdzie η u jest sprawnością wykorzystania źródła geotermalnego (ang. resource utilization efficiency). Zależy m.in. od temperatury płynu geotermalnego na powierzchni studni T i wybranego obiegu cieplnego. Przy temperaturze T p = 170 C i temperaturze dolnego źródła T o = 10 C, η u wynosi 50 60%, dla siłowni z turbiną kondensacyjną. Odpowiada to zużyciu pary ok. 8 kg/kwh.
Z literatury fachowej, poświęconej energetyce geotermalnej, wynika, że powyżej 120 C opłaca się eksploatacja źródła geotermalnego dla celów produkcji energii elektrycznej. Istnieją również opracowania naukowe i na ich podstawie wykonane instalacje, potwierdzające możliwość wykorzystania geopłynu o niższych temperaturach, tj. ok. 80 C, z zastosowaniem w binarnych siłowniach energetycznych.
Moc cieplną i energię dostarczoną przez ciepłownię geotermalną można w przybliżeniu obliczyć znając: masę m wody wypływającej ze złoża, temperaturę T1 wody wypływającej z otworu wydobywczego, temperaturę T2 wody powrotnej, zatłaczanej do otworu chłonnego. Do obliczeń wykorzystano parametry ciepłowni geotermalnej realizowanej w Toruniu:
Zakładając zapotrzebowanie na ciepło w budynkach wielkogabarytowych, na poziomie A = 50 W/m2, można stwierdzić, że moc w/w ciepłowni zapewni ogrzewanie obiektów o powierzchni (N):
Koszt budowy w/w ciepłowni wyniesie ok. 45 mln zł. 1 MW zainstalowanej mocy, kosztować będzie ok. 2 mln zł. Koszt 1 kwh energii cieplnej, wytworzonej w tej ciepłowni wyniesie ok. 0,04 zł brutto (podobnie jak Geotermia Stargard Szczeciński). Roczny koszt eksploatacji ciepłowni o podobnej mocy, zasilanej gazem byłby 6-krotnie wyższy, węglem 4-krotnie. Czas zwrotu z inwestycji wyniesie ok. 5 lat. Należy zaznaczyć, że energia geotermalna wykorzystywana w ciepłowniach jest wielkością stałą w czasie przez dziesiątki lat. Jest to jedyne źródło OZE, które cechuje stałość pozyskiwanej energii w czasie.
Prof. dr hab. inż. Jacek Zimny z AGH Kraków twierdzi, że koszt Budowy elektrociepłowni geotermalnej jest 5-krotnie niższy od elektrowni atomowej o tej samej mocy.
Sposoby wykorzystania energii geotermalnej O możliwości wykorzystania energii wód geotermalnych, decydującą rolę odgrywa: temperatura, mineralizacja, wydajność cieplna, czas eksploatacji, temperatura wody sieciowej zasilającej i powrotnej, zapotrzebowanie ciepła przez odbiorców. Biorąc pod uwagę stopień mineralizacji nośników ciepła, systemy pozyskiwania energii wód geotermalnych można podzielić na: jednootworowe, i dwuotworowe.
Jednootworowe systemy eksploatacyjne, znajdują zastosowanie w przypadku wód geotermalnych zmineralizowanych do ok. 1 g/l (woda pitna). System taki składa się z pojedynczego otworu eksploatacyjnego, którym woda geotermalna wydobywana jest na powierzchnię, po czym kierowana jest do wymiennika ciepła. Schłodzona w wymienniku woda geotermalna pompowana jest do zbiornika retencyjnego, w celu wykorzystania jej dla potrzeb socjalno-bytowych.
Dwuotworowe systemy eksploatacyjne znajdują zastosowanie w przypadku wód geotermalnych wysokozmineralizowanych i składają się z dwóch odwiertów. Jednym z nich jest otwór wydobywczy, którym woda pobierana jest ze złoża geotermalnego, drugim otwór zatłaczający (chłonny), którym woda po obniżeniu temperatury w wymienniku (przeciwprądowy, wielopłytowy) ciepła, wtłaczana jest ponownie do złoża. Otwory powinny być oddalone od siebie o ok. 1000 m. Powrót wody przepracowanej do złoża, zapewnia stałą temperaturę gorącej wody w złożu oraz wyrównuje ciśnienie wody, panujące w złożu.
Woda geotermalna wypływa z otworu wydobywczego samoistnie lub wydobywana jest za pomocą pompy głębinowej. Najbardziej efektywnym i najprostszym sposobem zagospodarowania wód geotermalnych jest ich wykorzystanie, do celów grzewczych w gospodarce komunalnej, w rolnictwie i procesach technologicznych.
Instalacje geotermalne mogą pracować w trzech układach: monowalentnym, w którym całe ciepło grzejne jest pobierane z instalacji geotermalnej, a moc źródła jest dostosowana do maksymalnego zapotrzebowania na moc cieplną. Układ ten można stosować, gdy temperatura wody geotermalnej, jest wyższa niż temperatura wody w urządzeniach grzejnych i technologicznych.
biwalentnym, w którym źródło geotermalne, wspomagane jest kotłami konwencjonalnymi. W układzie tym, w okresie szczytowego zapotrzebowania, brakującą ilość ciepła dostarcza kotłownia. Poza sezonem ogrzewczym, źródło geotermalne dostarcza ciepło jedynie do przygotowania c.w.u., wody technologicznej. Jako szczytowe źródło ciepła, wykorzystuje się istniejące kotłownie konwencjonalne.
kombinowanym, w którym część zapotrzebowania odbiorców ciepła niskotemperaturowego, zaspokajana jest przez instalację geotermalną, a pozostała część ciepła wysokotemperaturowego, przez kotłownię konwencjonalną.
Szczegółowe rozwiązania techniczne ciepłowni, uzależnione są od lokalnych warunków geotermalnych oraz możliwości zagospodarowania okresowych nadwyżek ciepła. Gdy woda geotermalna ma niski stopień mineralizacji i nie jest chemicznie agresywna, może być wprowadzana bezpośrednio do instalacji ciepłowniczej odbiorców ciepła.
Ciepło na potrzeby: c.o, c.w.u., procesów technologicznych, wytwarzane jest w centralnym źródle ciepła i rozprowadzane do odbiorców za pomocą magistrali przesyłowej, obejmującej system obiegu wody sieciowej o temperaturze ok. 90/60 C.
Dobrodziejstwa płynące z wykorzystania energii geotermalnej W co najmniej 65 krajach na całym świecie ludzie korzystają z dobrodziejstw geotermii. Stopień wykorzystania tego typu energii na świecie waha się w szerokich granicach. Krajem, który najszerzej ją stosuje jest Islandia, gdzie 50% całkowitego zużycia energii pochodzi z systemów geotermalnych. Całkowity udział energii geotermalnej w ciepłownictwie wynosi ok. 86% w skali kraju, a ok. 14% w produkcji energii elektrycznej. Energia geotermalna jest także stosowana w uprawach szklarniowych, w przemyśle, hodowli ryb, w procesie otrzymywania wody z lodu i w kąpieliskach. Wykorzystanie energii geotermalnej poprawiło stan środowiska naturalnego, znacznie wpłynęło na standard życia mieszkańców.
Zagrożenia wynikające z wykorzystania energii geotermalnej Eksploatacja energii geotermalnej stwarza także problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na emisji szkodliwych gazów, uwalniających się z geopłynu. Dotyczy to przede wszystkim siarkowodoru H 2 S, który na przykład zgodnie z prawem amerykańskim, musi być pochłonięty w odpowiednich instalacjach, podrażających oczywiście koszt produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Inne potencjalne zagrożenie dla zdrowia, powoduje radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu,wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej. Ograniczenie szkodliwego oddziaływania tego gazu na środowisko naturalne, stanowi otwarty, nierozwiązany do tej pory problem techniczny.
W roku 2013, 6 krajów UE wykorzystywało pary geotermalne do generowania energii elektrycznej, 22 korzystało z par i wód w tzw. wykorzystaniach bezpośrednich. 21 listopada 2007 roku przekazano do wykorzystania przemysłowego, nową elektrociepłownię geotermiczną w Landau (Nadrenia-Palatynat). Elektrociepłownia w Landau posiada zdolność produkcyjną 2,6 MW mocy elektrycznej oraz 5 MW mocy cieplnej. Jest w stanie zaopatrzyć 5000 gospodarstw domowych w elektryczność. 1000 gospodarstw domowych, ogrzewanych jest przez lokalną sieć ciepłowniczą. Projekt był wsparty przez Federalne Ministerstwo Ochrony Środowiska i Bezpieczeństwa Jądrowego, poprzez dotację ponad 2,6 mln euro. W celu wydobycia wód geotermalnych na powierzchnię, wykonano (przy współudziale polskich wiertników) dwa odwierty do głębokości 3000 m. Szacuje się, że dzięki tej inwestycji zmniejszy się o 5800 ton rocznie emisja CO2 do atmosfery. Nadrenia Palatynat zamierza uzyskać do 2030 roku ok. 18% energii elektrycznej z elektrowni geotermicznych.
Bezpośrednie zastosowania energii geotermalnej Bezpośrednie zastosowania energii geotermalnej obejmują szeroki zakres, np.: ogrzewanie/chłodzenie pomieszczeń, przemysł, ogrodnictwo szklarniowe, hodowla ryb, uzdrowiska. Na ogół wiążą się one z wykorzystaniem istniejących technologii i prostej inżynierii. Na całym świecie ten rodzaj pozyskiwania energii, charakteryzuje się dużą niezawodnością i posiada ogromne zalety technologiczne, ekonomiczne i ekologiczne. Wśród sposobów wykorzystania dominuje Ciepłownictwo (37%), jakkolwiek popularne są takie zastosowania jak: kąpieliska/pływalnie/ balneologia (22%), pompy ciepła do chłodzenia i ogrzewania (14%), szklarnie (12%), hodowle ryb (7%), przemysł (7%).
Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrociepłowniach Para napędzająca turbinę, musi posiadać odpowiednie: ciśnienie, temperaturę, prędkość (para przegrzana). Może to być para wodna lub para innego czynnika grzewczego o niskiej temperaturze wrzenia np. amoniaku. Elektrownie geotermalne mogą pracować, jako jedno- lub dwuczynnikowe (system binarny).
Obecnie w praktyce stosuje się dwie metody konwersji energii z hydrotermicznych wolno dominujących źródeł na energię elektryczną. Pierwsza metoda polega na separacji fazy parowej z przepływu dwufazowego, który pojawia się na powierzchni eksploatowanej studni geotermalnej lub na połączeniu separacji i dalszym dławieniu płynu geotermalnego (ang. flashing), w wyniku czego powstaje para, kosztem obniżenia ciśnienia mieszaniny dwufazowej. W elektrowniach geotermalnych, wykorzystuje się również parę wodną, uzyskaną przy rozprężaniu wody geotermalnej o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Wyżej wymienione przypadki pozyskiwania pary wodnej ze złoża geotermalnego i skierowania jej na turbinę, będą zaliczane do obiegu jednoczynnikowego.
W przypadku elektrowni dwuczynnikowej (siłownia binarna), woda geotermalna z otworu wydobywczego, kierowana jest do wymiennika ciepła, gdzie oddaje ciepło czynnikowi termodynamicznemu właściwego obiegu (izobutan, amoniak), dla którego wymiennik ten spełnia rolę kotła. Woda geotermalna, służy wówczas do wytwarzania pary, czynnika roboczego, kierowanego następnie do turbiny parowej i skraplacza; jest to obieg Rankine a (w skrócie ORC, ang. Organic Rankine Cycle). Ochłodzona w wymienniku woda geotermalna otworem zatłaczającym, kierowana jest ponownie do złoża. W przypadku, gdy fizyko-chemiczne właściwości wody geotermalnej (wysoka mineralizacja) nie pozwalają na bezpośrednie jej wykorzystanie jako nośnika ciepła, stosuje się dodatkowy wymiennik ciepła.
Prowadzone w Katedrze Techniki Cieplnej Uniwersytetu Zachodniopomorskiego prace badawcze mają na celu stworzenie podstaw teoretycznotechnicznych, określają- cych możliwości produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem wód geotermalnych o temp. do 100 C, czyli temp. wód dostępnych w kraju. Naukowcy twierdzą, że takie możliwości daje stosowanie układów ORC, z pośrednim wykorzystaniem wody geoterm., poprzez odpowiedni dobór i dostosowanie czynnika organicznego w układzie. W proponowanym rozwiązaniu, w obiegu pośrednim, płynem roboczym jest mieszanina amoniaku i wody.
W układzie ORC, woda geotermalna przekazuje ciepło czynnikowi roboczemu w parowniku. Czynnik roboczy, czyli mieszanina amoniaku i wody w stanie dwufazowym, ciecz-para, kierowana jest do separatora, w którym następuje oddzielenie kropelek cieczy. Uzyskana w separatorze para, w skład której wchodzi 95% amoniaku, jest kierowana do turbiny parowej. Ciecz z separatora przepływa do wysokotemperaturowego rekuperatora, a następnie mieszana jest z rozprężoną parą z turbiny i kierowana do rekuperatora niskotemperaturowego, gdzie następuje ochłodzenie czynnika. Skroplony czynnik o składzie 82% NH 3, przepompowywany jest kolejno przez rekuperatory: nisko i wysokotemperaturowy, w których ulega podgrzaniu wodą geotermalną.
Pierwsza tego typu siłownia powstała w USA w roku 1979. Geopłyn wydobywa się na powierzchnię, przy użyciu pomp umieszczonych poniżej poziomu wrzenia w przypadku studni samowypływającej. Dzięki temu, na jej powierzchnię wypływa ciecz, oddająca ciepło do izobutanu w wymienniku ciepła, który spełnia rolę wytwornicy pary z przegrzewaczem. Przegrzana para izobutanu kierowana jest do turbiny, a następnie w skraplaczu pierwszego obiegu, oddaje ciepło wykorzystane dalej na wytworzenie par propanu w drugim obiegu siłowni binarnej.
Ta dwustopniowa siłownia zasilana płynem geotermalnym o temperaturze 182 C i stosunkowo wysokiej temperaturze dolnego źródła ciepła 27 C, uzyskuje sprawność wykorzystania źródła η u = 52%. Turbina w obiegu izobutanowym osiąga sprawność wewnętrzną η = 77%, natomiast turbina w obiegu Propanowym η = 86%.
Cechą charakterystyczną elektrociepłowni geotermalnych jest m.in. niski koszt eksploatacji, niski koszt obsługi (pełna automatyzacja) i niewielka opłata za zanieczyszczenie środowiska. Doświadczenia zagraniczne oraz obliczenia wykonane dla warunków polskich wykazują, że jednostkowy koszt pozyskania ciepła geotermalnego jest niższy, niż w elektrociepłowniach konwencjonalnych. Według danych światowych, średni nakład inwestycyjny na budowę elektrociepłowni geotermalnej wynosi ok. 1 mln euro za 1 MW mocy zainstalowanej. Koszt produkcji 1 kwh z tego typu elektrowni szacuje się na ok. 0,02 euro. Czas zwrotu z takiej inwestycji wynosi 4 5 lat. Należy zaznaczyć, że instalacja taka pracuje w układzie skojarzonym, produkując również ciepło.
Układy elektrowni przedstawionych powyżej, pracują w systemie kogeneracyjnym tzn. z energii geopłynu otrzymujemy energie elektryczną i cieplną. Jako przykład przedstawiono elektrociepłownię w Nesjavellir, w której zainstalowano generatory o mocy 900 MW, i która dostarcza do sieci ciepłowniczej 60 tys. ton ciepłej wody dziennie. W Polsce do roku 2020 planuje się wybudowanie kilku elektrociepłowni geotermalnych, co jest zgodne z założeniami opracowanymi przez Ministerstwo Gospodarki, dotyczącymi rozwoju energetyki do roku 2030. Koszt budowy 1 MW w elektrociepłowni geotermalnej, szacuje się na ok. 3 mln zł.
W Polsce wody geotermalne mają ogół temperatury niższe niż 100 C. Wynika to z tzw. stopnia geotermicznego, który w Polsce waha się od 10 do 110 m. Na przeważającym obszarze kształtuje się on na poziomie 35 70 m. Wartość ta oznacza, że temperatura wzrasta o 1 C na każde 35 70 m, pionowo w głąb ziemi. Całkowita objętość wód geotermalnych w Polsce wynosi około 6,7 103 km3 (ok. 3 objętości Bałtyku). Zasoby cieplne wód geotermalnych na terenie Polski, oszacowane zostały na około 34 mld ton paliwa umownego (tou) 36 mld ton węgla.
Wody zawarte w poziomach wodonośnych, występujących na głębokościach 100 4000 m, mogą być gospodarczo wykorzystane, jako źródła ciepła, praktycznie na całym obszarze Polski. Stosowanie ich jest technologicznie możliwe, natomiast wymaga zróżnicowanych, niekiedy wysokich nakładów finansowych. Najbardziej zasobne w wody regiony, to region grudziądzko-warszawski oraz szczecińsko-łódzki. Te dwa regiony zajmują około 1/2 obszaru Polski, natomiast ilość zawartych w nich wód wynosi ok. 90% wszystkich zasobów geotermalnych w Polsce. Obecnie, ze względów ekonomicznych, tylko część zasobów ciepła zawartych w wodach geotermalnych nadaje się do wykorzystania.
Charakterystyka złóż geotermalnych w Polsce Łączny potencjał teoretyczny energii wód geotermalnych szacuje się na ok. 77,5 10 6 PJ. Potencjał techniczny wynosi około 625 10 3 PJ, roczny ok. 4200 PJ. Generalnie obszar Polski, charakteryzuje się niskimi i umiarkowanymi wartościami głównych parametrów geotermalnych. Powierzchniowy strumień cieplny wynosi 20 90 W/m2, podczas gdy gradienty geotermalne wynoszą 1 4 C/100 m. Na obszarze kraju, wyróżniono trzy główne prowincje geotermalne, w których skład wchodzą rozległe baseny sedymentacyjne, zawierające liczne zbiorniki wód geotermalnych. Łączna powierzchnia tych prowincji wynosi ok. 250 000 km2, co stanowi blisko 80% powierzchni kraju.
Krótką charakterystykę tych jednostek można przedstawić następująco: Prowincja Niżu Polskiego (środkowoeuropejska) zajmuje powierzchnię ok. 222 000 km2 i zawiera siedem regionów geotermalnych (zbudowanych ze skał, wieku od paleozoiku do kredy). Temperatury złożowe wynoszą 30 130 C (głębokości 1 3 km). Mineralizacja ogólna wód, waha się w szerokim zakresie 1 300 g/l. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 6225 km3 wód,zawierających energię cieplną, równoważną 32 458 mln ton paliwa umownego (ok. 35 mld ton węgla).
Prowincja przedkarpacka zajmuje powierzchnię ok. 16 000 km2. Wody geotermalne występują w skałach mezozoiku i trzeciorzędu. Temperatury złożowe wynoszą od 25 C do 50 C. Mineralizacja ogólna wód, jest zmienna, waha się 1 100 g/l. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 362 km3 wód, zawierających energię cieplną, równoważną 1555 mln ton paliwa umownego (1,7 mld ton węgla). Prowincja karpacka zajmuje powierzchnię ok. 12 000 km2. Wody geotermalne występują w skałach mezozoiku i trzeciorzędu. Temperatury złożowe wynoszą od 60 C do 90 C. Mineralizacja ogólna wód, zmienia się w zakresie 0,1 100 g/l. Zasoby geotermalne zostały oszacowane na ponad 100 km3 wód, zawierających energię cieplną, równoważną 714 mln ton paliwa umownego (ok. 0,8 mld ton węgla)
Spośród innych obszarów w Polsce, interesujące perspektywy geotermalne, posiadają Sudety, gdzie wody geotermalne występują w szczelinowatych partiach skał krystalicznych i metamorficznych prekambru i paleozoiku. Dla oszacowania podanej ilości ciepła możliwego do odebrania z wód geotermalnych, znajdujących się w formacjach zalegających do głębokości 3 km przyjęto, że ciepło będzie odbierane do temperatury 20 C, a schłodzone wody, nie będą zatłaczane z powrotem do złoża. Zatwierdzone zasoby eksploatacyjne wód geotermalnych, wydobywanych z otworów wynoszą od kilku do 150 l/s.
Biorąc pod uwagę aktualne ceny tradycyjnych nośników energii, opłacalne pod względem ekonomicznym zakłady i instalacje geotermalne, można budować na około 40% powierzchni kraju. Najlepsze warunki geotermalne występują na rozległym obszarze Niżu Polskiego, w innych prowincjach są na ogół gorszej jakości, z wyjątkiem szczególnych przypadków, do których należy zwłaszcza rejon Podhala.
Funkcjonujące ciepłownie geotermalne Wody geotermalne o temperaturach do 100 C, występują praktycznie na całym obszarze kraju. Przyjęta w Prawie Geologicznym nomenklatura mówi, że wody termalne to te, które występują w ściśle określonych horyzontach wodonośnych i których temperatura przekracza 20 C. Około 2/3 powierzchni Polski, uznawane jest za perspektywiczne, pod względem możliwości technologicznych zagospodarowania potencjału geotermalnego, a około 40% powierzchni kraju ma korzystne warunki, dla budowy ekonomicznych instalacji, tj. takich, w których cena energii będzie niższa, od ceny energii konwencjonalnej. Do roku 2014 wybudowano i uruchomiono w Polsce, siedem zakładów geotermalnych.
Zakład w Mszczonowie Zakład Geotermalny w Mszczonowie zbudowany przez Geotermię Mazowiecką S.A. wykorzystuje wody geotermalne, wydobywane z otworu Mszczonów IG-1, do celów grzewczych i pitnych. Odwiert został wykonany w 1977 roku, a następnie zrekonstruowany przez IGSMiE PAN w 1998 roku. Wody pochodzą z głębokości 1600 1700 m, pobierane pompą głębinową o temperaturze ok. 40 C, wydajności ok. 60 m 3 /h. Zakład działa jako zintegrowany, tzn. ciepło uzyskiwane jest z wód geotermalnych, absorpcyjnych pomp ciepła i kotłów gazowych.
Zakład w Mszczonowie (ok. 6000 mieszkańców) został otwarty pod koniec 1999 r. Geotermalny poziom wodonośny znajduje się w piaskowcach dolnej kredy. Mineralizacja wody geotermalnej nie przekracza 1 g/l. Instalacja nie ma otworu chłonnego, służącego do ponownego wprowadzenia wody geotermalnej do warstwy wodonośnej. Woda cechuje się bardzo niskim stopniem mineralizacji, co pozwala na docelowe jej wykorzystanie jako wody pitnej i w efekcie, na rezygnację z kosztownego zatłaczania do złoża wodonośnego. Woda geotermalna opuszczająca pompę ciepła, trafia do stacji uzdatniania wody, zasila miejską sieć wodociągową.
Moc szczytowa zakładu, pracującego w układzie sprzężonych trzech źródeł ciepła (woda geotermalna, absorpcyjne pompy ciepła, kotły olejowo-gazowe), wynosi 12 MW z docelową roczną produkcją ciepła ok. 100 tys. GJ.
Geotermia na Podhalu Podhale jest unikatowym w skali Polski, regionem o dużych walorach turystycznych i krajobrazowych, co związane jest z corocznymi wizytami turystów. Zakopane i okoliczne miejscowości rozbudowują się, z czym połączony jest wzrostwy korzystania paliw do celów ciepłowniczych. Poziom zanieczyszczenia środowiska, wielokrotnie przekracza dopuszczalne normy. Jednym z zasadniczych sposobów ograniczenia szkodliwych emisji do atmosfery, jest wykorzystanie czystych ekologicznie nośników energii, wykorzystując jeden z nich energię geotermalną. Głównym celem projektu, jest zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, powstających w procesach spalania paliw kopalnych, a w ślad za tym poprawa stanu środowiska naturalnego.
Projekt geotermalnego ogrzewania Podhala jest przewidziany do wdrożenia w 4 etapach. Obecnie czynne są już dwa etapy geotermalnej sieci grzewczej: obszarwsi Bańska Niżna i obszar Zakopanego. Powstają nowe koncepcje zagospodarowania tych złóż (np. balneologia). W celu określenia wpływu stosowania ogrzewania geotermalnego na poprawę stanu środowiska przyrodniczego, a zwłaszcza, jakości powietrza atmosferycznego, prowadzone są badania emisji CO2 w wytypowanych obszarach. Jednym z nich jest rejon miasta Zakopane, drugim rejon wsi Biały Dunajec. Przedstawiony wykres, ilustruje uzyskany efekt ekologiczny, wprowadzenia ogrzewania geotermalnego w dolinie Białego Dunajca.