Geotermia: ciepło spod ziemi. Stabilne, czyste i niewykorzystane

Z Markiem Hajto – specjalistą w dziedzinie geotermii, rozmawiamy o tym, dlaczego pomimo posiadania zasobów geotermalnych ciepło z ziemi nie ogrzewa naszych kaloryferów.

(Wywiad jest zredagowaną i uzupełnioną wersją podcastu Czy masz świadomość? pt. Geotermia – ciepło w Twoim domu).

Rafał Górski: Energia geotermalna to energia cieplna, która pochodzi z wnętrza ziemi. To jest najprostsza definicja energii geotermalnej, która jest respektowana w Europie i na świecie. W polskim ustawodawstwie próżno szukać definicji energii geotermalnej. Istnieją natomiast zapisy w prawie geologiczno-górniczym, które definiują wodę termalną jako wodę podziemną, która na wypływie z ujęcia ma temperaturę nie mniejszą niż 20 stopni Celsjusza. Przy czym nie są to wody, które pochodzą z odwadniania wyrobisk górniczych. Jak to się stało, że do tej pory nie ma definicji energii geotermalnej w polskim prawie?

Marek Hajto: Brak takiej definicji nie jest żadnym ewenementem. W Europie definicje energii geotermalnej są potoczne i nie są usankcjonowane formalnie w żadnych dokumentach.

Jak działa ciepłownia geotermalna? Jaki związek ma geotermia z naszymi kaloryferami?

W Polsce dostępna technologia i zasoby geotermalne nie pozwalają na efektywne wytwarzanie energii elektrycznej, dlatego środowiska naukowe uważają, że powinniśmy skupić się na ciepłowniczym wykorzystaniu energii geotermalnej.

Instalacja geotermalna składa się z trzech zasadniczych elementów. Pierwszym z nich jest źródło, czyli kilka otworów geotermalnych. Ze względu na wysoką mineralizację wód geotermalnych, ich bezpośrednie wprowadzenie do sieci ciepłowniczej jest niemożliwe. Dlatego drugim elementem instalacji geotermalnej jest część napowierzchniowa, składająca się z wymiennika ciepła, która umożliwia odbiór ciepła z wody geotermalnej i przekazanie go do systemu ciepłowniczego. Trzecim elementem instalacji jest sieć ciepłownicza, która rozprowadza podgrzaną wodę do odbiorców. Z uwagi na ochronę środowiska i konieczność utrzymania określonego reżimu technologicznego, wody geotermalne po wykorzystaniu są zatłaczane z powrotem do złoża za pomocą tzw. otworów zatłaczających.

Na jakich głębokościach znajdują się zasoby geotermalne?

Wszystko zależy od budowy geologicznej i miejsca, w którym chcemy wykorzystać geotermię.

W obszarach aktywności wulkanicznej otwory geotermalne są stosunkowo płytkie, bo już na głębokości 1,5 km mamy do czynienia z temperaturami powyżej 150 stopni Celsjusza.

W innych rejonach świata, np. w Europie, gdzie nie ma młodej aktywności tektonicznej, zasoby geotermalne są zakumulowane w basenach sedymentacyjnych [rozległych zagłębieniach geologicznych, wypełnionych warstwami skał, które magazynują gorącą wodę geotermalną – przyp. red.], dlatego musimy wiercić głębsze otwory. Aby dostarczyć wodę o odpowiedniej temperaturze do polskich sieci ciepłowniczych, nasze otwory muszą mieć od 1500 m do około 3 km głębokości.

Czy Polska ma rozpoznane złoża geotermalne? Jeżeli tak, to kiedy geotermalny potencjał Polski został rozpoznawany? Jak obecnie wygląda wykorzystanie tego potencjału?

W następstwie kryzysu naftowego w latach 70. wiele krajów zaczęło interesować się alternatywnymi źródłami wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Polska zainteresowała się wykorzystaniem energii geotermalnej w sieci ciepłowniczej w latach 80. i 90. Pierwsze projekty i badania rozpoczęto w 1992/3 roku, które zaowocowały budową instalacji geotermalnej na Podhalu w 2003 roku. Kolejne ciepłownie geotermalne pojawiły się w Pyrzycach, w Mszczonowie i w Uniejowie.

W latach 2010–2013 w Polsce powstała seria pięciu atlasów geotermalnych, które obejmują 90% powierzchni kraju. Zostały opracowane przez Katedrę Surowców Energetycznych Akademii Górniczo-Hutniczej. Publikacje te stanowią kluczowe źródło wiedzy o krajowym potencjale geotermalnym i są podstawą dla planowania inwestycji geotermalnych. Osobiście koordynowałem cztery z wyżej wymienionych. Były one finansowane ze środków publicznych: NFOŚiGW, Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Narodowego Centrum Nauki (NCN). Dzięki tym atlasom Polska znajduje się w czołówce krajów europejskich pod względem rozpoznania zasobów geotermalnych.

W analizie Najwyższej Izby Kontroli czytamy, że „Możliwości zagospodarowania ciepła z wód termalnych w Polsce nie były wykorzystane w stopniu adekwatnym do posiadanych zasobów tej energii oraz do korzyści wynikających z jej zastosowania. Wykorzystanie energii geotermalnej stanowi alternatywę dla spalania paliw kopalnych, zmniejsza zależność od niestabilnych rynków i cen gazu, ropy czy węgla. Wody termalne są efektywnym źródłem energii, która w przeciwieństwie do większości odnawialnych źródeł energii jest dostępna zawsze oraz niezależnie od pogody czy też pory roku”. Dlaczego tak mało mówi się o geotermii, a tak dużo o wiatrakach, fotowoltaice czy elektrowni atomowej w Polsce?

Geotermia nie zaspokoi zapotrzebowania Polski na ciepło w takim zakresie, w jakim byśmy sobie tego życzyli.

Powodem jest również fakt istnienia lobby węglowego, które przez dziesięciolecia nie pozwalało na rozwój technologii, w tym technologii OZE [Odnawialnych Źródeł Energii – przyp. red.], z obawy przed zmniejszeniem udziału paliw kopalnych w systemach ciepłowniczych. Trzecim powodem jest to, że kosztowność inwestycji oraz ograniczenia technologiczne sprawiają, że ciepłownie geotermalne sprawdzają się tylko w miastach średniej wielkości, powyżej 5000 mieszkańców, szczególnie tam, gdzie istnieją sieci ciepłownicze

Zapotrzebowanie dużych aglomeracji miejskich, takich jak Kraków czy Warszawa, nie zostałoby zaspokojone, bo wynosi około 1600 MW, a moce geotermalne w ciepłowniach jak dotąd nie przekraczają 40‑50 MW.

Czy istnieje przewaga geotermii nad innymi źródłami energii odnawialnej, którą warto odnotować?

Niestety, nakłady finansowe na budowę źródła geotermalnego są znaczące i obecnie wynoszą kilkadziesiąt milionów złotych.

Natomiast atutem geotermii jest to, że może być wykorzystywana przez całą dobę, każdego dnia.

W polskich warunkach charakteryzuje się brakiem emisji dwutlenku węgla, jest stabilna i redukuje potrzebę korzystania z importowanych surowców. Produkcja ciepła z innych źródeł jest uzależniona od paliw kopalnych, których ceny są niestabilne, a ich gwałtowne wahania są wynikiem geopolitycznych zawirowań na świecie.

Warto też zwrócić uwagę na długą żywotność instalacji. Ciepłownie geotermalne mogą działać przez dziesiątki lat przy relatywnie niskich kosztach operacyjnych. Mimo wydatków związanych z konserwacją i remontami, dobrze zaprojektowana ciepłownia geotermalna pozwala na długotrwałą eksploatację złóż. Dodatkowym elementem przemawiającym za inwestowaniem w geotermię jest możliwość produkcji substancji, które znajdują się w wodach geotermalnych. Obecnie Niemcy oraz Francja koncentrują się na produkcji litów z solanek geotermalnych, ponieważ około 90% litu jest importowane spoza Unii Europejskiej.

Przemysłowe zawartości litu występują w wodach geotermalnych w Dolinie Górnego Renu, w regionie przygranicznym Niemiec, Francji i Szwajcarii: Strasburga, Mannheim, Bazylei. W tych lokalizacjach eksploatuje się złoża geotermalne, wykorzystując je do produkcji energii elektrycznej, ciepła, a także ekstrakcji litu.

Ponadto koszt wytworzenia gigadżula [jednostka miary energii, której używa się w ciepłownictwie – przyp. red.] z energii geotermalnej jest relatywnie niski, zwykle poniżej cen za 1GJ z paliw konwencjonalnych (węgla, gazu, lekkiego oleju opałowego).

Według Pana nasze zapotrzebowanie na ciepło jest na tyle wysokie, że polska geotermia nie jest w stanie mu sprostać. Tymczasem Najwyższa Izba Kontroli stwierdziła, że „zagospodarowanie wód termalnych w Polsce w celach ciepłowniczych nie jest popularne. Pomimo dysponowania znacznymi krajowymi zasobami geotermalnymi, zasoby eksploatacyjne tej energii odpowiadają około połowie rocznej produkcji ciepła”. W raporcie Forum Energii stwierdzono, że „choć dostępne opracowania naukowe przedstawiają rozbieżne wartości potencjału geotermalnego w Polsce, co do jednego istnieje konsensus. Wykorzystanie nawet części potencjału tego źródła energii może znacząco przyczynić się do zaspokojenia krajowego zapotrzebowania na ciepło. W przypadku geotermii płytkiej potencjał ten jest niemal nieograniczony. Jak to się ma do Pana opinii?

Miałem przyjemność koordynowania wielu regionalnych i ogólnopolskich projektów, które były finansowane ze środków publicznych. Już w latach 90. wskazaliśmy ponad 150 miejscowości, w których geotermia mogłaby być wykorzystana do celów ciepłowniczych, np. w Kole, Inowrocławiu, Żyrardowie, Kruszwicy i Koninie.

Ten potencjał geotermalny przez wiele lat nie był odpowiednio wykorzystywany z dwóch względów. Pierwszy to brak środków na rozpoczęcie projektów geotermalnych i wiercenie otworów. Nie dość, że jest to kosztowne przedsięwzięcie, to jeszcze obarczone ryzykiem nieuzyskania parametrów, jakie zakłada projekt robót geologicznych. Prywatni inwestorzy, nie będąc skłonni do podjęcia ryzyka finansowego, czekali na programy finansujące geotermię w formie dotacji do badań rozpoznania geologicznego oraz przez ubezpieczenie wierceń.

Wiercenie otworu do głębokości około 2–2,5 km to koszt około 20 milionów złotych.

W ramach stowarzyszenia geotermicznego chcemy promować rozwiązania już sprawdzone w Europie, takie jak Fundusz Ryzyka Geologicznego, który przyspieszy poszukiwania zasobów geotermalnych i ułatwi ich wykorzystanie przez lokalne społeczności. Do tej pory udało się nam przekonać władze do tego, żeby uruchomiły system wsparcia rozpoznania geologicznego i oceny potencjału geotermicznego w konkretnych lokalizacjach. Te programy zostały uruchomione w latach dwutysięcznych., a ich głównym beneficjentem były gminy, które, jako inicjatorzy projektów geotermalnych, mogły się starać o pozyskanie dotacji z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.

W 2019 r. uruchomiono program wsparcia pt. „Poznanie budowy geologicznej na rzecz kraju”, a w 2020 r. „Udostępnianie wód termalnych w Polsce”, którego celem było wsparcie samorządów w realizacji inwestycji związanych z wykorzystaniem wód termalnych, w tym wykonanie otworów badawczych. Program pokrył do 100% kosztów kwalifikowanych przedsięwzięcia – wiercenia otworu badawczego (brak ryzyka dla gmin). Od 2016 roku zostało odwierconych około 30 otworów, z których większość została udostępniona lokalnym systemom ciepłowniczym.

Kto korzysta, a kto traci na tym, że geotermia do tej pory rozwijała się bardzo powoli?

Zyskują globalni producenci paliw kopalnych, czyli Rosja, Stany Zjednoczone i Australia. Operatorzy systemów energetycznych opartych na konwencjonalnych źródłach, firmy zarządzające elektrowniami węglowymi i gazowymi, a także przedsiębiorstwa zajmujące się transportem paliw kopalnych do ciepłowni gazowych i węglowych również mogą obawiać się konkurencyjności ze strony geotermii. Traci na tym społeczeństwo i odbiorcy energii.

W miejscach, gdzie mamy geotermię, cena gigadżula jest stabilna i relatywnie niska, zwykle poniżej kosztów wytwarzania ciepła z węgla.

Geotermia może współpracować ze źródłami ciepła opartymi o paliwa kopalne i zapewnić ciepłą wodę użytkową przez cały rok oraz stać się źródłem ciepła w systemach grzewczych w miastach (tzw. baseload).

Ponadto zastąpienie bloków węglowych ciepłowniami geotermalnymi poprawia jakość powietrza.

W książce „Wyznania otrzeźwiałego ekologa” autor zastanawia się, czy geotermia jest w stanie sprostać naszemu zapotrzebowaniu na ciepło: „Czytałem niedawno artykuł, w którym stwierdzono, że energia ze źródeł odnawialnych nie jest w stanie sprostać naszemu zapotrzebowaniu. Pytam więc, zapotrzebowaniu na co? Na ekspresy do kawy i szybki szerokopasmowy internet, czy może na czystą wodę pitną i żywe ekosystemy? Na drobnomieszczański żywot w demokracji konsumenckiej, czy na znośną egzystencję wszystkich ludzi?”. Przy okazji mówienia o zaletach geotermii, powinniśmy wspomnieć o tym, że powinna ona współistnieć z polityką ograniczania naszego zapotrzebowania na ciepło. Co Pan na to?

Dywersyfikacja źródeł jest elementem bezpieczeństwa energetycznego państwa. W wielu miejscowościach w Polsce funkcjonują jeszcze systemy ciepłownicze trzeciej generacji, które zasilają domy wodą bądź parą o temperaturze 130 stopni Celsjusza, ale Europa i świat odchodzą już od tego typu rozwiązań. W Polsce podejmuje się próby obniżenia temperatur zasilania, co jednak wymaga termomodernizacji i istotnej ingerencji w systemy dystrybucji ciepła w budynkach, co spotyka się z niechęcią odbiorców.

Geotermia powinna być stosowana w połączeniu z działaniami ograniczającymi zapotrzebowanie na ciepło, zgodnie z dyrektywą EED 2018/2002 (co najmniej 32,5% poprawy efektywności energetycznej do 2030 r.) i krajową ustawą o efektywności energetycznej. Wykorzystanie energii geotermalnej jest najbardziej efektywne, gdy budynki są docieplone, a sieci ciepłownicze zmodernizowane. Dyrektywy RED II/RED III podkreślają konieczność synergii między produkcją OZE a redukcją zużycia energii (zwiększenie udziału energii odnawialnej w końcowym zużyciu energii, np. 27-32% w UE do 2030 r., przy czym ciepłownictwo geotermalne powinno być częścią tej wartości).

Co musi się zmienić po stronie odbiorców, żeby możliwe było osiągnięcie synergii i skutecznego działania geotermii?

Przestarzałe systemy rozprowadzenia ciepła, żeliwne kaloryfery i słabe docieplenie budynków nie pozwalają na zasilanie instalacji temperaturami 50–60 stopni Celsjusza i uzyskanie komfortu cieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych.

Koszt termomodernizacji musiałby zostać poniesiony przez odbiorcę końcowego, a nie wszystkich na to stać, a przede wszystkim odbiorcy końcowi, ze względu na znaczącą ingerencję w substancję mieszkaniową, nie chcą tego robić. Rozwiązaniem tego problemu mogłyby być programy finansowe premiujące postawy związane z oszczędnym zarządzaniem energią w gospodarstwach domowych.

Jakiego pytania ważnego nikt jeszcze Panu nie zadał w tematach, o których rozmawiamy? Jaka jest odpowiedź na to pytanie?

Interesującym mnie zagadnieniem są kwestie techniczne związane z głębokością wierceń geotermalnych, ponieważ może to mieć kluczowe znaczenie dla szerokiego wykorzystania geotermii w lokalizacjach, w których nie występują wody geotermalne.

Na 80% powierzchni Polski możemy wykonać wiercenia, ale istnieją rejony na południu czy wschodzie, ubogie w wody geotermalne.

W takich przypadkach musimy się zastanowić nad innymi formami wykorzystania zasobów geotermalnych np. gorących skał. Systemy tego typu polegają na wierceniu otworów na głębokość 5–6 km w celu bezpośredniego wykorzystania ciepła ze skał. Do jednego otworu wtłacza się wodę bądź inną substancję, a wydobywa się ją drugim otworem. Przykładem może być Kraków, którego zasoby hydrogeotermalne są niewielkie, ale dostępne technologie pozwalają na budowę instalacji geotermalnych o mocy 100 MW. W Polsce nie zrealizowano jeszcze takiego projektu, pomimo kontaktów z zagranicznymi firmami, które rozwijają te technologie. Nadal czekamy na możliwość sfinansowania pilotażowego projektu, w którym ciepło ziemi byłoby wykorzystywane bezpośrednio w systemach ciepłowniczych dużych miast.

Systemy EGS (ang. Enhanced Geothermal Systems) i AGS (ang. Advanced Geothermal Systems) – typu Eavor reprezentują nową generację technologii geotermalnych, które umożliwiają wydajne pozyskiwanie energii cieplnej z głębokich formacji skalnych nawet tam, gdzie naturalne wody termalne są niewystarczające. Dzięki zamkniętemu obiegowi czynnika roboczego, Eavor i podobne systemy oferują stabilną, całoroczną produkcję energii (baseload) przy minimalnym wpływie na środowisko. Technologie te pozwalają na skalowanie mocy i lokalizowanie instalacji w niemal dowolnym terenie, zwiększając bezpieczeństwo energetyczne i niezależność od paliw kopalnych. W połączeniu z nowoczesnymi sieciami ciepłowniczymi, EGS i AGS stanowią obiecującą alternatywę dla konwencjonalnych źródeł energii.

W 2022 roku zespół Katedry Surowców Energetycznych zrealizował projekt badawczy w tym zakresie, na zlecenie EAVOR. Również byłem koordynatorem tego projektu.

Dziękuję za rozmowę.