Niewyczerpane źródło, po które niełatwo sięgnąć

Energia cieplna powstaje wskutek działania przede wszystkim dwóch zjawisk: grawitacji i radioaktywności.

Część grawitacyjna ma związek z procesami powstawania planet. Składniki wczesnego Układu Słonecznego łączyły się ze sobą dzięki grawitacji, zwiększały swoją energię i w trakcie kolejnych zderzeń stawały się coraz gorętsze. Działo się to z Ziemią dawno temu. Faktem jest, że Ziemia schładza się od pięciu miliardów lat, wypromieniowując energię w przestrzeń. Dlaczego wciąż jest we wnętrzu naszej planety tak gorąco? Ma to związek z fizyką skali. Krótko mówiąc, wielkie obiekty nie zachowują się jak małe. Energia cieplna we wnętrzu Ziemi jest proporcjonalna do jej objętości, która liczona jest za pomocą sześcianu promienia planety. Strata w wyniku promieniowania energii przez powierzchnię Ziemi jest obliczana z wykorzystaniem kwadratu jej promienia.

Oznacza to, że jeśli podwoimy promień planety, energia cieplna zwiększy się ośmiokrotnie, natomiast powierzchnia zwiększy się tylko czterokrotnie. Mówiąc prosto - im większy obiekt, tym dłużej trwa chłodzenie. Dlatego m.in. wnętrze Księżyca jest znacznie chłodniejsze niż Ziemi.

Około 20 proc. energii cieplnej wnętrza Ziemi pochodzi z kontrakcji grawitacyjnej w okresie formowania się planety, pozostałe 80 proc. pochodzi z rozpadu radioaktywnych izotopów potasu (⁴⁰K), uranu (²³⁸U i 2³⁵U) i toru (²³²Th), który zachodzi w płaszczu. Niewielki wkład w ciepło skorupy ziemskiej ma też tarcie wewnętrzne wywołane siłami pływowymi i zmianami w prędkości obrotu Ziemi. Część energii termicznej jądra transportowana jest do skorupy ziemskiej poprzez pióropusze płaszcza, które mogą powodować powstawanie plam gorąca i pokryw lawowych.

Jakie są więc te zasoby i ewentualnie ile czasu zajęłoby wykorzystanie całej energii cieplnej naszej planety?

Z grubsza da się to oszacować. Promień Ziemi to 6,371×10⁶ m. Masa Ziemi - 5,972×10²⁴ kg. Temperatura wnętrza Ziemi waha się od 1000 do 5000 stopni Celsjusza. Pojemność cieplna właściwa wnętrza Ziemi szacowana jest następująco - od 800 (dla żelaza) do 2000 (dla skał) dżuli na kilogram na stopień Celsjusza. Jak widać, nie ma jednej wartości temperatury i wydajności cieplnej dla całej sfery ziemskiej, ponieważ wartości te różnią się dla poszczególnych warstw, od jądra do skorupy skalnej. Nawet jednak przy zastosowaniu minimalnych wartości wychodzą ogromne liczby. Czy jednak wystarczająco ogromne, by zapewnić ludzkości energię na długi czas, jeśli nie "na zawsze"?

Jeśli weźmiemy pod uwagę potrzeby energetyczne 8 miliardów mieszkańców Ziemi na poziomie jednego kilowata dziennie na gospodarstwo domowe i założymy sprawność transferu energii z wnętrza Ziemi na jedynie 10 proc., to i tak z wyliczeń wynika możliwość zaspokojenia tych potrzeb na długie miliardy lat.

A zatem wystarczy sięgnąć i mamy praktycznie niewyczerpany zasób energii dla świata. Niestety nie jest to takie proste. Energia geotermalna naturalnie wydostaje się na powierzchnię Ziemi z sumaryczną mocą około 46 TW, ale średnia tego strumienia geotermalnego to około 0,063 W/m². Jest to niewystarczające do eksploatacji bezpośredniej, dlatego w geotermii istotne są tzw. rejony hipertermiczne (o średnim wzroście temperatury w kierunku środka Ziemi większym od 80 K/km) i semitermiczne (od 40 do 80 K/km).

Rejony hipertermiczne to przede wszystkim obszary radiogeniczne (duża zawartość pierwiastków radioaktywnych), obszary wysokiego strumienia ciepła (skały o bardzo dużej przewodności cieplnej) i punktowe źródła ciepła (zasoby magmy, wody geotermalne). W tych rejonach zasoby geotermalne występują jako petrotermiczne (energia zgromadzona w skałach) i hydrotermiczne (w wodzie).

Zatem tak naprawdę w tej chwili geotermalne źródła energii w formie wydajnej dostępne są jedynie w niektórych miejscach. Geotermia być może dopiero czeka na technologię, która spowoduje, że stosowanie jej na większą skalę w dowolnym miejscu Ziemi nabierze ekonomicznego sensu.

Mirosław Usidus