Geotermální energie: definice, využití a výroba elektřiny

Geotermální energie: srozumitelná definice, praktické využití a výroba elektřiny — principy, elektrárny, tepelné čerpadla a budoucnost EGS.

Geotermální energie (z řeckých kořenů geo, což znamená země, a thermos, což znamená teplo) je energie získávaná teplem uvnitř zemskékůry. Je to obnovitelný zdroj energie, protože teplo zemského nitra se doplňuje pozvolným přirozeným vytvářením a přenosem tepla z hloubky na povrch.

Odkud teplo pochází

Přestože Slunce ohřívá povrch Země, teplo uvnitř Země není způsobeno Sluncem. Geotermální energie zemské kůry pochází z přibližně 20 % z původního uvolněného tepla při vzniku planety a zhruba 80 % z radioaktivního rozpadu dlouhověkých prvků v hlubších vrstvách. Země je nejteplejší ve svém jádru a směrem k povrchu se teplota postupně snižuje. Teplotní gradient (zvyšování teploty s hloubkou) je v různých oblastech různý, což ovlivňuje dostupnost geotermálních zdrojů.

Typy geotermálních zdrojů

Zdroje geotermální energie sahají od mělké půdy až po horkou vodu a horké horniny, které se nacházejí několik kilometrů pod zemským povrchem, a ještě hlouběji až po extrémně vysoké teploty roztavené horniny zvané magma. Mezi hlavní kategorie patří:

• Mělké geotermální zdroje – půda v hloubkách do několika metrů s téměř konstantní teplotou (viz níže), využívané tepelnými čerpadly.
• Horké vody a páry – přírodní rezervoáry horké vody nebo páry, často v sopečných či tektonicky aktivních oblastech.
• Horké suché horniny – vysokoteplotní horniny bez volné tekutiny, dostupné i ve větších hloubkách.
• Magma – velmi hluboký a vysoce výkonný zdroj tepla, zatím komerčně nevyužitý.

Historie a přímé využití

Geotermální voda se využívá ke koupání již od paleolitu, kdy lidé objevili termální prameny. Dnes má přímé využití mnohostranné aplikace: vytápění budov a celých sídel, ohřev vody, skleníkové pěstování, sušení plodin, akvakultura nebo některé průmyslové procesy (např. pasterizace mléka). Budovy na Islandu jsou tímto způsobem vytápěny z mnoha geotermálních lokalit v zemi.

Využití pro výrobu elektřiny

Geotermální elektrárny proměňují teplo ze země na elektřinu. Existují tři základní technologie:

• Suchá pára (Dry Steam) – pára z rezervoáru jde přímo na turbínu. Jedná se o nejjednodušší typ, používaný tam, kde je pára dostupná přímo.
• Flash (bleskové odpařování) – vysokotlaká horká voda se při snížení tlaku částečně odpaří a pára pohání turbínu.
• Binary cycle (binární oběh) – horká voda předává teplo nízkovaremné pracovní látce (např. organickému chladivu), která se odpaří a roztáčí turbínu; umožňuje využití i nižších teplot.

V roce 2007 se na celém světě z geotermální energie vyrobilo přibližně 10 gigawattů elektřiny, což představovalo asi 0,3 % tehdejší celosvětové spotřeby elektřiny. Geotermální elektrárny obvykle nabízejí relativně konstantní výkon (tzv. baseload), protože zdroj tepla je stabilnější než variabilní obnovitelné zdroje.

Geotermální tepelná čerpadla

Téměř všude si půda v hloubce 10 stop (3 m) pod povrchem Země udržuje téměř konstantní teplotu mezi 10° a 16 °C. Geotermální tepelná čerpadla (GTC) tento zdroj využívají k vytápění a chlazení budov. Základní komponenty systému jsou tepelné čerpadlo, systém rozvodu vzduchu (potrubí) a teplovodní výměník – soustava trubek uložených v mělké zemi v blízkosti budovy nebo ve vrtu.

Existují uzavřené smyčky (closed-loop), kde cirkuluje nemrznoucí směs, a otevřené systémy (open-loop), které používají podzemní vodu přímo. V zimě tepelné čerpadlo odebírá teplo z půdy a přenáší ho do budovy; v létě se proces obrací a teplo z budovy se odvádí do země. Teplo odebrané v létě může zároveň ohřívat užitkovou vodu. Provoz tepelných čerpadel vyžaduje elektrickou energii, ale celková spotřeba bývá nízká vzhledem k vysokému topnému faktoru (COP).

Geografické rozložení a vrtání

Geotermální zdroje jsou nejvýraznější v tektonicky aktivních oblastech — například v západních státech USA, na Aljašce a na Havaji (ve Spojených státech). Do podzemních rezervoárů lze vrtat vrty pro výrobu elektřiny; některé elektrárny využívají páru z rezervoáru k pohonu turbíny/generátoru, jiné používají horkou vodu k odpaření pracovní kapaliny.

Horkou vodu v blízkosti povrchu lze využívat přímým způsobem pro vytápění nebo rekreaci (horké prameny a lázně). Geotermální energie tedy pokrývá spektrum od nízkoteplotních systémů pro vytápění až po vysokoteplotní zdroje pro výrobu elektřiny. Geotermální energie uniká v podobě horké vody v mnoha horkých pramenech nebo v podobě páry v gejzírech.

Rozšířené geotermální systémy (EGS) a výzvy

Rozšířené geotermální systémy (Enhanced Geothermal Systems, EGS) jsou nová technologie, která se snaží vytvořit průchozí tepelné rezervoáry v suchých horkých horninách pomocí hydraulického štěpení a vstřikování vody. Princip spočívá ve vytvoření umělé cirkulace vody mezi injekčním a produkčním vrtem. EGS má potenciál zpřístupnit geotermální zdroje prakticky kdekoli, ale zatím čelí technickým a environmentálním výzvám, jako je riziko indukovaných zemětřesení, vysoké počáteční náklady a potřeba vhodného materiálu a technik vrtání.

Výhody a nevýhody

• Výhody: nízké emise skleníkových plynů během provozu, stabilní a předvídatelný provoz (baseload), dlouhá životnost zdrojů, možnost lokální výroby tepla i elektřiny.
• Nevýhody: vysoké počáteční investice, geologická závislost (omezená dostupnost v některých regionech), možné lokální environmentální dopady (koroze, mineralizace, emise sloučenin síry), riziko indukované seismiky u některých technik.

Budoucnost geotermální energie

Geotermie má významný potenciál jako stabilní a flexibilní zdroj obnovitelné energie, zvláště pokud se podaří dál snížit náklady vrtání a vyvinout bezpečné a efektivní technologie EGS. V kombinaci s elektrickou sítí a dalšími obnovitelnými zdroji může geotermální energie pomoci s dekarbonizací vytápění i výroby elektřiny. Současné projekty a výzkum směřují k vyšší efektivitě, snížení environmentálních rizik a širšímu nasazení tepelných čerpadel v městské zástavbě.

Zdroje horkých suchých hornin se vyskytují v hloubce 3 až 5 mil (5–8 km) všude pod zemským povrchem a v některých oblastech i v menších hloubkách. Přístup k těmto zdrojům zahrnuje vstřikování studené vody do jednoho vrtu, její cirkulaci horkými puklinovými horninami a odčerpávání ohřáté vody z jiného vrtu. V současné době tuto metodu nikdo komerčně nevyužívá. Stávající technologie také zatím neumožňují získávat teplo přímo z magmatu, což je velmi hluboký a nejvýkonnější zdroj geotermální energie.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to geotermální energie?

Otázka: Kolik procent světové elektřiny bylo v roce 2007 vyrobeno geotermální energií?

Otázka: Jakou teplotu si udržuje země v hloubce 10 stop pod zemským povrchem?

Otázka: Jak lze geotermální tepelná čerpadla použít k vytápění budov?

Otázka: Jsou projekty zdokonalených geotermálních systémů vyspělou technologií?

Hledání podle dopisu