Geotermální energie

Geotermální energie je výsledkem působení tepelné energie zemského jádra. Patří mezi obnovitelné zdroje energie, i přes to, že některé zdroje geotermální energie jsou vyčerpatelné v horizontu několika desítek let. Tepelná energie Země roste s rostoucí vzdáleností od povrchu, ovšem její projevy je možné spatřit i na povrchu v podobě horkých pramenů, gejzírů, parních výronů či erupcí sopek. Využívá se jak ve formě tepelné energie pro vytápění, tak i k výrobě elektrické energie prostřednictvím geotermálních elektráren.

Zdroje geotermální energie

Původní teplo zemského jádra – tato energie vznikla spolu s formováním planety

Rozpad radioaktivních prvků –  jedná se především o uran, který je zdrojem zhruba 60 % tepelné energie Země od jejího vzniku, dále thorium a radioaktivní draslík

Fyzikálně chemické reakce – reakce probíhající v zemské kůře, při kterých se uvolňuje teplo (exotermické), jsou např. oxidace nebo rekrystalizace minerálů

Tektonický pohyb – jedná se o tepelnou energii vzniklou přeměnou z kinetické energie při pohybu tektonických desek

Energie slapových sil – energie vzniklá třením vodních mas o sebe a o pevninu

Parametry geotermální energie

Hlavní parametry určující kvalitu a využitelnost tepelné energie v dané lokalitě jsou teplota, teplený gradient, tepelný tok a tepelná vodivost hornin.

Teplota roste s rostoucí vzdáleností od povrchu Země, tento nárůst je ovlivněn teplotní vodivostí hornin, tektonickou aktivitou a dalšími vlivy, např. prouděním podzemní vody.

Tepelný gradient udává přírůstek teploty na jednotku hloubky. Průměrný hodnota je 30 °C/km. Ve vulkanicky aktivních oblastech a na rozhraní litosferických desek se může pohybovat v hodnotách 50-70 °C/km, naopak v oblastech s nízkou vulkanickou a tektonickou aktivitou a v oblastech pevninských štítů okolo 10-15 °C/km.

Tepelný tok – představuje množství tepla procházející jednotkou plochy za jednotku času. Z tohoto údaje lze částečně odvodit tepelný gradient.

Metody využití geotermální energie

Geotermální energie se vyskytuje na celé planetě, na 10 % rozlohy se jedná o hydro-geotermální zdroje, kdy je přenos tepla na povrch zprostředkován pomocí geotermální vody, geotermální páry, nebo jejich směsi. V oblastech s absencí výskytu geotermální vody je k získávání geotermální energie využito technologie EGS (Enhanced Geothermal System). Tato technologie se dále dělí na metodu  horké suché horniny – HDR (Hot Dry Rock) a rozpraskané horké horniny – HFR (Hot Fractured Rock).

Hot Dry Rock (HDR)

Tato metoda pracuje se suchými horninami nepropustnými pro kapaliny, v nich jsou uměle vytvářeny praskliny, nebo jsou drceny, čímž vzniká prostor tepelného výměníku. Následně je inejktážním vrtem do tohoto prostoru vháněna voda, která odebírá teplo okolní hornině. Díky vysokému tlaku tato voda zůstává v kapalném stavu i při teplotách překračujících 100 °C. Následně je tato voda na povrchu buď přeměněna v páru nebo je její tepelná energie odebrána ve výměníku.

V praxi je tento systém realizován buď dvěma vrty vzdálenými minimálně 1 km, které jsou spojeny jednou puklinou nebo několik vrtů vzdálených minimálně 300 m , které spojuje více puklin. Pukliny jsou vytvořeny vysokotlakým vstřikováním vody do vrtů.

Tento systém lze využít v podstatě v jakékoliv lokalitě, tedy i v České republice.

Hot Fractured Rock (HFR)

Systém HFR, neboli horké porušené horniny, se využívá v lokalitách, kde se takový typ horniny vyskytuje samovolně. Jedná se především o tektonická pásma. Ve většina případů je nutná další úprava horniny, která je prováděna hydraulickým štěpením.

U této metody je důležitý detailní průzkum podzemní struktury z důvodu výskytu cirkulujících podzemních vod a horší ovlivnitelnosti ztrát vháněné vody.

Využití geotermální energie

V závislosti na lokalitě a jejích vlastnostech je geotermální energie využita k vytápění nebo k výrobě elektřiny v geotermálních elektrárnách.

Vytápění

Pro vytápění je většinou využito buď tepelného čerpadla nebo geotermálních tepláren.

Tepelné čerpadlo je schopné přeměnit nízkopotenciální teplo na teplo vhodné pro vytápění nebo ohřev vody. Teplo se v tomto případě odebírá ze země nebo z geotermální vody z vrtů či přírodních vřídel.

Dalším případem je využití geotermálních tepláren. Ve většině případů se jedná o spojení geotermální výtopny a geotermální elektrárny, kde je využito odpadního tepla při výrobě elektřiny k vytápění objektů a ohřevu vody.

Přeměna na elektrickou energii

Pro přeměnu geotermální energie na energii eletrickou se využívá geotermálních elektráren. Ty jsou značně omezeny lokalitou, která musí mít vyšší tepelný gradient či vyšší geotermální aktivitu a zároveň vhodnou podzemní strukturu pro uskutečnění vrtu do hloubky několika kilometrů.

V současné době se využívá tří typů geotermálních elektráren – Dry Steam (na suchou páru), Flash Cycle (bleskový okruh) resp. elektrárna na mokrou páru a Binary Cycle (binární).

Typ Dry Steam využívá přímo geotermální páru získanou ze země pro pohon turbíny. Tato technologie vyžaduje geotermální zdroj velmi vysokých teplot, většinou v tektonických oblastech. Tyto elektrárny jsou využívány na Islandu, Novém Zélandu, v USA a Itálii.

Elektrárny Flash Steam jsou nejrozšířenějším typem geotermálních elektráren. Využívají vody o teplotě vyšší než 160 °C, tato voda je nejprve změnou tlaku přivedena k varu a přeměněna v mokrou páru, ta následně vstupuje do separátoru, kde se oddělí pára a mineralizovaná voda. Oddělená pára je následně využita k pohonu turbíny.

Binární elektrárny využívají teplonosného média s nízkým bodem varu a vysokým tlakem par při nízkých teplotách – obvykle organických kapalin (např. propan, isobutan a freon). Teplonosné médium je ohříváno ve výměníku a díky nižší teplotě varu se odpařuje i při nízkých teplotách a tyto páry následně pohánějí turbínu. Jak je z principu patrné, využívají se tyto elektrárny pro nízko a středně teplotní geotermální zdroje.

Geotermální energie v České republice

V podmínkách České republiky je nejvhodnějším způsobem využití geotermální energie HDR, jelikož hydrogeotermální zdroje se vyskytují ve velmi omezené míře a jejich teplota je poměrně nízká, většinou jsou tyto lokality využívány pro lázeňské účely. Jedná se například o Karlovy Vary, kde se vyskytují geotermální vody o teplotě okolo 72 °C.

V oblastech s vyšším tepelným tokem je možné využít metody HDR pro výstavbu tepláren s kombinací binárního cyklu a tepelných čerpadel.

Geotermální energie ve světě

Země s největším podílem výroby geotermální energie jsou Island, Filipíny, Indonésie, Nový Zéland, USA a Itálie. Udává se, že z celkového potenciálu geotermální energie je ve světě využito 1 %.

Island – geotermální ráj

Island je v rámci Evropy nejvhodnější zemí pro využití geotermální energie. Geotermální elektrárny o celkové instalované kapacitě 665 MWe v roce 2013 vyrobily 4 600 GWh elektřiny, tedy 25 % celkové produkce elektřiny.

Ve využití geotermální energie pro vytápění je Island světovým lídrem. Vytápěno, včetně zajištění ohřevu vody, je tímto způsobem více než 85 % všech budov. Například hlavní město Reykjavík je celé vytápěno využitím podzemní vody o teplotě přes 80 °C, mimo rodinných domů, veřejných budov a bazénů je teplo využíváno ve sklenících a pro vyhřívání chodníků a silnic, které díky tomu nenamrzají a nedrží se na nich sníh.

Nejenže je tento způsob vytápění ekologický, ale v případě Islandu jsou i náklady oproti využívání ostatních tepelných zdrojů o mnoho nižší. V levně vytápěných sklenících se vyplatí pěstovat například i tropické ovoce.

Výhody a nevýhody využívání geotermální energie

Jednou z největších výhod, díky které tato technologie zapadá do moderní koncepce výroby energie, je její ekologičnost z pohledu produkce škodlivých kapalin a plynů (Co2, NOx, síra), která je minimální.

Další výhodou je stálá produkce energie, na rozdíl od fotovoltaických či větrných elektráren.

Nevýhodou jsou především investiční náklady, nejnákladnější jsou především hloubkové vrty a tvorba puklin v metodě HDR.

S realizováním vrtů a vytvářením puklin v horninách vzniká také riziko zemětřesení. Zatím největší vzniklé zemětřesení mělo sílu 3,4 Richterovy stupnice, které je označováno jako malé, nezpůsobující škody. Většina zemětřesení jsou ovšem sotva znatelná.

U výroby elektřiny za využití geotermální energie je také nevýhodou nutnost nalezení specifické lokality, ať již vzhledem k podzemní struktuře, tak i teplotnímu gradientu geotermální energie.