Využijeme v ČR teplo z hlubin?

12.12.2012

 PODZEMNÍ REZERVOÁRY Geotermální energie je jeden z mála alternativních zdrojů, který nemá bezprostřední původ ve sluneční energii. Jedná se o teplo z hlubin Země, které proniká na povrch.

Fyzikálně je vygenerována zemským jádrem a vzniká v důsledku rozpadu radioaktivních látek a působení tzv. slapových sil. Na zemském povrchu ji nejčastěji pozorujeme ve formě erupcí horkých gejzírů, sopek, nebo výronů páry. Nejznámějším příkladem v širším povědomí jsou horké prameny a gejzíry. Ať už slavný Yellowstone v USA, početná škála gejzírů na Islandu, či v italském Lardarello. Každý Čech si bude výron horké vody z podzemí nejčastěji spojovat s Karlovými Vary a s jeho proslaveným Vřídlem.

 Patrně nejdále postoupili v exploataci geotermální energie Islanďané. Některé podzemní výrony tepla (kupř. pravidelně vybuchující gejzír Strokkur u Geysiru) obdivují turisté. Další aktivně slouží k velkokapacitnímu vytápění měst, k pěstování zeleniny v obřích sklenících apod.
Patrně nejdále postoupili v exploataci geotermální energie Islanďané. Některé podzemní výrony tepla (kupř. pravidelně vybuchující gejzír Strokkur u Geysiru) obdivují turisté. Další aktivně slouží k velkokapacitnímu vytápění měst, k pěstování zeleniny v obřích sklenících apod.

Podzemní rezervoár energie lidé dokáží využít jak pro vytápění, tak pro výrobu elektrické energie. Zejména tam, kde je dosažitelný teplotní spád 55 a více stupňů Celsia na 1 km hloubky. Vědci odhadují geotermální potenciál planety na cca 40-45 000 GW.

Existují 3 základní druhy geotermálních elektráren: na suchou a na mokrou páru a tzv. binární (horkovodní). ČR se v rámci tzv. lisabonské směrnice „20-20-20“ zavázala k poměrně razantnímu zvýšení podílu tzv. alternativních zdrojů energie ve svém národním energetickém mixu. Geotermální energie by mohla do budoucna naši bilanci vylepšit. Řada provedených vědeckých výzkumů a analýz opravňuje k odhadu, že teplo z hlubin bychom mohli s různou mírou efektivnosti exploatovat na 60-65 lokalitách a použít je na zdrojích pro výrobu elektřiny (cca 250 MW) a tepla (cca 2 000 MW). V celoroční bilanci bychom takto dokázali vygenerovat až 2 TWh proudu a 4 TWh páry pro otop.

Geotermální elektrárny neprodukují žádné ekologicky neakceptovatelné emise. Jejich nevýhodou je však poměrně vysoká investiční náročnost, lokace pouze na vybraných (zpravidla vulkanicky aktivních) místech zeměkoule, postupně klesající výkony a poměrně značné výrony podzemních tuhých materiálů na povrch. Usazují se nejenom na povrchu potrubí. Zároveň způsobují korozi turbín. Vodohospodáři kritizují tento zdroj pro značnou spotřebu vody, jež se pumpuje do vrtů. Nazpátek se vrací cca 1/3 jejího objemu. Pro hrubý přepočet efektivity platí: s rostoucí teplotou primárního zdroje v podzemí náklady na výrobu elektřiny na povrchu klesají. Za práh použitelnosti a ekonomické efektivnosti se momentálně považuje výron o teplotě min. 180 °C.

Analýza MŽP ČR rozlišuje z hlediska využití 4 kategorie geotermální energie:

  • energii z hydrotermálních zdrojů vysoké teploty (>130 °C) pro výrobu elektrické energie,
  • energii tepla hornin („suché zemské teplo“) vysoké teploty (>130 °C) pro výrobu elektrické energie,
  • energii z hydrotermálních zdrojů vyšší teploty (<130 °C) pro výrobu tepla a
  • geotermální energii pro nízkoteplotní systémy (tepelná čerpadla).

Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mW.m-2. Lokality s nejvyšší hustotou zemského tepla v České republice mají až 90 mW.m-2 (kupř. Ostravsko, okolí obce Boží Dar v Krušných horách).

Geotermální elektrárny a teplárny

V současnosti existuje po celém světě několik geotermálních elektráren s celkovým výkonem přes 10 tisíc MWe. Staví se zejména ve vulkanicky aktivních oblastech. K pohonu turbín využívají horkou páru stoupající pod tlakem z gejzírů a horkých pramenů. Lze je ovšem stavět i jinde. Vrty pak dosahují hloubky až 5 km. Tam se teplota pohybuje v rozmezí 150-180 °C. Nejstarší geotermální elektrárnu otevřeli Italové v toskánském Lardarello (už v roce 1904). Největší produkcí geotermální energie se mohou dnes pochlubit USA, Island a Salvador. V posledně dvou jmenovaných připadá na geotermální zdroje cca 25 % veškeré vyrobeného proudu.

Předností geotermální teplárny jsou nízké provozní náklady. Teplárna nepotřebuje žádné palivo a energie z podzemí by měla vydržet nejméně 30 let. Nevýhodou jsou vysoké investiční náklady a zejména vysoké náklady na zkušební vrty. Ty nakonec nemusí potvrdit vhodnost výstavby v daném místě.

Hydrotermální zdroje, kde se podzemní voda využívá přímo, vyžadují specifické geologické podmínky. Pokud se v hloubi vrtu nevyskytuje voda, musí být vháněna pod tlakem do sousedního vrtu (metoda Hot-dry-rock, event. Fractured-dry-rock). Vrt pak přebírá úlohu kotle používaného v běžné elektrárně. Voda se ohřívá o horkou horninu a vzniklá pára pohání turbíny, které vyrábí elektřinu. V ČR je tento princip vhodný pro geotermální teplárnu v Litoměřicích, usazenou v blízkostech trojice vrtů s hloubkou 4-5 km. Instalovaný elektrický výkon bude asi 5 MW. Tepelný výkon použitý pro městskou teplárenskou síť 47 MW. Kromě Litoměřic uvažují o výstavbě geotermálních tepláren i další města.

screen_shot_2013-10-31_at_15.01.36.png

Předností geotermální teplárny jsou nízké provozní náklady. Teplárna nepotřebuje žádné palivo a energie z podzemí by měla vydržet nejméně 30 let. Nevýhodou jsou vysoké investiční náklady a zejména vysoké náklady na zkušební vrty. Ty nakonec nemusí potvrdit vhodnost výstavby v daném místě.

Geotermální zdroje teplé vody

Jako geotermální zdroje se obvykle využívají podzemní vody, které se nacházejí v zemských dutinách a zemských zvodněných vrstvách. Jsou zahřáté zemským teplem natolik, že jejich teplota po výstupu na zemský povrch je vyšší než průměrná roční teplota vzduchu v dané lokalitě. Část geotermálních vod je klasifikována jako vody lázeňské a je podrobena zvláštnímu režimu využití. Jejich čerpání pouze pro energetické využití není přípustné.

Jedním z tuzemských příkladů je využití podzemní teplé vody v Děčíně. Voda vytéká samovolně z hloubky 550 m a má teplotu 30 °C. To je pro přímou exploataci nízká teplota. Pomocí tepelných čerpadel se podzemní voda ochlazuje na 10 °C a poté se používá jako pitná voda pro město. Získané teplo se využívá v městské teplárně. Zde jsou instalovány jako další zdroje tepla ještě kogenerační jednotky a kotle na zemní plyn.

Dalším příkladem je ZOO v Ústí nad Labem. Tam se využívána podzemní voda s teplotou 32 °C z vrtu hlubokého 515 m. I zde se ochlazuje pomocí tepelných čerpadel. Díky relativně vysoké teplotě vstupní vody je celoroční topný faktor velmi dobrý: dosahuje hodnoty více než 6. To znamená, že pro vytápění je využito asi 84 % tepla ze země a jen 16 % elektřiny potřebné pro provoz zařízení.

Zdroj tepla pro velké i malé objekty

Geotermální energii lze využívat i pomocí relativně mělkých vrtů, s hloubkou 60-150 m. Takové vrty jsou pochopitelně mnohem méně nákladné než vrty do hloubky několika km. Využívají se pro vytápění rodinných domků i větších objektů. V hloubce okolo 100 m je celoročně teplota 8-12 °C. Slouží jako zdroj nízkopotenciálního tepla pro tepelná čerpadla.

Pokud je kvůli větší potřebě tepla nutno provést více vrtů, měly by mít od sebe odstup minimálně 10 m (resp. 10 % délky vrtu), aby se vzájemně neovlivňovaly. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12-18 m hloubky vrtu, podle místních geologických podmínek. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW vyžaduje tedy přibližně 140 m hluboký vrt. Obecně je lépe zvolit jeden hlubší než dva kratší vrty.

Skutečná délka vrtu závisí na geologických podmínkách v místě a jeho návrh by měl zpracovat odborník. Vrt je považován za vodní dílo podle zákona o vodách. K jeho provedení a také k nakládání s vodami (i pro vrty, z nichž se voda nečerpá) je třeba mít zvláštní povolení. Aby nedošlo k ohrožení podzemních vod, je někdy nezbytné provést hydrogeologický průzkum. Vrty s hloubkou větší než 30 m může provádět jen firma s patřičným oprávněním Českého báňského úřadu. Provádění vrtů v I. a v II. ochranném pásmu lázní a minerálních vod je navíc upravené zvláštními předpisy.

Akcent na ekologii

Vlastní vrt má obvykle průměr 130-220 mm. Ihned po odvrtání se do vrtu zasune svazek polyetylenových hadic kolektoru. V hadici kolektoru proudí nemrznoucí směs, nejčastěji vodní roztok monopropylénglykolu, event. monoetylénglykolu. Vrt se pak musí utěsnit cementovou, nebo jílocementovou směsí. Nepřípustné je zasypání pískem, příp. vytěženým materiálem. Důvodem je riziko, že vrt narazí na zásobárnu podzemní vody, do níž by se neutěsněným vrtem mohla dostat znečištěná voda povrchová, příp. že vrt spojí oblasti v různých hloubkách a naruší tak hydrogeologické poměry.

Vývěry horkých vod z podzemí neslouží pouze k relaxaci Seveřanů v termálních lázních. Aktivně se využívají i k vytápění objektů, k pěstování zeleniny apod. Foto: Thinkstock.
Vývěry horkých vod z podzemí neslouží pouze k relaxaci Seveřanů v termálních lázních. Aktivně se využívají i k vytápění objektů, k pěstování zeleniny apod. Foto: Thinkstock.

Často se lze setkat také s tepelnými čerpadly, které jako zdroj tepla využívají výměník uložený v půdě v hloubce 1,2-1,5 m. I když z hlediska provozovatele tepelného čerpadla jde o systém velmi podobný zemním vrtům, využití geotermální energie je v tomto případě zanedbatelné. Spíše lze hovořit o velkém kolektoru, shromažďujícím solární energii, která dopadá na pozemek a zahřívá půdu (buď přímo, nebo prostřednictvím ohřevu vzduchu nad terénem).

V některých případech lze z vrtu čerpat vodu, která se ochlazuje ve výměníku tepelného čerpadla. Ochlazená voda se musí vracet do podloží vsakovacím vrtem. Podloží však musí být schopno vodu trvale přijímat. Vypouštění ochlazené podzemní vody do řeky, potoka, příp. do kanalizace, se nepovoluje. Aby bylo možno vodu využívat, nesmí být příliš mineralizovaná, aby nezanášela výměník tepelného čerpadla. Je tedy nutný chemický rozbor. Vydatnost vrtu je nutné ověřit dlouhodobou čerpací zkouškou.

Protože geotermální energie na území ČR poskytuje jen nízkopotenciální teplo, je aplikace tepelného čerpadla nezbytná.

V praxi se jen zřídka vyskytne dostatečně vydatný zdroj podzemní vody poblíž vytápěného objektu. Pokud je třeba provést vrt pro čerpání podzemní vody, je nezbytný odborný hydrogeologický průzkum. Na jeho základě lze získat od vodoprávního úřadu (součást krajských úřadů) povolení k provedení vrtu a povolení k čerpání a vypouštění podzemních vod. Může se pochopitelně stát, že úřad vrt nepovolí, kupř. kvůli riziku ohrožení zdrojů pitné vody.

Topný faktor tepelného čerpadla

Protože geotermální energie na území ČR poskytuje jen nízkopotenciální teplo, je aplikace tepelného čerpadla nezbytná.

Nejznámější český zdroj podzemního tepla je patrně karlovarské Vřídlo o teplotě 72 °C. Každou minutu vytryskne z hlubin v průměru 2 000 l vody. Vlastní tlak by vytvořil gejzír až 12 m vysoký. Tento zdroj se však využívá výlučně k léčebným účelům.
Nejznámější český zdroj podzemního tepla je patrně karlovarské Vřídlo o teplotě 72 °C. Každou minutu vytryskne z hlubin v průměru 2 000 l vody. Vlastní tlak by vytvořil gejzír až 12 m vysoký. Tento zdroj se však využívá výlučně k léčebným účelům.

Technika dokáže přečerpat teplo z nižší teplotní hladiny (kupř. 10 °C z vrtu) na vyšší teplotu (cca 45 °C). Tu už lze použít pro vytápění budov. Podle fyzikálních zákonů k tomu potřebuje další energii, nejčastěji elektřinu. Elektřina pohání motor kompresoru tepelného čerpadla a je nutná i pro pohon oběhových čerpadel a dalších zařízení.

Princip tepelného čerpadla je stejný jako kupř. u chladničky, která odebírá teplo potravinám a předává jej zadní stranou chladničky do místnosti. Také tepelné čerpadlo využívá nízkopotenciální teplo k odpaření chladicí kapaliny. Tato pára se poté kompresorem stlačí a díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě. To se předává topnému médiu.

Spatříme podobný obrázek časem i u nás? Technicky i fyzikálně nejblíže mají k němu obyvatelé severních Čech.
Spatříme podobný obrázek časem i u nás? Technicky i fyzikálně nejblíže mají k němu obyvatelé severních Čech.

Z hlediska vlivu na životní prostředí i ekonomiku provozu je klíčové zjistit, kolik elektřiny tepelné čerpadlo ke svému chodu potřebuje a kolik tepla dodá. To se vyjadřuje topným faktorem. Čím je vyšší, tím účinněji tepelné čerpadlo pracuje, a tím menší má dopad na životní prostředí.

Topný faktor = Q/E

(Q = teplo dodané do vytápění [kWh]

E = energie pro pohon TČ [kWh])

Topný faktor tepelných čerpadel využívající geotermální energii z vrtů je obvykle vyšší než 4. V příznivých případech dosahuje až hodnoty 6. Naproti tomu tepelná čerpadla ochlazující venkovní vzduch mají topný faktor obvykle nižší než 4, někdy dokonce jen 2.

Na výši topného faktoru má vliv nejen vstupní teplota (kupř. z vrtu), ale i výstupní (topná voda do topení). Zatímco vstupní teplota závisí na přírodních podmínkách, výstupní teplotu může uživatel svým rozhodnutím ovlivnit.

Ekonomicky výhodné je provozovat vytápěcí systém s co nejnižší teplotou. Typicky může jít o podlahové topení uvnitř objektů, kde stačí teplota do systému okolo 35 °C. U vytápění s radiátory je nutná teplota 50 °C i vyšší, což topný faktor tepelného čerpadla zhorší a až dvojnásobně zvýší provozní náklady.

Při srovnání emisí CO2 je zřejmé, že tepelné čerpadlo s celoročním topným faktorem 3 je na úrovni kotle na hnědé uhlí. Při použití spotřebiče s topným faktorem okolo 5, klesnou emise z produkce elektřiny na úroveň srovnatelnou s plynovým kotlem. Použití kotle na uhlí ovšem znamená na lokální úrovni výrazně horší emise ostatních znečišťujících látek (oxidů síry, dusíku a další), zejména když je kotel špatně seřízený. Nemluvě o emisích při nezákonném spalování odpadků v takovémto kotli. Z tohoto hlediska je použití tepelných čerpadel vždy přínosné.

NÁZOR EXPERTA

B. Doubrava, člen sdružení Za čisté energie

Má odpověď na otázku, zda je geotermální energie velkou výzvou pro budoucnost zní:

„Geotermální energie je bezpochyby velká výzva. Jak pro velkoproducenty a velkospotřebitele energií, tak pro domácnosti. V ČR jsme však podzemními horkými rezervoáry značně limitováni: co do jejich objemu i lokalit výskytu. Geotermální energie by měla dostat zelenou. Ale jen tam, kde jsou k tomu optimální podmínky.“

Autor: spe

Svět plný energie > Zajímavosti > Využijeme v ČR teplo z hlubin?

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

15.4.2019 OZE dodaly v Německu 65% elektřiny

AKTUALITY - První týden v březnu Německo zažilo energetickou premiéru: obnovitelné zdroje energie (OZE) vyrobily rekordních 65 % veškeré elektřiny. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

15.4.2019 OZE dodaly v Německu 65% elektřiny

AKTUALITY - První týden v březnu Německo zažilo energetickou premiéru: obnovitelné zdroje energie (OZE) vyrobily rekordních 65 % veškeré elektřiny. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: