Ostatnio pojawiły się wypowiedzi poważnych osób o wyjątkowym znaczeniu geotermii w bilansie energetycznym kraju. Warto zatem chłodnym okiem spojrzeć na blisko dwudziestoletnie doświadczenia w funkcjonowaniu instalacji głębokiej geotermii. Doświadczenia, ale i aspekty ekonomiczne tego odnawialnego źródła energii.

Autor, jako były Główny Geolog Kraju i wiceprezes EkoFunduszu, bezpośrednio uczestniczył w przygotowaniu i finansowaniu czterech instalacji geotermalnych: w Szaflarach, Pyrzycach, Mszczonowie i Stargardzie Szczecińskim. Poniżej przedstawiam fakty, a czytelnicy sami ocenią, na ile perspektywiczne jest to źródło energii.

Nieco podstawowych informacji

Źródłem energii geotermalnej są głębokie partie naszej Ziemi (poniżej 20 km), w których panuje temperatura znacznie przekraczająca 1000°C. Nieco płycej, w skorupie ziemskiej, w sprzyjających warunkach powstają nagromadzenia ciepła Ziemi w wodach, skałach lub w postaci pary wodnej w ilościach, jakie nadają się do ich praktycznego wykorzystania. Wypełniają one szczeliny i pory w skałach, które występują na głębokościach od kilkudziesięciu metrów do kilku kilometrów, co pozwala na ich eksploatację za pomocą otworów wiertniczych.

Ze względu na temperaturę źródła energii umownie wyróżnia się geotermię wysokotemperaturową: powyżej 150°C i niskotemperaturową: poniżej 150°C. Według tego podziału w Polsce do głębokości 5 km nie ma warunków geologicznych do przekroczenia tej granicy. Takie warunki mogą występować na obszarach czynnej aktywności wulkanicznej. W Europie są to Islandia, Sycylia i Wyspy Liparyjskie.

W krajach UE roczna produkcja ciepła geotermalnego w 2015 roku wyniosła 50 817 TJ, z czego blisko 90% wytworzone zostało przy użyciu pomp ciepła z niskotemperaturowej płytkiej geotermii.

W naszym kraju zasoby energii geotermalnej nagromadzone są w wodach zmineralizowanych zalegających na głębokościach od 1000 do 3000 m i koncentrują się głównie w pasie od Szczecina do Łodzi, w rejonie grudziądzko-warszawskim, oraz w rejonie Podhala i przedpola Sudetów. Temperatura wód termalnych wynosi od 20 do 100°C, zaś mineralizacja wód zawiera się w przedziale od 1 do ponad 200 g/dm³.

Z powodów technicznych tego typu geotermię nazywamy głęboką, a instalacje do 100 m głębokości nazywamy geotermią płytką, która wykorzystuje źródła geotermalne o bardzo niskiej temperaturze poniżej 30°C. Instalacje głębokiej geotermii o łącznej mocy 110 MWt, lecz niskotemperaturowe, funkcjonują w Pyrzycach (61°C), Uniejowie (68°C), Mszczonowie (42°C), Poddębicach (71°C) i w Bańskiej pod Zakopanem (90°C). W każdej z tych instalacji dostarczenie ciepła do sieci ciepłowniczej wymaga dodatkowego źródła energii w postaci gazu lub oleju opałowego. Udział energii geotermalnej w mocy zainstalowanej w tych obiektach wynosi od 16% w Mszczonowie do 35% w Bańskiej.

Płytka geotermia w Polsce to 35 tysięcy instalacji funkcjonujących dla potrzeb niskotemperaturowego ogrzewania domków jednorodzinnych, szkół, szpitali, sanatoriów i innych obiektów publicznych. Łączna moc tych małych instalacji to 390 MWt, wytwarzających 2000 TJ energii w ciągu roku.

Trochę konkretów o głębokiej geotermii

Instalacje geotermalne tego typu w Polsce bazują na głębokich (1600-3000 m poniżej powierzchni terenu) otworach wiertniczych, które z powodu znacznej mineralizacji wód wgłębnych muszą być wykonane w układzie dubletu: jeden otwór służy do sczerpywania wód, a drugi do ich zatłaczania. Wyjątkiem są instalacje w Mszczonowie i Poddębicach, gdzie wykorzystywany jest jeden otwór wiertniczy, gdyż mineralizacja wody na głębokości 1600 m jest poniżej 500 mg/l, co pozwala na użytkowanie schłodzonej wody do celów konsumpcyjnych.

Przystępując do rozważań o ewentualnej inwestycji w geotermię głęboką należy sięgnąć do Atlasu zasobów energii geotermalnej na Niżu Polskim (W. Górecki, 1995) oraz przywołanego poniżej opracowania. Na obszarze Polski wody geotermalne występują w zbiornikach na głębokościach do 3000 m, a ich temperatura nie przekracza 100°C (rys. 1).

Rys. 1. Mapa rozkładu temperatury na głębokości 2 km (wg Szewczyka 2010)

W Polsce temperatura w głąb Ziemi wzrasta o 1°C średnio co 35-70 m (stopień geotermiczny), w różnych regionach ta wartość jest zmienna i waha się od 10 m do 110 m. Powyższa mapa pokazuje, iż anomalne temperatury (żółto-pomarańczowe) koncentrują się w pasie pomiędzy Odrą a Notecią z maksimami do 100°C na głębokości 2 km w rejonie Szczecina, Poznania, i na południe od Katowic. Ten obszar obcięty jest południowego – wschodu dość ostrą granicą Łódź - Opole o kierunku NNE-SSW. Obszar anomalnie wysokich temperatur obejmuje nie więcej niż 30% powierzchni Polski. "Najzimniejsze" obszary skorupy ziemskiej w naszym kraju to Mazury, Podlasie i znaczna część Wyżyny Lubelskiej, ale także Warszawa i dalej do ujścia Pilicy i wideł Wisły i Sanu. "Najcieplejsze" miejsca rozciągają się od Szczecina po Opole, a osiami tych gorących anomalii są rzeki Odra i Warta. Punktowe gorące anomalie występują na Górnym Śląsku, pomiędzy Częstochową i Kielcami, w rejonie Krosna i w Bieszczadach.

Kluczowym składnikiem kosztów inwestycji geotermii głębokiej także pod względem technologicznym są dublety (pary) otworów wiertniczych o głębokościach przekraczających 1500 m, które początkowo muszą mieć charakter poszukiwawczy, a następnie eksploatacyjny. W trakcie prac wiertniczych musi być dokładnie zbadany potencjał techniczny wód geotermalnych, a także warunki odprowadzenia do górotworu wykorzystanych wód geotermalnych. Dopiero pełne opomiarowanie złoża może stanowić podstawę dla przeprowadzenia analizy opłacalności wykorzystania ciepła geotermalnego w danym systemie ciepłowniczym.

Mineralizacja wód geotermalnych jest bardzo zróżnicowana i wynosi: w Mszczonowie 0,6 g/dm³, Geotermii Podhalańskiej 3 g/dm³, zaś w Pyrzycach 120 g/dm³. Wysoka mineralizacja powoduje konieczność częstego czyszczenia wymienników oraz krótszą żywotność rurociągów i rur osłonowych otworów eksploatacyjnych, co pociąga za sobą cykliczne wymiany, a co gorsza rekonstrukcję otworów wiertniczych co kilka lat. Z uwagi na zbyt niską temperaturę wód geotermalnych, konieczne jest dogrzewanie wody w systemie centralnego ogrzewania. W tym celu we wszystkich systemach czynnych w Polsce zainstalowano absorpcyjne pompy ciepła i wysokoparametrowe kotły wodne opalane gazem. Energia z wód geotermalnych pokrywa jedynie część potrzeb systemów grzewczych, przy czym możliwość wykorzystania energii geotermalnej jest zależna głównie od temperatury źródła. W zrealizowanych inwestycjach energia geotermalna pokrywa jedynie 16 do 35% zapotrzebowania na ciepło.

Dotychczas wykonane w Polsce instalacje geotermii głębokiej charakteryzują się wysokimi wartościami nakładów inwestycyjnych 2-3 krotnie wyższymi od na przykład nakładów na budowę kotłowni na biomasę. Wynika to przede wszystkim z bardzo dużych kosztów prac wiertniczych oraz budowy dodatkowych szczytowych źródeł ciepła. Pierwszy i największy w Polsce projekt geotermalny Podhale w ok. 41% został sfinansowany poprzez dotacje krajowe i zagraniczne, pozostała część środków pochodziła z pożyczki NFOŚiGW oraz podniesienia kapitału przez głównego akcjonariusza jakim jest ta instytucja (obecnie NFOŚ ma blisko 90 % udziałów). Instalacja kosztowała 243 mln zł. Koszt realizacji instalacji w Pyrzycach wyniósł 60,6 mln zł, przy czym dotacje stanowiły 23% tej kwoty. Także i w tej instalacji NFOŚiGW ma większościowy udział. W pierwszych latach eksploatacji okazało się, że cena sprzedawanego ciepła z tych instalacji jest istotnie wyższa (61 zł/GJ) od ceny z alternatywnych źródeł (38-45 zł/GJ). Duży udział konwencjonalnych nośników energii (gazu ziemnego, i energii elektrycznej) w produkcji ciepła stawia pod znakiem zapytania stabilność cen ciepła produkowanego w instalacja głębokiej geotermii. Udział kosztów paliw konwencjonalnych jest na tyle znaczący, że cena ciepła jest i będzie zależna od cen nośników tradycyjnych.

A co oferuje geotermia płytka?

Liczba i moc instalacji zbudowanych w Polsce, ale także w innych krajach Europy i poza naszym kontynentem wskazuje, że wykorzystanie ciepła Ziemi do celów grzewczych będzie się odbywało poprzez niskotemperaturową geotermię płytką z wykorzystaniem pomp ciepła. Niekwestionowanym liderem w UE w dziedzinie płytkiej geotermii jest Szwecja z ponad 500 000 instalacji o sumarycznej mocy 5600 MWt. W tym kraju 80 % nowo budowanych domów wyposażonych jest w instalacje płytkiej geotermii z pompami ciepła.

Instalacje płytkiej geotermii wykorzystują niską lecz praktycznie stałą roczną temperaturę gruntu, lub wód podziemnych (tzw. dolne źródło ciepła) i za pomocą pompy ciepła pozyskana rozproszona energia poprzez sprężanie podnoszona jest na wyższy poziom termodynamiczny. Nowoczesne pompy ciepła uzyskują współczynnik efektywności 3,5-4,5. Oznacza to, że z 1 kWh energii elektrycznej użytej do napędu sprężarki (górne źródło), uzyskujemy 3,5-4,5 kWh energii cieplnej do ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej. Pompa ciepła o mocy 40 kW ma rozmiary pralki.

Wykorzystanie instalacji płytkiej geotermii do ogrzewania i zasilania w ciepła wodę użytkową wymaga uwzględnienia w fazie projektowania obiektu, że ogrzewanie będzie zasilane wodą o temperaturze 55°C.

Pompa ciepła może pracować w różnych schematach instalacji geotermalnych. Najczęściej (70% instalacji) wykorzystywane są zamknięte instalacje pionowe. W otworach wiertniczych (kolektor pionowy) o głębokości 50-100 m umieszcza się U-kształtną rurę z tworzywa sztucznego wypełnioną medium odbierającym ciepło z gruntu (wodny roztwór glikolu lub etanol). Praktycznie 1 mb pionowego kolektora pozwala ogrzać 1 m2 powierzchni mieszkalnej. Innym rodzajem kolektorów ciepła są zamknięte instalacje poziome zbudowane także z rur z tworzywa sztucznego wypełnionych wodnym roztworem glikolu lub etanolem układanych w gruncie na głębokości 1,5-2 m. Kolektor poziomy odbiera w zasadzie ciepło pochodzące ze słońca, dlatego poprawnie byłoby mówić o instalacji geosolarnej. Zakładając, że do ogrzania 1 m² powierzchni typowego domu potrzeba ok. 50 W, powierzchnia terenu zajęta pod kolektor poziomy powinna być 1,5 do 5 razy większa. W ostatnich latach coraz częściej stosowane są rozwiązania z pompami cieplnymi z odwróconym obiegiem, umożliwiające chłodzenie pomieszczeń mieszkalnych i gromadzenie ciepła w gruncie w lecie, a pobieranie ciepła z gruntu do ogrzewania domu w zimie. Zastosowanie pomp rewersyjnych stabilizuje temperaturę dolnego źródła oraz znacznie poprawia efektywność cieplną i ekonomiczną instalacji.

W naszym kraju brak jest kompleksowych, wiarygodnych opracowań dotyczących opłacalności wykorzystania geotermii niskotemperaturowej do celów grzewczych. Informacje na temat opłacalności znaleźć można jedynie w folderach firm wykonawczych lub produkujących pompy ciepła. Informacje tego rodzaju kładą nacisk na niskie koszty eksploatacyjne pomijając wysokie relatywnie koszty inwestycyjne. Zebrane z różnych źródeł jednostkowe koszty inwestycyjne wahają się od 800-4000 zł za kW mocy zainstalowanej. Jest też wyraźna prawidłowość: im mniejsza instalacja tym wyższy koszt jednostkowy. W przeliczeniu na 1 m² ogrzewanej powierzchni najniższy koszt inwestycyjny 145 zł osiąga się przy zastosowaniu zamkniętych instalacji pionowych. W przypadku zamkniętych instalacji poziomych koszt inwestycji wyniesie 246 zł za m² ogrzewanej powierzchni.

Bariery rozwoju geotermii

Badania przeprowadzone na zlecenie Szwedzkiego Stowarzyszenia Pomp Cieplnych w krajach UE zidentyfikowały następujące główne bariery rozwoju geotermii:

• bariery psychologiczne wynikające z braku wiedzy, co dotyczy w równym stopniu polityków, szerokiego ogółu obywateli jak i działaczy samorządowych;
• główną przeszkodą w podejmowaniu tych inwestycji są wysokie koszty początkowe, mimo konkurencyjnych (szczególnie w przypadku płytkiej geotermii) w perspektywie 20 lat kosztów eksploatacyjnych w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań;
• zaniżanie cen energii ze źródeł konwencjonalnych (nieuwzględnianie kosztów zewnętrznych spowodowanych emisją zanieczyszczeń, takich jak szkody dla zdrowia, środowiska, materiałów i płodów rolnych).

Reasumując, sugerowałbym ogromną rozwagę w podejmowaniu inwestycji geotermii głębokiej zarówno z powodu bardzo wysokich kosztów jak i poważnego ryzyka ekologicznego związanego z najczęściej wysoką mineralizacją wód termalnych. Problemy finansowe i ekologiczne istniejących lub zlikwidowanych instalacji miały swoje źródło w problemach z powrotnym zatłaczaniem, korozją urządzeń i zatykaniem otworów eksploatacyjnych wytrącającymi się solami. Wyjątkiem jest Geotermia Mszczonów i Poddębice pobierające wodę termalną o minimalnej mineralizacji umożliwiającą wtórne wykorzystanie do celów konsumpcyjnych. We wszystkich czynnych instalacjach jest zbyt niska temperatura wód termalnych, by mogły samodzielnie zasilać systemy ciepłownicze. Źródłami dodatkowymi są kotłownie na gaz ziemny lub olej opałowy.

Płytka geotermia oparta na pompach ciepła może być znakomitym rozwiązaniem zwłaszcza dla komunalnych obiektów takich jak szkoły, przedszkola, szpitale powiatowe, jak i dla domów wielo- i jednorodzinnych. Przykład Szwecji udowadnia dobitnie co znaczy mądry system edukacji i wsparcia finansowego dla tych inwestycji. Koszty początkowe inwestycji są nawet dwukrotnie wyższe niż dla konwencjonalnych kotłowni, a czasem jeszcze wyższe jeśli trzeba wykonać termomodernizację obiektu, ale koszty liczone w całym okresie "życia" instalacji są wielokrotnie niższe w porównaniu do paliw konwencjonalnych i niektórych rodzajów odnawialnych źródeł energii. Dla rozwoju tej minimalnie ingerującej w środowisko technologii wspomagającej ochronę klimatu i oszczędność energii konieczny jest szeroki program edukacji skierowany nie tylko do zwykłych obywateli, działaczy samorządowych ale też do architektów, projektantów i wykonawców systemów grzewczych.

Dr Michał Wilczyński

Źródło: Ziemia na Rozdrożu, www.ziemianarozdrozu.pl