Zájem o využívání geotermální energie roste

Zájem o toto teplo souvisí především se snahou omezit emise oxidu uhličitého využíváním čisté ekologické energie v souvislosti s globálním oteplováním a s dalším úsilím o trvale udržitelný rozvoj naší planety. Podnětem k zvýšenému zájmu o geotermální energii bylo několik stadií ropné krize v druhé polovině 20. století a také obavy z vyčerpávání klasických energetických zdrojů. Toto teplo se lidstvo zatím nenaučilo dost intenzivně využívat, i když je to trvalý zdroj energie.

V nitru Země je dostatek geotermální energie, její zdroje jsou ovšem dosažitelné jen ve svrchní části zemské kůry. Podle odhadů je v nejsvrchnější tří až pětikilometrové vrstvě zemské kůře zakonzervováno teplo jak v horninách, tak ve vodě i páře v množství, které by stačilo pokrýt spotřebu lidstva nejméně na 100 000 let.

Současná technologie využívání geotermální energie je ovlivněna hlavně cenou vrtů do hloubek několika kilometrů. Přeměna tepelné energie na energii elektrickou je jíž poměrně dobře technologicky zvládnuta. Systémy využití geotermální energie umožňují i spojení s jinými zdroji energie např. solární energie, jejím akumulováním v horninách zemské kůry.

Součástí tepla Země je kosmické teplo, dodané Zemi v souvislosti se vznikem naší sluneční soustavy. Povrch Země má přísun sluneční energie v průměrné hodnotě 0,35 W.m^-2, což pro celou Zemi představuje Q_s = 2,5 milionů MW. Toto teplo však prohřívá vzdušný obal, vodní plochy a jen velmi malou povrchovou vrstvu hornin kontinentů, kam proniká jen do několika prvních metrů. Sluneční záření tak vytváří jakousi izolační zónu, která, tak jako u některých kosmických těles, představuje ochranný obal, který brání rychlému úniku tepla z vnitřních částí planety Země a tím zpomaluje její celkové prochlazování.

Potenciál geotermální energie

Tepelný potenciál zemského nitra je možné odhadnout na 10¹⁷ megawattroky (MWr). Tato ohromná zásoba energie není samozřejmě stoprocentně využitelná, avšak přesto představuje energii, jejíž využití je v začátcích a v blízké budoucnosti o ní lidstvo bude bojovat.

Geotermální energie je v nitru Země zachována od doby jejího vzniku po celou dobu geologické historie. Podle některých autorů (Rummel F., Kappelmeyer, O., 1993) by ochlazení 1 km³ horké zemské kůry o 100°C mohlo dodávat elektrickou energii elektrárně s kapacitou 30 MW po dobu 30 let. Dosavadní využití geotermální energie elektrárnami na světě je jen cca 6000 MW. Dalších přibližně 12 000 MW je využíváno z teplých vod pro vyhřívání a balneologické účely, což je jen nepatrný zlomek celkového potenciálu Země.

Plošné rozmístění geotermálního potenciálu na povrchu Země je velmi proměnné. V současné době se rozlišují následující geotermální systémy. Podle fyzikálně-chemických vlastností se vyčleňují systémy (Myslil, V., et al. 2007):

• hydrotermální,
• geotlakové,
• systémy horkých suchých hornin a
• magmatické.

Z geologického hlediska lze v zásadě vyčlenit dva základní systémy:

1. systémy vázané na oblasti recentního vulkanismu a příhodných geotermálních struktur, nebo detailněji na:
   magmatické, horké suché a konvektivní hydrotermální.
2. systémy pánevních struktur:
   přírodní konvektivní hydrotermální a pánevní struktury (geokomprimované termální systémy).

Podle teploty vody se dělí v současné době na systémy o vysoké teplotě (nad 150°C) pro výrobu elektrické energie (původně byla uvažována teplota od 130°C výše, nyní se z ekonomického a technického hlediska tato hranice zvyšuje na 150°C). Dále systémy o střední teplotě (90 - 150°C) a o nízké teplotě (pod 90°C).

Geotermální potenciál České republiky

Výpočtem podle obecně uznávaných vzorců (Jung et al.,2002)

E_th = c_G.ρ_G. V .(T_G - T_S).

pro blok krystalických hornin 4km mocný na ploše 68000km² pro naše území lze tedy vypočítat geotermální teplo na

1,45E+9 - 1,94E+9 GWh

uplatněním c_G = 840 (J/kg K), ρ_G = 2600 kg/m³, T_S = 10°C, T_G v rozmezí 195 - 205 °C (pro naše území).

Podle obecné metodiky byl stanoven geotermální potenciál ve čtyřech kategoriích (Myslil, V., Motlík. J., 2006):

• energie z hydrotermálních zdrojů vysoké teploty (>130°C) pro výrobu elektrické energie
  • odhad potenciálu .................10 MW
• energie tepla hornin ("suché zemské teplo") vysoké teploty (>130°C) pro výrobu elektrické energie
  • odhad teoretického potenciálu (produkce tepla hornin z 1 km3 až 30 MW elektrické energie po dobu cca 30 roků) ....2 385 900 MW
  • pro hloubku vrtů do 5km na vytypovaných lokalitách celkem 847 lokalit s výkonem 4MW (dva až tři vrty )
  • odhad využitelného potenciálu ............ 3 388 MW cca 1,22E+4 GWh, což je zcela zanedbatelná část vypočteného celkového tepelného potenciálu krystalických hornin
• energie z hydrotermálních zdrojů vyšší teploty (<130°C) pro výrobu tepla (odběr tepla >5 K)
  • odhad potenciálu ............25 MW
• geotermální energie pro nízkoteplotní systémy (tepelná čerpadla)
  • odhad potenciálu...........primární zdroj horniny................... 8 750 MW
  • odhad potenciálu...........primární zdroj podzemní voda....... 2 390 MW

Je možné konstatovat, že současný odhad možného využití geotermální energie pro výrobu elektrické energie (3 388MW) a odběru geotermální energie nízké entalpie (celkem 11 165 MW) představuje jen cca 0,5% celkové tepelné kapacity hornin a vody na území ČR.

Současný stav využití geotermální energie

Využití nízkoteplotního geotermálního potenciálu, který je dosažitelný v malých hloubkách pod povrchem z podzemní vody a nebo mělkými geotermálními vrty na "suché" zemské teplo, hlubokými jen desítky nebo stovky metrů, je možné prakticky v neomezeném množství, protože odebírají zemské teplo, které jinak uniká do atmosféry (Myslil, V., et al. 2007). Uplatnění tepelných čerpadel umožňuje využití ekologického zdroje energie, i když potřebuje dodávat cca 1/3 vyrobené tepelné energie, je přesto již v současné době i ekonomické.

Při využití tepla podzemní vody je nutné potvrdit hydrogeologickým posouzením množství čerpané podzemní vody, její chemizmus, plošný rozsah odběru vody (neovlivnění stávajících využívaných zdrojů vody) a fyzikální hodnoty pro správný chod tepelného čerpadla. Pro využití "suchého" zemského tepla je nutné správně ocenit teplotní poměry každé lokality a zajistit ochrannou vzdálenost konstantního odběru tepla každého geotermálního vrtu.

Využití nízkoteplotních zdrojů na území naší republiky sice dosud zaostává za okolními západoevropskými státy, kde je v chodu několik set tisíc tepelných čerpadel, zatímco u nás jen cca 12 tisíc s průměrnou hodnotou 10 kW, představuje již potenciál 1,2 MW.

Uplatnění geotermální energie pro vytápění rodinných domů čí jiných objektů nevyžaduje velké prostory kotelny, tepelné čerpadlo je objemově velké jako lednička. Při současném dodržení teplotních norem objektů je významně snížena potřeba tepla a tudíž i velikost tepelného čerpadla. Geotermální systém vytápění objektů uspoří 2/3 energie a tudíž návratnost vložených finančních prostředků je velmi příhodná. Odběr tepla ze země nebo z vody nijak neovlivní přírodní životní prostředí, ani nenaruší budovy či zahradu, protože primární zdroj je celý pod zemí. V každém případě je nutné volit nejvhodnější řešení pro odběr zemského tepla, aby geotermální zdroj byl správně posouzen. Odběr zemského tepla plošnými či svislými vrtnými kolektory nijak teplotně nenarušuje tepelnou bilanci, protože jen zrychlí tepelný tok v povrchových částech zemské kůry, která je hlavním zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo.

Využití středně teplých zdrojů geotermální energie je hlavně uplatňováno pro vytápění a nejhodnější a ekonomicky nejméně náročné jsou struktury hydrotermální, tedy většinou sedimentární synklinální pánve s dobře zvodněnými vrstvami. Jednou takovou strukturou je centrální druhohorní pánev ve Francii, kde je realizováno již několik set geotermálních výtopen měst, menších aglomerací čí průmyslových objektů. V Maďarsku je také v provozu jíž několik desítek instalací využívající teplé podzemní vody s teplotami do 90°C. V naší české křídové pánvi je zatím jen jediná instalace v Děčíně, kde se využívají teplé vody ( cca 42°C ) z bazálních křídových pískovcových poloh jako zdroj tepla pro stávající výtopny. Bylo by možné prostudovat a připravit další lokality, jak v naší křídové pánvi, tak i na Moravě v terciérních sedimentárních strukturách, nebo ve strukturách karpatských příkrovů.

Středně teplé geotermální zdroje jsou vhodné pro objekty s větší potřebou tepla. Pokud jako zdroj tepla je uvažována teplá podzemní voda je nutné velmi pečlivě zpracovat tepelnou a objemovou bilanci zvodně, aby při vracení ochlazené vody do podzemní nedocházelo k jejímu prochlazování a ve všech případech je nové vodoprávní projednání.

Velmi intenzivně se ve světě studují možnosti využití nejteplejších zdrojů geotermální energie s teplotami nad 150°C, které jsou nejvhodnější pro výrobu elektrické energie. Teploty nad 150 °C umožňují výrobu elektrické energie, při čemž první stupeň pracuje v rozpětí 200-150/100-90 K. Teprve zbytkové teplo se využívá pro vytápění či bivalentně na teplo a případně i na výrobu elektrické energie. Účinnost využití systému se řeší individuelně podle potřeby tepla a jeho prodejní ceny.

Ve světě jsou již velmi intenzivně využívány horké vody hydrotermálních konvekčních ( čili proudících) systémů nebo magmatických struktur ve vulkanických oblastech . Nejteplejší přírodní hydrotermální systémy jsou vázány na okraje litosférických desek, které jednak umožňují vzestup horkých magmatických těles do zemské kůry a jednak umožňují výstup tepla. Vytvoření využitelného systému vyžaduje současné splnění řady dalších strukturně-geologických a jiných podmínek (nahromadění-akumulace a konvekce vody, rozpukání hornin, jejich propustnost, umožňující oběh vody a naopak těsnicí účinek pokryvů). Je jen velmi málo míst na světě, kde je většina podmínek splněna a kde je proto možné tento systém ekonomicky využít. V současné době je celosvětově využívaný elektrický výkon 2300 MW, z čehož připadá 1000 MW na oblast The Geysers v Kalifornii, 420 MW na Lardarell-Monte Amiata-Travale v Itálii a 192 MW na Wairakei na Novém Zélandě. Dále je instalovaný výkon elektrické energie rozptýlen na lokalitách v Japonsku (215 MW), Mexiku (190 MW), Rusku na Kamčatce (6 MW), Taiwanu (10 MW) a Islandu (3 a 60 MW projektováno). V Číně jsou také realizují pokusy na severním svahu Himaláje, ale kapacity instalací nejsou známy. Řada instalací je na velkých prasklinách či tektonických strukturách na kontinentech v Africe v Keni, Etiopii, Ugandě. I v Evropě je již v provozu několik instalací na významných prasklinách zemské kůry v rýnském prolom - rýnském riftu (Soultz sous Forest, Francie, Landau v Německu), rozpracován je projekt v Bazileji (Švýcarsko). Již třetí instalace typu Hot Dry Rock - suché zemské teplo (HDR) na výkon 5 MW_e se buduje v Austrálii v bývalém ložiskovém území na těžbu mědi.V naší republice je ve stadiu projekce pro systém HDR lokalita Litoměřice na okraji podkrušnohorského příkopu. V této struktuře jsou studovány další lokality na mostecku a chmutovsku a projekční příprava je zahájena také pro systém HDR v severních Čechách v krkonošském granitovém tělese.

Využití hluboké geotermální energie vyžaduje důkladné studie s ohledem na vhodnost geotermální struktury, hlavně možnost hlubinného oběhu vodního media a vytvoření podzemního puklinového výměníku tepla. S ohledem na požadavek vysoké teploty se musí hloubit vrty podle teplotního gradientu do cca 5 km a to na každé vybrané lokalitě 2 - 3. Investiční náklady jsou tedy významné, ale perspektivně je to jeden ze zdrojů energie budoucnosti, protože jeho vybudování zajišťuje energetickou nezávislost na centrálních zdrojích energie.

Závěrem je možné konstatovat, že celosvětově se zrychluje zájem o využití geotermálních zdrojů, například v sousední Spolkové republice Německo je již dnes realizováno několik tepláren a dalších několik desítek je již v projekci.

Nízkopotenciální zdroje jsou již běžně užívány, protože systém tepelných čerpadel a pro ně potřebných vrtných prací je velmi dobře technologicky zvládnut. Tento systém přináší úspory jiných zdrojů energie a je též ekonomicky výhodný.

Středně a vysoko teplotní zdroje hydrotermální jsou řešitelné, i když potřebují hluboké široce profilové vrty do hloubek několika kilometrů, protože jsou již technologicky zvládnutelné výměníkové stanice.

Složitější situace je při uplatňování HDR, nebo HDR-H systém (horké horniny s vodním mediem). Potřebné hloubky pro získání geotermálního tepla "suchých" hornin jsou většinou pět a více kilometrů. Konstrukce vrtů je výrazně složitější a vyžaduje nové technologie pro vytvoření podzemního puklinového výměníku tepla. Je také nutné rozvinout novou technologii pro ekologické turbogenerátory na různé pracovní teplotní spády a pracovní media. Rovněž je nezbytné celkově snížit investiční náklady, aby tento systém bylo možné uplatnit kdekoli na světě jako ekologický energetický zdroj budoucnosti. V místech, kde se může uplatnit HDR-H systém, tedy horké horniny s vodním mediem, je vybudování teplárny, tedy i výroby elektrické energie, již dnes technicky zvládnuto. Tento systém se již uplatňuje na mnoha místech na Zemi.

Geotermální energie má velkou výhodu, že je dostupná všude podle potřeby a dodává zajištěný výkon bez jakéhokoli narušení klimatickými či jinými vlivy. Také je snadno regulovatelná. Další vyšší zásoby tepla jsou technicky dosažitelné, takže tato energie bude moci sloužit i následným generacím.

Citovaná literatura:

Jung, R., et al. (2002) Abschaetzung des technischen Potenzials der geothermischen Stromerzeugung und der geothermischen Kraft-Waerme- Kopplung (KWK) in Deutschland.;Institut BGR Hannover, Institut TER der Universitaet Stuttgart.
Rummel, F., Kappelmeyer, O., (1993): Erdwaerme. Verlag C.F. Mueller, Karlsruhe.
Myslil V., Kukal Z.,Pošmourný K., Frydrych V.,(2007): Geotermální energie. Ekologická energie z hlubin Země - současné možnosti využívání. Planeta, 15, 4, 32 str. Praha.
Myslil, V., Motlík, J. (2006): Informace o potenciálu obnovitelných zdrojů energie v ČR. Archiv Ministerstvo životního prostředí.