Úvod

Geotermální energií je teplo získávané z nitra Země. Geotermální energie se zpravidla využívá buď přímo ve formě tepla, nebo se používá pro výrobu elektrické energie v geotermálních elektrárnách (teplárnách).

Výroba geotermální energie má vzhledem k vysokým výkonovým parametrům, značné dostupnosti (stálá dodávka energie nezávislá na klimatických podmínkách oproti sluneční a větrné energii) a nízkým emisím (oproti biomase) nejlepší výhled pro uplatnění mezi obnovitelnými zdroji energie.

Z nitra Země je uvolňován v kontinentální zemské kůře směrem k povrchu tepelný tok o průměrné hodnotě 57 mW/m2. Celkový geotermální výkon Země je přes 4×1013 W (40 000 GW), což je zhruba 4x více než současná celosvětová potřeba energie.

Původ tepelného toku je v teplotním gradientu mezi povrchem a zemským jádrem, které má vysokou teplotu (5 000 oC). Vysoká teplota zemského jádra je způsobena teplem uvolněným při formaci Země před 4,5 miliardami let, kdy kinetická energie srážek materiálů byla přeměněna v teplo. Dále je materiál jádra a pláště kontinuálně oteplován teplem uvolňovaným z rozpadajících se radioaktivních izotopů s dlouhým poločasem rozpadu, především 40K, 232Th, 235U a 238U.

Teplo z jádra Země je k zemské kůře přenášen dvěma mechanismy – konvekcí (prouděním) a kondukcí (vedením). Proudění a tečení roztavených pevných látek je velmi účinným mechanismem přenosu tepla, nicméně v blízkosti povrchu (do 100 km), kde je materiál již příliš studený a viskózní aby se pohyboval, je teplo přenášeno především vedením, a teplotní gradienty jsou daleko vyšší. Tuhá kůra je rozdělena (rozlomena) na množství částí (litosférické desky), které se pohybují rychlostí několika cm/rok vlivem konvekčních proudů pod nimi. Na hranicích mezi zemskými deskami dochází k velkým tlakům a vývěru žhavého magmatu (pouze několik km pod povrchem, sopečná činnost), což způsobuje vysoké tepelné toky až 300 W/m2.

Pro využití geotermální energie je důležité znát tzv. geotermální teplotní gradient, tzn. nárůst teploty s hloubkou pod zemským povrchem. Za ustáleného stavu při konstantním tepelném toku k povrchu se teplotní gradient mění podle tepelné vodivosti vrstev hornin (není přímkový). Průměrný teplotní gradient blízko povrchu do několika km je cca 30 K/km, nicméně jsou místa, kde klesá až na 10 K
/m a místa kde dosahuje hodnot nad 100 K/m (místa s aktivní sopečnou činností).

Za geotermální energetické zdroje považujeme místa s tepelnou energií, kterou je možné čerpat při přiměřených nákladech. Zdroje s nejvyšším potenciálem jsou soustředěny především na hranicích již zmíněných zemských desek, kde zpravidla existuje viditelná geotermální aktivita (horké prameny, výdechy kouře a páry, gejzíry apod.).

Takovým lokálním tepelným zdroje bývá především průnik masy magmatu o teplotě 600-900 oC do několikakilometrové povrchové vrstvy. Významná geotermální pole mohou být také v oblastech nedotčených nedávným průnikem magmatu, kde je určitá tektonická anomálie (zpravidla zeštíhlení kontinentální kůry). Běžná geotermální pole s dostatečnou produktivitou však nemusejí být nutně pouze anomáliemi.

V přírodě se vyskytují zpravidla čtyři typy geotermálních systémů:

  • hydrotermální,
  • teplé suché horniny,
  • geotlaké,
  • magnetické.

V současné době se ve světě používají k výrobě elektřiny zejména hydrotermální systémy, a to již přes 100 let.

Bohužel, pro tyto systémy nejsou u nás geologické podmínky. Hydrotermální systémy jsou využívány v omezeném rozsahu pro získávání tepla. Systémy geotlaké a magnetické jsou otázkou budoucnosti. Po ropné krizi v 70. létech minulého století se začíná s využíváním tepelných suchých hornin (HDR – hot dry rock). D využitím tohoto řešení se počítá i v ČR.

Energie teplých suchých hornin

Běžně využívané geotermální rezervoáry obsahují vodu ve formě kapalné nebo plynné fáze. Jejich výskyt je však omezen pouze na určité oblasti. Daleko vyšší pravděpodobnost výskytu mají rezervoáry, složené pouze z nepropustné horniny (suchý masiv, zanesené porézní prostředí). Pro přenos tepla z těchto podpovrchových oblastí o dostatečně vysoké teplotě v závislosti na hloubce je nutné tyto horniny uměle rozbít, přeměnit je na propustné (realizovat výměník) a zavést do nich tekutiny vhodné pro přenos tepla (čerpání). Tímto způsobem lze přeměnit jakýkoli vhodný objem teplé suché horniny v zemské kůře v dostupné hloubce na umělý rezervoár.

Do vybraného horninového prostředí jsou vytvořeny nejméně dva vrty, končící několik set metrů od sebe (experti doporučují 600 m). Voda je zaváděna vsakovacím (injekčním) vrtem a prostupuje vytvořeným propustným rezervoárem, který se chová jako tepelný výměník. K povrchu se zavedená voda vrací čerpacím (produkčním) vrtem (pára s vodou) a přináší s sebou energetický obsah.

Rezervoár, pokud je z horninového masivu, je nutné mechanicky rozrušit. V případě hornin s přirozenými lomy, zanesenými a utěsněnými usazeninami, stačí tyto znovu obnovit. Nejběžnější metody pro vytváření propustné horniny jsou hydraulické lámání, chemické lámání a trhavinové lámání. Systémy HDR pracují v uzavřeném cyklu, tj. se vsakováním ochlazených tekutin zpět do vrtů (uzavřená cirkulace).

Tato technologie umožňuje využívat geotermální energii pro výrobu elektrické energie i v zemích, ve kterých neexistují klasické (hydrotermální) geotermální zdroje.

Výhody HDR technologie leží v jejím velkém potenciálu a dostupnosti ve velké části zemského povrchu a neškodnosti vůči životnímu prostředí.

Výroba elektřiny metodou HDR má mnoho výhod. Zásadně nenaráží na problémy z titulu ochrany přírody. Jedná se o technologii nesrovnatelně výhodnější, než jsou všechny technologie využívající obnovitelnou energii. Není závislá na klimatu jako solární, větrná a vodní energie a energie z biomasy. Má velkou výhodu, nejen z hlediska skleníkových plynů, ale též nejsou žádné problémy s NOx a dalšími polutanty. Po technické stránce se jedná o vybudování decentralizovaných zdrojů elektřiny, velmi rovnoměrně rozmístěných, které požívají všechny výhody decentralizovaných zdrojů. Mohou pracovat 8760 hodin v roce, a přitom jsou regulovatelné. Svoji důležitou roli mohou sehrát při zajištění zvýšené bezpečnosti území státu v zásobování energií.

Nezanedbatelnou skutečností je to, že technologii pro výrobu elektřiny v systémech HDR mohou vyrábět české firmy. Např. technologii na výrobu elektřiny z biomasy na bázi systému ORC, který byl původně vyvinut pro geotermální aplikace, v současnosti vyrábí třebíčská firma TTS eko. Podobnou výhodu mohou mít Hodonínské naftové doly, které vlastní potřebnou vrtací techniku.

Úvahy o možnostech geotermálních projektů HDR u nás počítají s gradientem 30 K/km a hloubkami vrtů 5 km. Tzn., že se uvažuje s pracovní teplotou media 150 oC a s množstvím 150 l/s. Získané medium se dá využít pro přípravu tepla pro vytápění, nebo k výrobě elektřiny. Pro výrobu elektřiny nejde medium získané z vrtů přímo použít jako pracovní médium do turbinového okruhu, protože má pro klasický parní Rankinův cyklus nevhodné parametry, a proto se musí hledat jiné (binární) systémy, které dokáží lépe využít energii obsaženou v získaném mediu.

Tato zařízení pracují se sekundární pracovní látkou s nízkým bodem varu (nasycené uhlovodíky, halogenované uhlovodíky, směsi čpavku a vody.

Organický Rankinův cyklus (ORC)

Pracovní látka s nízkým bodem varu pracuje v uzavřeném termodynamickém cyklu, tzv. organickém Rankinově cyklu (ORC). Pracovní látka (silikonový olej resp., lépe řečeno, směs organických látek) je odpařena přijmutím geotermálního tepla z vody dodávané vrtem ve výparníku. Pára expanduje průchodem organickou parní turbínou, spojenou s generátorem. Výstupní pára následně kondenzuje ve vodou chlazeném kondenzátoru a nebo ve vzduchovém chladiči a je recyklována do výparníku čerpadlem pro oběh pracovní látky. Účinnost těchto cyklů se pohybuje mírně nad 10 %.

Kalinův cyklus

Tento rel. nový cyklus pracuje na principu neorganického Rankinova cyklu a jako pracovní látku využívá směs vody a čpavku. Tento cyklus v uvedeném případě dosahuje účinnosti kolem 15 % (tj. o 50 % vyšší termodynamické účinnosti oproti užitému ORC).

Na obrázku, kde je uvedeno schéma Kalinova cyklu, je voda čerpaná z vrtu nejdříve využita pro přehřátí a opětovné ohřátí pracovní látky a potom k vypaření a předehřevu než odchází do vsakovacího vrtu. Pracovní látka v přehřátém stavu expanduje ve vysokotlakém stupni turbíny a poté je znovu ohřáta před vstupem do nízkotlakého stupně turbíny. Po druhé expanzi nasycená pára prochází rekuperačními ohřívači a poté kondenzuje ve vodou chlazeném kondenzátoru.

Směs 85 % čpavek/voda umožňuje proces s variabilní teplotou v konvenčním podkritickém ohřívači. Při tlaku 3,1 MPa začíná pracovní látka var při 74 oC (bublinkový var) a končí při 149 oC. Cyklus je vysoce rekuperativní, což zvyšuje jeho účinnost. Jelikož molekulární hmotnost čpavku je podobná jako vody, je možné využít standardní parní turbíny opatřené těsněním proti úniku čpavku. Měrná tepelná kapacita směsi čpavek/voda je více než dvojnásobná než u uhlovodíků používaných v organickém cyklu, což vede k menším teplosměnným plochám výměníků.

Situace hlubokých vrtů v České republice

V ČR bylo v minulosti provedeno mnoho hloubkových vrtů, které sloužily ke geologickému průzkumu při hledání ložisek uranu, uhlí, ropy a zemního plynu. K nejhlubším vrtům v ČR patří Jablůnka – 1 (6 506 m). Je zajímavé, že již v 60. letech se u nás uvažuje o možnostech vrtání do hloubek kolem 15 km (Honza 1961). Technicky reálné je s dostupným vybavením, za mimořádných podmínek, uskutečnit vrt do hloubky 8 000 m (Paroulek – Slatina 1986).

V současnosti je v České republice odvrtáno celkem téměř 2 000 vrtů hlubších než 1 000 m. Rozložení vrtů je velmi nepravidelné. V průměru v České republice jeden vrt hlubší než 500 m na 36 km2 státního území.

Geotermální projekt Litoměřice

Litoměřice se nacházejí v oblasti, kde jsou vhodné podmínky pro nasazení systému HDR. Město leží na průsečíku dvou základních tektonických zlomů – podkrušnohorského a zlomu ležícího v ose řeky Ohře. Hned za městem se zvedají kopce Českého středohoří, které jsou vulkanického původu. V okolí Litoměřic byly prováděny vrty, které vypovídají o složení hornin, až do hloubek, kdy bylo při vrtání naraženo na žulu nebo podobné horniny a vrtání skončilo. Z dokumentace těchto vrtů jsou k dispozici i měření teploty, takže si dovedeme udělat obraz o teplotním gradientu v horních krycích (izolačních) vrstvách. O průběhu gradientu v žulovém masivu je možné vést jen úvahy. Více by měl napovědět geofyzikální průzkum a zkušební vrt, který by měl jít do hloubky 2,5 km.

Návrh projektu HDR Litoměřice počítá v současnosti s vyvrtáním 3 vrtů. Rámcově se jedná o hloubky 5 km. Je počítáno se získáním až 140 l/s  media o teplotě cca 150 oC. To představuje při ochlazení média na 70 oC tepelný výkon cca 50 MW.

Projekt počítá s výrobou elektřiny i tepla. Při 12% účinnosti Kalinova cyklu se jedná o elektrárnu s výkonem 5 MW. Na výstupu z výměníku elektrárny bude k dispozici voda o teplotě 70 oC.

Investiční náklady projektu (bez horkovodních rozvodů budou cca 1,1 mld. Kč).

Investiční náklady nejsou malé, ale je skutečností, že nic podobného se u nás dosud nerealizovalo. Kalinův cyklus byl dosud jen studovaným teoretickým problémem vědeckých pracovišť a VŠ. Není vyloučeno ani nasazení ORC technologie.

V budoucnosti se počítá s výrazným zlevněním jak vrtných prací, tak elektrárenské technologie (Kalinův cyklus). Výzkumné práce EU hovoří o zlevnění investičních nákladů až na 1/3 po osvojení používaných technologií. 

Potenciál HDR v ČR

Za předpokladu, že bychom blok Českého masivu o mocnosti 4 km ochladili o 1 oC, získali bychom teoretický potenciál 500 000 PJ, přičemž roční spotřeba primárních energetických zdrojů v ČR je cca 1 800 PJ.

Pro jednodušší představu, jaké množství energie má v sobě horká žula, poslouží úvaha z Litoměřic. Při ochlazení kvádru žuly o objemu 1 km3 o 40 oC máme k dispozici takové množství energie (elektřina + teplo), které stačí pro město Litoměřice na 30 let.

Z řady studií je možné odvodit, že na našem území je podle prvních výpočtů možné identifikovat minimálně 60 lokalit vhodných pro výrobu elektřiny s celkovým výkonem cca 250 MW a tepla na vytápění s výkonem cca 2 000 MW, tedy roční výrobu cca 2 TWh elektřiny a 4 TWh (14,4 PJ) využitého tepla.

Ve vzdálenějším výhledu, po provedení doplňkového průzkumu na vytipovaných lokalitách, předpokládáme možnost vybudování elektráren o celkovém výkonu 3 200 MW. Tyto instalace budou relativně rovnoměrně rozmístěny po republice a jejich roční výroba bude cca 26 TWh.

Ing. Jan Motlík, CSc., Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice, ČEZ 2007