Geotermalna energija: definicija, uporaba, elektrika in ogrevanje

Kaj je geotermalna energija

Geotermalna energija (iz grških korenov geo, kar pomeni zemlja, in thermos, kar pomeni toplota) je energija, ki izvira iz notranjosti Zemlje in se kaže kot toplota v zemeljskiskorji. Toplota pod površjem ni posledica neposrednega segrevanja s strani Sonce, temveč izvira iz dveh glavnih virov: približno 20 % iz prvotnega nastanka planeta in približno 80 % iz radioaktivnega razpada mineralov. Zemlja je najbolj vroča v svojem jedru, od tod pa se temperatura proti površju postopoma znižuje.

Oblike in viri geotermalne energije

Viri geotermalne energije se raztezajo od plitvih tal do vroče vode in vročih kamnin nekaj kilometrov pod površjem ter vse do zelo visokih temperatur staljene kamnine, imenovane magma. Ljudje so geotermalne vire uporabljali že v preteklosti (na primer paleolitiku), danes pa so pomembni predvsem za proizvodnjo električne energije in neposredno ogrevanje.

Plitvi viri (do nekaj metrov): stabilna temperatura tal, primerna za geotermalne toplotne črpalke.
Srednje globoki viri (nekaj 100 m do nekaj km): vroča voda in kamnine za neposredno uporabo in za ogrevanje/hlajenje.
Globoki viri (več km): vroče kamnine in magma, potencialno zelo močni viri energije, a zahtevajo napredne tehnike vrtanja in pridobivanja.

Uporaba geotermalne energije

Geotermalna energija se uporablja na več načinov:

Proizvodnja električne energije – s pomočjo geotermalnih elektrarn, ki izkoriščajo paro ali vročo vodo iz podzemnih rezervoarjev.
Neposredna uporaba toplote – daljinsko ogrevanje, ogrevanje rastlinjakov, akvakultura (ogrevanje ribogojnic), sušenje pridelkov, industrijski procesi (npr. pasterizacija) in balneologija (topli vrelci).
Geotermalne toplotne črpalke (GTC) – za ogrevanje in hlajenje stavb z izkoriščanjem stalne temperature tal približno 3 m pod površjem.

Geotermalne toplotne črpalke – kako delujejo

Skoraj povsod je temperatura tal nekaj metrov pod površjem skoraj konstantna in znaša med 10 in 16 °C. Toplotna črpalka v sistemu izmenja toploto s tlemi preko toplotnega izmenjevalnika (cevnega sistema), ki je zakopan v plitvo zemljo blizu stavbe. Sistem običajno vključuje:

toplotno črpalko,
cevovod (sistem za dovod/odvod),
toplotni izmenjevalnik (zemeljske cevi).

Pozimi črpalka z električno energijo odvzame toploto iz tal in jo prenese v notranje ogrevanje. Poleti se proces obrne, saj črpalka odvaja toploto iz stavbe v zemljo. Obstajajo različne konfiguracije: zaprti horizontalni sistemi, zaprti vertikalni sistemi in odprti sistemi (uporaba podzemne vode). GTC imajo običajno visoko učinkovitost (COP pogosto 3–5), zato zmanjšajo skupno porabo energije za ogrevanje in hlajenje.

Proizvodnja električne energije

Geotermalne elektrarne običajno delujejo kot konstantni (baseload) viri energije. Glavne tehnologije so:

Dry steam (suha para) – neposredno uporabi paro iz rezervoarja za pogon turbine.
Flash steam (uparjanje) – vroča voda iz podzemlja se na površju hitro razprši (»flash«) v paro, ta poganja turbino. Primerna za višje temperature.
Binary cycle (binarny cikel) – vroča voda ogreje drugo delovno tekočino z nižjo vreliščo, ta izhlapi in poganja turbino; primerna za nižje temperature in zmanjšuje emisije.

V preteklosti (npr. leta 2007) je bila po svetu nameščena moči približno 10 gigavatov električne energije iz geotermalnih virov. Od takrat je kapaciteta rasla; danes imajo države z visokim geotermalnim potencialom (npr. ZDA, Indonezija, Filipini, Turčija, Nova Zelandija, Islandija, Kenija, Mehika, Italija) pomembne namestitve, medtem ko geotermalni potencial ostaja neizkoriščen na mnogih območjih zaradi visokih začetnih stroškov vrtanja.

Neposredna uporaba in primeri

Vroči izviri in gejzirji so naravni izrazi izloščanja geotermalne energije v obliki vroče vode ali pare. Neposredna uporaba vključuje ogrevanje stavb (daljinske ogrevalne mreže), rastlinjakov, ogrevanje vode v ribogojnicah in industrijske procese. Islandija je dobro poznan primer države, kjer se geotermalna energija obsežno uporablja za ogrevanje in industrijsko rabo.

Izboljšani geotermalni sistemi (EGS) in tehnologije prihodnosti

Projekti izboljšanih geotermalnih sistemov (EGS) želijo razširiti uporabo geotermalne energije tam, kjer naravne permeabilne rezervoarje ni dovolj. Tehnika vključuje hidravlično pretrganje kamnin, da se ustvari ali poveča razpokanost, vbrizgavanje hladne vode skozi eno vrtino, njeno kroženje skozi vroče razpokane kamnine in črpanje ogrete vode iz druge vrtine. EGS obljubljajo dostop do široko razširjenega vira — vročih suhih kamnin na globinah od približno 5 do 8 km — vendar so še v fazi razvoja ali pilotnih projektov in prinašajo izzive, kot so indukcija potresnih sunkov in visoki stroški vrtanja.

Trenutno tehnologija še ne omogoča komercialnega izkoriščanja toplote neposredno iz magma (zelo globoki, izjemno vroči viri), čeprav potekajo raziskave in občasni eksperimentalni projekti.

Okoljski in gospodarski vidiki

Prednosti: nizke emisije toplogrednih plinov v primerjavi s fosilnimi gorivi, majhen zasedeni prostor na enoto proizvedene energije, zanesljiva baseload proizvodnja, dolga življenjska doba polj (več desetletij) in možnost neposredne rabe toplote.
Slabosti in tveganja: visoki začetni stroški (predvsem vrtanje), lokalne emisije (H2S, CO2 v nekaterih primerih), tveganje za izčrpanje lokalnih rezervoarjev ob neučinkovitem upravljanju, tveganje induciranih potresov pri EGS ter potencialne težave z upravljanjem podzemnih voda.

Pri načrtovanju geotermalnih projektov so ključni dobra geološka raziskava, trajnostno upravljanje z rezervoarji (npr. vračanje izčrpane vode v podzemlje) in upoštevanje lokalnih okoljskih in družbenih vplivov.

Gospodarska smiselnost in prihodnost

Geotermalni projekti zahtevajo visoka začetna vlaganja, zlasti v vrtanje in infrastrukturne povezave. Vendar ob ustreznem višku vira in dolgoročni obratovalni dobi nudijo zanesljivo in cenovno konkurenčno proizvodnjo energije. Napredek v tehnologijah vrtanja, napredna geološka modeliranja in razvoj EGS lahko v prihodnosti znatno povečajo potencial in dostopnost geotermalne energije.

Zaključek

Geotermalna energija je zanesljiv, stalen in nizkoogljičen vir energije, primeren tako za proizvodnjo električne energije kot za neposredno ogrevanje in hlajenje. Čeprav se trenutno največ uporablja v geološko ugodnih regijah, razvoj tehnologij (vključno z EGS) odpira možnosti za širšo rabo. Pri tem pa ostajajo izzivi – predvsem visoki začetni stroški, upravljanje virov in okoljska tveganja, ki jih je treba obvladovati z ustreznimi raziskavami, regulacijo in spremljanjem.

Para iz geotermalne elektrarne Nesjavellir na Islandiji

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je geotermalna energija?

O: Geotermalna energija je obnovljiva energija, ki nastaja zaradi toplote v Zemljini skorji. Izvira iz prvotnega nastanka planeta in radioaktivnega razpada mineralov ter se lahko uporablja za proizvodnjo električne energije, daljinsko ogrevanje ali druge načine ogrevanja in hlajenja.

V: Koliko svetovne električne energije je bilo leta 2007 proizvedene z geotermalno energijo?

O: Leta 2007 je bilo po vsem svetu z geotermalno energijo proizvedenih približno 10 gigavatov električne energije (ali 0,3 %).

V: Kakšno temperaturo imajo tla na globini 10 metrov pod površjem Zemlje?

O: Zemlja na globini 10 čevljev pod površjem Zemlje običajno vzdržuje skoraj stalno temperaturo med 10 in 16 °C (50° in 60°F).

V: Kako lahko geotermalne toplotne črpalke uporabljamo za ogrevanje stavb?

O: Geotermalne toplotne črpalke lahko izkoristijo ta vir za ogrevanje stavb tako, da z energijo pozimi odvajajo toploto iz sistema cevi, zakopanih v plitvo zemljo blizu stavbe, poleti pa ta proces obrnejo. To odstranjeno toploto je mogoče uporabiti tudi za pripravo tople vode.

V: Ali so projekti izboljšanih geotermalnih sistemov zrele tehnologije?

O: Ne, projekti izboljšanih geotermalnih sistemov še niso zrele tehnologije.

V: Kje v ZDA je največ geotermalnih rezervoarjev? O: Večina geotermalnih rezervoarjev v ZDA se nahaja v zahodnih državah, na Aljaski in Havajih.

V: Kako globoko pod površjem Zemlje se nahajajo viri vročih suhih kamnin? O: Vroči viri suhih kamnin so povsod pod površjem Zemlje na globini od 3 do 5 milj (5-8 km), na nekaterih območjih pa na manjši globini.