Co to jest energia geotermalna?
Dowiedz się, w jaki sposób te czyste zasoby energii odnawialnej mogą pomóc w zmniejszaniu zależność świata od paliw kopalnych.
Co to jest energia geotermalna?
W miarę jak ludzie, organizacje i państwa poszukują sposobów na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, instytucje rządowe i firmy zrobiły krok na przód w zakresie istotnego ograniczania złóż węgla. Znalezienie alternatyw dla paliw kopalnych, w tym węgla, gazu naturalnego i ropy naftowej, ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia tych celów. W tym celu odnawialne źródła czystszej energii , takie jak energia słoneczna, wodna, wiatrowa i geotermalna, nabierają ważności.
Obecnie energia geotermalna jest uważana za jeden z najbardziej wydajnych i zrównoważonych rodzajów energii ponieważ są to czyste, niezawodne i odnawialne zasoby. Energia geotermalna wykorzystuje ciepło zgromadzone wewnątrz Ziemi do wytwarzania energii elektrycznej oraz zapewniania ogrzewanie i chłodzenie geotermalne dla gospodarstw domowych i firm. Zasoby geotermalne są używane w Ameryce Północnej od ponad 10 000 lat, ponieważ Amerykańscy Paleoindianie używali gorących źródeł geotermalnych do ogrzewania, gotowania i kąpieli.
Geografia odgrywa kluczową rolę w zdolności danego regionu do korzystania z energii geotermalnej. Najlepsze zasoby geotermalne często znajdują się w pobliżu granic płyt tektonicznych. Aktywność wulkaniczna i trzęsienia ziemi są skoncentrowane w pobliżu tych granic ze względu na ruchy skorupy ziemskiej. Na przykład Pierścień Ognia wokół krawędzi Oceanu Pacyficznego to łańcuch wulkanów i aktywności sejsmicznej, spowodowanej głównie przez tektonikę płyt. W związku z tym ten region ma najbardziej aktywne obszary geotermalne na świecie.
Obecnie Stany Zjednoczone są liderem na świecie w dziedzinie produkcji energii geotermalnej, chociaż energia ta to tylko niewielki procent zużycia energii w Stanach Zjednoczonych. Ponieważ energia geotermalna jest powszechna w pobliżu granic płyt tektonicznych, większość amerykańskich elektrowni geotermalnych znajduje się w stanach zachodnich. Kalifornia ma największe zdolności wytwarzania prądu elektrycznego z energii geotermalnej dzięki 40 działającym elektrowniom geotermalnym.
Islandia, Filipiny i Salwador są również liderami pozyskiwania energii geotermalnej na świecie, która stanowi ponad 25% całkowitego zużycia energii przez każdy z tych krajów.
Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o energii geotermalnej, ocenić jej zalety i wady oraz poznać przykłady dotyczące energii geotermalnej. Dowiesz się również o przyszłości energii geotermalnej oraz o tym, jak technologia może pomóc w przyspieszaniu innowacji w dziedzinie energii geotermalnej.
Rodzaje energii geotermalnej
Energia geotermalna jest uzyskiwana z ciepła wytwarzanego wewnątrz skorupy ziemskiej. Termin „geotermalny” pochodzi od greckich wyrazów: „geo” oznaczającego ziemię i „thermos””oznaczającego gorąco. Pod skorupą ziemską, która składa się ze skał i wody, znajduje się warstwa gorącej skały w stanie ciekłym określana mianem magma. Magma osiąga temperaturę w zakresie od 700 do 1300 stopni Celsjusza i wypływa na powierzchnię Ziemi w postaci lawy. Magma również ogrzewa skały i podziemne warstwy wody, które mogą być uwalniane przez gejzery, gorące źródła i kanały parowych — to wszystko stanowi przykłady energii geotermalnej.
Większość tej energii geotermalnej Ziemi pozostaje jednak pod ziemią w postaci kieszeni pary oraz gorącej wody, która jest pozyskiwana przy użyciu różnych metod:
Energia geotermalna o niskiej temperaturze
- Ciepło uzyskane z płynu geotermalnego znajdującego się blisko powierzchni Ziemi samoczynnie narasta lub dostęp do niego jest uzyskiwany za pomocą studni.
- Dostęp do niego jest możliwy niemal z każdego zakątka świata.
- Zastosowania, w których używa się bezpośrednio energii geotermalnej, obejmują domy grzewcze, szklarnie, łowiska ryb i niektóre procesy przemysłowe.
Współprodukowana energia geotermalna
- Używa wody podgrzanej jako produktu ubocznego z szybów naftowych i uboczny ze źródeł naftowych i odwiertów gazowych.
- Generuje energię elektryczną, która jest używana przez zakład przemysłowy lub jest sprzedawana zakładom energetycznym.
Ogrzewanie i chłodzenie geotermalne
- Geotermalne pompy ciepła są wwiercane na głębokość w zakresie od 3 do 90 metrów w skorupie ziemskiej.
- Ociepla domy i budynki sezonie zimowym i chłodzi je w okresie letnim.
Elektrownia geotermalna
- Dociera do złóż geotermalnych na głębokość nawet do trzech kilometrów w skorupie ziemskiej.
- Generuje prąd elektryczny.
Zalety i wady energii geotermalnej
Pomimo, że energia geotermalna jest odnawialnym i czystym zasobem energetycznym, ma ona pewne wady, w szczególności wysokie koszty ponoszone z góry oraz zdolność do doprowadzania do trzęsień ziemi i zapadania się jej — stopniowego zapadania się powierzchni gruntów.
Zalety energii geotermalnej:
- Przyjazne dla środowiska: Elektrownie geotermalne mają minimalny ślad węglowy, a związane z nim zanieczyszczenie jest bardzo niskie. Ogrzewanie i chłodzenie geotermalne zmniejsza emisję gazów cieplarnianych.
- Odnawialne: W przeciwieństwie do paliw kopalnych, złoża geotermalne energii odnawialnej we wnętrzu Ziemi są naturalnie uzupełniane i wystarczą na miliardy lat.
- Niezawodna i stabilna: W przeciwieństwie do wiatru i energii słonecznej, energia geotermalna jest zawsze dostępna i nie podlega wahaniom. W procesie zarządzania można dokładnie przewidzieć moc wyjściową produkowaną przez elektrownie geotermalne, co czyni je idealnymi do spełniania zapotrzebowania na energię obciążenia podstawowego.
Wady energii geotermalnej:
- Skutki uboczne dla środowiska: Energia geotermalna powoduje, że niektóre gazy cieplarniane znajdujące się pod powierzchnią Ziemi przedostają się do atmosfery. Elektrownie geotermalne mogą wpływać na stabilność gruntów i wyzwalać trzęsienia ziemi oraz doprowadzać do jej zapadania się.
- Wymagane zarządzanie: Po dotarciu do przez elektrownię geotermalną złoża geotermalne muszą być prawidłowo zarządzane, aby zapewnić, że nie zostaną one wyczerpane.
- Zakłady są ograniczone do określonych lokalizacji: zakłady geotermalne można tworzyć tylko w obszarach w pobliżu granic płyt tektonicznych, gdzie dostępne są złoża geotermalne.
Elektrownie geotermalne
Elektrownie geotermalne korzystają z zasobów geotermalnych o wysokiej temperatury, które pochodzą z suchej pary lub ze studni z gorącą wodą. Podobnie jak w przypadku odwiertów ropy naftowej, elektrownie geotermalne wiercą studnie głęboko w skorupie ziemskiej. Para lub gorąca woda są wypompowywane na powierzchnię, gdzie są wykorzystywane do napędzania turbin wytwarzających energię elektryczną.
Istnieją trzy typy elektrowni geotermalnych:
Elektrownie wykorzystujące suchą parę
Używają naturalnych źródeł pary znajdujących się pod ziemią. Para dociera do powierzchni Ziemi w studni produkcyjnej, przekazuje swoją energię do turbiny, kondensuje się i jest pompowana z powrotem do wnętrza Ziemi lub jest uwalniana do atmosfery. Elektrownie wykorzystujące suchą parę są najstarszym typem zakładów geotermalnych i są uważane za najprostsze i najbardziej efektywne.
Najstarsza elektrownia wykorzystująca suchą parę znajduje się w Laredo we Włoszech. Ta elektrownia, zbudowana w 1911 r., nadal dostarcza energię elektryczną do ponad miliona użytkowników. Kolejną ważną elektrownią wykorzystującą suchą parę jest obszar gejzerów aktywny geotermalnie znajdujący się na północ od San Francisco. Obszar ten wytwarza energię elektryczną od lat 60-tych XX w. i dostarcza około jednej piątej energii odnawialnej w Kalifornii.
Elektrownie wykorzystujące parę rozprężną
Przekształcają wodę o wysokim ciśnieniu, która jest gorętsza niż 180°C, z głębi Ziemi na parę wodną. Gdy gorąca woda dociera na powierzchnię, jest wysyłana do „zbiornika rozprężnego”, w którym jest utrzymywane znacznie niższe ciśnienie. Obniżone ciśnienie powoduje, że część wody „rozpręża się”, co oznacza,” że szybko zamienia się w parę, aby napędzać turbiny. Pozostały płyn można ponownie przekazać do drugiego zbiornika rozprężnego, aby uzyskać więcej energii.
Elektrownie wykorzystujące parę rozprężną są najczęściej występującymi typami zakładów geotermalnych, które są obecnie w użyciu. Islandia, wyspa wulkaniczna, wykorzystuje parowe elektrownie geotermalne do dostarczania prawie całej energii elektrycznej, jaka jest potrzebna w tym kraju. Filipiny, które usytuowane są wzdłuż Pierścienia Ognia, mają największą elektrownię wykorzystującą parę rozprężną na świecie.
Elektrownie pracujące w cyklu binarnym
Podchodzą one inaczej do wytwarzania ciepła. Pracują z wodą o wysokim ciśnieniu przy niższych temperaturach—od 107°C do 165°C. Ta metoda używa wymiennika ciepła do przekazywania ciepła z gorącej wody do płynu pomocniczego, który zasila turbiny.
Ze względu na to, że woda o średniej temperaturze jest bardziej dostępna, oczekuje się, że w przyszłości elektrownie pracujące w cyklu binarnym staną się najpopularniejszym typem elektrowni geotermalnych.
W jaki sposób wykorzystywana jest energia geotermalna?
Trzy najczęściej występujące zastosowania energii geotermalnej to bezpośrednie użycie, wytwarzanie energii oraz ogrzewanie i chłodzenie źródeł naziemnych.
Geotermalne systemy bezpośredniego wykorzystania
Wykorzystaj naturalnie podgrzaną wodę gruntową, która znajduje się od kilku stóp do mniej niż mili pod powierzchnią ziemi. W celu wydobycia wody gruntowej, której temperatura może sięgać 200°F lub więcej, wiercone są studnie. W niektórych przypadkach gorąca woda lub para wodna może podnosić się samoczynnie, bez potrzeby aktywnego pompowania, i może być wykorzystywana bezpośrednio lub cyklicznie przez wymiennik ciepła.
Woda geotermalna wykorzystywana bezpośrednio ma wiele zastosowań, w tym ogrzewanie gospodarstw rybackich, topienie lodu i śniegu na chodnikach i drogach, ogrzewanie dużych basenów, ogrzewanie budynków i dostarczanie ciepłej wody. Pomimo tego, że systemy geotermalne bezpośredniego wykorzystania mają niższe koszty inwestycyjne niż głębsze systemy geotermalne, technologia ta jest ograniczona do obszarów, które mają naturalne zbiorniki gorących wód gruntowych w pobliżu lub na powierzchni ziemi, takich jak regiony o aktywności wulkanicznej lub tektonicznej.
Wytwarzanie energii
Opisane powyżej trzy rodzaje elektrowni geotermalnych wykorzystują zasoby geotermalne znajdujące się głęboko w ziemi do produkcji energii elektrycznej. Większość z nich posiada system zamkniętego obiegu wody, w którym po użyciu pompują wydobytą wodę bezpośrednio z powrotem do zbiornika geotermalnego. Ze względu na to, że duża część wody została odparowana do postaci pary, elektrownie muszą ponownie wtryskiwać znaczne ilości wody, aby utrzymać stałą objętość wody w zbiorniku. Chociaż energia geotermalna jest zasobem odnawialnym, który jest obecnie wykorzystywany w około 20 krajach, większość studni geotermalnych z czasem się ochładza, zwłaszcza gdy ciepło jest wydobywane szybciej niż woda jest uzupełniana.
Ogrzewanie i chłodzenie geotermalne
Znany również jako ogrzewanie i chłodzenie gruntowe, jest to obecnie najpopularniejszy sposób wykorzystania energii geotermalnej. Aby odpowiedzieć na pytanie „czym jest ogrzewanie geotermalne”, ważne jest, aby zrozumieć, jak działa geotermalna pompa ciepła (zwana również gruntową pompą ciepła). Zamiast generować ciepło, pompa wykorzystuje ziemię jako źródło ciepła i przenosi ciepło między ziemią a domem lub budynkiem.
Pompa jest wwiercana w ziemię na głębokość od 10 do 300 stóp i podłączana do długich pętli rur, które cyrkulują ciecz pod ziemią i w całym budynku. Zimą ciecz pochłania ciepło ziemi i przenosi je do budynku, gdzie ogrzewanie geotermalne uwalnia je przez system kanałów. Latem ciecz pochłania ciepło w budynku i odprowadza je do ziemi w celu chłodzenia.
Więcej sposobów wykorzystania energii geotermalnej
- Rolnictwo wykorzystuje energię geotermalną do zapewniania ciepła roślinom w sezonie zimowym, stosując parę parową w glebie.
- Niektóre uzdrowiska wykorzystują kanały parowe do podgrzewania swoich gorących wanien i łaźni.
- Gorące źródła są znane ze swoich zdolności terapeutycznych w zakresie poprawy stanu zdrowia ludzi.
- Naturalne gejzery mogą być atrakcją turystyczną wzbudzającą zarówno strach jak i podziw. Gejzer „Old Faithful” w Parku Narodowym Yellowstone to cud geotermalny, który wybucha co 60–90 minut i jest odwiedzany przez około 4 miliony osób każdego roku.
Przyszłość energii geotermalnej
Szczelinowanie hydrauliczne w przypadku energii geotermalnej
W przemyśle naftowym i gazowym szczelinowanie jest typowym sposobem zwiększa produkcji. Szczelinowanie wstrzykuje płyn pod wysokim ciśnieniem do formacji skalnych, aby spowodować ich pękanie i doprowadzić do tego, że stają się przepuszczalne. Szczelinowanie hydrauliczne w przypadku energii geotermalnej przyjmuje podobne podejście i jest również określane jako „rozszerzone systemy geotermalne” (ESG). Chociaż jest to proces podobny do typu szczelinowania używanego przez przemysł gazowy, istnieją jednak pewne istotne różnice. Szczelinowanie geotermalne tworzy mniejsze, bardziej kontrolowane szczeliny i używa płynu, który przyczynia się do znacznie mniejszych zanieczyszczeń.
System ESG generuje parę, wyodrębniając energię ze skał, które są wystarczająco gorące, ale zbyt suche, aby samodzielnie wytwarzać parę. Deweloperzy wiercą „studnie wtryskowe” pionowo w stosunku do głębokości wynoszącej około 0,97 km do 4,5 km w skorupie ziemskiej, aby dotrzeć do złóż suchych gorących skał. Następnie używają wody pod wysokim ciśnieniem lub ładunków wybuchowych, aby rozłupać skały i wytworzyć płynne złoże geotermalne. Studnia produkcyjna wypompuje gorącą wodę z powrotem na powierzchnię ziemi, gdzie, podobnie jak ma to miejsce w przypadku elektrowni pracujących w cyklu binarnym, podgrzewa płyn pomocniczy, który napiera na parę wodną. Elektrownia geotermalna używa pary wodnej do napędzania turbin w celu wytworzenia energii elektrycznej.
Bariery dla rozwoju energii geotermalnej
- Brak naturalnych zasobów geotermalnych. Jak wspomniano na początku tego artykułu, dostępność zasobów geotermalnych jest ograniczona do lokalizacji znajdujących się w pobliżu granic płyt tektonicznych. Większość krajów z dostępem do energii geotermalnej korzysta już z tego zasobu w pewnym zakresie.
- Koszty i ryzyka związane z eksploracjami prowadzonymi przez elektrownie geotermalne. Kierowanie programem obejmującym wstępną eksplorację i wywiercenie 3 do 5 studni geotermalnych kosztuje od 20 do 30 milionów USD. To, w połączeniu z ryzykiem niepowodzenia eksploracji, stanowi barierę wykorzystywania energii geotermalnej w skali światowej.
- Koszt i ryzyko związane z zakładami oferującymi rozszerzone systemy geotermalne. Mimo że system ESG może zwiększyć dostępność zasobów geotermalnych, wiercenie studni geotermalnych jest bardzo kosztowne w odwiertów w celu wydobywania ropy naftowej lub gazu ziemnego. Kolejną barierą jest to, że podobnie jak w przypadku tradycyjnych metod „szczelinowania”, studnie wiercone w systemie doprowadzają do trzęsień ziemi. W szczególności, jeśli szczelinowanie hydrauliczne występuje blisko wstępnie istniejącego uskoku, istnieje ryzyko wystąpienia silniejszego trzęsienia ziemi, które może być wystarczająco silne, aby uszkodzić pobliskie budynki.
- Wysoki początkowy koszt geotermalnych systemów grzewczych i chłodzących. Geotermalne pompy ciepła kosztują od 3500 do 7500 USD za jednostkę podstawową, a droższe modele z opcjami, takimi jak ogrzewanie gorącą wodą, kosztują nawet więcej. Ponadto koszty dotyczące prac wykopaliskowych i instalacji mogą skutkować wzrostem cen do poziomu od 12 000 USD do 15 000 USD. Jednak niektóre kraje mogą oferować rabaty lub środki podatkowe, aby dokonać przesunięcia niektórych z tych kosztów. Ostatecznie te systemy faktycznie zapewniają zwrot z inwestycji, ponieważ są bardzo wydajne energetycznie. Osoby, które inwestują w geotermalne systemy grzewcze i chłodzące, mogą oczekiwać oszczędności na poziomie od 30 do 70 procent w zakresie rocznych rachunków za energię.
Jak energia geotermalna wpływa na środowisko?
Ze względu na to, że energia geotermalna jest czysta i odnawialna, stale wzrasta zapatrywanie na nią jako alternatywne źródło w stosunku do paliw kopalnych. Energia geotermalna wpływa jednak na środowisko na kilka różnych sposobów. Ogólnie rzecz biorąc, pozytywne oddziaływania energii geotermalnej przewyższają te negatywne.
Negatywne oddziaływania
-
Zużycie wody
Elektrownie geotermalne zużywają mnóstwo wody na potrzeby chłodzenia i uzupełniania złóż geotermalnych. Spośród wszystkich elektrowni opartych na źródłach odnawialnych i nieodnawialnych, elektrownie geotermalne plasują się na drugim miejscu w kwestii największego zużycia wody. -
Emisje gazów do powietrza
Elektrownie geotermalne o układzie otwartym odprowadzają do atmosfery siarkowodór, dwutlenek węgla, amoniak, metan i bor. Jednak większość elektrowni geotermalnych to systemy o układzie zamkniętym, które wstrzykują z powrotem usunięte gazy do ziemi przy minimalnej emisji gazów do powietrza. -
Zapadanie się
Gdy elektrownie geotermalne wydobywają gorącą wodę z głębi ziemi, pozostawiają puste kieszenie, które mogą zapadać się w miarę upływu czasu, jeśli nie zostaną ponownie wypełnione. Na poziomie powierzchni może to mieć wpływ zarówno na środowisko, jak i na budynki. -
Szczelinowanie ESG
Szczelinowanie ESG może wywoływać trzęsienia ziemi, co stanowi barierę dla adaptacji zakładów zlokalizowanych się w pobliżu obszarów miejskich, firm i domów. Ponadto wiele osób uważa, że szczelinowanie w systemie ESG ma zdolność do wywoływania negatywnych zdarzeń podobnie jak w przypadku szczelinowania stosowanego w celu pozyskania gazu ziemnego, takich jak wycieki, zalania oraz zanieczyszczanie gleby i wód podziemnych.
Pozytywne oddziaływania
-
Niska emisja dwutlenku węgla
W porównaniu do większości źródeł energii energia geotermalna jest przyjazna dla środowiska. Elektrownia geotermalna średnio uwalnia 1/8 emisji dwutlenku węgla wypuszczaną przez średnią liczbę elektrowni węglowych. -
Zmniejsza zależność od alternatywnych źródeł energii
Energia geotermalna ma zdolność do zapewniania stałego niezawodnego źródła energii elektrycznej, które może pomóc Stanom Zjednoczonym i innym krajom odejść od zależności od paliw kopalnych i innych energii termicznych, takich jak propan, gaz ziemny i ropa naftowa. Ponadto elektrownie geotermalne nie potrzebują paliw kopalnych, aby zapewnić jej funkcjonowanie. -
Zmniejsza ślad węglowy
Ogrzewanie i chłodzenie geotermalne jest wysoce wydajne energetycznie. Jest to skuteczny sposób na zmniejszenie śladu węglowego domów i budynków przez ich właścicieli. Na przykład ogrzewanie i chłodzenie geotermalne może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych w domu nawet o 75%. -
Technologie pomagają w transformacji energetycznej
Świat stoi przed niezwykłym wyzwaniem ustabilizowania naszego klimatu poprzez zbudowanie gospodarki o zerowej emisji dwutlenku węgla netto. Te innowacyjne technologie pomagają wspierać globalne przejście na czystszą energię:
Microsoft Cloud for Sustainability
Usługa zaprojektowana z myślą o zapewnianiu organizacjom szczegółowych informacji potrzebnych do rejestrowania, raportowania i zmniejszania wpływu na środowisko.
Zarządzanie energią IoT
Dzięki zarządzaniu energią IoT firmy mogą odciążyć sieć, aby wesprzeć swoje zaangażowanie w zrównoważony rozwój poprzez poprawę efektywności energetycznej oraz równowagę między podażą i popytem.
Azure IoT
Dostawcy energii, tacy jak firma ENGIE, wykorzystują sztuczną inteligencję i chmurę do zwiększenia wydajności produkcji energii przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.
Obliczenia kwantowe
Obliczenia kwantowe mogą przyspieszyć rozwiązywanie problemów związanych z przejściem na odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna, wodna, wiatrowa i geotermalna.
Przyspieszanie procesu wdrażania zrównoważonego rozwoju
Gdziekolwiek jesteś na swojej drodze do zerowej emisji netto, rozwiązanie Microsoft Cloud for Sustainability umożliwia Ci zwiększenie postępów i przekształcenie firmy przy użyciu możliwości środowiskowych, społecznościowych i zarządczych (ESG).
Często zadawane pytania
-
Energia geotermalna jest uważana za jeden z najbardziej wydajnych i zrównoważonych rodzajów energii, ponieważ są to czyste, niezawodne i odnawialne zasoby. Energia geotermalna wykorzystuje ciepło zgromadzone wewnątrz Ziemi do wytwarzania energii elektrycznej oraz zapewniania ogrzewanie i chłodzenie geotermalne dla gospodarstw domowych i firm.
-
Energia geotermalna oferuje trzy podstawowe korzyści:
- Jest przyjazna dla środowiska
- Jest odnawialna
- Jest niezawodna i stabilna.
Te czyste i odnawialne zasoby energii mogą pomóc w zmniejszaniu zależność świata od paliw kopalnych.
-
W porównaniu z innymi źródłami energii, energia geotermalna ma trzy wady:
- Powoduje ucieczkę gazów cieplarnianych znajdujących się pod powierzchnią Ziemi do atmosfery i może wpływać na stabilność gruntów.
- Zasoby geotermalne muszą być zarządzane, aby zapewnić, że nie zostaną one wyczerpane.
- Elektrownie geotermalne można budować tylko na obszarach znajdujących się w pobliżu granic płyt tektonicznych, gdzie dostępne są złoża geotermalne.
-
Energia geotermalna jest używana do ocieplania i schładzania domów, szklarni cieplnych, wspomagania procesów przemysłowych i wytwarzania energii elektrycznej.
-
Cztery typy energii geotermalnej to:
- Energia geotermalna o niskiej temperaturze
- Współprodukowana energia geotermalna
- Ogrzewanie i chłodzenie geotermalne
- Elektrownia geotermalna.
Obserwuj firmę Microsoft