Dzień Ziemi 2022. Zainwestuj w naszą Planetę

22 kwietnia wspólnie z 192 krajami obchodzimy Dzień Ziemi. Na świecie ta tradycja sięga 1970 roku, a od 1990 roku wprowadzono ją również w Polsce. Głównym celem Dnia Ziemi jest przybliżenie problemów związanych ze współczesną ekologią, upowszechnianie czystych technologii, szeroko pojęta edukacja dla ochrony środowiska i propagowanie idei zrównoważonego rozwoju. Jest to również okazja do przedstawienia zagrożeń naszej planety. Tegoroczne obchody przebiegają pod hasłem "Zainwestuj w naszą Planetę". Z tej okazji przyjrzymy się wykorzystaniu energii geotermalnej pochodzącej z wnętrza Ziemi, zgromadzonej w gruncie, skałach oraz wodzie, jako opłacalnej alternatywie dla paliw konwencjonalnych, a ponadto – przyjaznej środowisku.

Energię geotermalną zalicza się do odnawialnych źródeł energii, a jej zasoby są praktycznie niewyczerpywalne, w dodatku niezależne od warunków pogodowych. Źródłem energii geotermalnej jest wnętrze Ziemi, gdzie zachodzi rozpad pierwiastków promieniotwórczych, a temperatura towarzysząca tym zjawiskom dochodzi do 6 000⁰C. Stygnąca Ziemia w sposób ciągły wypromieniowuje ciepło, które poprzez konwekcję i kondukcję przenika do górnych warstw skorupy ziemskiej i ku powierzchni, ogrzewając skały oraz media wypełniające przestrzenie porowe, w tym wodę. Wody termalne, inaczej zwane geotermalnymi, są to podziemne wody, których temperatura mierzona na wypływie ze źródeł naturalnych lub odwiertów wynosi, co najmniej 20°C. (Dowgiałło i in., 1969; Pazdro, Kozerski, 1990).

Zasoby eksploatacyjne oraz pobór wód termalnych i leczniczych w Polsce w latach 2000 - 2020 (źródło: Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce według stanu na dzień 31 XII 2020 r.)

Na tle innych odnawialnych źródeł energii, takich jak słoneczna, wiatru, wód powierzchniowych lub pozyskiwana z biomasy i biogazu, wykorzystanie energii geotermalnej pozwala osiągać szczególne korzyści ekonomiczne i środowiskowe. Ciepłownia geotermalna jest stabilna w eksploatacji i zapewnia stałą produkcję w czasie. Ingerencja w krajobrazie i środowisku jest bardzo ograniczona, jest „czystym” źródłem energii. Ponadto istnieje także możliwość wykorzystania zmineralizowanych wód termalnych do innych celów, na przykład w balneoterapii i rekreacji.

Ludzie od tysięcy lat wykorzystują energię geotermalną, a liczne przekazy historyczne pochodzące m.in. ze starożytnego Rzymu, Chin, Japonii i Turcji potwierdzają eksploatację gorących wód występujących w naturalnych źródłach do celów leczniczych, podgrzewania pożywienia, a także do rekreacji.

Na obszarze Polski samoczynne wypływy ciepłych wód występują w głównie w Sudetach. Pierwsze zalążki uzdrowiska powstały w Cieplicach już w 1288 r., kiedy zakon Joannitów wzniósł gościniec dla chorych. W latach 1577-1580 zainstalowano pierwsze wanny z podgrzewaną wodą oraz wzniesiono nowe budynki dla kuracjuszy. Rada miejska wydała wówczas pierwszy regulamin zdrojowy, określający sposoby i zasady korzystania ze źródeł (Sadurski i in. 2010).

Słowo „geotermia” kryje w sobie różne zagadnienia wynikające z podziału ze względu na sposób wykorzystania oraz eksploatacji złóż energii geotermalnej. W zależności od warunków geologicznych, hydrologicznych i termicznych należy podzielić eksploatację wód podziemnych na:

• geotermię niskotemperaturową zwaną też nisko-potencjałową, cechującą się temperaturą od kilkunastu stopni do ok. 20°C, wykorzystującą wody gruntowe do kilkuset metrów głębokości. Odbiór energii realizowany jest przez pompy ciepła (wymienniki ciepła). System ten najczęściej ma zastosowanie w ogrzewaniu pojedynczych budynków. Czynnikiem obiegowym – nośnikiem ciepła, jest tutaj woda lub specjalnie przygotowane w tym celu medium.
  
  
• geotermię średniotemperaturową (klasyczną) opartą na naturalnych systemach geotermalnych. Woda termalna wykorzystywana jest bezpośrednio - doprowadzana systemem rur, bądź pośrednio - oddając ciepło chłodnej wodzie i pozostając w obiegu zamkniętym. Otwory w tym przypadku dochodzą do znacznych głębokości (powyżej 2500 m), a temperatura medium grzewczego może osiągnąć na tyle wysoką wartość, że ciepło odzyskuje się w tradycyjnych wymiennikach bez wspomagania pompą ciepła. Taka instalacja jest zdolna do ogrzania większej ilości budynków, a nawet całych miast. Przy bardzo wysokich temperaturach powyżej 100°C (wody gorące, para wodna) ma także zastosowanie do produkcji energii elektrycznej.
  
  
• geotermię wzbudzaną (od angielskiego terminu EGS – Enhanced Geothermal Systems), nazywaną również wysoko-potencjałową, albowiem zakres temperatur jest wyższy do systemów klasycznych. Odbiór ciepła odbywa się poprzez zatłaczane pod dużym ciśnieniem płyny (woda, solanka, lub inne media, jak np. superpłyny), które cyrkulują przez gorącą strukturę skalną (np. systemy HDR - Hot Dry Rocks).
  
  

Obecnie około dwóch trzecich powierzchni Polski zalicza się do obszarów, które są perspektywiczne dla efektywnego ekonomicznie zagospodarowania ciepła Ziemi. Na pozostałych obszarach potencjał dla wykorzystania geotermii również istnieje, ale jego zagospodarowanie jest obarczone większym ryzykiem geologicznym. Przy uwzględnieniu energii możliwej do pozyskania poprzez gruntowe pompy ciepła można przyjąć, że z geotermii można korzystać na przeważającym obszarze kraju.

Potencjalne lokalizacje dla przedsięwzięć geotermalnych (Górecki red. 2006; Socha i inni 2020)

Występowanie wód termalnych w Polsce jest związane z trzema głównymi jednostkami geologicznymi: platformą paleozoiczną oraz Sudetami i Karpatami wraz z ich przedgórzami.

Schematyczna mapa zagospodarowania wód termalnych w Polsce (źródło: mineralne.pgi.gov.pl)

Na obszarze platformy paleozoicznej wody termalne występują w skałach osadowych mezozoiku i paleozoiku, tworzących rozległe, nieckowate struktury o charakterze zbiorników (synklinorium szczecińsko-miechowskie oraz synklinorium brzeżne, rozdzielone wyniesieniem antyklinorium środkowopolskiego). Mimo znacznej głębokości występowania poziomów zbiornikowych i ich izolacji od powierzchni terenu są one zasilane wodami infiltracyjnymi. Obszarami zasilania są przede wszystkim strefy brzeżne struktur, w których skały osadowe tworzą wychodnie pod osadami kenozoiku, oraz strefy tektoniczne (Ciężkowski, Kapuściński, 2011).

Wody przepływające z brzeżnych części basenów ku ich osiom ulegają mineralizacji i ogrzaniu oraz mieszaniu z wodami wgłębnymi. W utworach kredy dolnej temperatura ujmowanych wód wynosi od 23°C w rejonie Łodzi do 71°C w Poddębicach, a mineralizacja od 0,2 do 100,0 g/dm³. Są to na ogół wody chlorkowe, natomiast na obszarach położonych w pobliżu stref zasilania są spotykane również wody wodorowęglanowe (Łódź, Mszczonów i Poddębice). Głębokość występowania poziomów zbiornikowych waha się od około 750 do 2500 m, na większości obszaru nie przekracza jednak 1500 m (Hajto, 2008). Wody termalne kredy dolnej są wykorzystywane w ciepłownictwie oraz w rekreacji (Mszczonów, Poddębice i Uniejów), a także w balneoterapii (Uniejów).

Odwiert Poddębice GT-2. Fot. Geotermia Poddębice

Równie perspektywiczny zbiornik geotermalny na Niżu Polskim stanowią utwory jury dolnej. Wody termalne tego zbiornika udostępniono w wielu ujęciach, lecz tylko nieliczne z nich zagospodarowano. Służą do zaopatrzenia ciepłowni geotermalnych w Pyrzycach i Stargardzie, ośrodka rekreacyjnego w Poznaniu oraz rekreacyjno-leczniczego w Grudziądzu. Ze zbiornika jury dolnej są ujmowane na ogół wody typu Cl-Na, (I), (Fe) o temperaturze od 21°C w Chłopach do 69°C w Stargardzie i o mineralizacji ogólnej od 2 do ponad 130 g/dm³ (Bank Wód Podziemnych Zaliczonych do Kopalin).

Mapa temperatur w zbiorniku geotermalnym jury dolnej (Górecki red. 2006; Socha i inni 2020)

W południowej części platformy paleozoicznej, pozbawionej utworów wodonośnych kredy dolnej i jury dolnej, w kilku otworach udokumentowano zasoby eksploatacyjne wód termalnych występujących w poziomach o mniejszym znaczeniu użytkowym – środkowotriasowym (Wojnów), permsko-triasowym (Ozimek) i górnokarbońskim (Wołczyn) (Górecki red., 2006 a,b; Felter i in. 2020).

W Sudetach i na obszarze bloku przedsudeckiego zasadnicze znaczenie dla formowania się wód termalnych ma tektonika blokowa, która spowodowała powstanie wydźwigniętych obszarów zasilania (m.in. Karkonoszy, Gór Bystrzyckich i Orlickich, Masywu Śnieżnika) oraz głębokich rozłamów i nieciągłości tektonicznych skał krystalicznych. Rozłamy te umożliwiają infiltrację wód opadowych w głąb górotworu i ich podziemny przepływ strefami spękań, dzięki czemu następuje przeniesienie ciepła z ośrodka skalnego o wyższej temperaturze oraz, lokalnie, drenaż ogrzanych wód w obrębie obniżeń terenu, w strefach krzyżowania się uskoków.

Cechami charakterystycznymi wód termalnych Sudetów jest ich występowanie na różnej głębokości, zarówno w głębokich otworach, jak i w źródłach, oraz niska mineralizacja (0,2–0,6 g/dm³). W wodach tych nierzadko występują dwutlenek węgla, radon oraz w podwyższonej ilości fluorki, siarczki i kwas metakrzemowy. Dlatego też niemal we wszystkich znanych ich wystąpieniach są one zaliczane do grupy wód leczniczych. Temperatura sudeckich wód termalnych wynosi od 20–29°C w źródłach do 87°C w otworach wiertniczych. Z ujęć w Dusznikach-Zdroju i Grabinie uzyskano samowypływ unikalnych w skali kraju termalnych szczaw o temperaturze 30–35°C. Z uwagi na obecność rozpuszczonego dwutlenku węgla charakteryzuje je stosunkowo wysoka mineralizacja w przedziale od 3 do 10 g/dm³ (Bank Wód Podziemnych Zaliczonych do Kopalin). Szczawy termalne o temperaturze 20–22°C ujęto też w otworach badawczych w Jeleniowie i Krosnowicach (Felter i in. 2020).

Warunki występowania i formowania się wód termalnych na obszarze prowincji karpackiej są bardzo zróżnicowane z uwagi na styl budowy tej części kraju. W Karpatach wewnętrznych wody termalne występują w basenie podhalańskim. Wody infiltrujące w Tatrach migrują systemem szczelin w rejon niecki, ogrzewając się wraz ze wzrostem głębokości. Wraz z odległością od strefy zasilania zmianie ulegają skład chemiczny i temperatura wód (Chowaniec, 2009). W części południowej mineralizacja wód nie przekracza 0,4 g/dm³, a temperatura na wypływie z ujęć osiąga maksymalnie 36°C, podczas gdy w części północnej wartości te wynoszą odpowiednio do 3 g/dm³ i 86°C.

Obecnie na obszarze niecki wody termalne są ujmowane 15 otworami wiertniczymi i wykorzystywane w energetyce cieplnej (Geotermia Podhalańska w Bańskiej Niżnej) i rekreacji (Bukowina Tatrzańska, Białka Tatrzańska, Szaflary, Witów i Zakopane) (Felter i in. 2020). W Karpatach zewnętrznych wody termalne występują zarówno w utworach fliszowych, jak i w skałach ich podłoża. Cechują je zdecydowanie słabsze parametry hydrogeologiczne od spotykanych w niecce podhalańskiej. Skomplikowana budowa geologiczna sprawia, że wody termalne są rozpoznawane raczej punktowo (Rabka-Zdrój, Poręba Wielka, Lubatówka, Ustroń i Jaworze), zwykle w uprzywilejowanych strefach, związanych m.in. z nieciągłościami tektonicznymi. Cechuje je na ogół wysoka mineralizacja (od kilkunastu do blisko 150 g/dm³), ograniczone zasoby i brak odnawialności lub słaba odnawialność. Temperatura na wypływie z ujęć zlokalizowanych we wspomnianych miejscowościach wynosi 21–42°C. W Lubatówce udokumentowano występowanie niespotykanych w tej części kraju termalnych wód kwasowęglowych (Górecki red., 2011; Felter i in. 2020).

W zapadlisku przedkarpackim wody termalne występują w utworach miocenu, mezozoiku oraz paleozoiku. Charakteryzują się zróżnicowaną temperaturą wynoszącą od 20 do ponad 60°C oraz na ogół wysoką mineralizacją, która w głębszych poziomach może przekraczać 250 g/dm³ (Górecki (red.) 2013). Występowanie wód termalnych w tym regionie udokumentowano jedynie w Busku-Zdroju i Cudzynowicach, gdzie z utworów kredy są eksploatowane wody siarczkowe typu Cl-Na o temperaturze 25–30°C (Bank Wód Podziemnych Zaliczonych do Kopalin). W Busku-Zdroju mają one charakter wód leczniczych i są wykorzystywane do celów balneoterapeutycznych (Górecki red., 2012).

Platforma prekambryjska z uwagi na budowę geologiczną oraz warunki geotermiczne, charakteryzuje się ogólnie słabymi warunkami występowania i ujmowania wód termalnych. W kilku miejscach w północnej części prowincji, w regionie basenu bałtyckiego i wyniesienia Łeby, w utworach mezozoiku oraz permu ujęto wody typu Cl-Na, (I), (F) o mineralizacji 1–40 g/dm³ i temperaturze na wypływie sięgającej od 21°C w Lidzbarku Warmińskim do 24°C we Fromborku i Krynicy Morskiej (Górecki red. 2006 a; Felter i in. 2020).

Jak wskazują badania geologiczne, także te prowadzone przez Państwowy Instytut Geologiczny, w Polsce do najbardziej perspektywicznych obszarów pod względem ujmowania i zagospodarowania wód termalnych należą Podhale, północna część przedgórza sudeckiego oraz rejon ciągnący się od Szczecina aż po Góry Świętokrzyskie, gdzie największe korzyści przyniesie eksploatacja wód z poziomów kredy dolnej i jury dolnej.

Wymienione obszary posiadają dobre rozpoznanie warunków hydrogeologicznych, które w znacznym stopniu ogranicza ryzyko geologiczne inwestycji. Do obszarów szczególnie perspektywicznych w obrębię Niżu Polskiego należy rejon Stargardu, Pyrzyc i Polic, aglomeracja łódzka, południowa część aglomeracji warszawskiej, oraz części województw wielkopolskiego i kujawsko-pomorskiego. Na podkarpaciu obszary perspektywiczne wyznaczono m.in. w obrębie utworów miocenu, kredy górnej oraz jury środkowej i dolnej. W Karpatach poza Podhalem obszary perspektywiczne występują w obrębie zbiornika dewońsko-karbońskiego i zbiornika mioceńskiego, kredy górnej i jury środkowej. Sudety zaklasyfikowano w całości, jako obszar perspektywiczny dla ujmowania wód termalnych, jednak odznaczający się bardzo słabym stopniem rozpoznania. Strefami szczególnie predysponowanymi do występowania wód termalnych są tam głębokie rozłamy tektoniczne.

Nadrzędnym celem wykorzystania ciepła Ziemi jest ciepłownictwo, jednak zagospodarowanie potencjału geotermalnego powinno odbywać się we wszechstronny sposób, obejmując także inne dziedziny ważne społecznie i gospodarczo takie jak rekreacja, rolnictwo czy balneoterapia.

Inwestycje mające na celu wykorzystanie energii wód termalnych generują istotne zyski z rozwoju sektora turystycznego przejawiającego się wzmożonym napływem turystów, doceniających walory przyrodnicze i klimatyczne miejscowości. Poprawia to dochody finansowe nie tylko osób związanych z bezpośrednią obsługą ruchu turystycznego, ale także osób z sektora usług i handlu. Zwiększone dochody powodują szybką poprawę infrastruktury i jakości życia mieszkańców, czego impulsem jest wykorzystanie potencjału wód termalnych.

W Polsce wody termalne ze względu na swoje walory oprócz ciepłownictwa wykorzystywane są również w dziewiętnastu ośrodkach rekreacyjnych, dwunastu uzdrowiskach oraz w warzelni soli oraz zakładzie hodowli ryb. Według Bilansu Zasobów Złóż Kopalin w Polsce (stan na 31 grudnia 2020 r.) zasoby eksploatacyjne wód termalnych w naszym kraju wynoszą 6 135,19 m³/h. Ich wykorzystanie kształtuje się na poziomie około 22%, co rocznie daje blisko 11,745 mln m³ (Skrzypczyk, Sokołowski 2020).

Wody termalne stanowią cenny surowiec wykorzystywany w wielu dziedzinach gospodarki krajowej, cieszący się rosnącym zainteresowaniem ze strony inwestorów. Dlatego też niezbędny jest stały rozwój ich wykorzystania.

Spis literatury:

• Arctowski H. 1924 — Nowe pomiary geotermiczne w szybach naftowych Borysławia, Krosna, Bitkowa, Kosmos, seria A.
• Bank Wód Podziemnych Zaliczonych do Kopalin 2020 – baza PIG-PIB
• Chmura K., Chudek M., 1999 – Geotermomechanika górnicza. Katowice. ISBN:8390712806
• Chowaniec J., 2009 — Studium hydrogeologii zachodniej części Karpat polskich. Biul. Państw. Inst. Geol., 434: 1-98.
• Ciężkowski W., Kapuściński J., 2011 — Wyznaczanie granic obszaru i terenu górniczego dla złóż wód podziemnych uznanych za kopaliny. Poradnik metodyczny. Ministerstwo Środowiska, Warszawa.
• Dowgiałło J., Karski A., Potocki I., 1969 – Geologia surowców balneologicznych. Wyd. Geol. Warszawa.
• Felter A., Gryszkiewicz I., Lasek - Woroszkiewicz D., Skrzypczyk L., Socha M., Sokołowski J., Sosnowska M., Stożek J., Wrzosek A., Zapora E., 2020 – Mapa zagospodarowania wód podziemnych zaliczonych do kopalin w Polsce 2019. Skala 1: 1 000 000. Górecki W. (red. nauk), 2006b – Atlas zasobów geotermalnych na Niżu Polskim. Formacje paleozoiku. AGH, Kraków.
• Górecki W. (red. nauk.), 2006a – Atlas zasobów geotermalnych na Niżu Polskim. Formacje mezozoiku. AGH, Kraków.
• Górecki W. (red. nauk.), 2011 – Atlas zasobów wód i energii geotermalnej Karpat Zachodnich. AGH, Kraków.
• Górecki W. (red. nauk.), 2012 – Atlas geotermalny zapadliska przedkarpackiego. AGH, Kraków.
• Górecki W. (red. nauk.), 2013 — Atlas geotermalny Karpat Wschodnich. AGH, Kraków.
• Hajto M., 2008 — Baza zasobowa wód termalnych na niżu polskim – geologiczne i hydrogeologiczne uwarunkowania obszarów perspektywicznych. Kwart. AGH Geologia, 34, 3.
• Kępińska B., 2013. Przegląd stanu wykorzystania energii geotermalnej w Polsce w latach 2012–2013. Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia, Zrównoważony Rozwój nr 1/2013
• Pazdro Z., Kozerski B., 1990 – Hydrogeologia ogólna. Wyd. Geol. Warszawa. Stenz E., 1954 – Wstęp do geofizyki. Warszawa.
• Sadurski A., Skrzypczyk L., Socha M., Szewczyk J., Kijewska S., Sokołowski J., 2010 – Identyfikacja regionów geotermalnych w Polsce. Nr umowy: 6/2010/E z dnia 5 lipca 2010 PIG-PIB.
• Skrzypczyk L., Sokołowski J., 2020 — Solanki, wody lecznicze i termalne. [W:] Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce wg stanu na 31.12.2019 r. (red. M. Szuflicki, A. Malon, M. Tymiński). Państw. Inst. Geol.-PIB, Warszawa.