Energia geotermală sau „căldura Pământului” este o parte din căldura înmagazinată în stratul accesibil al scoarţei Pământului. Ea poate fi extrasă și folosită. 99% din volumul planetei noastre are temperatura de peste 1000°C. Sub picioarele noastre este înmagazinat un potenţial energetic uriaş. Totuşi, până de curând această sursă de energie a fost foarte puţin folosită datorită condițiilor grele de exploatare şi a preţului mare, necompetitiv, al energiei electrice obținute. Cu ajutorul tehnologiei moderne, energia geotermală a început să fie exploatată, fiind privită ca energia viitorului.

Islanda, ţara cu 37 de vulcani activi, este un exemplu de utilizare a energiei geotermale. Se preconizează că în următorii 30 de ani insula va fi complet independentă de carburanţii fosili.

Datorită activității vulcanice, la numai câteva sute de metri adâncime, rocile ajung la temperaturi de cca. 350°C. Ele încălzesc fluidul de exploatare a energiei termice până la 100°C. Energia termică poate fi apoi utilizată pentru încălzire, sau pentru obţinerea vaporilor suprasaturaţi care acţionează turbinele generatoarelor electrice.

Energia geotermală este inepuizabilă, ea poate fi folosită oriunde și oricând şi poate fi transformată în energie electrică fără emanaţii de gaze dăunătoare mediului ambiant. În prezent, 2-3% din consumul mondial de energie este furnizată de 250 de centrale termoelectrice, cu o putere instalată totală de 8000 MW, echivalente cu 9 centrale nucleare. Cele mai mari centrale termoelectrice care exploatează energia geotermală sunt:

1.The Geysers (USA-California) cu o putere instalată de 700 MW

2.Lardarello (Italia-Toscana), cu o putere instalată de 400 MW

3.Wairakei (Noua Zeelandă), cu o putere instalată de 300 MW

Conform noilor evaluări, numai căldura radiată de suprafaţa pământului în spaţiul cosmic poate acoperi de 2,5 ori consumul de energie al întregii omeniri.

În Germania s-a evaluat că energia termică aflată la adâncimea de 7000 m ar putea acoperi de 600 de ori consumul anual de energie electrică şi de 350 de ori consumul de energie termică pentru încălzire.

Energia geotermală completează energia obţinută din apă, vânt, soare şi biomasă. Centralele termoelectrice care utilizează energia geotermală nu prezintă dificultăţi tehnice de exploatare, iar energia produsă poate fi introdusă fără probleme tehnice în reţeaua naţională de energie.

Conform legilor europene de încurajare a tehnologiilor şi utilizării energiilor regenerabile, energia geotermală este subvenţionată în măsură egală cu energia provenită din energia solară şi energia eoliană.

Energia geotermică provine din două surse principale:

1. Cca. 30-50% a rezultat din procesul de formare a Pământului. Materialul cosmic s-a încălzit datorită transformării energiei cinetice (de mişcare) în energie termică. Ea a rămas înmagazinată sub formă de căldură în nucleul Pământului.

2. Cca. 50-70% s-au format prin dezintegrarea radioactivă naturală a izotopilor radioactivi. În decursul a milioane de ani, energia de dezintegrare s-a transformat în energie termică.

O parte din energia termică acumulată în scoarţa terestră provine din energia solară şi energia aerului care este în contact direct cu suprafaţa Pământului.

Temperatura din nucleul Pământului se estimează la 4500 – 6500°C. Până la o adâncime de 1000 m, temperatura medie este cuprinsă între 35 – 40°C. La adâncimi mai mari, temperatura creşte cu 1°C la fiecare 3 m adâncime. Regiunile vulcanice, chiar și cele inactive, prezintă anomalii geotermale, caracterizate printr-o temperatură mult mai mare decât valoarea medie. Prin conducţie şi convecţie, energia termică din interior ajunge până în scoarţa Pământului, la adâncimi accesibile.

Sursele de energie termică care pot fi utilizate se clasifică în:

-Surse termale de suprafaţă, cu utilizare directă pentru producere de căldură (prin intermediul pompelor de căldură)

-Surse termale adânci, care prezintă interes pentru producerea de curent electric.

De obicei aceste surse termale cu temperatură ridicată se găsesc în apropierea zonelor vulcanice, care prezintă anomalii termice. La adâncimi de câteva sute de metri se găsește apă / abur la temperaturi cuprinse între 100 – 300°C. Aceste surse pot fi corelate cu numărul de vulcani din apropiere.

Utilizarea energiei geotermale

Rezervele de energie aflate în scoarţa terestră până la adâncimea de 1 km pot acoperi consumul mondial de energie pentru 100.000 de ani. Această energie poate fi utilizată direct, ca energie termică, sau indirect, prin transformarea ei în energie electrică şi optimizarea acesteia prin metoda KWK (Kraft-Wärme-Kopplungen – instalaţii energetice producătoare de energie electrică şi termică. Încă din antichitate, în Imperiul Roman, în Imperiul Bizantin şi în China căldura termală a fost utilizată în scopuri sanitare şi balneologice. Unele centre mai există şi azi; lor li s-au adăugat centre curative moderne.

Pentru majoritatea utilizărilor energiei geotermale este nevoie de temperaturi relativ scăzute, cuprinse între 40 – 100°C, obţinute din surse termale relativ uşor accesibile. Dacă totuşi unele surse termale nu furnizează apa la temperatura necesară, de exemplu pentru încălzirea spaţiilor locuibile, se utilizează suplimentar pompele de căldură.

Utilizarea energiei geotermale pentru producerea curentului electric

Cea mai veche instalaţie de exploatare a energiei geotermale pentru obținerea de energie electrică a fost construită în satul Larderello din Toscana, Italia. Nu este o regiune de vulcani activi, dar fiind locul în care se întâlnesc plăcile continentale eurasiatică şi africană, magma se găseşte la o adâncime relativ mică. Ea transmite energia termică până la straturile geologice de la suprafaţă, permițând o exploatare economică a energiei geotermale. În 1913 pricipele Piero Ginori Conti a construit o centrală electrică cu turbine acţionate cu vapori de apă. Puterea instalată a primei centrale a fost de 220 kW. Între timp ea a fost modernizată şi are o putere instalată de 400 MW, curentul produs fiind introdus în reţeaua naţională. 

Schema unei centrale electrice care funcţionează cu energie geotermală este prezentată în figura de mai jos.

O centrală electrică hidrotermală funcţionează numai dacă apa pompată din rezervorul de căldură are o temperatură de cel puțin 100°C. Este şi mai avantajos când sursa termică furnizează vapori de apă cu temperatura mai mare, de 150°C, care pot acţiona direct turbinele centralei. Recent au fost dezvoltate instalaţii de tipul ORC (Organic Rankine Cycle) care permit utilizarea unor lichide organice cu temperatura de fierbere sub 100°C. Vaporii se utilizează direct pentru punerea în mişcare a unor turbine cuplate cu generatoare electrice. Bazele ORC au fost puse de fizicianul şi inginerul scoţian William John Macquorn Rankine (1820-1872).

Ca mediu de lucru se utilizează lichide organice cu temperaturi de fierbere scăzute. Această metodă se utilizează mai ales când diferenţa de temperatură între sursa caldă şi partea rece este prea mică pentru a acţiona o turbină cu vapori de apă, cum este cazul la producerea curentului electric prin utilizarea energiei geotermice, a instalațiilor cu cuplaj energie electrică-energie termică KWK (Kraft-Wärme-Kopplung), a energiei solare şi energiei mărilor.

În 2006 au fost utilizate instalaţii geotermale cu o putere totală de aproape 28 GW. Puterea furnizată corespunde la cca. 1,3 W/cap de locuitor, sau 0,06% din consumul mondial de energie primară.

În consumul de energie primară, Islanda se află pe primul loc în lume, cu 53% energie geotermală. Producția de energie electrică din energia geotermală are loc mai ales în zone vulcanice sau în domenii „Hot-spot”. În ţări lipsite de astfel de zone (de exemplu Germania), energia geotermală este exploatată prin foraje la mari adâncimi (până la 2.500 m), din care se extrage apa şi vaporii la temperaturi între 100 – 150°C. Recent utilizarea energiei geotermale pentru producerea energiei electrice a crescut foarte mult. Puterea instalată în anul 2005 a fost de 8.912 MW din care s-au produs 56.798 GWh/an energie electrică.

Referitor la utilizarea energiei geotermale/cap de locuitor, Islanda deţine locul de frunte cu 576 MW (în anul 2008). Referitor la puterea totală instalată, provenită din energia geotermală, SUA conduce cu 2.564 MW (2005), înaintea Filipinelor cu 1.930 MW (2005). În Germania, prima instalaţie producătoare de energie electrică pe bază de energie geotermală a fost construită la Neustadt-Glewe în 2004. Puterea acestei centrale este de 230 kW.

Aspecte economice:

Gradul scăzut de utilizare a energiei geotermale, care practic se găseşte în toate regiunile Pământului, rezultă din faptul că energia convenţională, provenită din rezerve fosile, a fost mai ieftină ca extracţia şi utilizarea energiei geotermale. Datorită tendinţei conştiente de protecţie a mediului şi a reducerii emanaţiei de CO₂, în ultimii ani a început o reconsiderare a investițiilor şi utilizării energiei geotermale.

Deoarece această energie este gratuită, economicitatea utilizării energiei geotermale rezultă din costurile de investiţie şi de administraţie. Legislaţia europeană actuală oferă condiţii avantajoase de investiţii şi utilizare a energiei geotermale. Utilizarea căldurii din straturile superficiale cu ajutorul pompelor de căldură, pentru încălzirea clădirilor şi locuinţelor prezintă deja o concurenţă utilizării energiei geotermale. O parte importantă din costurile de utilizare a energiei geotermale sunt date de uzura anumitor părţi mobile şi coroziunea instalaţiei în apa termală.

Aspecte ecologice:

Chiar dacă energia geotermală poate fi exploatată fără emanaţii de gaze dăunătoare mediului ambiant, ea nu este total lipsită de riscuri. Instalaţile de peste 0,5 MW, cu foraje mai adânci de 500 m, prezintă anumite riscuri privind localizarea zonelor subterane cu temperatură ridicată, alunecarea straturilor geologice cu consistenţă diferită, precum şi antrenarea împreună cu apa caldă a unor cantităţi de nisip, rocă şi material geologic.

Un factor hotărâtor cu posibile consecinţe ecologice este exploatarea energiei prin intermediul unui fluid purtător (apa şi vapori de apă), care vor sărăci zona exploatată şi vor deranja echilibrul termic geologic. După o anumită perioadă, după ce exploatarea energiei termice este încheiată, acest echilibru se va restabili.

Energia geotermală este aproape unica formă de energie regenerabilă care poartă o sarcină permanentă în procesul de exploatare a energiei, prin faptul că nu este determinată de parametri variabili. Datorită acestei caracteristici, energia geotermală contribuie hotărâtor la implicarea în conceptele de utilizare a mai multor energii regenerative cu diverse provenienţe (energy mix). Conform evaluărilor făcute de experţi, prin utilizarea energiei geotermale până în anul 2020 cantitatea de CO₂ emanată în atmosferă se va reduce cu peste 20 milioane tone. Cheltuielile necesare pentru evitarea emiterii unei tone de CO₂ în atmosferă se ridică la 70 €, în comparație cu 2210 € în cazul utilizării energiei solare.

Dr. Roman Baican

Offenbach am Main, 20 noiembrie 2021