1

STAN TERMICZNY ZIEMI

Ziemia ma

zewnętrzne i wewnętrzne źródło ciepła.

ciepło zewnętrzne: promienie słoneczne. Źródłem energii promieniowanej przez

Słońce są reakcje termojądrowe przemiany wodoru w hel, zachodzące w jego

wnętrzu.

Ciepło słoneczne przenika w głąb skorupy ziemskiej bardzo powoli i na

niewielkie głębokości.

- zmiany dobowe sięgają do 1 m

- zmiany sezonowe (związane z porami roku) do 5-6 m.

- przemarzanie sięga do 1,2 – 1,5 m

- na głębokości 15-20 m panuje stała temperatura (strefa termicznie

neutralna

) równa w przybliżeniu średniej rocznej temperaturze danego

miejsca. Na głębokości 20 m zmiany są nie dostrzegalne.

ciepło wewnętrzne:

- z zapasu ciepła z okresu tworzenia się Ziemi (ciepło pierwotne)

- z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, szczególnie toru, uranu i

potasu. Ilość substancji promieniotwórczych jest największa w skałach

kwaśnych, mniejsza w zasadowych, np. w granicie uranu jest 4 razy

więcej niż w bazalcie, potasu 3 razy, a toru około 10 razy więcej.

O istnieniu własnego źródła ciepła Ziemi świadczy wzrost temperatury wraz z

g

łębokością (stwierdza się to w kopalniach i otworach wiertniczych). Wzrost ten

wyraża się stopniem geotermicznym.

stopień geotermiczny - liczba metrów przypadająca na wzrost temperatury o 1°C;

opisuje natężenie przepływu ciepła z wnętrza Ziemi na jej powierzchnię

gradient geotermiczny -

wzrost temperatury przypadający na wzrost głębokości o 1

m (wyrażany często jako wzrost temperatury na 1 km czy tez na 100 m)

Wzrost temperatury jest w różnych miejscach różny i zależy od:



charakteru skał i ich przewodnictwa cieplnego



ułożenia skał



zawodnienia



bliskości źródeł gorących, wulkanów i wgłębnych ognisk magmowych

Przykłady:

Budapeszt 15 m/1°C

Szubin (Kujawy) 33 m/1°C

2

Pisz (Mazury) 90 m/1°C

Sudety 25 m/1°C

Gdańsk 65 m/1°C

Witwaters (Afryka Poł.) 117 m/1°C

Bahamy 180 m/1°C

Średnia dla zachodniej Europy 33 m/1°C

3

Zgodnie ze stopniem geotermicznym

temperatura rośnie do głębokości około 100

km, dalej przyrost jest mniejszy. Na głębokości 100 km temperatura wynosi 1000°C,

na 1000 km około 2000°C, a gwałtowny skok następuje na granicy płaszcza z jądrem

od 27

00°C do około 4800°C. W jądrze wynosi ponad 6000°C.

Strumień ciepła

Istnienie gradientu ciepła skierowanego ku górze sprawia, że z głębi Ziemi do jej

p

owierzchni istnieje stały dopływ ciepła

– strumień ciepła Q = K*r

gdzie: K

– przewodność cieplna, r – gradient

Strumień ciepła mierzony jest w jednostkach strumienia ciepła 1 JSC=1μcal cm

-2

s

-1

W układzie SI strumień ciepła ma wymiar [mW/ m

2

]

Niektóre średnie wartości ciepła dla kontynentów:

Obszary prekambryjskie < 1 JSC

Platformy paleozoiczne 1,5 JSC

Obszary fałdowań kenozoicznych 1,7 JSC

Kenozoiczne obszary wulkaniczne 2,1 JSC

Dla oceanów:

Atlantyk 1,4 JSC

Indyjski 1,4 JSC

Pacyfik 1,7 JSC

Średni światowy strumień cieplny

Kontynenty 1,49 JSC

Oceany 1,65 JSC

Od Słońca 4,2 *10

3

JSC

4

Mapa gęstości strumienia cieplnego na obszarze Niżu Polskiego (J. Szewczyk, D.

Gientka 2006)

Ciepło Ziemi wykorzystywane jest do produkcji energii geotermalnej

Charakterystyka systemów hydrotermalnych:
Energia geotermalna jest wewnętrznym ciepłem Ziemi, zakumulowanym w systemach
hydrotermalnych lub suchych skałach. Współcześnie korzysta się z tej części ciepła Ziemi,
które zawarte jest głównie w zbiornikach (złożach) wód lub par znajdujących się na
głębokościach do 3 - 4 km. Zbiorniki geotermalne złożone są ze skał o wysokiej porowatości
lub szczelinowatości oraz przepuszczalności, co sprzyja akumulacji dużych ilości wód i

5

zawartego w nich ciepła. Wody lub pary są „nośnikami”, transportującymi ciepło na
powierzchnię.

 Złoża par geotermalnych temp. 150 - 200

o

C. (złoża wysokotemperaturowe, złoża o

wysokiej entalpii) występują w obszarach współczesnej lub niedawnej aktywności
wulkanicznej lub tektonicznej. Bezpośrednim źródłem ciepła jest magma.

 Złoża wód geotermalnych niskotemperaturowe, (złoża o niskiej entalpii) zawierają

wody o temperaturach niższych od 150

o

C. Źródłem ciepła jest głównie naturalny

strumień cieplny Ziemi. Systemy niskotemperaturowe ze złożami wód geotermalnych
są powszechne i występują na znacznie większych obszarach w porównaniu z
systemami wysokotemperaturowymi. I tak np. w USA tylko 5% charakteryzuje się
temperaturami powyżej 150oC, a 85% - poniżej 90oC. Złoża wód geotermalnych
eksploatowane są głównie w celach tzw. bezpośredniego wykorzystania.

 Znaczne ilości ciepła są zawarte również w gorących suchych masywach skalnych,

które nie zawierają wód ani par, natomiast same w sobie są rezerwuarami ciepła.
Masywy takie związane są ze strefami ryftowymi, strefami subdukcji.

Metody pozyskiwania energii geotermalnej

1. Eksploatacja głęboko zalegających złóż wód geotermalnych za pomocą otworów

wiertniczych. Gdy złoża wód występują na głębokościach rzędu 1 - 3 km. Wody są
wydobywane z odwiertów przy pomocy pomp, niekiedy wypływ ma charakter
artezyjski.



W zamkniętym układzie otworów

produkcyjnych

i

chłonnych:

schłodzona woda geotermalna po
odebraniu części zawartego w niej
ciepła jest zatłaczana z powrotem do
złoża.

Prowadzenie

procesu

wydobycia i zatłaczania w obrębie
jednego poziomu zbiornikowego lub
w obrębie poziomów posiadających

kontakt

hydrodynamiczny

tworzy

„obieg zamknięty”, który zapewnia
odnawialność

zasobów

wód

podziemnych i podtrzymanie ciśnienia
złożowego,

przy

równoczesnym

spełnieniu

wymogów

ochrony

środowiska.



W otwartym układzie otworów:

schłodzona woda geotermalna po
odebraniu części zawartego w niej
ciepła jest odprowadzana do odbiornika powierzchniowego lub stosowana do
innych celów, np. jako woda pitna (jeśli spełnia odpowiednie normy), czy też
woda do napełniania basenów kąpielowych.

2. Eksploatacja wód geotermalnych wypływających z naturalnych źródeł (np. dla celów

leczniczych i kąpieliskowych).

3. Eksploatacja ciepła geotermicznego z przypowierzchniowych partii

skorupy ziemskiej (pompy ciepła). Niskotemperaturowe układy
grzewcze z pompami ciepła - płytka geotermia (10-30°C)

6

Najczęściej stosowany typ pompy ciepła - sprężarkowa pompa ciepła - to urządzenie
umożliwiające podniesienie, przy pomocy dostarczonej
energii mechanicznej, ciepła niskotemperaturowego na
poziom wyższych temperatur, użytecznych dla celów
grzewczych.

4. Gorące suche skały (ang. Hot Dry Rock, HDR), nowsza nazwa:
wspomagane

systemy

geotermalne

(ang.

Enhanced

Geothermal Systems, EGS). Dotyczy to masywów skalnych,
które są zwięzłe, niespękane, a przez to „suche”, czyli
pozbawione odpowiednich własności zbiornikowych i nie
zawierają wód. Głębokość 2 -5 km, temp. ≥150°C

Polska - podobnie jak i niemal wszystkie kraje europejskie -
leży poza strefami współczesnej aktywności wulkanicznej.
Praktycznie nie istnieją warunki do występowania zasobów i
złóż par wysokotemperaturowych). Znajdujemy się w
obszarze niskotemperaturowych zasobów i złóż energii
geotermalnej

-

posiadamy

naturalne

baseny

sedymentacyjno-strukturalne

wypełnione

wodami

geotermalnymi.
Możliwości wykorzystania wód geotermalnych w Polsce
dotyczą 40% obszaru kraju. Wydobycie jest opłacalne, gdy
do głębokości 2 km temperatura osiąga 65 °C, zasolenie nie
przekracza 30 g/l a także gdy wydajność źródła jest
odpowiednia.
Pierwszy w Polsce Zakład Geotermalny w Bańskiej-Białym Dunajcu powstał w latach 1989-
1993. Od kilku lat z odwiertów i instalacji korzysta PEC Geotermia Podhalańska SA, która
dostarcza ciepło do większości domów w Zakopanem.
Główny poziom wód geotermalnych znajduje się w skałach węglanowych eocenu
środkowego i triasu środkowego. Zalegają one na głębokości od kilkuset metrów do 1,5 km
w rejonie Zakopanego i do 2,5–3,5 km w północnej części Podhala (rejon Bańskiej Niżnej –
Chochołowa). System eksploatacji złoża wód geotermalnych jest układem zamkniętym,
pozwala to na zachowanie odnawialności złoża.

7

8

Zbiorniki geotermalne w utworach mezozoiku i paleozoiku

Zasoby wód geotermalnych na Niżu Polskim związane są z warstwami wodonośnymi ery
mezozoicznej i paleozoicznej. Wody geotermalne zakumulowane są głównie w formacjach
piaszczystych dolnej kredy i dolnej jury. Znaczne zasoby energii geotermalnej
zakumulowane są również w wodach zbiorników: górnojurajskiego, środkowojurajskiego,
górnotriasowego i dolnotriasowego. W osadach paleozoiku najbardziej zasobnym
zbiornikiem jest zbiornik dewoński. Analiza rozkładu zasobów statycznych w najwyższej
klasie temperaturowej wykazuje dominujący udział tych zasobów dla zbiornika
dolnopermskiego. Natomiast najbardziej zasobnym zbiornikiem jest zbiornik dolnojurajski.

9