Ogrzewanie geotermalne

Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat coraz większe zainteresowanie wśród inwestorów budzi ogrzewanie geotermalne. Jak sama nazwa wskazuje, ogrzewanie to polega na czerpaniu ciepła (therme z Greki) z wnętrza ziemi (geo, też z Greki). W praktyce ciepło z wnętrza ziemi można czerpać co najmniej na dwa sposoby.

Ale zanim do tego dojdziemy, to kilka słów na temat tego, skąd bierze się ciepło w gruncie. I ile jest tego ciepła.

Jak wiadomo, wnętrze ziemi wypełnione jest przez roztopione, gorące skały, pod bardzo wysokim ciśnieniem. Temperatura we wnętrzu ziemi sięga nawet poziomu 5 400 – 6 000°C. Z racji wystąpienia różnicy temperatur między wnętrzem a powierzchnią naszej planety (tzw. gradientu geotermicznego), ciepło stale przepływa ze strefy wyższych, do strefy niższych temperatur — czyli z wnętrza ziemi ku jej powierzchni.

Ten przepływ ciepła na powierzchni jest znikomy, rzędu 0,063 W/m², nieporównanie mniej, niż dostarcza nam na drodze promieniowania Słońce (rzędu 1 000 W/m² w czasie nasłonecznienia, a średnio w ciągu roku ok. 1 000 kWh/m²). Dlatego abyśmy mogli zorganizować sobie ogrzewanie geotermalne domu ciepłem z wnętrza ziemi, nie wystarczy nam „podłączyć się” pod ten strumień ciepła. Musimy szukać czegoś więcej.

Ogrzewanie geotermalne — ekologiczne ciepło z wnętrza ziemi

Wykorzystywanie zasobów ciepła z wnętrza ziemi nie jest tematem nowym, bo najwcześniejszy znanym historykom system grzewczy (basen zasilany gorącym źródłem) funkcjonował już w trzecim wieku przed naszą erą w Chinach. To źródło energii wykorzystywane było także w Pompejach.

Można przyjąć (i tak się przyjmuje), że energia geotermalna jest źródłem odnawialnym, bowiem jej zasoby są niewyobrażalnie duże. Na świecie ciepło geotermalne wykorzystuje się w ponad 70 państwach, instalacje mają łączną moc cieplną rzędu 30 GW, a rocznie dostarczają prawie 300 PJ (300 000 000 GJ) energii, ekwiwalent spalenia ok. 13 mln ton węgla.

Ale nawet te olbrzymie ilości pozyskiwanego ciepła w całkowitym bilansie zużywanej przez nas energii stanowią mniej, niż promil — ledwie 0,07% światowego zużycia energii pierwotnej. Oprócz tego, z wód geotermalnych produkuje się jeszcze energię elektryczną — łącznie instalacje do produkcji prądu z ciepła geotermalnego mają moc ok. 11 GW.

Elektrownia geotermalna Krafla w Islandii o mocy 60 MW, rocznie wytwarza 500 GWh energii elektrycznej rocznie. Foto: Glassholic na licencji CC BY-SA 4.0

A zasobów tej energii mamy ok. 44 200 GW, z czego oczywiście większość jest niedostępna do racjonalnego wykorzystania. Czytaj: zasoby energii są zbyt głęboko, albo z innych względów zbyt trudna do użycia.

Zdawałoby się, że eksploatacja tego zasobu jest również przyjazna dla środowiska. Ale niekoniecznie. Wody geotermalne oprócz tego, że są zasolone, niosą ze sobą spory ładunek rozpuszczonych gazów, począwszy od cieplarnianych CO2 i CH4 (metanu), skończywszy na śmierdzących siarkowodorze i amoniaku. Poza tym mogą w nich być zawarte również toksyczne metale i półmetale takie jak rtęć, bor, antymon czy arsen.

Niektóre analizy wskazują, że produkcja energii elektrycznej ze źródeł geotermalnych może powodować emisję dwutlenku węgla rzędu 120 kg / MWh (dla porównania, w Polsce jest to wielkość rzędu 900 kg / MWh, przy czym my ponad 95% prądu produkujemy z węgla).

Woda geotermalna do ogrzewania

Gdy woda opadowa wnikając do wnętrza ziemi natrafia na lokalne ogniska gorącej magmy, znacząco podnosi się jej temperatura, czasem dostatecznie, by mogła zamienić się w parę wodną. Dopiero obecność na danym obszarze takich wód (nawet niekoniecznie wypływających na powierzchnię pod postacią gorących źródeł lub gejzerów) pozwala w miarę łatwo wykorzystać ciepło geotermalne do ogrzewania.

W miarę łatwe, bo wystarczy tę wodę ująć, przetransportować na powierzchnię, zamienić na użyteczną energię (ciepłą wodę w miejskiej sieci ciepłowniczej, ale też energię elektryczną), a potem schłodzoną odprowadzić z powrotem pod ziemię.

Niestety, zadanie to nie jest trywialne.

Choć Polska ma całkiem niezłe warunki do wykorzystania wód geotermalnych (80% powierzchni kraju posiada na głębokości 1-10 km wodę geotermalną o temperaturze 30-200°C), w praktyce sens ekonomiczny miałoby wykorzystanie tych zasobów na terenie o połowę mniejszym. Wynika to głównie z konieczności wiercenia na olbrzymie głębokości, a także ze zbyt dużego zasolenia. Uważa się, że wydobycie wody geotermalnej ma sens, gdy wiercić trzeba na głębokość mniejszą, niż 2 km, jej temperatura przekracza 65°C a zasolenie jest mniejsze, niż 30 g/l. No i gdy wydajność źródła jest odpowiednia do przewidywanego zapotrzebowania na ciepło.

Problemy sprawiają zwłaszcza dwa czynniki:

  • wysokie zasolenie wód geotermalnych sprawia trudności eksploatacyjne, np. powodując awarie pomp czy nawet wymienników ciepła! (piszę nawet, bo wymiennik ciepła jako taki nie jest specjalnie skomplikowany i podatny na awarie a zasolenie jednak daje mu radę),
  • konieczność zatłoczenia zużytej (zimnej) wody z powrotem do złoża w innym miejscu, które wymaga inwestycji i wydatku na napęd pompy, a także odpowiednio drożnego otworu chłonnego.

I w Polsce mamy już przykłady świetnych, wydawałoby się, instalacji do wykorzystania wody geotermalnej, które rozłożyły się właśnie na tych dwóch czynnikach — na przykład Geotermię Stargard Szczeciński.

Ciepło z ziemi w sieci

Zakłady wykorzystujące ciepło z wnętrza ziemi siłą rzeczy służą do scentralizowanej produkcji ciepła. Nakład na budowę części naziemnej (wymienniki, pompy, rurociągi budynek, aparatura sterownicza) i wykonanie odwiertów nie jest mały (w przypadku Geotermii w Stargardzie sięgnął 33,5 mln PLN). Z tego względu jeśli takie źródła powstają, to raczej po to, by dostarczać duże ilości ciepła do miejskich sieci ciepłowniczych. Wspomniana instalacja w Stargardzie mogła osiągnąć moc ok. 14 MW i rocznie dostarczyć do sieci ciepłowniczej ok. 400 000 GJ ciepła, co pozwoliłoby zastąpić zużycie ok. 17 500 ton węgla rocznie!

Oczywiście z racji różnych czynników (głównie ekonomicznych), najkorzystniejsze jest prowadzenie wydobycia wody geotermalnej i produkcji ciepła sieciowego przez cały rok. A to ma sens tam, gdzie ciepło z sieci ciepłowniczej wykorzystuje się również do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Ewentualnie tam, gdzie ciepło wykorzystywane jest w przemyśle, do celów technologicznych.

W praktyce oznacza to, że ogrzewanie geotermalne można zastosować tam, gdzie mamy w miarę zwartą zabudowę i sens jest (lub kiedyś był) inwestować w budowę miejskiej sieci ciepłowniczej.

Ogrzewanie geotermalne domu ciepłem spod trawnika

W mniejszej skali ciepło z wnętrza ziemi czerpiemy za pomocą urządzenia takiego, jak pompa ciepła. Do pewnego stopnia można to uznać za ogrzewanie geotermalne domu, skoro ciepło czerpiemy z gruntu, ale tak naprawdę równie dobrze można by powiedzieć, że to ogrzewanie słoneczne. 😉 Wszystko zależy od tego, jak skonstruowany jest wymiennik ciepła, czyli dolne źródło ciepła tej pompy.

Jeśli korzystamy z poziomego wymiennika ciepła, zakopywanego najczęściej na głębokości 1,5-2 metrów po powierzchnią, korzystamy raczej z zakumulowanej w gruncie energii słonecznej. Jak wspomniałem na początku artykułu, ilość energii z wnętrza ziemi docierającej do powierzchni gruntu jest naprawdę bardzo niewielka. Dlatego o temperaturze najpłytszych warstw gruntu decyduje przede wszystkim promieniowanie słoneczne. To ono „ładuje” ciepło ogrzewając grunt latem, który my później zimą możemy schłodzić z wykorzystaniem pompy ciepła.

To „ładowanie” akumulatora jakim jest grunt pod trawnikiem odbywa się nie tylko bezpośrednio przez promieniowanie słoneczne. Tak byłoby, gdybyśmy nie mieli tam trawnika, tylko zaorane pole, albo wylany asfalt (co nie byłoby głupie, choć mało przyjazne dla przyrody). Ciepło wnika do wnętrza ziemi też ogrzewając się od letniego powietrza, ale też dzięki wsiąkaniu wód deszczowych. Nie bez przyczyny jednym ze sposobów na zwiększanie ilości ciepła dostępnej dla pompy ciepła podanych w tej książce jest właśnie kierowanie na grunt z dolnym źródłem pompy ciepła wody deszczowej z dachu.

Ogrzewanie geotermalne domu w praktyce -- pompa ciepła z wymiennikiem w pionowym odwiercie.
Tak może wyglądać ogrzewanie geotermalne domu — pompa ciepła z wymiennikiem (dolnym źródłem) umieszczonym w pionowym, głębszym odwiercie (rzędu np. 30 metrów). Zazwyczaj odwiertów jest kilka. Ciepło z pompy trafia do ogrzewania podłogowego. Fot.: Shutterstock.

Inaczej wygląda sprawa w przypadku wymiennika umieszczonego w pionowych odwiertach, które sięgają głębiej i tu już nie korzystają z ciepła dostarczanego przez słońce, tylko w większym stopniu z energii z wnętrza ziemi.

Jeśli popatrzeć na to, jakie emisje gazów cieplarnianych powoduje ogrzewanie geotermalne domu w takim najprostszym wariancie z użyciem pompy ciepła, to ta emisja może być porównywalna z emisji ze spalania gazu ziemnego w kotle kondensacyjnym. Wprawdzie sama pompa ciepła nie jest źródłem emisji, to jednak do jej zasilania potrzebna jest energia elektryczna, w Polsce wytwarzana głównie z węgla.

Ale z całą pewnością użycie takiego źródła ciepła pozwala oszczędzić cenny węgiel i gaz ziemny do wykorzystania go do innych celów (np. do syntezy nawozów i tworzyw sztucznych, albo do produkcji paliw samochodowych).

Można też pompę ciepła zasilić bateriami słonecznymi, co sprawi, że będzie funkcjonować w zasadzie za darmo, ale to inna historia, którą poruszę kiedyś przy innej okazji.

Pierwsza wersja tego tekstu pojawiła się tutaj ok. 8 lat temu, a od tego czasu została zaktualizowana.

Zobacz także

Opublikował 01.08.2019 mgr inż. Krzysztof Lis i oznaczył hasłami ,

3 komentarze do artykułu “Ogrzewanie geotermalne”

  1. Pompa ciepła- świetna, modna, ekologiczna- tylko jest haczyk. W krajach zachodnich jest modna ze względu na dofinansowanie państwa sięgające 50 %, poza tym jest to strefa „zasobnych portfeli”. My musimy rozpatrzyć ten problem finansując inwestycje z własnej kasy, na terenie o niższych temperaturach czyli o niższym uzysku (sprawności urządzenia- tj. stosunku kw uzyskanych do wydatkowanych) oraz relatywnie wyższych cenach energii elektrycznej która rośnie i będzie rosnąć. Reasumując – wydatek na wymiennik ziemny oraz instalację na którą średnio wydać trzeba na dzień dzisiejszy ok. 60-70 tys. nie zwróci się w naszych realiach NIGDY a za 15 -20 lat czeka nas kupno kolejnego urządzenia gdyż nastąpi śmierć techniczna starego. Rozważcie to. Ja zrezygnowałem na rzecz tradycyjnego.

  2. @zuber.d: argumenty o tym, że coś się „nie zwróci” w przypadku inwestycji mieszkaniowych są bardzo trudne do obrony. Bo budowa domu też się nigdy „nie zwróci”, lepiej mieszkać z rodzicami przez całe życie.

  3. Bywam w Stargardzie 🙂 a takie są tam cuda ? 🙂
    Moim zdaniem takie pomysły mają rację bytu tylko w sieci grzewczej albo dużych obiektach… A co do pojęcia zwrotu inwestycji, niektóre są po prostu wygodniejsze i już… Np taki sąsiad, pływa, pół roku nie ma go w domu i co? Zostawi żonę z drewnem/ węglem? A gazu nie ma w okolicy… Pozostaje bezobsługowy prąd, a że domostwo duże i środki finansowe są to trzaśnie sobie pompę ciepła i już 🙂

Pozostaw komentarz

Subscribe without commenting