Przegląd sposobów wykorzystania energii geotermalnej na świecie i w Europie

Energia elektryczna

Prądu elektryczny przy wykorzystaniu par geotermalnych wytwarza się w 25 krajach świata. Całkowita moc zainstalowana elektrowni geotermalnych osiągnęła w 2014 r. poziom 12 635 MWe, a produkcja energii wyniosła ok. 73 549 GWh (1). Było to ok. 16% więcej w porównaniu z 2010 r. W czołówce pod względem mocy produkowanej energii są USA, Filipiny, Indonezja, Nowa Zelandia i Meksyk, a inne liczące się kraje to m.in. Włochy, Islandia, Japonia oraz Turcja. Wzrasta też zainteresowanie instalacjami binarnymi, w których w cyklu generowania elektryczności można stosować wody o temperaturach od ok. 80 do 100°C.

W Europie całkowita moc zainstalowana elektrowni geotermalnych w 2015 r. wynosiła 2133 MWe, a produkcja energii 14 821 GWh(1), co przekłada się na 17% i 20% udziału w tym sposobie generacji elektryczności na świecie. Elektrownie stosujące pary geotermalne działają w Europie na Islandii, we Włoszech i w Portugalii (Azory). Do statystyk dotyczących tego kontynentu wlicza się ponadto Francję (Gwadelupę – terytorium zamorskie tego kraju), Rosję (Kamczatkę) i Turcję (część azjatycką). Od kilku lat działa też kilka instalacji binarnych, stosujących wody o temperaturach rzędu 90-150°C w Austrii, Rumunii (50-500 kWe), a przede wszystkim w Niemczech (do 3-6 MWe). W 2014 roku w realizowano wiele kolejnych projektów, ukierunkowanych na wytwarzanie energii elektrycznej w układach binarnych, zwykle w kogeneracji z ciepłem (2).

Zastosowanie bezpośrednie energii geotermalnej następuje w co najmniej 82 krajach świata. Dotyczy to szerokiego zakresu temperatur i różnorodnych celów (tab. 1). Całkowita moc zainstalowana dla tego typu wykorzystania na świecie w 2013 r. wynosiła 70 037 MWt, a zużycie ciepła 587 786 TJ, w czym znaczący udział (ponad 50%) miały pompy ciepła (3). Od 2010 r. odnotowano istotny wzrost zainstalowanej mocy (o 45%) i produkowanego ciepła (o 39%). Największy udział w skali świata i Europy ma ogrzewanie pomieszczeń (sieciowe, indywidualne), przygotowanie ciepłej wody użytkowej przy użyciu pomp ciepła i ciepła wód wydobywanych z głębszych otworów wiertniczych, na drugim miejscu znajdują się rekreacja i lecznictwo, a na kolejnych zastosowania w rolnictwie, w akwakulturach, suszeniu produktów rolnych, procesach przemysłowych, użycie do zapobiegania oblodzeniu ciągów komunikacyjnych itp. W tabeli 1 podano także liczbę krajów, w których wybierane są poszczególne rodzaje bezpośrednich zastosowań energii geotermalnej.

Tab. 1. Bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej na świecie, 2013 r.3

Szacuje się, że w 2013 r. generowanie energii w elektrowniach geotermalnych przyczyniło się do redukcji ok. 52 mln TOE paliw kopalnych, natomiast w przypadku zastosowań bezpośrednich było to ok. 26 mln TOE3.

Bezpośrednie wykorzystywanie geotermii

W Europie geotermia jest bezpośrednio stosowana w 37 krajach. W 2013 roku całkowita moc zainstalowana wynosiła ok. 25 037 MWt, a zużycie ciepła ok. 220 420 TJ (3) (tab. 2), co stanowiło odpowiednio ok. 46% i 38% udziału w skali świata. Do wiodących krajów należą Turcja, Islandia, Niemcy, Francja, Węgry i Włochy. W gronie krajów stosujących energię geotermalną znajduje się również Polska, jednak jest to działalność na ograniczoną skalę (4) .

Tab. 2. Bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej w Europie, 2013 r.3

Wzrost wykorzystania geotermii na świecie w latach 2010-2014 (podobnie jak w poprzednich) był związany w dużej mierze z rozwojem pomp ciepła. W czołówce pod względem zainstalowanej mocy są USA, Chiny, Szwecja, Niemcy i Francja, a w zakresie produkcji ciepła: Chiny, USA, Szwecja, Finlandia i Kanada. W Europie wyróżniają się też Szwajcaria, Norwegia, Austria i Holandia. Urządzenia te stosowane są nie tylko do celów grzewczych, ale także coraz częściej do chłodzenia, co wydłuża czas ich pracy i zwiększa efektywność ekonomiczną. Pompy ciepła należą do najszybciej rozwijających się technologii w sektorze OZE na świecie (ostatnie lata to także bardziej dynamiczny wzrost ich instalowania w naszym kraju).

Z informacji przedstawionych podczas Światowego Kongresu Geotermalnego w 2015 r. wynika, że następuje ciągły rozwój wykorzystania energii geotermalnej na świecie, co przynosi znaczące efekty ekologiczne, zapewnia komfort użytkowania, jest konkurencyjne cenowo i wykazuje małą wrażliwość na zmiany cen tradycyjnych nośników energii na rynkach światowych i regionalnych. Podkreśla się również, że w przeciwieństwie do innych OZE geotermia jest dostępna cały rok, niezależnie od warunków pogodowych czy też pory dnia. Może pełnić funkcję źródła pokrywającego bazowe zapotrzebowanie na energię, pracować w układach hybrydowych z innymi źródłami, zarówno kopalnymi, jak i odnawialnymi. Coraz częściej podkreśla się, że geotermia sprzyja zrównoważonemu rozwojowi i zwiększa lokalne bezpieczeństwo energetyczne. Także w Europie przybywa nowych krajów (Holandia i Dania), które cechuje wzmożona aktywność w zakresie inwestycji geotermalnych. Ponadto w niektórych państwach Europy Środkowej (m.in. na Węgrzech) realizowanych jest obecnie kilka projektów ukierunkowanych na ciepłownictwo sieciowe, podczas gdy wcześniej przez długie lata wody geotermalne stosowano tam głównie w rekreacji i balneoterapii.

Perspektywa rozwoju geotermii na świecie i w Europie

Poszerzenie zakresu stosowania energii geotermalnej spodziewane jest również w nadchodzących latach. Dotyczy to różnych technologii i dziedzin, m.in.:
- ciepłownictwo (bazujące na pompach ciepła i głębszych zasobach geotermalnych). Wystarczy wspomnieć, że w 2013 i 2014 r. w Europie działało ok. 215 geotermalnych sieci c.o., natomiast w różnych fazach realizacji znajdowało się blisko 170 kolejnych, niektóre w kogeneracji z produkcją energii elektrycznej (18).
- zastosowanie w rolnictwie, hodowlach wodnych, rekreacji, balneoterapii, a także w innych celach,
- skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w układach binarnych,
- wzrost efektywności metod rozpoznawania struktur typu Hot Dry Rocks (HDR) oraz postęp w rozwoju i efektywności ekonomicznej technologii EGS (służących do odzysku z nich ciepła).

W przypadku naszego kontynentu rozwój wykorzystania energii geotermalnej w nadchodzących latach będzie w pewnym stopniu kształtowany przez wytyczne Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/EU w sprawie promowania energii z odnawialnych źródeł energii oraz krajowymi planami działania (w których jako priorytetowe traktowane są na ogół biomasa i energia wiatrowa). Zasadniczo prognozowany udział energii geotermalnej nie przekroczy w kraju kilku procent, co nie oznacza, że będzie to udział liczący się lokalnie i regionalnie.

Rolę, jaką energia geotermalna może odegrać w Europie w łagodzeniu problemów związanych z zewnętrznymi dostawami gazu ziemnego, przewidywanych w związku z obecną sytuacją polityczną na wschodzie Europy, podkreśliła Europejska Rada Energii Geotermalnej, stwierdzając m.in., że: geotermalne ciepłownictwo sieciowe jest cennym i natychmiastowym rozwiązaniem dla złagodzenia zależności Europy Środkowej i wschodniej od rosyjskiego gazu (www.egec.eu).

W latach 2012-2014 wiele istotnych działań i propozycji ukierunkowanych na wspieranie rozwoju ciepłownictwa geotermalnego w Europie było m.in. przedmiotem Projektu IEE „Promowanie geotermalnych systemów ciepłowniczych w Europie”, GeoDH (www.geodh.eu). Dotyczył on 14 krajów, uczestniczyły w nim zespoły z 10 państw, również z Polski (IGSMiE PAN). W ramach Projektu:
- przedstawiono potencjał zasobowy dla ciepłownictwa geotermalnego w kilkunastu krajach w powiązaniu z istniejącymi sieciami i zapotrzebowaniem na ciepło,
- zaproponowano ramowe uregulowania prawne,
- podano przykłady i propozycje odpowiednich sposobów finansowania oraz modeli zarządzania projektami ciepłownictwa geotermalnego,
- podano propozycje sposobu organizacji funduszy ubezpieczenia ryzyka geologicznego,
- przeprowadzono cykl warsztatów szkoleniowych i konferencji informacyjnych dot. wyników Projektu w 14 krajach,
- zasadnicze wyniki i opracowania przesłano do instytucji unijnych, przedstawicieli rządów i ich agend w 14 krajach.

Raporty i inne dokumenty Projektu są dostępne na stronie internetowej www.geodh.eu. Powinny być one pomocne także w Polsce w zapewnianiu odpowiednich warunków dla ciepłownictwa geotermalnego.

Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce

Wody i energia geotermalna są obecnie stosowane w Polsce w ciepłownictwie (główna dziedzina energetycznego wykorzystywania), a sporadycznie w lecznictwie i rekreacji – odzyskuje się z nich sole mineralne, służą do produkcji kosmetyków. W latach 2014-2015 działało sześć ciepłowni geotermalnych, jedenaście uzdrowisk i ok. dziesięć ośrodków rekreacyjnych (zwanych termami). Ciepło przypowierzchniowych partii górotworu i wód płytkich poziomów było pozyskiwane przy pomocy pomp ciepła (sprężarkowych); w 2013 r. było to ok. 35 000 instalacji (6, 4).

Ciepłownie geotermalne obsługujące sieci c.o. pracują na Podhalu, w Pyrzycach, Mszczonowie, Uniejowie, Stargardzie, Poddębicach. Najstarszy zakład funkcjonuje na Podhalu (od 1993 r.; przedtem działał Doświadczalny Zakład Geotermalny PAN Bańska-Biały Dunajec), a najmłodszą jest instalacja w Poddębicach (od 2013 r.). W przypadku ciepłowni geotermalnych ich łączna moc zainstalowana wynosiła ok. 147 MWt, z czego 82 MWt przypadało na geotermię. Całkowita sprzedaż ciepła we wspomnianym roku to ok. 746 TJ, w tym 573 TJ stanowiło ciepło geotermalne (ok. 76%), a pozostała część pochodziła ze źródeł szczytowych. Najwięcej ciepła geotermalnego sprzedała ciepłownia na Podhalu (ok. 300 TJ), znaczna była także sprzedaż z instalacji w Stargardzie (ok. 170 TJ). W przypadku geotermalnych sprężarkowych pomp ciepła w 2013 r. było to łącznie co najmniej 390 MWt i 2000 TJ ciepła4. Warto zauważyć, że ciepłownia geotermalna na Podhalu jest jedną z największych w Europie (poza Islandią), biorąc pod uwagę zainstalowaną moc geotermalną i sprzedaż ciepła. Posiada jedne z najlepszych na kontynencie złóż i znakomite warunki eksploatacyjne. Obiekt o podobnej mocy i planowanej sprzedaży ciepła wybudowano w 2014 r. w Miszkolcu na Węgrzech.

Pod względem liczby geotermalnych pomp ciepła w latach 2012-2013 Polska znajdowała się na 10 miejscu w Europie (7).

Biorąc pod uwagę dane GUS-u (8), udział energii geotermalnej w końcowym zużyciu ciepła brutto (bez rekreacji i balneoterapii) ze źródeł odnawialnych w 2013 r. w Polsce można oszacować jedynie na ok. 0,35% (bez pomp ciepła), a udział pomp ciepła (łącznie wszystkich typów) wynosił ok. 0,5%. Również w porównaniu z wieloma innymi krajami wykorzystanie zasobów geotermalnych w Polsce jest niewielkie. Zgodnie z danymi ze Światowego Kongresu Geotermalnego 2015, zajmujemy 14 miejsce w Europie pod względem bezpośrednich zastosowań (włączając pompy ciepła). Jest to poziom zbliżony do znajdującej się na następnym miejscu Słowacji, jednak znacząco mniejszy niż w poprzedzających nas Danii, Holandii i Rosji. Kraje znajdujące się wyżej w tym „rankingu” (Islandię, państwa skandynawskie, a także m.in. Francję, Niemcy, Węgry i Włochy) cechowało zdecydowanie większe bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej.

Tak znikomy udział geotermii w Polsce może dziwić, zwłaszcza z uwagi na odpowiednią bazę zasobową, a także ze względu na konieczność wprowadzania niskoemisyjnych źródeł ciepła. Po raz kolejny trzeba zatem podkreślić, że Polska posiada odpowiednie warunki, sprzyjające szerszemu wykorzystywaniu energii geotermalnej. Wody dostępne obecnie do eksploatacji występują na głębokościach do ok. 4 km, mają zróżnicowane temperatury od ok. 20°C do 80-95°C (lokalnie, głębiej stwierdzono gorętsze wody). Są one odpowiednie do zastosowań w różnorodnych celach grzewczych (w tym w sieciach c.o.), rolnictwie, a także w balneoterapii i rekreacji. Duże możliwości rozwoju związane są także ze sprężarkowymi pompami ciepła („płytka geotermia”). W niektórych przypadkach istnieją ponadto warunki temperaturowe do produkcji energii elektrycznej w układach binarnych (o mocach kilkadziesiąt czy kilkaset kWe), zwykle w kogeneracji z ciepłem (9, 10).

Ceny ciepła dla odbiorców korzystających z geotermalnych systemów grzewczych (wg taryf URE) są konkurencyjne w porównaniu do ciepła pozyskiwanego ze źródeł kopalnych – ich zestawienie z cenami ciepła sprzedawanego przez inne zakłady ciepłownicze przekonuje, że mieszczą się w przedziale cenowym, a nierzadko są niższe niż ceny energii z gazu (i nieco wyższe niż z węgla), wykazując stabilność na przestrzeni lat11. Rysunki 1 i 2 prezentują ważne informacje, potwierdzające zasadność odpowiedniego rozwoju ciepłownictwa geotermalnego.

Rys. 1. Porównanie kosztów ogrzewania z różnych źródeł ciepła dla odbiorców indywidualnych w Zakopanem w latach 1998-2012

Rys. 2. Porównanie kosztów ogrzewania z różnych źródeł ciepła dla odbiorców i wielkoskalowych w Zakopanem w latach 1998-2012

W 2015 roku i kilku poprzednich latach wykonano lub też realizowano projekty badawcze, badawczo-rozwojowe, różnego rodzaju opracowania i studia dotyczące problematyki geotermalnej, a także prace przedinwestycyjne i inwestycje. Niektóre z nich to:
- dwie kolejne publikacje z serii regionalnych atlasów geotermalnych Polski: w 2012 r. wydano „Atlas zasobów geotermalnych Zapadliska Przedkarpackiego” (13), natomiast w 2013 r. „Atlas geotermalny Karpat wschodnich”14. Wraz z wcześniejszymi pracami dla Niżu Polskiego i Karpat zachodnich, Małopolski i Górnego Śląska, obejmują ponad 80% terytorium Polski. Wydano także opracowanie dotyczące podstaw geotermii „płytkiej” pod kątem warunków krajowych (15), a niedawno także „Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła”, opracowane z inicjatywy PORT PC (2014, 2015),
- projekty badawczo-rozwojowe dotyczące problemów technologicznych, związanych z eksploatacją systemów geotermalnych, w tym poprawy chłonności otworów i skał zbiornikowych w polskich zakładach geotermalnych16, kompleksowego wykorzystana wód geotermalnych i sposobów ich optymalnej utylizacji, poprawy efektywności działania wybranych zakładów, projekty badawcze dotyczące zdefiniowania potencjalnych systemów HDR w Polsce (9), a także struktur perspektywicznych dla skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w układach binarnych( 10),
- udział zespołów z Polski w kilku projektach unijnych: „Społeczności geotermalne”, GEOCOM, w ramach (7). Programu ramowego (17) „Promowanie geotermalnego ciepłownictwa sieciowego w Europie”, GeoDH, w ramach Programu Inteligentna Energia Europa, IEE (18) „Energia geotermalna dla transgranicznego regionu Nysy”;
- opracowania dotyczące zasobów energii geotermalnej, sposobów ich zagospodarowania, warunków wykonalności i opłacalności projektów dla jednostek samorządowych, podmiotów publicznych oraz potencjalnych inwestorów (niekiedy z uwzględnieniem innych rodzajów OZE).

Realizowane są głównie projekty w zakresie rekreacji i balneoterapii (kilkanaście), natomiast autorce wiadomo jedynie o trzech nowych projektach w różnych stadiach zaawansowania (dwa z nich dotyczą kogeneracji) w obszarze ciepłownictwa geotermalnego. Prace modernizacyjne, niekiedy rozbudowę sieci, prowadzą bądź planują działające już ciepłownie geotermalne. W porównaniu z innymi krajami jest to jednak nadal bardzo nieznaczny rozwój.

Aby wypracować podstawy dla zwiększenia wykorzystania energii geotermalnej w kraju w sposób skuteczny i efektywny ekonomicznie, Polskie Stowarzyszenie Geotermiczne od kilku lat proponuje koncepcję rozwoju geotermii, skierowaną do samorządów i inwestorów, którzy wyrażą tym zainteresowanie, funkcjonują na obszarach perspektywicznych pod względem zasobów geotermalnych, już posiadają sieci grzewcze itp., do których geotermia mogłaby zostać wprowadzona. Siłę takiego podejścia wzmacnia potrzeba zwiększenia i racjonalnego wykorzystania krajowych lokalnych źródeł energii. Zasadność proponowanej koncepcji potwierdzają przykłady innych krajów europejskich, w których rozwój geociepłownictwa jest przedmiotem zainteresowania i działań ze strony organów rządowych, a nie tylko środowisk i organizacji branżowych.

Kierunki rozwoju wykorzystania energii geotermalnej w Polsce

Organizacje i środowiska branżowe wskazują, że szczególnie ważną dziedziną dla energetycznego rozwoju geotermii w Polsce jest szeroko rozumiane ciepłownictwo. Przyczyniłoby się ono w wielu miejscowościach do znaczącego ograniczenia zużycia tradycyjnych paliw i emisji zanieczyszczeń, wzrostu udziału OZE na rynkach ciepła, bezpieczeństwa dostaw oraz stabilizacji cen. Także inne sposoby stosowania ciepła wydają się perspektywiczne. Obiecującymi kierunkami są rekreacja i lecznictwo. W niektórych przypadkach możliwa byłaby produkcja prądu elektrycznego przy zastosowaniu wód o temperaturach powyżej 80-100°C, w instalacjach binarnych o niewielkich mocach, zwykle w kogeneracji z ciepłem. Bardziej szczegółowemu rozpoznaniu tych możliwości służyły wspomniane projekty badawcze, dotyczące określenia lokalizacji i warunków produkcji skojarzonej energii cieplnej i elektrycznej, a także struktur typu HDR w Polsce. Spodziewany jest też dalszy rozwój tzw. płytkiej geotermii dzięki pompom ciepła.

Argumentami, potwierdzającymi, że podane sposoby zagospodarowania energii geotermalnej w Polsce na większą niż dotychczas skalę będą efektywne ekonomicznie, są obserwowany rozwój oraz realizacja wielu projektów inwestycyjnych w Europie, także w krajach o zbliżonych do polskich warunkach i parametrach złożowych.

Źródła

(1) Bertani R.: Geothermal power generation in the world 2010 – 2014 update report. Proceedings of the World Geothermal Congress 2015. Australia – New Zealand 2015.
(2) EGEC Market Report 2013/2014. EGEC Pbs. Brussels.
(3) Lund J.W., Boyd T.L.: Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review. Proceedings of the World Geothermal Congress 2015. Australia – New Zealand 2015.
(4) Kępińska B.: Geothermal Energy Country Update Report from Poland, 2010-2014. Proceedings of the World Geothermal Congress 2015. Australia – New Zealand 2015.
(5) www.egec.org
(6) www.portpc.pl
(7) Antics M., Bertani R., Sanner B.: Summary of EGC 2013 country update reports on geothermal energy in Europe. Proceedings of the EGC2013. 3-6 june 2013 (electronic version).
(8) Berent-Kowalska G., Kacprowska J., Moskal I., Jurgaś A., Kacperczyk G. (i in.): Energia ze źródeł odnawialnych w 2013 r. Informacje i opracowania statystyczne. GUS. Warszawa 2014.
(9) Wójcicki A., Sowiżdżał A., Bujakowski W. (i in.): Ocena potencjału, bilansu cieplnego i struktur geologicznych perspektywicznych dla zamkniętych systemów geotermalnych (Hot Dry Rocks) w Polsce. Warszawa – Kraków 2013.
(10) Bujakowski W., Tomaszewska B. (i in.): Atlas możliwości wykorzystania wód geotermalnych do skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła przy zastosowaniu systemów binarnych w Polsce. Kraków 2014.
(10) Pająk L., Bujakowski W.: Porównanie cen energii cieplnej pochodzącej z instalacji geotermalnych z konwencjonalnymi źródłami na podstawie taryf rozliczeniowych: technika poszukiwań geologicznych. „Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, Zrównoważony Rozwój” 1/2013.
(11) Ślimak, C.: PEC Geotermia Podhalańska SA – stan obecny, perspektywy rozwoju. Ekologicznie i ekonomicznie „na plusie”. „Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, Zrównoważony Rozwój” 1/2013.
(12) Górecki W., Hajto M. (i in.): Atlas geotermalny Karpat zachodnich. AGH KSE. Kraków2011.
(13) Górecki W., Sowiżdżał A. (i in.): Atlas geotermalny zapadliska przedkarpackiego. AGH KSE. Kraków 2012.
(14) Kapuściński J., Rodzoch A.: Geotermia niskotemperaturowa w Polsce i na świecie. Wyd. Borgis. Warszawa 2010.
(15) Kępińska B., Bujakowski W., Tomaszewska B., Pająk T., Bielec B., Banaś J., Pawlikowski M., Solarski W., Mazurkiewicz B., Miecznik M.: (16) Wytyczne projektowe poprawy chłonności w związku z zatłaczaniem wód termalnych w polskich zakładach geotermalnych. Kraków 2011.
(17) www.geothermalcommunities.eu
(18) www.geodh.eu