Menu

Charakterystyka źródeł geotermalnych

    Rodzaje źródeł geotermalnych

 

Ze względu na sposób występowania:

 

• Grunty i skały do głębokości 2500 m, z których ciepło pobierane jest przy pomocy specjalnych sond, zwanych sondami ciepła;
• Wody gruntowe;
• Wody gorące i ciepłe, wydobywane przy pomocy wywierconych otworów eksploatacyjnych;
• Para wodna, wydobywana przy pomocy otworów wiertniczych (eksploatacyjnych);
• Wysady solne, z których energia odprowadzana jest przy pomocy solanki lub przy pomocy cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu;
• Gorące suche 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;
• Sztuczne geologiczne zbiorniki ciepła powstające w suchych gorących skałach, które tworzą się w wyniku utworzenia systemu szczelin podczas eksplozji ładunków wybuchowych o dużej mocy;
• Gorąca magma

 

Ze względu na temperaturę:

 
– zimne (do 20°C),
– ciepłe /niskotemperaturowe (20-35°C),
– gorące /średniotemperaturowe (35-80°C),
– bardzo gorące /wysokotemperaturowe (80-100°C),
– przegrzane (ponad 100°C)

Obficie występujące w przyrodzie wody o najniższych temperaturach są wykorzystywane w rolnictwie – do nawadniania pól, do podgrzewania gleby, do jej wyjaławiania. Wody geotermalne znajdują też zastosowanie w uprawach szklarniowych. Wody zimne i niskotemperaturowe powszechnie stosowane są też do hodowli ryb i innych organizmów wodnych (np. pstrągi największe pogłowie osiągają w temperaturze około 15 st. C, zaś najodpowiedniejsza temperatura dla dorszy i krewetek to około 32 st. C). Wody ciepłe niskotemperaturowe używane są również w balneologii. Gorące wody geotermalne wykorzystywane są w przemyśle lekkim, gdzie służą do prania wełny i barwienia tkanin (wody o temperaturze 48 – 79 st. C), zaś bardzo gorące – o temperaturze poniżej 100 st. C - stosuje się do ogrzewania pomieszczeń. Energię elektryczną produkuje się z wód przegrzanych, mających ponad 150 st. C.  

 

W zależności od ciśnień, kształtów zbiornika i morfologii powierzchni źródła geotermalne dzieli się na:
artezyjskie, z których woda poprzez otwór wiertniczy samoczynnie wypływa na powierzchnię lub ponad powierzchnię terenu

ozegeo3.jpg

Rys. Niecka artezyjska. 1- wody artezyjskie, 2-warstwa nieprzepuszczalna, 3-wychodnia zasilana wodą deszczową, 4-studnia artezyjska, 5- poziom równowagi hydrostatycznej, 6-studnia subartezyjska, 7-źródło artezyjskie


 subartezyjskie – w strefach niższych ciśnień hydrostatycznych słup wody geotermalnej w otworze nie przekracza powierzchni terenu. Woda jest eksploatowana (podnoszona) przez otwór produkcyjny przy zastosowaniu urządzeń wydobywczych (najczęściej są to agregaty pompowe zapuszczone do otworu).


grawitacyjne, z których wodę można tylko pompować z głębokości zbliżonych do głębokości złoża.

 

2.2 Gejzery

 

Gejzery, to naturalne gorąca źródła wyrzucające gwałtownie, w regularnych odstępach czasu, wodę i parę wodną o temperaturze ok. 100° C.  Występują w obszarach wulkanicznych czerpiąc energię cieplną z rozgrzanych skał magmowych pod powierzchnią ziemi. Otwór erupcyjny gejzeru na powierzchni ziemi jest ujściem wąskiego przewodu skalnego połączonego z bocznymi krętymi kanałami i podziemnymi kawernami. Gromadzą się w nich wody gruntowe, które są ogrzewane ciepłem otaczających skał do temperatury wrzenia. Gdy temperatura wrzenia zostaje osiągnięta, część wody zostaje wypchnięta w górę przez powstającą parę do kanału erupcyjnego i wyrzucona na zewnątrz. W wyniku spadku ciśnienia przy ujściu kanału na powierzchni ziemi, spada temperatura wrzenia wody, która zamienia się w parę. Wzmaga to siłę wyrzutu wrzącej wody i pary, która jako fontanna wzbija się na wysokość nawet do 70 m. Po erupcji woda ponownie zaczyna wypełniać podziemne kanały i kawerny, a cykl powtarza się w pewnych odstępach czasu. Gejzery wybuchają z różną częstotliwością, od kilkudziesięciu minut do kilkunastu dni.

 

Ryc. Gejzer Old Faithful , po lewej budowa podziemna gejzera.

 

Naturalną krainą gejzerów jest Islandia skąd pochodzi zresztą sama nazwa zjawiska "geysa", co oznacza wylewać się, wytryskiwać. Gejzery występują w kilku rejonach świata, o wybitnie wulkanicznej budowie, jak: Park Yellowstone, Kamczatka, Nowa Zelandia.

 

2.3 Energia gorących skał

Suche gorące skały są utworami nieporowatymi i nieprzepuszczalnymi, przy czym stanowią same w sobie naturalne rezerwuary ciepła. Energia w nich zawarta pochodzi bezpośrednio z wnętrza ziemi i jest tym większa im większa głębokość zalegania. Ilość energii suchych skał zależy tez od formacji geologicznych i anomalii termicznych. Średni gradient temperatury dla skał wynosi około 30K/1km. W anomaliach może jednak znacznie odbiegać od normy. Anomalie dodatnie to najczęściej rejony wulkaniczne, ujemne to obszary tzw. wiecznej zmarzliny.

Ilość ciepła zgromadzonego w skale o temperaturze 200C i objętości 1km3 jest ogromna, jednak jego pozyskanie bardzo skomplikowane.

1 km3 granitowej skały o T > 200°C ochłodzonej do 20°C: = 15.000 GWh ciepła = 1.275.000 ton oleju opałowego = więcej niż 10MW (okres 20 lat).

 

Na początku lat siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych została opracowana koncepcja wykorzystania tej energii bazująca na sztucznie wytworzonych szczelinach, w wyniku eksplozji ładunków wybuchowych dużej mocy na głębokości kilku tysięcy metrów. Do tak otrzymanych rozległych sieci szczelin w kompleksie skalnym wprowadza się otworem zatłaczającym pod wysokim ciśnieniem wodę, która w wyniku cyrkulacji pobiera energię gorących skał i po uzyskaniu odpowiedniej temperatury wyprowadzana jest otworem eksploatacyjnym. Wyprowadzona na powierzchnię ziemi gorąca woda, przy takim ciśnieniu aby nie nastąpiło jej odparowanie, służy do wytwarzania pary wodnej w obiegu wtórnym, gdzie jest odpowiednio niższe ciśnienie albo gdzie czynnikiem cyrkulacyjnym jest ciecz nisko wrząca.

Powyższy sposób wytwarzania energii elektrycznej z gorących skał nosi nazwę Technologii HOT DRY ROCK (HDR). Technologia ta jest ekologicznie czysta, wykorzystuje ona praktycznie niewyczerpalne zasoby energii dostępne w dowolnym czasie w każdym miejscu na ziemi. Złoża gorących skał przy zastosowaniu technologii HDR powinny spełniać warunki:

- a. w celu odebrania dla celów przemysłowych wymaganej ilości ciepła od skał, których przewodność cieplna jest na ogół niska, należy zapewnić odpowiednio rozległe złoża o dużej powierzchni wymiany ciepła;
- b. opory przepływu cieczy w złożu powinny być tak niskie, aby zapotrzebowanie energii do napędu pomp było mniejsze od 10% otrzymywanej energii elektrycznej brutto;
- c. z badań modelowych oraz eksperymentów w skali naturalnej wynika, że średnia szerokość szczelin w całym złożu powinna wynosić 1-2 mm;
- d. koszty wiercenia do głębokości, przy której temperatury skał są tak wysokie, że
pozwalają na przemysłowe wykorzystanie energii geotermalnej (ogrzewanie, energia elektryczna) po- winny być ekonomicznie opłacalne. Koszty wiercenia rosną z głębokością wykładniczo, a temperatura zmienia się liniowo.
 

Gorące skały w Polsce

Gorące suche skały w najkorzystniejszych warunkach występują w okolicach Szklarskiej Poręby, Gorzowa Wielkopolskiego oraz w rejonie Krośniewic. Poniżej charakterystykę wskazanych obszarów badań (na podstawie pgi.gov.pl).

1. Skały krystaliczne Sudetów
Za najlepsze uznano parametry geotermiczne w podatnym na procesy szczelinowania granitowym plutonie Karkonoszy – szczególnie w rejonie na południe od Szklarskiej Poręby oraz w pasie na południowy wschód od Jeleniej Góry – w okolicy Kowar i Karpacza. Gradient geotermiczny w tych strefach wynosi ok. 4°C/100 m. Na głębokości 3500 m temperatura skał sięga 145°C, a na głębokości 4000 m ok. 165°C. Jednostkowa moc elektryczna brutto, możliwa do wygenerowania w tych warunkach termicznych, wynosi odpowiednio 9,5–10 kW/(m3/h) i 12–13 kW/(m3/h). Moc elektryczna brutto przykładowej elektrowni binarnej w warunkach stałej eksploatacji wód z głębokości ok. 4,5 km z wydajnością 100 m3/h, o stabilnej temperaturze około 165°C i przy zatłaczaniu wody powrotnej o temperaturze 70°C może wynieść 1,2–1,3 MW brutto (cieplna może być ośmiokrotnie większa).
2. Skały wulkaniczne bloku Gorzowa Wielkopolskiego
Do lokalizacji systemu geotermalnego wytypowano rejon Dębna. Gradient geotermiczny, wynoszący w tym rejonie ok. 40°C/km, implikuje wysokie temperatury skał na relatywnie małej głębokości, umożliwiające produkcję energii elektrycznej w systemach binarnych.
Niewielki strumień wody (50 m3/h) oraz niewielka przepuszczalność skał skutkowałyby powolną migracją płynu. Pozwoliłoby to uzyskać stabilność źródła mocy przez minimum 25 lat, nawet przy niewielkiej kubaturze strefy szczelinowanej, a w przypadku większej objętości nawet do 40 lat. W górotworze o temperaturze początkowej równej 153°C (głębokość 4,3 km) modelowana moc elektryczna brutto jednego obiektu wahałaby się od ok. 555 kW w początkowych latach do ok. 520 kW po upływie 50 lat (moc cieplna byłaby ośmiokrotnie większa). Przy strumieniu wody o przepływie 100 m3/h moc brutto wynosiłaby w okresie początkowym ok. 1110 kW, a po upływie 50 lat w optymistycznym scenariuszu ok. 950 kW, a w pesymistycznym - ok. 660 kW.
3. Skały osadowe w rejonie Krośniewic
W modelu wykonanym dla rejonu Krośniewic założono możliwość wykorzystania istniejącego otworu Krośniewice IG-1 (głębokość 5,4 km, temperatura 179°C) i zainstalowania systemu EGS. Po 50 latach pracy moc elektryczna systemu brutto spadłaby z początkowej wartości 1,8 MW do 1,7 MW. Moc cieplna systemu po roku pracy wynosiłaby 12,9 MW, po 50 latach – 12,2 MW. Całkowitą produkcję energii elektrycznej netto w ciągu 50 lat szacuje się na 764,5 GWh. Oprócz rejonu Krośniewic wskazano również dwie inne strefy o korzystnych parametrach dla EGS - rejon Konina oraz Pleszewa.

2.4 Potencjał wód geotermalnych w Polsce

 Oszacowanie potencjału technicznego wód geotermalnych jest sprawą bardzo trudną z powodu
braku pełnego udokumentowania złóż wód podziemnych. Dla każdego nowego obiektu, w którym planowane jest wykorzystanie energii geotermalnej, konieczne jest wykonanie indywidualnych badań geologicznych i testów. Dzięki badaniom możliwe jest określenie potencjału lokalnego danego źródła wód złożowych oraz wyznaczenie tzw. bezpieczeństwa ekologicznego poziomu wodonośnego, czyli określenie dopuszczalnej wydajności eksploatacji złoża i możliwości odnawialności jego zasobów energetycznych. Dla scharakteryzowania złoża wód geotermalnych, pod względem przydatności i możliwości jego
wykorzystania, należy określić następujące parametry:

− temperaturę wody na wypływie [°C ],
− stopień zasolenia (mineralizacja wód), jako:
   − słabo zmineralizowane 1 – 3 [g/dm3],
   − średnio zmineralizowane 3 – 10 [g/dm3],
   − silnie zmineralizowane 10 – 35 [g/dm3],
   − solanki powyżej 35 [g/dm3],
− wydajność wypływu [m3/h],
− ciśnienie wypływu [Pa],
− artezyjskie (samowypływ),− subartezyjskie,
− miąższość skał wodonośnych [m],
− głębokość stropu zbiornika wodonośnego [km],
− przepuszczalność,
− filtrację,
− odnawialność i dostępność złoża .
Ilość możliwej do pozyskania energii cieplnej oblicza się na podstawie wydajności otworu, temperatury wody geotermalnej mierzonej na głowicy otworu oraz temperatury wody zatłoczonej do złoża. Z doświadczeń wynika, że wypływ wody ze złoża nie jest stały i bardzo często, w miarę eksploatacji otworu, może spadać. Ponadto wraz z głębokością maleją zbiornikowe własności skał, co również ma negatywny wpływ na możliwość eksploatacji złoża i zdolność absorpcji zatłaczanej schłodzonej wody.

Tabela. Przykładowe parametry eksploatacyjne otworów geotermalnych zlokalizowanych na terenie Niżu Polskiego

Lokalizacja otworów geotermalnych jw.

Otwory eksploatacyjne (Pyrzyce GT-1 i Pyrzyce
GT-2) wykonano do głębokości ponad 1600 m, co pozwoliło na ujęcie wody o temperaturze 61°C na wypływie (w złożu temperatura wody wynosi 64°C). Za pomocą dwóch otworów
eksploatacyjnych w Geotermii Pyrzyce można uzyskać wydajność 340 m3/h. Ze względu na wysoką mineralizację eksploatowanych wód sięgającą 120 g/dm3 wykorzystana woda musi
być ponownie zatłaczana do górotworu za pomocą dwóch otworów chłonnych. Za pomocą otworów wykonanych w Geotermii Pyrzyce zostały rozpoznane utwory jury dolnej w niecce szczecińskiej (rys.).
Badania związane z rozpoznaniem i udokumentowaniem wód termalnych w niecce szczecińskiej przeprowadzono również otworami Stargard Szczeciński GT-1 i Stargard Szczeciński GT-2. Na uwagę zasługuje fakt, że jest to jedyne rozwiązanie w Polsce, gdzie jeden z otworów jest pionowy, a drugi jest otworem kierunkowym. Na głębokości 2670 m stwierdzono temperaturę w złożu wynoszącą 95oC  natomiast podczas eksploatacji wypływająca na powierzchnię woda termalna
ma temperaturę 87°C (tab.).  Dolnojurajska woda termalna w okolicach Stargardu Szczecińskiego ma mineralizację 140 g/dm3. Na pograniczu obszaru niecki szczecińskiej, niecki mogileńsko-łódzkiej i obszaru przedsudeckiego wykonany został otwór geotermalny Tarnowo Podgórne GT-1 o głębokości 1200 m, którym udostępniono horyzont jury dolnej. W ramach wykonanych prac geologicznych uzyskano z otworu Tarnowo Podgórne GT-1 wydajność wody termalnej na poziomie 220 m3/h przy temperaturze 44°C. Mineralizacja wydobywanej wody termalnej wynosi 80 g/dm3.

Niecka warszawska została opróbowana pięcioma otworami geotermalnymi. Dwa z nich należą do Geotermii Toruń, jeden do Geotermii Mazowieckiej w Mszczonowie oraz po jednym odwiercono w miejscowości Gostynin i Piaseczno. Otwór Mszczonów IG-1 o głębokości 1700 m eksploatuje wodę termalną z poziomu kredy dolnej. Temperatura wydobywanej wody osiąga wartość 42°C przy wydajności 55 m3
/h. Bardzo dużą zaletą mszczonowskiej wody termalnej jest to, że jest ona wodą słodką i po odbiorze ciepła
jest częściowo kierowana do miejskiego systemu wodociągowego. Jeden z nowych otworów został wykonany w miejscowości Gostynin, gdzie z poziomu jury dolnej osiągnięto temperaturę 82°C przy wydajności 120 m3/h. Otwór Gostynin GT-1 ma głębokość 2734 m, a eksploatowana nim woda termalna ma mineralizację 144 g/dm3. Bardzo ciekawym otworem wykonanym na niecce warszawskiej jest otwór Toruń TG-1, którym opróbowano utwory jury dolnej oraz triasu środkowego – wapień muszlowy. Podczas pompowania eksploatacyjnego wody termalnej z otworu Toruń TG-1 do otworu Toruń TG-2 warstw wodonośnych jury dolnej stwierdzono temperaturę 64°C przy wydajności 350 m3/h. Opróbowanie horyzontu triasu środkowego nie przyniosło zadawalającej, możliwej do wykorzystania energetycznego wydajności eksploatacyjnej wody termalnej.
Na przełomie 2011/12 roku na niecce warszawskiej wykonano badania parametrów jury dolnej za pomocą otworu Piaseczno GT-1. Tutaj stwierdzono, że woda termalna o temperaturze 45°C wypływa z wydajnością 120 m3/h. Mineralizacja piaseczyńskiej wody termalnej wynosi 90 g/dm3
  

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});