Ce este energia geotermală? Definiție, exemple și cum funcționează

Energia geotermală este energia produsă prin conversia aburului sau a apei geotermale în electricitate care poate fi utilizată de consumatori. Deoarece această sursă de electricitate nu se bazează pe resurse neregenerabile precum cărbunele sau petrolul, poate continua să ofere o sursă de energie mai sustenabilă în viitor.

Deși există și impacturi negative, procesul de valorificare a energiei geotermale este regenerabil și duce la o degradare ecologică mai mică decât alte surse tradiționale de energie.

Definiția energiei geotermale

Provenind din căldura nucleului Pământului, energia geotermală poate fi utilizată pentru a genera electricitate în centrale geotermale sau pentru a încălzi locuințe și a furniza apă caldă prin încălzire geotermală. Această căldură poate proveni din apă fierbinte care este convertită în abur printr-un rezervor flash – sau, în cazuri rare, direct din aburul geotermal.

Indiferent de sursa sa, se estimează că căldura situată în primii 10.058 metri (aproximativ 10 km) de sub suprafața Pământului conține de 50.000 de ori mai multă energie decât rezervele mondiale de petrol și gaze naturale, conform Union of Concerned Scientists.

Pentru a produce electricitate din energie geotermală, o zonă trebuie să aibă trei caracteristici majore: suficient fluid, căldură suficientă din nucleul Pământului și permeabilitate care permite fluidului să interacționeze cu roca încălzită. Temperaturile trebuie să fie de cel puțin 149°C pentru a produce electricitate, dar trebuie să depășească doar 20°C pentru utilizarea în încălzirea geotermală.

Fluidul poate apărea în mod natural sau poate fi pompat într-un rezervor, iar permeabilitatea poate fi creată prin stimulare – ambele prin intermediul unei tehnologii cunoscute sub numele de sisteme geotermale îmbunătățite (EGS).

Rezervoarele geotermale naturale sunt zone ale scoarței terestre din care energia poate fi valorificată și utilizată pentru a produce electricitate. Aceste rezervoare apar la diverse adâncimi în scoarța terestră, pot fi dominate de vapori sau de lichid și se formează acolo unde magma ajunge suficient de aproape de suprafață pentru a încălzi apa subterană situată în fracturi sau roci poroase. Rezervoarele care se află la 1 sau 2 mile (aproximativ 1,6 – 3,2 km) de suprafața Pământului pot fi apoi accesate prin foraje. Pentru a le exploata, inginerii și geologii trebuie mai întâi să le localizeze, adesea prin forarea de puțuri de testare.

Cum funcționează energia geotermală

Procesul de captare a energiei geotermale implică utilizarea centralelor geotermale sau a pompelor de căldură geotermale pentru a extrage apă de înaltă presiune din subteran. După ce ajunge la suprafață, presiunea este scăzută și apa se transformă în abur. Aburul rotește turbine conectate la un generator de energie, creând astfel electricitate. În cele din urmă, aburul răcit se condensează în apă care este pompată în subteran prin puțuri de injecție.

Iată cum funcționează captarea energiei geotermale în mai multe detalii:

1. Căldura din scoarța terestră creează abur

Energia geotermală provine din aburul și apa fierbinte de înaltă presiune care există în scoarța terestră. Pentru a capta apa fierbinte necesară pentru a alimenta centralele geotermale, puțurile se extind până la 2 mile (aproximativ 3,2 km) sub suprafața Pământului. Apa fierbinte este transportată la suprafață sub presiune înaltă până când presiunea scade deasupra solului – transformând apa în abur.

În circumstanțe mai limitate, aburul iese direct din pământ, fără a fi convertit mai întâi din apă, așa cum este cazul la The Geysers din California.

2. Aburul rotește turbina

Odată ce apa geotermală este convertită în abur deasupra suprafeței Pământului, aburul rotește o turbină. Rotația turbinei creează energie mecanică care poate fi în cele din urmă convertită în electricitate utilă. Turbina unei centrale geotermale este conectată la un generator geotermal, astfel încât, atunci când se rotește, se produce energie.

Deoarece aburul geotermal include de obicei concentrații ridicate de substanțe chimice corozive, cum ar fi clorurile, sulfații, hidrogenul sulfurat și dioxidul de carbon, turbinele trebuie să fie fabricate din materiale rezistente la coroziune.

3. Generatorul produce electricitate

Rotorii unei turbine sunt conectați la arborele rotorului unui generator. Atunci când aburul rotește turbinele, arborele rotorului se rotește, iar generatorul geotermal convertește energia cinetică – sau mecanică – a turbinei în energie electrică ce poate fi utilizată de consumatori.

4. Apa este injectată înapoi în pământ

Când aburul utilizat în producția de energie hidrotermală se răcește, se condensează înapoi în apă. De asemenea, poate exista apă rămasă care nu este convertită în abur în timpul generării de energie. Pentru a îmbunătăți eficiența și sustenabilitatea producției de energie geotermală, excesul de apă este tratat și apoi pompat înapoi în rezervorul subteran prin injecție în puțuri adânci.

În funcție de geologia regiunii, acest lucru poate necesita presiune înaltă sau deloc, ca în cazul The Geysers, unde apa pur și simplu cade în puțul de injecție. Odată ajunsă acolo, apa este reîncălzită și poate fi utilizată din nou.

Costul energiei geotermale

Centralele geotermale necesită costuri inițiale ridicate, adesea aproximativ 2.500 USD pe kilowatt instalat (kW) în Statele Unite. Acestea fiind spuse, odată ce o centrală geotermală este finalizată, costurile de operare și întreținere sunt între 0,01 USD și 0,03 USD pe kilowatt-oră (kWh) – relativ scăzute în comparație cu centralele pe cărbune, care tind să coste între 0,02 USD și 0,04 USD pe kWh.

Mai mult, centralele geotermale pot produce energie mai mult de 90% din timp, astfel încât costul de operare poate fi acoperit cu ușurință, mai ales dacă costurile energiei pentru consumatori sunt ridicate.

Tipuri de centrale geotermale

Centralele geotermale sunt componentele de suprafață și subterane prin care energia geotermală este convertită în energie utilă – sau electricitate. Există trei tipuri principale de centrale geotermale:

Abur uscat

Într-o centrală geotermală tradițională cu abur uscat, aburul călătorește direct de la puțul de producție subteran către turbina de suprafață, care se rotește și generează energie cu ajutorul unui generator. Apa este apoi returnată în subteran printr-un puț de injecție.

Este important de menționat că The Geysers din nordul Californiei și Parcul Național Yellowstone din Wyoming sunt singurele două surse cunoscute de abur subteran din Statele Unite.

The Geysers, situat la granița dintre comitatele Sonoma și Lake din California, a fost prima centrală geotermală din SUA și acoperă o suprafață de aproximativ 45 de mile pătrate (aproximativ 116,5 km pătrați). Centrala este una dintre cele doar două centrale cu abur uscat din lume și constă, de fapt, din 13 centrale individuale cu o capacitate combinată de generare de 725 megawați de electricitate.

Abur rapid (Flash Steam)

Centralele geotermale cu abur rapid (Flash Steam) sunt cele mai comune în funcțiune și implică extragerea apei fierbinți de înaltă presiune din subteran și transformarea acesteia în abur într-un rezervor flash. Aburul este apoi utilizat pentru a alimenta turbinele generatorului; aburul răcit se condensează și este injectat prin puțuri de injecție. Apa trebuie să fie peste 182°C pentru ca acest tip de centrală să funcționeze.

Ciclul binar

Al treilea tip de centrală geotermală, centralele cu ciclu binar, se bazează pe schimbătoare de căldură care transferă căldura de la apa subterană către un alt fluid, cunoscut sub numele de fluid de lucru, transformând astfel fluidul de lucru în abur. Fluidul de lucru este de obicei un compus organic, cum ar fi un hidrocarbură sau un agent frigorific, care are un punct de fierbere scăzut. Aburul de la fluidul schimbătorului de căldură este apoi utilizat pentru a alimenta turbina generatorului, ca și în cazul altor centrale geotermale.

Aceste centrale pot funcționa la o temperatură mult mai scăzută decât cea necesară pentru centralele cu abur rapid – doar 107°C până la 182°C.

Sisteme geotermale îmbunătățite (EGS)

Numite și sisteme geotermale proiectate, sistemele geotermale îmbunătățite fac posibil accesul la resurse energetice dincolo de ceea ce este disponibil prin generarea tradițională de energie geotermală.

EGS extrage căldura din Pământ prin forarea în roca de bază și crearea unui sistem subteran de fracturi care poate fi umplut cu apă prin puțuri de injecție.

Cu această tehnologie, disponibilitatea geografică a energiei geotermale poate fi extinsă dincolo de vestul Statelor Unite. De fapt, EGS ar putea ajuta SUA să crească generarea de energie geotermală de 40 de ori față de nivelurile actuale. Aceasta înseamnă că tehnologia EGS poate furniza aproximativ 10% din capacitatea electrică actuală din SUA.

Avantajele și dezavantajele energiei geotermale

Energia geotermală are un potențial uriaș pentru crearea de energie mai curată și mai regenerabilă decât este disponibil cu sursele tradiționale de energie, cum ar fi cărbunele și petrolul. Cu toate acestea, la fel ca în cazul majorității formelor de energie alternativă, există atât avantaje și dezavantaje ale energiei geotermale care trebuie recunoscute.

Unele avantaje ale energiei geotermale includ:

• Mai curată și mai sustenabilă. Energia geotermală nu este doar mai curată, ci și mai regenerabilă decât sursele tradiționale de energie, cum ar fi cărbunele. Aceasta înseamnă că electricitatea poate fi generată din rezervoarele geotermale pentru o perioadă mai lungă și cu un impact mai limitat asupra mediului.
• Amprentă redusă. Valorificarea energiei geotermale necesită doar o amprentă mică de teren, făcând mai ușoară găsirea de locații potrivite pentru centralele geotermale.
• Producția este în creștere. Inovația continuă în industrie va duce la o producție mai mare în următorii 25 de ani. De fapt, producția este probabil să crească de la 17 miliarde kWh în 2020 la 49,8 miliarde kWh în 2050.

Dezavantajele includ:

• Investiția inițială este ridicată. Centralele geotermale necesită o investiție inițială ridicată, de aproximativ 2.500 USD pe kW instalat, comparativ cu aproximativ 1.600 USD pe kW pentru turbinele eoliene. Cu toate acestea, costul inițial al unei noi centrale pe cărbune poate ajunge la 3.500 USD pe kW.
• Poate duce la creșterea activității seismice. Forarea geotermală a fost asociată cu o creștere a activității seismice, mai ales atunci când se utilizează EGS pentru a crește producția de energie.
• Cauzează poluarea aerului. Datorită substanțelor chimice corozive adesea găsite în apa și aburul geotermal, cum ar fi hidrogenul sulfurat, procesul de producere a energiei geotermale poate cauza poluarea aerului.

Energia geotermală în Islanda

Pionieră în generarea de energie geotermală și hidrotermală, primele centrale geotermale din Islanda au fost puse în funcțiune în 1970. Succesul Islandei cu energia geotermală se datorează în mare parte numărului mare de surse de căldură din țară, inclusiv numeroase izvoare termale și peste 200 de vulcani.

Energia geotermală constituie în prezent aproximativ 25% din producția totală de energie a Islandei. De fapt, sursele de energie alternativă reprezintă aproape 100% din electricitatea națiunii. Pe lângă centralele geotermale dedicate, Islanda se bazează și pe încălzirea geotermală pentru a contribui la încălzirea locuințelor și a apei menajere, încălzirea geotermală deservind aproximativ 87% dintre clădirile din țară.

Unele dintre cele mai mari centrale geotermale din Islanda sunt:

• Centrala electrică Hellisheiði. Centrala electrică Hellisheiði generează atât electricitate, cât și apă caldă pentru încălzire în Reykjavik, permițând centralei să utilizeze resursele de apă mai economic. Situată în sud-vestul Islandei, centrala cu abur rapid este cea mai mare centrală de cogenerare din țară și una dintre cele mai mari centrale geotermale din lume, cu o capacitate de 303 MWe (megawați electrici) și 133 MWth (megawați termici) de apă caldă. Centrala dispune și de un sistem de reinjecție a gazelor necondensabile pentru a contribui la reducerea poluării cu hidrogen sulfurat.
• Centrala geotermală Nesjavellir. Situată pe Dorsala Medio-Atlantică, Centrala geotermală Nesjavellir produce aproximativ 120 MW de energie electrică și aproximativ 1108,9 litri de apă fierbinte (80°C până la 85°C) pe secundă. Pusă în funcțiune în 1998, centrala este a doua ca mărime din țară.
• Centrala electrică Svartsengi. Cu o capacitate instalată de 75 MW pentru producția de electricitate și 190 MW pentru căldură, centrala Svartsengi a fost prima din Islanda care a combinat producția de electricitate și căldură. Intrată în funcțiune în 1976, centrala a continuat să crească, cu extinderi în 1999, 2007 și 2015.

Pentru a asigura sustenabilitatea economică a energiei geotermale, Islanda aplică o abordare numită dezvoltare pas cu pas. Aceasta implică evaluarea condițiilor sistemelor geotermale individuale pentru a minimiza costul pe termen lung al producerii energiei. Odată ce primele puțuri productive sunt forate, producția rezervorului este evaluată, iar pașii de dezvoltare viitori se bazează pe acea producție.

Din punct de vedere ecologic, Islanda a luat măsuri pentru a reduce impactul dezvoltării energiei geotermale prin utilizarea evaluărilor impactului asupra mediului care evaluează criterii precum calitatea aerului, protecția apei potabile și protecția vieții acvatice la alegerea locațiilor centralelor.

Preocupările legate de poluarea aerului asociate emisiilor de hidrogen sulfurat au crescut, de asemenea, considerabil ca urmare a producției de energie geotermală. Centralele au abordat această problemă prin instalarea de sisteme de captare a gazelor și injectarea gazelor acide în subteran.

Angajamentul Islandei față de energia geotermală se extinde dincolo de granițele sale, în Africa de Est, unde țara s-a asociat cu Programul Națiunilor Unite pentru Mediu (UNEP) pentru a extinde accesul la energia geotermală.

Situată deasupra Sistemului Marelui Rift Est-African – și a întregii activități tectonice asociate – zona este deosebit de potrivită pentru energia geotermală. Mai exact, agenția ONU estimează că regiunea, care este adesea supusă unor penurii grave de energie, ar putea produce 20 de gigawați de electricitate din rezervoarele geotermale.