Praktické využívání vysokoteplotní geotermální energie se na celém světě v posledních letech výrazně zvyšuje. Souvisí to i se snahou omezit emise oxidu uhličitého a zabránit tak globálnímu oteplování. U nás se zatím více využívají nízkoteplotní zdroje.

Geotermální energie má mnoho výhod: Je využitelná kdekoli, šetří životní prostředí, z pohledu života na Zemi je prakticky stálá, představuje úsporu jiných zdrojů tepelné energie, je jedním z faktorů ochrany klimatu Země, na povrchu Země zabírá jen malé plochy, může zajistit plynulou dodávku energie podle potřeby, úplná automatizace zajišťuje bezpečnost provozu a snadnou obsluhu technologie. Podle teploty vody se dělí na systémy o nízké teplotě (pod 90 ^oC), střední teplotě (90-150 ^oC) a vysoké teplotě (nad 150 ^oC).

Nízkoteplotní potenciál

Nízkoteplotní geotermální potenciál je dosažitelný v malých hloubkách pod povrchem z podzemní vody, nebo mělkými geotermálními vrty na „suché“ zemské teplo, hlubokými jen desítky nebo stovky metrů. Toto teplo jinak uniká ze Země do atmosféry. Uplatnění tepelných čerpadel umožňuje využití ekologického zdroje energie v širokém rozsahu a kdekoli na Zemi, i když potřebuje dodávat asi 1/3 vyrobené tepelné energie na pohon kompresorů.

Primárním zdrojem tepla pro tepelná čerpadla jsou zemní kolektory (svislé vrty se zapuštěnou jednou nebo dvěma smyčkami PE trubek) s uzavřeným oběhem nemrznoucí kapaliny. PE trubkové smyčky se mohou také umístit do základových konstrukcí či základových pilot apod. Odběr zemského tepla plošnými či svislými vrtnými kolektory nijak teplotně nenarušuje tepelnou bilanci daného místa, protože jen zrychlí tepelný tok v povrchových částech zemské kůry. Odběr tepla nijak neovlivní přírodní životní prostředí, ani nenaruší budovy či zahradu (na obrázcích jsou uvedena nejčastěji uplatňované systémy).

Zájem o nejteplejší zdroje                                                                                              

U nás se zatím využívají zejména nízkoteplotní zdroje, ale ve světě se intenzivně studují možnosti využití vysokoteplotních zdrojů s teplotami nad 150 °C. Tyto teploty totiž umožňují souběžnou výrobu elektřiny i tepla: Primárně se vyrábí elektrická energie při teplotním rozmezí 200-150/100-90 K. Zbytkové teplo se pak využívá pro vytápění, případně z části i na další výrobu elektřiny.

Podle průměrného tepelného gradientu je teplota 150 °C dosažitelná na všech kontinentech prakticky téměř všude v hloubce 5 km pod povrchem, přičemž v příhodných částech kontinentů mohou být v této hloubce již teploty až kolem 200 °C. Zkoumají se:

- systémy horkých suchých hornin (Hot Dry Rock – HDR),

- systémy HDR– H (HDR – Hydro, s přírodním nebo uměle vyvolaným oběhem vodního media),

- systémy EGS (Enhanced Geothermal Systém) s podzemním puklinovým výměníkem tepla uměle vytvořeným v přírodně podmíněném horninovém prostředí,

- systémy FHDR (Fractured HDR) zlomů nebo drcených pásem hlubokého dosahu.

Využití  systémů pánevních struktur nebo systémů horkých hornin s přírodním oběhem vody se řeší většinou dvojicí vrtů (hloubky podle požadované teploty), při čemž jeden vrt je vsakovací a druhý produkční. Dvojice vrtů se násobí podle požadované vydatnosti teplé či horké vody, nebo páry. Podzemním výměníkem tepla je zvodeň. Teplá či horká podzemní voda může být i v kladném tlakovém režimu, tedy bez nutnosti čerpání.

Technologie využití tepla suchých horkých hornin je odlišná. Zde se nejčastěji uplatňuje vytvoření podzemního výměníku tepla v puklinovém systému horkých hornin, do kterého se vtláčí voda injekčním vrtem a tato voda se čerpá v uzavřeném oběhu dvěma nebo více vrty produkčními. Podzemní výměník tepla může být buď přírodní. v drceném pásmu, nebo se puklinový systém v horninách hydrodynamicky pootvírá.

Současné využití potenciálu

Nízkopotenciální zdroje jsou již ve světě běžně využívány, protože systémy tepelných čerpadel a pro ně potřebných vrtných prací je dobře technologicky i ekonomicky zvládnuty. Například v Německu je již více než 300 tisíc instalací tepelných čerpadel, u nás jen asi 15 tisíc.

Středně a vysoko teplotní zdroje hydrotermální jsou také celkem dobře řešitelné, i když potřebují hluboké široko profilové vrty do hloubek několika kilometrů. Vrty jsou ale již technologicky zvládnuté, právě tak jako výměníkové stanice i pro silně mineralizovanou vodu. V rámci EU tyto systémy již vytápějí řadu měst a aquaparků v Německu (Neustadt-Glewe, Neu Brandenburg, Straubing, Unterhaching, Sauerlach, Utting Wolratshausen a dalších ). Další využívanou strukturou je centrální druhohorní pánev ve Francii, kde je realizováno již několik set geotermálních výtopen měst, menších aglomerací čí průmyslových objektů. V panonské nížině v Maďarsku je také v provozu jíž několik desítek instalací využívající teplé podzemní vody v terciérních zvodních s teplotami do 90 °C.

V naší republice se, kromě lázeňsky využívané teplé a termální vody, využívá teplo podzemní vody (asi 42 °C ) v české křídové pánvi v Děčíně z bazálních křídových pískovcových poloh jako zdroj tepla pro stávající výtopny, nebo v Karlových Varech na vytápění Kolonády a v přípravě je využití terciérních vod v Pasohlávkách jižně od Brna.

Ve světě jsou využívány i horké vody s vyšším teplotním potenciálem hydrotermálních konvekčních systémů nebo magmatických struktur ve vulkanických oblastech. Tyto systémy jsou vázány na okraje litosférických desek, které jednak umožňují vzestup horkých magmatických těles do zemské kůry a jednak umožňují výstup tepla. Zde je ale nutné současné splnění řady strukturně-geologických a jiných podmínek (akumulace a konvekce vody, rozpukání hornin, jejich propustnost umožňující oběh vody a naopak těsnicí účinek pokryvů atd.). Na světě je proto jen málo míst, kde je většina podmínek splněna a je možné systém ekonomicky využít.

Elektrický výkon roste

Využití geotermální energie k výrobě elektřiny se dostává do popředí zájmu hlavně v místech, kde je její získání technicky méně náročné. Zřetelný rozvoj je však i v oblastech geotermicky méně příhodných, avšak lokálně energeticky potřebných, kde jsou výzkumné a realizační projekty podporovány vládami či soukromými finančními skupinami.

V současné době je celosvětově využívaný elektrický výkon z geotermálních zdrojů 2300 MW (podle soupisu z r. 2007), 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 (v provozu 3 MV, 60 MW projektováno).

Již třetí instalace typu Hot Dry Rock – suché zemské teplo (HDR) s výkonem 5 MW_e se buduje v Austrálii v bývalém ložiskovém území po těžbě mědi. Řada instalací je na velkých prasklinách či tektonických strukturách na kontinentech v Africe v Keni, Etiopii, Ugandě.

Také v Evropě je již v provozu několik instalací na významných prasklinách zemské kůry v rýnském prolomu – rýnském riftu (Soultz sous Forest, Francie, Landau v Německu), rozpracován je projekt v Bazileji (Švýcarsko). V naší republice je ve stadiu projekce pro systém HDR jako první lokalita Litoměřice na okraji podkrušnohorského příkopu.

Ing. Vlastimil Myslil, CSc.,  ČGTA

Celý článek je uveřejněn v čísle 1/2011 časopisu Energie 21.