Niekonwencjonalne systemy geotermalne, czyli EGS, AGS i HDR. Czym się różnią?

Jądro Ziemi, a także płaszcz Ziemi, to miejsca, w których stale dochodzi do naturalnego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, jakimi są izotopy potasu, uranu oraz toru. Proces ten polega na rozdzieleniu się jądra pierwiastka na inne jądra, czemu towarzyszy wydzielanie się potężnych ilości ciepła. Dzięki temu temperatura jądra naszej planety może sięgać nawet 6600°C. Ciepło jądra migruje we wszystkich kierunkach, ogrzewając kolejne warstwy skalne tworzące naszą planetę, dzięki czemu możemy je wykorzystywać. Przy samej powierzchni Ziemi temperatury nie są co prawda zbyt wysokie, ale na głębokości kilku kilometrów, w zależności od miejsca, mogą one przekraczać nawet 100°C. 

Pozyskiwanie ciepła zgromadzonego pod ziemią przeważnie odbywa się dzięki wodzie zalegającej na dużych głębokościach, która oczywiście posiada tę samą temperaturę, co skały wokół niej, ale dzięki dużemu ciśnieniu nakładu skalnego pozostaje cieczą. Odpowiednio duże nagromadzenie wody, która posiada wystarczająco wysoką temperaturę, stanowi złoże geotermalne, które można eksploatować przy pomocy odwiertów. Te często liczą sobie po kilka kilometrów i pozwalają na wypompowanie wody ze złoża na powierzchnię, która trafia następnie na wymiennik ciepła i przekazuje w ten sposób swoje ciepło wodzie, która krąży w sieci ciepłowniczej. Istnieje również szansa, że temperatura w złożu będzie tak wysoka, że na wylocie z odwiertu woda zamieni się parę, którą będzie w stanie napędzać turbinę podłączoną do generatora prądu, W ten sposób możemy stworzyć elektrownie lub elektrociepłownię geotermalną. 

• Dlaczego potrzebujemy niekonwencjonalnych systemów geotermalnych?
• Szczelinowanie hydrauliczne, kiedyś w złożach ropy i gazu, teraz wód geotermalnych
• Odbiór ciepła ze skał, które wcale nie zawierają w sobie wody

Co różni systemy konwencjonalne i niekonwencjonalne?

Opisany sposób pozyskiwania energii cieplnej z wnętrza Ziemi jest jednak sposobem konwencjonalnym, który, choć dobrze znany, sprawdzony i skuteczny, to posiada swoje ograniczenia, które zawężają zakres lokalizacji, w których możliwym jest wykorzystanie geotermii na szeroką skalę. Konwencjonalna geotermia jest obarczona szeregiem wymagań, które muszą zostać spełnione, aby elektrownia bądź ciepłownia geotermalna były w stanie funkcjonować. 

Pierwszym z nich jest oczywiście temperatura, która pomimo, że zawsze wzrasta wraz z głębokością, to nie jest to wzrost równomierny dla całego globu, wobec czego w niektórych miejscach już na głębokości 4 kilometrów osiągniemy 100°C, a w innych dopiero na 7 kilometrach. Przyrost temperatury w zależności od głębokości w danym miejscu opisuje gradient geotermiczny. Geotermia posiada jednak dość szeroki zakres zastosowań, które nie zawsze wymagają bardzo wysokich temperatur. Już nawet 20°C na wypływie z odwiertu może posłużyć do hodowania ryb ciepłolubnych, a nieco ponad 40°C wystarcza do zastosowania geotermii w miejskiej sieci ciepłowniczej, co ma miejsce w ciepłowni geotermalnej w Mszczonowie. 

Kolejnym kluczowym aspektem dla geotermii jest rzecz jasna obecność wody, a więc podziemnych warstw wodonośnych. Ich brak całkowicie uniemożliwia stosowanie konwencjonalnej geotermii, ale czasem zdarza się również, że wody występują, ale ich uzyskanie może być problematyczne. Przepuszczalność ośrodka skalnego tworzącego warstwy wodonośne będzie decydowała o tym, czy po dowierceniu się do wód podziemnych, będziemy je w stanie wydobyć. Brak przepuszczalności oznacza brak możliwości zmuszenia wody do wpłynięcia do rur znajdujących się w odwiercie, czego skutki są niemalże tożsame do dowiercenia się do skał niezawierających wody. Typowe metody stosowane w geotermii nie są sobie w stanie poradzić w przypadku, gdy powyższe parametry nie spełniają wymagań, ale na szczęście rozwój technologiczny pozwala nam obecnie na stosowanie metod niekonwencjonalnych, które, choć wciąż będą wymagały odpowiednich temperatur, to znajdują odpowiedzi na problemy związane z wodą złożową. 

EGS (Enhanced Geothermal Systems)

Wspomagane systemy geotermalne to instalacje, które są w stanie pobierać wody geotermalne z poziomów wodonośnych tworzonych przez skały o bardzo słabej przepuszczalności. W sytuacjach, gdy obliczenia wskazują na to, że przepuszczalność skał nie pozwoli na ekonomicznie opłacalne wydobycie wody ze złoża, można zastosować technikę, której używa się również w górnictwie naftowym, które często mierzy się z tym samym problemem w trakcie wydobycia ropy naftowej bądź gazu ziemnego. 

Techniką tą jest szczelinowanie, czyli proces mający na celu powiększenie istniejących w skałach szczelin wypełnionych wodą lub też stworzenie całkiem nowych szczelin, które zwiększają przepuszczalność ośrodka skalnego. Dokonuje się tego najczęściej przy pomocy wody, czasem zawierającej dodatkowo pewne substancje chemiczne, którą wpompowuje się do złoża pod dużym ciśnieniem. Dobranie odpowiedniego ciśnienia pozwala na wygenerowanie spękań w skałach, które tworzą pożądane szczeliny. Mieszanka często zawiera również cząstki stałe, jak na przykład piasek, którego zadaniem jest częściowe wypełnienie i podtrzymanie stworzonych szczelin, aby te nie zostały zamknięte przez nacisk nakładu skalnego ponad złożem. 

Proces w teorii wydaje się prosty, jednak szczelinowanie jest procesem skomplikowanym i wymagającym wiele precyzji, co czyni go jednocześnie wyjątkowo drogim przedsięwzięciem. Niewłaściwe wykonanie szczelinowanie może prowadzić do uszkodzenia złoża oraz zanieczyszczenia wód podziemnych. Proces wymaga również wykorzystania bardzo dużych ilości słodkiej wody. Z tego powodu metoda budzi pewne kontrowersje. Nie można jednak zaprzeczyć, że idea EGS tworzy dla geotermii bardzo wiele nowych możliwości, a więc zwiększa szanse na rozprzestrzenianie się odnawialnych źródeł energii tam, gdzie wcześniej nie było to możliwe. 

AGS (Advanced Geothermal Systems)

Zaawansowane systemy geotermalne, w skrócie AGS, bywają również określane jako systemy zamkniętej pętli (Closed-loop geothermal systems). Ich założenie jest dość proste, ponieważ polega na stworzeniu systemu rur tworzących zamkniętą pętlę, która przebiega przez warstwy gorących skał w głębi Ziemi. Skały te nie muszą być dobrze przepuszczalne czy nawet nie muszą posiadać w sobie wody, ponieważ ta wpompowywana jest do układu na powierzchni i stale krąży wewnątrz niego, nie przedostając się na zewnątrz. 

Rozwiązanie to poza odpowiadaniem na problem z dostępnością do wody złożowej posiada jeszcze inną zaletę, jaką jest uproszczone utrzymanie obiegu. Jest to spowodowane wykorzystaniem wody, którą dobiera spółka zajmująca się projektem. W normalnych warunkach w rurach układu pobierającego ciepło z wnętrza Ziemi przepływa woda ze złoża, która często posiada wysoką mineralizację, a także rozpuszczony dwutlenek węgla czy siarkowodór. Substancje te w kontakcie z metalowymi rurami w odwiercie powodują korozję, a ta może prowadzić do uszkodzeń rurociągu, na które nie można sobie pozwolić. 

Rzecz jasna istnieje wiele różnych sposobów zapobiegania korozji, ale oznacza to zwiększenie nakładów finansowych i poziomu skomplikowania inwestycji. W przypadku systemów z zamkniętą pętlą stopień skomplikowania i tak jest już całkiem wysoki, ponieważ wymaga wykonania części odwiertu w płaszczyźnie poziomej, co jest trudniejsze od standardowego wiercenia w pionie, a także droższe. Warto jednak dodać, że AGS posiadają jeszcze jedną zaletę związaną z wodą, jaką jest brak ryzyka zniszczenia złoża. W konwencjonalnej geotermii często stosuje się zatłaczanie wydobytej ze złoża wody na powrót pod ziemię. Takie działanie zapobiega wysuszaniu się złoża, które uniemożliwiłoby konwencjonalnej instalacji dalszą pracę. 

Pierwsza komercyjna inwestycja w AGS

Zaawansowane systemy geotermalne posiadają więc swoje mocne strony, a także zwiększają potencjalne możliwości lokalizowania geotermii tam, gdzie wcześniej mogłoby to być niemożliwe. Z tego powodu prowadzone są obecnie prace w wielu krajach na całym świecie, których celem jest dokładniejsze poznanie tej technologii. Systemy zamkniętej pętli funkcjonują zaledwie od kilku lat i wszystkie istniejące projekty pełnią funkcje testowe i demonstracyjne. W Niemieckim mieście Geretsried od 2023 roku powstaje instalacja, która ma być pierwszym komercyjnym systemem tego typu. Być może nada ona rozpędu kolejnym projektom tego typu. 

HDR (Hot Dry Rocks)

Technologia gorących suchych skał w swoich założeniach ma pozwalać na pozyskiwanie energii cieplnej z warstw skalnych niezawierających wody oraz niezdolnych do jej rozpuszczenia, ale za to posiadających bardzo wysokie temperatury, przekraczające 100°C. Technologia HDR jest bliska do EGS, ponieważ również polega na wykorzystaniu szczelinowania w celu utworzenia dróg migracji dla wody, która wpuszczona do warstwy gorących skał będzie w stanie odebrać z nich ciepło. Ogrzana w ten sposób woda może być następnie wypompowana na powierzchnię, gdzie odda zgromadzone w sobie ciepło w wymienniku i zostanie ponownie zatłoczona pod ziemię.

Obszary o hydraulicznie zwiększonej przepuszczalności w tym przypadku zazwyczaj przybierają kształt elipsoidy. System przepompowywania wody przez stworzony zbiornik odbywa się przy pomocy dwóch odwiertów umieszczonych w pobliżu końców najdłuższej osi elipsoidy, z których jeden zatłacza wodę pod ziemię, a drugi wynosi ją na powierzchnię. Woda jest przy tym stale utrzymywana pod wysokim ciśnieniem. System może też posiadać trzeci odwiert nawiercony w środku elipsoidy. W takim wypadku środkowy otwór zatłacza wodę pod ziemię a dwa po bokach wynoszą ją do wymienników na powierzchni.

Systemy HDR pozwalają na wykorzystanie ciepła nieprzepuszczalnych skał krystalicznych w głębi ziemi, co byłoby nieosiągalne przy użyciu metod konwencjonalnych. To rzecz jasna znacząco zwiększa możliwości geotermii, jednak niestety na przeszkodzie rozwoju tej technologii stoją bardzo wysokie koszty wykonania tych systemów. Stosowanie systemów HDR przy obecnych kosztach wierceń czyni je mało opłacalnymi ekonomicznie, co odstrasza potencjalnych inwestorów. Mimo tego w wielu miejscach na świecie prowadzone są badania nad technologią, które być może znajdą sposób na zmniejszenie kosztów inwestycyjnych tego typu przedsięwzięć. 

Melodia przyszłości?

Innowacyjne technologie w geotermii pokazują nam, że w przyszłości może na nas czekać wiele możliwości wykorzystania ciepła z wnętrza Ziemi tam, gdzie jeszcze do niedawna mogło się to wydawać nieosiągalne. Rzecz jasna żaden z rozwijanych obecnie systemów nie odpowiada na wszystkie problemy, z jakimi mierzy się geotermia, ale każdy z nich znacząco zbliża nas do osiągnięcia więcej niż zadowalających możliwości. Z tego powodu być może warto przebić się przez barierę wysokich kosztów i tworzyć kolejne testowe, a może i nawet komercyjne instalacje.

Źródła: gov.pl, globenergia.pl, wodadlazdrowia.pl, powermag.com, wnp.pl, sciencedirect.com

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Szymon Chlipała