Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Teplo z nitra Země

Možnosti využívání geotermální energie v ČR
 |  11. 9. 2008
 |  Vesmír 87, 606, 2008/9

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.

Literatura

R. Bertani: World geothermal power generation in the period 2001–2005, Geothermics 34, 651–690, 2005
V. Čermák, M. Král, M. Krešl, J. Kubík, J. Šafanda: Heat flow, regional geophysics and lithosphere structure in Czechoslovakia and adjacent part of Central Europe, in V. Čermák, L. Rybach (editoři): Heat Flow and the Lithosphere Structure, Springer Verlag, Berlin 1991, s. 133–165
V. Čermák, J. Šafanda, M. Krešl, L. Kučerová: Heat flow studies in Central Europe with special emphasis on data from former Czechoslovakia, Global Tectonics and Metallogeny 5, 109–123, 1996/3 a 4
V. Čermák, J. Šafanda: Subsurface temperature distribution in Western Czechoslovakia and its mapping for appraising the exploitable sources of geothermal energy, in V. Čermák, R. Haenel (editoři): Geothermics and Geothermal Energy, Schweizerbartsche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 1982
P. Dědeček, J. Šafanda, V. Čermák: Teplota v hloubce 100 m pod povrchem, in Atlas krajiny ČR, 2008 (v tisku)
M. Frey: Geothermie könnte Entwicklungsländer fördern, Geothermische Energie 56/57, 2007
E. Hurtig, V. Čermák, R. Haenel, V. I. Zui (editoři): Geothermal Atlas of Europe, H. Haack Verlagsgessellschaft mbH und Geogr.Kartogr. Anstalt, Gotha 1992
M. Kaltschmitt, E. Huenges, H. Wolff: Energie aus Erdwärme, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart 1999
J. W. Lund, D. H. Freeston, T. L. Boyd: Direkt application of geothermal energy: 2005 Worldwide review, Geothermics 34, 691–727, 2005
H. N. Pollack, S. J. Hurter, J. R. Johnson: Heat flow from the Earth’s interior: analysis of the global data set, Rev. Geophys. 31, 267–280, 1993

Poznámky

1) Celková tepelná ztráta Země činí (4,6 ± 0,3) × 1013 W.
2) Průměr 101 mW/m2.
3) Průměr 67 mW/m2.
4) V roce 2005 bylo v této zemi provozováno 275 000 tepelných čerpadel napojených na podzemní tepelné výměníky a jen v roce 2004 jich přibylo 47 000.
5) Topný faktor – poměr tepla na výstupu z čerpadla k elektřině spotřebované na jeho pohon.
6) Pro jednoduchost předpokládáme, že účinnost vytápění přímo z primárních zdrojů je 100 %.
7) Pomiňme vliv vyšší hustoty a odlišné struktury osídlení.

ISLAND, OSTROV PLNÝ ENERGIE

geologicky patří Island napůl do Evropy a napůl do Ameriky. Leží na rozhraní americké a evropské litosférické desky, neustále se „trhá“ a každoročně se zvětšuje o 1–2 centimetry. Prasklina procházející ostrovem ze severovýchodu na jihozápad je i prostorem aktivní sopečné činnosti a místem s obrovskou geotermální energií.

Od počátku osídlení Islandu (zhruba v 9. století) až do první poloviny 20. století nacházeli Islanďané jediný užitek z geotermální energie skryté v útrobách jejich ostrova v horké vodě, která na mnoha místech vyvěrá ze země. Prali v ní prádlo. Sopky, resp. jejich erupce, jim přinášely jenom zkázu a utrpení. Zhruba od třicátých let minulého století se však karta obrací a lidé na Islandu postupně začínají geotermální energii cílevědomě využívat.

Na vrcholu kopce Öskjuhlíd v Reykjavíku stojí stavba se skleněnou kopulí. Připomíná létající talíř. Realita je však docela prozaická – jde o obří rezervoár horké vody, který zásobuje celý Reykjavík a přilehlá města. Jmenuje se Perlan a tvoří ho šest nádrží. Každá pojme čtyři miliony litrů vody o teplotě 85 °C. Zdrojem tepla pro tuto zásobárnu je geotermální pole v Nesjavelliru, kde je celkem sedmdesát vrtů do hloubky 500–2000 m a jeden vrt, který dosahuje hloubky tří kilometrů. Protože voda z vrtů obsahuje příliš mnoho minerálů, ohřívá ve výměnících vodu z jezera thingvalavatn, která putuje do Reykjavíku 27 kilometrů dlouhým potrubím. Díky velkorysému architektonickému řešení není obří vodojem jenom ryze účelovou technickou stavbou. Skleněná kopule na vrcholu nádrží kryje vnitřní prostor. V šesti patrech je tu umístěna restaurace s otáčivou podlahou, kavárna, bar, obchody, galerie, koncertní sál a v podzemí ještě konferenční sál. Výhody geotermální energie ale nevyužívá jenom hlavní město – přírodní horká voda vytápí zhruba 85 % všech islandských budov a skleníky, v nichž se pěstuje běžná zelenina i jižní ovoce.

Geotermální energie se na Islandu využívá také k výrobě elektrické energie. Téměř 40 % energie spotřebované na Islandu je geotermálního původu. V geotermální elektrárně fungují dva okruhy – primární a sekundární. Pára z nitra Země má v sobě příliš mnoho minerálů a nelze ji přímo použít k pohonu turbín. Proto ve výměnících pouze zahřívá sekundární okruh, v němž teprve vzniká pára, která pohání turbíny. Roli reaktoru v těchto elektrárnách na sebe bere žhnoucí podzemí.

Geotermální elektrárna byla zbudovaná i na úbočí aktivní sopky Krafly. Z vrtů do nitra sopky tryská horká pára, která ohřívá vodu v pracovním okruhu a ta pak roztáčí turbíny. Tady stavitelé elektrárny trochu přecenili své možnosti a „trpělivost“ sopky; při zemětřesení došlo k výbuchu u nejhlubších vrtů a výkon elektrárny musel být omezen asi na polovinu.

Jan Sucharda

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika

O autorovi

Jan Šafanda

* *

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné