Teplo z nitra Země

Geotermální energie je v energetických úvahách považována za obnovitelný zdroj. Hlavním zdrojem tepla v Zemi je rozpad radioaktivních izotopů uranu, thoria a draslíku, který k celkové tepelné ztrátě Země ¹⁾ přispívá téměř dvěma třetinami. Zbytek unikajícího tepla představuje zejména počáteční teplo Země. Hustota toku tepla u povrchu neboli zemský tepelný tok je vyšší v oceánech ²⁾ a nižší na kontinentech. ³⁾

Zemský tepelný tok

Z hlediska energetických toků, s nimiž se setkáváme v praxi, je hodnota hustoty zemského tepelného toku malá, méně než desetitisícina intenzity dopadajícího slunečního záření. V energetické bilanci zemského povrchu je zemský tepelný tok zanedbatelný (povrchová teplota je určena slunečním zářením a procesy v atmosféře), ale má zásadní vliv na přírůstek teploty s hloubkou v zemské kůře. Je to dáno tím, že tepelná vodivost hornin je nízká, a proto k přenosu i tak malého množství tepla je třeba dost velký vzrůst teploty s hloubkou, který v tektonicky stabilizovaných kontinentálních oblastech dosahuje 15 až 40 °C/km.

Nejcennější formou využívání geotermální energie je její přeměna na elektrickou. K výrobě elektřiny lze dnes využít i horkovodní systémy s teplotou 85–200 °C, pokud se použije turbína s binárním cyklem (geotermální voda předává teplo tekutině s nižším bodem varu, jejíž pára pak turbínu pohání). Binární elektrárny mají výkony od několika stovek kilowattů po první megawatty. Jejich podíl na celkovém instalovaném výkonu je jen 8 %, ačkoli početně představují 42 % provozovaných jednotek. V celosvětovém měřítku se geotermální elektrárny podílejí na výrobě elektřiny polovinou procenta.

Geotermální energie ve světě

Vzhledem k omezenému výskytu hydrotermálních a horkovodních systémů vhodných k výrobě elektrické energie se v sedmdesátých letech minulého století objevil koncept výroby elektřiny z tepla suchých hornin (hot dry rock system, HDR). Tyto elektrárny jsou založeny na využití tepla extrahovaného z horkých hornin bez významnějších zásob podzemní vody, které se nacházejí v hloubce ještě poměrně snadno dostupné pro vrtnou techniku, tj. okolo 5 km. Nejčastěji uvažovaná konfigurace pro získávání tepla v elektrárně tohoto typu je jeden vsakovací vrt a dva čerpací, které bývají vrtány z jedné platformy a ve spodní části se rozbíhají na opačné strany tak, aby jejich dno bylo od dna vtlačovacího vrtu vzdáleno několik set metrů. Předpokládá se, že hydraulickou stimulací či štěpením, kdy je pod velkým tlakem vháněna voda do nejspodnějších částí vrtů, vzroste propustnost horniny. Velkou výzvou pro hydrogeology a geofyziky je zmapování systému puklin a zlomů, které by umožnilo nasměrovat čerpací vrty tak, aby hydraulické propojení s vtlačovacím vrtem bylo co nejlepší.

Podstatně větší možnosti má přímé využití geotermální energie. Odpradávna se horké prameny využívaly k „lázeňským“ účelům (viz pdf příloha). Dnes se největšímu rozmachu těší využívání geotermální energie jako zdroje tepla pro tepelná čerpadla. V letech 2000–2005 rostlo ročně o 30 %. Je to dáno zejména schopností tepelných čerpadel odebírat zemské teplo i z hloubek těsně pod povrchem, v podstatě bez ohledu na geologické podmínky i teploty. Právě díky využívání tepelných čerpadel k vytápění objektů se Švédsko dostalo do první pětice států s největším přímým využitím zemského tepla. ⁴⁾

Dva nejčastěji používané způsoby odebírání zemského tepla pro tepelná čerpadla jsou svislé tepelné výměníky ve vrtech hlubokých 50–150 m a půdní plošné výměníky z trubek uložených ve výkopech 1–2 m pod povrchem. Hodnoty odebíraného tepelného výkonu jsou u svislých výměníků závislé na typu horniny, u půdních výměníků na typu půdy. U vrtů je to zhruba 20–25 W na 1 m délky vrtu v suchých píscích či štěrku až po 55–85 W na 1 m v krystalické hornině (rule či žule). Sto metrů hluboký vrt tedy může dodávat 2–8 kW tepla. U půdních výměníků hodnoty kolísají od 8 do 10 W na metr čtvereční v suchých těžkých půdách až po 30–40 W na metr čtvereční v mokrých píscích či štěrku. Výměník o ploše 100 m² tak může dodávat 0,8–4 kW tepla.

Celosvětově dodala tepelná čerpadla v roce 2005 asi 36 miliard kWh tepla. Vedle Švédska s 275 000 tepelných čerpadel a roční výrobou 7,9 miliardy kWh, které vede světové statistiky, zaujímají přední místa Německo a Švýcarsko. Ve Švýcarsku je nejvyšší hustota tepelných čerpadel na světě. Na jeden kilometr čtvereční tam připadá téměř jedno tepelné čerpadlo a všechna jejich čerpadla dodají ročně 0,8 miliardy kWh tepla.

Geotermální poměry a možnosti v ČR

Geotermální poměry v České republice jsou poměrně dobře prozkoumány díky intenzivnímu geotermickému výzkumu, který prováděl od šedesátých let minulého století Geofyzikální ústav AV ČR. Na základě měření ve zhruba 200 dostatečně hlubokých a teplotně ustálených vrtech, ze kterých byly k dispozici vzorky vrtného jádra k určení tepelné vodivosti, byla sestavena mapa tepelného toku České republiky. S výjimkou několika plošně omezených lokalit kolísají hodnoty v intervalu 40–90 mW/m². Průměrná hodnota tepelného toku pro Českou republiku 68 mW/m² je blízká průměrné celosvětové hodnotě na kontinentech. Mapa tepelného toku má zásadní význam pro výpočet teploty v zemské kůře, protože představuje nutnou okrajovou podmínku při řešení rovnice vedení tepla.

Dlouhodobý průměr teploty povrchu je v Česku 4–10 °C (podle nadmořské výšky) a teplotní gradient pozorovaný ve vrtech dosahuje nejčastěji hodnot 20–30 °C/km. Teplota ve 100 m pod povrchem kolísá mezi 8–14 °C a v hloubce 1 km mezi 25–40 °C.

Z hlediska využitelnosti geotermální energie je klíčovým parametrem teplota, na které je zemské teplo získáváno. Například pro provozování geotermálních elektráren s binárním cyklem, které jediné připadají v podmínkách České republiky v úvahu, je potřeba, aby teplota byla minimálně 85 °C. Vzhledem k tomu, že během provozu elektrárny (s předpokládanou životností 20–30 let) se bude pod zemní výměník prochlazovat, a také vzhle dem k nízké účinnosti přeměny tepelné energie na energii elektrickou při této minimální teplotě se vyžaduje, aby počáteční teplota byla vyšší alespoň o několik desítek stupňů. Například teploty 130 °C a 180 °C jsou na území České republiky očekávány v hloubkách menších než 5 km, popřípadě 7 km, jen v „nejteplejších“ oblastech, jako jsou Podkrušnohoří, Krušné hory, česká křídová pánev či hornoslezská pánev. Na převážné části území se teplota 130 °C vyskytuje hlouběji než 6 km a 180 °C hlouběji než 8–9 km.

Geotermální elektrárny – energetická bilance

Odhad potenciálu geotermické energie v Česku závisí na tom, jakou formou bude zemské teplo využíváno. Nicméně kdyby měl být přísně dodržen obnovitelný charakter čerpání, neměla by rychlost čerpání překročit tepelné ztráty Země. Ty lze pro Českou republiku s průměrnou hodnotou toku 68 mW/m² a rozlohou 79 000 km² odhadnout na 5400 MW. Uvažované projekty využívání geotermální energie předpokládají, že by se tepelný výkon prvních desítek megawattů tepla získával z oblastí o plošném rozsahu prvních kilometrů čtverečních. Např. 10 MW z 1 km² představuje tok 10 W/m², což je 150krát více tepla než na 1 m² přináší průměrný zemský tepelný tok. Z toho je zřejmé, že rychlost čerpání bude v „těžených“ lokalitách mnohem vyšší než rychlost obnovování zásoby tepla a po prochlazení „ložiska“ bude trvat desítky, či spíše stovky let, než se opět prohřeje na původní teplotu. V místním prostorovém a lidském časovém měřítku tedy nejde o obnovitelný zdroj energie. Nic na tom nemění ani tepelná produkce horniny, jíž je teplo odnímáno. I u hornin s vysokou tepelnou produkcí, například žul, je tepelný výkon jednoho kilometru krychlového jen několik kilowattů. Význam hornin s vysokou tepelnou produkcí, např. žulových bloků s hloubkovým dosahem několika kilometrů, spočívá ve zvýšení povrchového tepelného toku, a tím i gradientu teploty, který je rozhodující pro existenci dostatečně vysokých teplot v co nejmenší hloubce. Hlavní důvod zájmu o žuly ale tkví ve zvýšeném výskytu puklin a zlomů vzniklých při tuhnutí a chladnutí roztavené horniny. Pukliny by totiž měly usnadnit vytváření podzemního tepelného výměníku, nezbytného pro extrakci tepla ze suchých hornin.

Předpokládá se, že v takových lokalitách bude získávána většina tepla pro geotermál ní elektrárny v Česku. Plošný rozsah žul a podobných hornin lze odhadnout na desetinu území republiky. Pokud na této ploše ochladíme vrstvu v hloubce 4–5 km o 40 °C, získáme 6,8 × 1020 J tepla. Jestliže k ochlazení dojde během 100 let, bude tepelný výkon 216 000 MW a elektrický výkon při 13% účinnosti přeměny tepelné energie na elektrickou (pro teplotu páry 150 °C) zhruba 28 000 MW. Pro čerpání po dobu 10 000 let (budouli ještě nějací odběratelé) by to bylo 2160 MW tepla a 280 MW elektřiny. To je stále ještě čtyřikrát větší tepelný výkon než zemský tepelný tok z desetiny území Česka.

Vytápění budov – schůdná cesta

Výměníky pro využití geotermálního tepla pouze k vytápění by mohly být umístěny v menší hloubce. Teplota 60–80 °C potřebná k přímému vytápění nebo přípravě teplé vody je na některých místech v Česku již v hloubce 2 km a téměř všude v hloubce do 3 km. Technická náročnost a riziko neúspěchu při vytváření podzemních výměníků v těchto hloubkách by mohly být menší než u výměníků pro geotermální elektrárny – je tam jednak nižší tlak, jednak větší počet trhlin.

Nejschůdnější cestu k využívání geotermální energie otevřel koncept mělkých podzemních výměníků tepla buď ve svislých vrtech hlubokých 50–150 m, nebo v plošných systémech trubek uložených 1–2 m pod povrchem. Jejich tepelný výkon lze snadno regulovat od 5–10 kW do stovek kW buď počtem mělkých vrtů, nebo velikostí plošného výměníku. To jim otvírá možnosti uplatnění v rodinných domcích i velkých administrativních budovách. Při správném dimenzování systému se okolí výměníku ochlazuje jen pozvolna a systém může být provozován desítky let. Z hlediska spotřeby primárních zdrojů energie je však výhodnost použití elektricky poháněných tepelných čerpadel k vytápění objektů podmíněna jejich topným faktorem. Pokud je topný faktor ⁵⁾ čerpadla 3 (dvě třetiny tepla dodávaného do objektu pocházejí z geotermálního výměníku, třetina z elektřiny spotřebované na pohon tepelného čerpadla) a účinnost výroby elektřiny v elektrárnách je 1/3, je tento topný systém z hlediska spotřeby primárních zdrojů neutrální. ⁶⁾ Řada tepelných čerpadel má ale dnes topný faktor 3,5–4, což v kombinaci s třetinovou účinností elektráren znamená zisk 1,17–1,33násobku vložených primárních zdrojů.

Udávaný počet tepelných čerpadel v České republice byl v roce 2005 překvapivě vysoký – kolem 10 000, s roční dodávkou tepla 0,4 miliardy kWh. Není ale zřejmé, jakou část z toho představují čerpadla odebírající teplo nikoli ze Země, ale ze vzduchu. Nezanedbatelný podíl, zhruba 0,03 miliardy kWh, má na české bilanci vytápění v Děčíně, kde se využívá voda teplá 30 °C, která proudí ze zvodně v hloubce 550 m v množství 54 l/s.

Zcela jednoznačně ve prospěch úspory primárních zdrojů vyznívá využití svislých mělkých vrtů k chlazení. Vzhledem k tomu, že podpovrchové teploty bývají v České republice nejčastěji kolem 10–12 °C, je možné přímé chlazení. Správně dimenzované svislé mělké vrty lze tedy v létě využívat k chlazení a v zimě k vytápění. Tím výrazně vzroste jak účinnost, tak životnost systému. Podzemní tepelné výměníky využívané k chlazení se většinou nepovažují za využívání geotermální energie. Tento způsob chlazení však vede k výrazným úsporám energie spotřebované na klimatizaci, a tedy i k úspoře fosilních paliv a redukci skleníkových plynů.

Srovnání se sousedy

Za 20–30 let životnosti svislého výměníku používaného jen k vytápění se významněji (o několik stupňů Celsia) prochladí pouze okolí vrtu v okruhu zhruba 10 m a po uzavření výměníku se za přibližně stejně dlouhou dobu okolí zase prohřeje přívodem tepla z okolní horniny. Rodinné domy, na jejichž pozemku bude možné ve vzdálenosti 15–20 m od prochlazeného vrtu vyvrtat nový, by tedy mohly být vytápěny tepelným čerpadlem trvale. Vyjdeme-li z odhadu technického potenciálu tepla odebíraného tepelnými čerpadly z mělkých geotermálních zdrojů pro Německo, které má podobné přírodní podmínky, ⁷⁾ a přepočteme to podle poměru rozlohy obou zemí, dostaneme pro Česko hodnoty 54 miliard kWh ročně. Tato hodnota mírně převyšuje odhad dodávek tepla z decentralizovaných zdrojů v Česku v roce 2006, který činil 48 miliard kWh.

Ve srovnání se sousedním Německem a Rakouskem je využívání geotermální energie v Česku na podstatně nižší úrovni. V těchto, ale i řadě dalších evropských zemí je geotermální energii věnována mnohem větší pozornost, její využití se mnohem více a intenzivněji propaguje, je dostatečně legislativně ošetřeno a jeho rozvoj je podporován promyšleným systémem dotací. Zbývá jen doufat, že se podobným směrem vydá i Česká republika.

Tento článek vznikl také na podkladě výsledků některých výzkumných projektů podporovaných grantovou agenturou ČR, např. GA205/93/0412 Geotermální model Českého masivu.