Geotermia w Polsce

Grzegorz Litke
główny inżynier ekolog

Artykuł przedstawia czynniki sprzyjające rozwojowi geotermii w Polsce oraz syntetyczne informacje dotyczące możliwości praktycznego wykorzystania źródeł geotermalnych z uwzględnieniem możliwości technicznych i technologicznych. Omawia także zalety i wady geotermii.

Czynniki sprzyjające rozwojowi geotermii w Polsce:

• zidentyfikowany potencjał zasobów geotermalnych,
• określony potencjał systemów ciepłowniczych, mogących wykorzystywać energię geotermalną,
• wsparcie finansowe państwa dla rozwoju energetyki geotermalnej,
• potrzeba zwiększenia lokalnego bezpieczeństwa energetycznego,
• zmiany prawa sprzyjające rozwojowi energetyki geotermalnej,
• grupa naukowców i praktyków zajmujących się geotermią (specjalistyczna know-how),
• specjalistyczne firmy wykonawcze świadczące usługi dla geotermii (badania, wiercenia itp.),
• społeczna akceptacja.

Dodatkowym bodźcem do rozwoju energetyki geotermalnej jest deklaracja osiągnięcia przez Polskę do 2030 r. przynajmniej 21–23% udziału OZE w końcowym zużyciu energii brutto (łącznie w elektroenergetyce, ciepłownictwie i chłodnictwie oraz na cele transportowe), przyjęta przez rząd w Krajowym planie na rzecz energii i klimatu na lata 2021–2030 (KPEiK)[i].

W marcu 2024 r. przekazano do Komisji Europejskiej wstępną wersję aktualizacji tego dokumentu. Zatwierdzona przez rząd Polityka energetyczna Polski do 2040 r. z 2 lutego 2021 r. (PEP 2040)[ii], wskazuje kierunki rozwoju sektora energetycznego. Wśród nich zaplanowano rozwój odnawialnych źródeł energii. Również w opracowanym w 2022 r. przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska „Wieloletnim Programie Rozwoju Wykorzystania Zasobów Geotermalnych w Polsce” założono rozwój geotermii do 2040 roku, z perspektywą do 2050 roku. Wskazano, że na 40-55% powierzchni Polski znajdują się zbiorniki geotermalne oraz zaplanowano m.in. wykonanie 78 instalacji geotermalnych o całkowitej mocy 290 MW.

Sposoby pozyskiwania energii geotermalnej

Najstarszym sposobem pozyskiwania energii geotermalnej są instalacje, pozyskujące ciepło z wód, które w sposób naturalny wydostają się na powierzchnię ziemi w postaci gejzerów czy gorących źródeł.

Najbardziej powszechnym sposobem są instalacje wykorzystujące gruntowe pompy ciepła, które za pomocą kolektorów poziomych lub pionowych, umieszczonych w wywierconych otworach pobierają ciepło, nagromadzone pod powierzchnią ziemi.

Innym, coraz częściej stosowanym sposobem pozyskiwania energii zgromadzonej wewnątrz ziemi są odwierty. Służą one do eksploatacji głęboko położonych warstw gorących wód geotermalnych. W przypadku wykorzystywania energii w sposób pośredni (turbina, wymiennik) w pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża. Odwierty mogą również służyć do wtłaczania wody do warstw geotermalnych a następnie jej wydobyciu po podgrzaniu.

Zastosowanie energii geotermalnej

Najważniejszym parametrem wód geotermalnych jest temperatura. Wody geotermalne o temperaturach 20-90^oC wykorzystuje się m.in.:

• w systemach centralnego ogrzewania i ciepłej wody w budownictwie przemysłowym

i mieszkaniowym,

• jako ciepło technologiczne w różnego rodzaju procesach przemysłowych,
• w instalacjach chłodniczych,
• w przemyśle rolno-spożywczym m.in. w hodowli i przetwórstwie ryb, warzyw

i zwierząt (suszenie, pasteryzacja itp.),

• w lecznictwie m.in. w balneologii i hydroterapii,
• w obiektach rekreacyjnych i sportowych (baseny, kąpieliska itp.),
• do odladzania obiektów np. pasów startowych lotnisk czy boisk.

Wody geotermalne o temperaturach powyżej 90^oC wykorzystuje się m.in.:

• do produkcji energii elektrycznej,
• w wysokotemperaturowych procesach technologicznych m.in. do rafinacji cukru

czy w produkcji papieru,

• do produkcji zielonego wodoru w procesie elektrolizy.

Podział geotermii w zależności od warunków termicznych

Biorąc pod uwagę temperaturę wyróżniamy geotermie niskotemperaturową, zwaną też płytką albo nisko-potencjałową o temperaturze złóż od kilkunastu do 20°C występujących najczęściej na głębokości do 100 metrów. Odbiór energii realizowany jest przez pompy ciepła (wymienniki ciepła). System ten najczęściej ma zastosowanie w ogrzewaniu pojedynczych budynków. Nośnikiem ciepła jest woda lub specjalnie przygotowana ciecz niskowrząca. Geotermia niskotemperaturowa występuje i może być wykorzystywana praktycznie na terenie całej Polski.

W przypadku wykorzystywania złóż o temperaturze sięgających 100^oC mówimy o geotermii średniotemperaturowej czy też klasycznej. Taka woda występuje na około połowie powierzchni Polski. Głębokość odwiertów do tych złóż dochodzi do 3 kilometrów. Woda termalna może być wykorzystywana bezpośrednio przed odbiorcę bądź pośrednio oddając ciepło np. chłodniejszej wodzie i pozostając w obiegu zamkniętym. Może być również wspomagana innymi źródłami ciepła.

O geotermii wysokotemperaturowej czy też geotermii wzbudzanej (suchych gorących skał) zwanej również wysoko potencjałową mówimy w przypadku możliwości uzyskania wody   lub pary wodnej o temperaturze powyżej 100°C. Głębokość odwiertów najczęściej sięga 6 kilometrów. Odbiór ciepła odbywa się poprzez zatłaczane pod dużym ciśnieniem płyny (woda, solanka, lub inne media), które cyrkulują przez gorącą strukturę skalną. Ten rodzaj geotermii nie jest obecnie stosowany w Polsce.

Zalety geotermii:

• energia geotermalna jest energią odnawialną, czyli taką, której wykorzystywanie nie wiąże się z jej długotrwałym deficytem, ponieważ jej zasób odnawia się w relatywnie krótkim czasie,
• nie powoduje, przy prawidłowej eksploatacji, znaczących negatywnych skutków dla środowiska,
• może być częścią zintegrowanych systemów energetycznych, w których dzięki współpracy różnych źródeł energii, możliwe jest dostarczenie energii w sposób bardziej zrównoważony i stabilny,
• pokłady energii geotermalnej są zasobami lokalnymi, tak więc mogą być pozyskiwane w pobliżu miejsca użytkowania,
• elektrownie geotermalne nie wywierają niekorzystnego wpływu na krajobraz,
• zasoby energii geotermalnej są stabilne i niezależne od warunków pogodowych,

w przeciwieństwie do energii wiatru czy słońca,

• instalacje oparte o wykorzystanie energii geotermalnej odznaczają się stosunkowo niskimi kosztami eksploatacyjnymi w stosunku do instalacji na paliwa kopalne, co skutkuje produkcją ciepła po relatywnie niskich cenach,
• większa efektywność produkcji ciepła w porównaniu ze źródłami wykorzystującymi paliwa kopalne (mniejsze zużycie energii na wyprodukowanie jednostki ciepła),
• może być jednym z elementów efektywnej transformacji sektora energetycznego,
• możliwość odzysku z wód geotermalnych pierwiastków krytycznych (CRM), głównie litu,
• może wpłynąć na redukcję zależności od importu paliw,
• może wspomóc osiąganie celów klimatycznych,
• może zwiększyć bezpieczeństwo i niezależność energetyczną Polski,
• może przyczynić się do znacznej redukcji emisji CO₂ i kosztów związanych z tą emisją (emisja dwutlenku węgla, związana z produkcją prądu jest kilka razy niższa aniżeli w przypadku elektrowni zasilanych gazem ziemnym i kilkanaście razy niższa w porównaniu z elektrowniami zasilanymi węglem).

Wady geotermii:

• mała dostępność złóż geotermicznych w miejscach sprzyjających do ich wykorzystania,
• mimo znacznego rozpowszechnienia na terytorium kraju, nie wszędzie, gdzie występuje można ją łatwo pozyskiwać,
• budowa instalacji geotermalnej wymaga poniesienia relatywnie dużych nakładów inwestycyjnych,
• złożony i długotrwały proces przygotowania i realizacji projektów geotermalnych.

Problemy z wykorzystaniem energii i eksploatacją źródeł geotermalnych

Pomimo przeważającej ilości zalet geotermii nad wadami należy wskazać podstawowe problemy jakie mogą pojawić się w całym procesie przygotowania, budowy, eksploatacji źródeł geotermalnych, jak również w trakcie wykorzystywania energii.

Na pierwszy plan wysuwa się długotrwały i skomplikowany proces formalno-prawny umożliwiający realizację tego typu projektów. Problemem może być niewłaściwe przygotowane inwestycje zarówno na etapie analiz, projektowania, jak i wykonawstwa.

W czasie korzystania ze źródeł geotermalnych istnieje ryzyko obniżenia temperatury i wyczerpania lub przemieszczenia się złóż w miejscu eksploatacji. Istnieje również niebezpieczeństwo zanieczyszczenia atmosfery, a także wód powierzchniowych i głębinowych szkodliwymi lub toksycznymi substancjami jak: siarkowodór, amoniak, metan, radon, arsen czy bor. Oprócz problemów środowiskowych, pojawiają się często problemy techniczne związane z dużym zużyciem, korozją i awaryjnością infrastruktury instalacji geotermalnej (rury, pompy, wymienniki itp.), wynikające z reguły ze znacznej mineralizacji (zasolenia) złóż. Może to doprowadzić do spadków produktywności w wyniku ograniczenia przepustowości rurociągów i nieplanowanych remontów.

W przypadku obniżenia temperatury lub wydajności złoża może pojawić się konieczność wykonania przez inwestora dodatkowego źródła ciepła np. z gazu lub biomasy do podgrzania wody do wymaganej temperatury.

Warunki wpływające na efektywność instalacji geotermicznej

Do najistotniejszych czynników warunkujących efektywność instalacji geotermicznej należą temperatura i ciśnienie wód oraz ich mineralizacja. Bardzo ważna jest również zasobność, wydajność i głębokość występowania złoża.

Wysoki stopień mineralizacji jest głównym czynnikiem niekorzystnie wpływającym na warunki eksploatacji złóż.