STAN TERMICZNY ZIEMI

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

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

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

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

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

-1

W układzie SI strumień ciepła ma wymiar [mW/ m

]

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

JSC

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

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

 Złoża par geotermalnych temp. 150 - 200

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

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

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)

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.

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.