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, ea poate continua să ofere o sursă de energie mai durabilă în viitor.

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

Definiția energiei geotermale

Provenind din căldura miezului 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 vas de expansiune (flash tank)—sau, în cazuri rare, direct din abur geotermal.

Indiferent de sursa sa, se estimează căldura situată în primii 10.058 de metri, sau 10.06 kilometri, ai suprafeței Pământului conține de 50.000 de ori mai multă energie decât rezervele mondiale de petrol și gaze naturale, conform Uniunii Oamenilor de Știință Îngrijorați.

Pentru a produce electricitate din energie geotermală, o zonă trebuie să aibă trei caracteristici majore: suficient fluid, căldură suficientă din miezul Pământului și permeabilitate care permite fluidului să interacționeze cu roca încălzită. Temperaturile ar trebui să fie de cel puțin 148.89 grade Celsius pentru a produce electricitate, dar trebuie să depășească doar 20 grade Celsius pentru utilizare în încălzirea geotermală.

Fluidul poate fi natural sau pompat într-un rezervor, iar permeabilitatea poate fi creată prin stimulare—ambele printr-o tehnologie cunoscută sub denumirea 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 diferite adâncimi în scoarța Pământului, pot fi dominate de vapori sau de lichid și se formează acolo unde magma călătorește suficient de aproape de suprafață pentru a încălzi apele subterane situate în fisuri sau roci poroase. Rezervoarele care se află la una sau două mile 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 test.

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 redusă și apa se transformă în abur. Aburul rotește turbine care sunt 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 alimentării centralelor geotermale, puțurile se extind până la 3.22 kilometri 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, în loc să fie mai întâi convertit din apă, 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. Rotirea turbinei creează energie mecanică ce 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, este produsă energie.

Deoarece aburul geotermal include de obicei concentrații ridicate de substanțe chimice corozive precum clorura, sulfatul, 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. Când aburul rotește turbinele, arborele rotorului se rotește și generatorul geotermal convertește energia cinetică—sau mecanică—a turbinei în energie electrică ce poate fi utilizată de consumatori.

4. Apa este reintrodusă în pământ

Când aburul utilizat în producția de energie hidrotermală se răcește, se condensează înapoi în apă. De asemenea, poate rămâne apă care nu este convertită în abur în timpul generării de energie. Pentru a îmbunătăți eficiența și durabilitatea 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, cum este cazul la The Geysers, unde apa pur și simplu coboară în puțul de injecție. Odată ajunsă acolo, apa este reîncălzită și poate fi folosită din nou.

Costul energiei geotermale

Centralele geotermale necesită costuri inițiale ridicate, adesea în jur de 2.500 USD per kilowatt (kW) instalat 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 comparativ 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 peste 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 supraterane 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 la turbina de suprafață, care se rotește și generează energie cu ajutorul unui generator. Apa este apoi returnată în subteran printr-un puț de injecție.

De remarcat, 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 S.U.A. și acoperă o suprafață de aproximativ 116.55 kilometri pătrați. Centrala este una dintre cele doar două centrale cu abur uscat din lume și, de fapt, constă din 13 centrale individuale cu o capacitate totală de generare de 725 megawați de electricitate.

Abur instantaneu

Centralele geotermale cu abur instantaneu sunt cele mai comune în funcționare și implică extragerea apei fierbinți de înaltă presiune din subteran și convertirea acesteia în abur într-un vas de expansiune. Aburul este apoi utilizat pentru a alimenta turbinele generatoare; aburul răcit se condensează și este injectat prin puțuri de injecție. Apa trebuie să aibă o temperatură de peste 182.22 grade Celsius 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 la un alt fluid, cunoscut sub denumirea 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 din fluidul schimbătorului de căldură este apoi utilizat pentru a alimenta turbina generatorului, la fel ca în alte centrale geotermale.

Aceste centrale pot funcționa la o temperatură mult mai scăzută decât cea necesară centralelor cu abur instantaneu—doar 107.22 grade Celsius până la 182.22 grade Celsius.

Sisteme geotermale îmbunătățite (EGS)

Denumite 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 rocă de bază și crearea unui sistem subteran de fracturi care pot fi umplute 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 S.U.A. să crească generarea de energie geotermală la de 40 de ori nivelurile actuale. Acest lucru înseamnă că tehnologia EGS poate furniza aproximativ 10% din capacitatea electrică actuală din S.U.A.

Avantajele și dezavantajele energiei geotermale

Energia geotermală are un potențial imens pentru crearea unei energii mai curate și mai regenerabile decât cea disponibilă cu surse de energie mai tradiționale, cum ar fi cărbunele și petrolul. Cu toate acestea, la fel ca în cazul majorității formelor de energie alternativă, există atât avantajele și dezavantajele energiei geotermale care trebuie recunoscute.

Unele avantaje ale energiei geotermale includ:

• Mai curată și mai durabilă. Energia geotermală nu este doar mai curată, ci și mai regenerabilă decât sursele tradiționale de energie, cum ar fi cărbunele. Acest lucru înseamnă că electricitatea poate fi generată din rezervoare geotermale pentru o perioadă mai lungă și cu un impact mai limitat asupra mediului.
• Amprentă mică. Valorificarea energiei geotermale necesită doar o amprentă mică de teren, ceea ce facilitează găsirea de locații potrivite pentru centralele geotermale.
• Producția este în creștere. Inovarea continuă în industrie va duce la o producție mai mare în următorii 25 de ani. De fapt, producția va crește probabil 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 per kW instalat, comparativ cu aproximativ 1.600 USD per kW pentru turbinele eoliene. Acestea fiind spuse, costul inițial al unei noi centrale pe cărbune poate ajunge la 3.500 USD per kW.
• Poate duce la creșterea activității seismice. Forajele geotermale au fost legate de creșterea activității seismice, în special atunci când EGS este utilizat pentru a crește producția de energie.
• Generează poluarea aerului. Datorită substanțelor chimice corozive găsite adesea în apa și aburul geotermal, cum ar fi hidrogenul sulfurat, procesul de producere a energiei geotermale poate provoca poluarea aerului.

Energia geotermală în Islanda

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

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

Unele dintre cele mai mari centrale geotermale din Islanda sunt:

• Centrala electrică Hellisheiði. Centrala 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 instantaneu este cea mai mare centrală combinată de căldură și energie 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, de asemenea, de un sistem de re-injecție pentru gazele necondensabile pentru a ajuta la reducerea poluării cu hidrogen sulfurat.
• Centrala geotermală Nesjavellir. Situată pe Riftul Mid-Atlantic, Centrala geotermală Nesjavellir produce aproximativ 120 MW de energie electrică și aproximativ 1109 litri de apă caldă (80 grade Celsius până la 85 grade Celsius) pe secundă. Comisionată în 1998, centrala este a doua cea mai mare 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 centrală din Islanda care a combinat producția de electricitate și căldură. Intrată în funcțiune în 1976, centrala a continuat să se dezvolte, cu extinderi în 1999, 2007 și 2015.

Pentru a asigura sustenabilitatea economică a energiei geotermale, Islanda aplică o abordare numită dezvoltare treptată. 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 și etapele viitoare de dezvoltare se bazează pe acele venituri.

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

Preocupările legate de poluarea aerului cauzată de emisiile de hidrogen sulfurat au crescut 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 până în Africa de Est, unde țara a colaborat cu Programul Națiunilor Unite pentru Mediu (UNEP) pentru a extinde accesul la energia geotermală.

Aflată deasupra Sistemului Marelui Rift Est-African—și a tuturor activităților tectonice asociate—zona este deosebit de potrivită pentru energia geotermală. Mai exact, agenția O.N.U. estimează că regiunea, care este adesea supusă unor grave penurii de energie, ar putea produce 20 de gigawați de electricitate din rezervoare geotermale.