Ciepło geotermalne, wykorzystywane w instalacjach na całym świecie, bierze się głównie z rozpadu promieniotwórczego pierwiastków takich jak uran, tor i potas, zachodzącego głęboko pod powierzchnią Ziemi. Proces ten jest jednym z dwóch głównych źródeł energii termicznej planety, przyczyniając się do całkowitego strumienia ciepła wypływającego na powierzchnię, szacowanego na około 46 TW. To właśnie dzięki temu zjawisku, trwającemu nieprzerwanie od 4,5 miliarda lat, zasoby geotermalne są praktycznie niewyczerpalne w skali globalnej.
Pochodzenie ciepła geotermalnego
Wnętrze Ziemi emituje strumień ciepła o mocy około 46 TW, który pochodzi z dwóch porównywalnych źródeł. Pierwszym jest ciepło pierwotne, będące pozostałością po gwałtownym formowaniu się planety, w tym akrecji materii, zderzeniach z planetozymalami oraz grawitacyjnym różnicowaniu jądra i płaszcza miliardy lat temu. Drugie, równie istotne źródło, stanowi energia pochodząca z rozpadu promieniotwórczego pierwiastków w jądrze Ziemi.
Za znaczącą część ciepła radiogenicznego odpowiadają cztery izotopy: uran-238, uran-235, tor-232 oraz potas-40. Modele geochemiczne Ziemi (tzw. Bulk Silicate Earth) szacują, że rozpad uranu generuje około 8 TW mocy, toru kolejne 8 TW, a potasu-40 około 3-4 TW. Łącznie daje to w tych modelach około 19 TW mocy cieplnej generowanej radiogenicznie we wnętrzu Ziemi.
Mechanizm rozpadu i generowanie energii
Rozpad promieniotwórczy to naturalny proces, w którym niestabilne jądro atomowe samorzutnie przekształca się w jądro innego pierwiastka, jednocześnie emitując energię. W skałach Ziemi dominują dwa typy rozpadu: alfa i beta. Uran-238 i tor-232 rozpadają się poprzez emisję cząstek alfa, przechodząc przez szereg kolejnych przekształceń. Potas-40 natomiast rozpada się, emitując elektron (cząstkę beta) i antyneutrino.
Energia kinetyczna cząstek alfa i beta, uwolniona podczas rozpadu, jest bezpośrednio przekazywana otaczającej materii skalnej poprzez zderzenia z atomami sieci krystalicznej. W skali całej planety sumuje się to do olbrzymiej mocy, działającej niczym rozproszony, naturalny reaktor jądrowy wbudowany w skały Ziemi. Dzięki temu procesowi temperatury we wnętrzu Ziemi mogą osiągać wartości przekraczające 6000°C, porównywalne z temperaturą powierzchni Słońca. W miarę zbliżania się do powierzchni temperatura ta stopniowo maleje. Na przykład, w Polsce obserwuje się spadek temperatury o około 3°C na każde 100 metrów głębokości.
Trwałość i rola w geotermii
Nieustanne generowanie ciepła przez rozpad promieniotwórczy utrzymuje gradient geotermiczny, czyli wzrost temperatury wraz z głębokością, w praktycznie niezmienionej formie przez miliardy lat. Proces ten będzie trwał jeszcze bardzo długo, w skali czasu nieporównywalnej z innymi odnawialnymi źródłami energii. Ciepło pochodzące z rozpadu uranu, toru i potasu podtrzymuje konwekcję w płaszczu ziemskim, napędza tektonikę płyt i wulkanizm, a także zasila zbiorniki wód termalnych, z których korzystają instalacje geotermalne, w tym te na Podhalu.
Pobierając ciepło z odwiertu geotermalnego, pośrednio wykorzystujemy energię tego samego zjawiska fizycznego, które jest kontrolowane w reaktorach elektrowni jądrowych. Kluczową różnicą jest to, że w przyrodzie proces ten jest rozproszony w skałach całej planety i zachodzi nieprzerwanie, bez udziału człowieka. To również wyjaśnia, dlaczego geotermia bywa określana mianem źródła „quasi-odnawialnego”: choć zasób ciepła w konkretnym złożu może zostać lokalnie wyczerpany szybciej, niż zdąży się odnowić, globalne źródło zasilające cały system – czyli rozpad promieniotwórczy – pozostanie aktywne przez kolejne miliardy lat.
Opracowano na podstawie informacji rynkowych: Viessmann. Inspiracja źródłowa: GLOBEnergia.
