Geotermálna energia: definícia, využitie, elektrárne a tepelné čerpadlá

Geotermálna energia: definícia, využitie, elektrárne a tepelné čerpadlá — objavte výhody, princípy, úspory a udržateľné riešenia vykurovania a výroby elektriny.

Geotermálna energia (z gréckych koreňov geo, čo znamená zem, a thermos, čo znamená teplo) je energia, ktorá vzniká pôsobením tepla v zemskejkôre.

Hoci Slnko zohrieva povrch Zeme, teplo z jej vnútra nie je spôsobené Slnkom. Geotermálna energia zemskej kôry pochádza z 20 % z pôvodného vzniku planéty a z 80 % z rádioaktívneho rozpadu minerálov. Zem je najteplejšia vo svojom jadre a od jadra k povrchu sa teplota postupne ochladzuje.

Zdroje geotermálnej energie siahajú od plytkej zeme až po horúcu vodu a horúce horniny nachádzajúce sa niekoľko kilometrov pod zemským povrchom a ešte hlbšie až po extrémne vysoké teploty roztavených hornín nazývaných magma. Využíva sa na kúpanie už od paleolitu, ale v súčasnosti je známejšia na výrobu elektrickej energie.

V roku 2007 sa na celom svete z geotermálnej energie vyrobilo približne 10 gigawattov elektrickej energie, čo predstavuje približne 0,3 % celosvetovej spotreby elektrickej energie. Geotermálne elektrárne, ktoré sa používajú na výrobu elektrickej energie, zvyčajne ponúkajú konštantný výkon.

Geotermálna energia sa využíva aj priamo na diaľkové vykurovanie alebo na iné účely vykurovania a chladenia. Budovy na Islande sa týmto spôsobom vykurujú z mnohých geotermálnych lokalít v krajine.

Elektrárne a tepelné aplikácie geotermálnej energie sú vyspelé technológie, zatiaľ čo projekty rozšírených geotermálnych systémov (EGS) sú novým typom aplikácie.

Takmer všade si zem v hĺbke 10 stôp pod zemským povrchom udržiava takmer konštantnú teplotu medzi 10° a 16 °C. Geotermálne tepelné čerpadlá môžu využívať tento zdroj na vykurovanie a chladenie budov. Systém geotermálneho tepelného čerpadla pozostáva z tepelného čerpadla, systému na prívod vzduchu (potrubia) a výmenníka tepla - systému potrubí zakopaných v plytkej zemi v blízkosti budovy. V zime tepelné čerpadlo využíva energiu na odoberanie tepla z výmenníka tepla a čerpá ho do vnútorného systému na dodávku vzduchu. V lete sa tento proces obráti a tepelné čerpadlo opäť využíva energiu na presun tepla z vnútorného vzduchu do výmenníka tepla. Teplo odobraté z vnútorného vzduchu počas leta sa môže využiť aj na zabezpečenie bezplatného zdroja teplej vody. Energia na prevádzku tepelného čerpadla pochádza z iného zdroja.

Geotermálna energia uniká ako horúca voda v mnohých horúcich prameňoch alebo ako para v gejzíroch.

V Spojených štátoch sa najviac geotermálnych zásobníkov horúcej vody nachádza v západných štátoch, na Aljaške a Havaji. Do podzemných nádrží sa môžu vŕtať vrty na výrobu elektrickej energie. Niektoré geotermálne elektrárne využívajú paru z rezervoáru na pohon turbíny/generátora, zatiaľ čo iné využívajú horúcu vodu na varenie pracovnej kvapaliny, ktorá sa odparuje a potom otáča turbínu. Horúca voda v blízkosti povrchu Zeme sa môže využívať priamo na výrobu tepla. Medzi aplikácie priameho využitia patrí vykurovanie budov, pestovanie rastlín v skleníkoch, sušenie plodín, ohrievanie vody na rybích farmách a viaceré priemyselné procesy, napríklad pasterizácia mlieka.

Zdroje horúcich suchých hornín sa nachádzajú v hĺbke 3 až 5 míľ (5-8 km) všade pod zemským povrchom a v niektorých oblastiach aj v menších hĺbkach. Prístup k týmto zdrojom zahŕňa vstrekovanie studenej vody do jedného vrtu, jej cirkuláciu cez horúce puklinové horniny a odber ohriatej vody z iného vrtu. V súčasnosti túto metódu nikto komerčne nevyužíva. Súčasná technológia zatiaľ neumožňuje ani získavanie tepla priamo z magmy, ktorá je veľmi hlbokým a najvýkonnejším zdrojom geotermálnej energie.

Pôvod, zásoby a geotermálny gradient

Geotermálna energia pochádza predovšetkým z vnútorného tepla Zeme: z pozostatkov formovania planéty, z rozkladu radioaktívnych izotopov v horninách a z tepla, ktoré sa uvoľňuje pri konvekcii a pohybe zemských vrstiev. Teplota v hĺbke rastie s hĺbkou (geotermálny gradient), typicky o 20–30 °C na kilometer v mnohých oblastiach, ale gradient môže byť výrazne vyšší v tektonicky aktívnych oblastiach. Zdroje sa delia podľa teploty a hĺbky na nízkoteplotné (na priame využitie a tepelné čerpadlá), stredne teplotné a vysokoteplotné (pre výrobu elektrickej energie).

Výroba elektrickej energie — typy geotermálnych elektrární

• Elektrárne s priamou parou (dry steam) — používajú paru priamo z rezervoára na pohon turbín. Ide o najjednoduchšiu formu, napr. niektoré časti komplexu The Geysers v USA.
• Flash-steam elektrárne — horúca vysokotlaková voda je privedená na povrch, tlak klesne a časť vody sa okamžite odparí („flash“), para poháňa turbínu.
• Binary cycle (binárne) elektrárne — horúca voda zo zeme ohrieva druhú pracovnú kvapalinu s nižším bodom varu v uzavretom okruhu; táto para poháňa turbínu. Tento typ je vhodný pre nižšie teploty a má nízke emisie.

Tieto technológie zabezpečujú pomerne stabilný a priebežný výkon (base-load), pretože geotermálna energia nie je závislá od počasia. Hlavné faktory ovplyvňujúce ekonomiku projektu sú teplota a prietok rezervoára, hĺbka vrtu a náklady na vŕtanie.

Priame využitie geotermálnej energie

Priame využitie zahŕňa všetky aplikácie, kde sa teplo využíva bez premien na elektrinu. Medzi hlavné patria:

• diaľkové vykurovanie a zásobovanie teplom (district heating),
• vykurovanie a chladenie budov cez tepelné rozvody,
• skleníky a poľnohospodárstvo (pestovanie, rozmnožovanie rastlín),
• akvakultúra (ohrev vody pre rybníky a chovy),
• priemyselné procesy ako sušenie alebo pasterizácia,
• termálne kúpele a rekreácia (horúce pramene).

Geotermálne tepelné čerpadlá (GTC)

Geotermálne (zemné) tepelné čerpadlá využívajú relatívne stálú teplotu plytkej zeminy (často medzi 10–16 °C) na vykurovanie v zime a chladenie v lete. Základné typy zapojenia:

• Uzavretý horizontálny okruh — potrubie uložené plytko v zemi, ekonomické pri dostatku pozemku.
• Uzavretý vertikálny okruh — vertikálne vrty do hĺbky desiatok až stoviek metrov, používané pri menšom pozemku.
• Otvorený okruh — využíva sa podzemná voda priamo (vyžaduje zdroj vhodnej kvality a povolenia).

Výkon tepelných čerpadiel meraný ako COP (koeficient výkonu) je bežne 3–5, čo znamená, že na každú jednotku elektrickej energie spotrebovanej pre čerpadlo sa prenesú 3–5 jednotiek tepla do budovy. Systémy sú energeticky veľmi efektívne a vhodné pre zníženie emisií CO2 pri vykurovaní a chladení.

Rozšírené geotermálne systémy (EGS) a vývoj

EGS (Enhanced/Engineered Geothermal Systems) sú technológie, ktoré rozširujú dostupné geotermálne zdroje aj mimo prirodzených hydrotermálnych rezervoárov. Metóda zahŕňa hydraulické frakturácie a umelé vytváranie prietokových dráh v suchých horúcich horninách a následné cirkulovanie vody pre odber tepla. Výzvy EGS sú:

• vysoké kapitálové náklady na vŕtanie a stimuláciu,
• riešenie indukovanej seizmickej aktivity,
• chemické problémy (koroze a zanášanie zariadení),
• efektívne zachytávanie a riadenie cirkulujúcej vody.

Ekologické aspekty a riziká

Geotermálna energia má mnohé environmentálne výhody, ale tiež určité riziká:

• nízke emisie skleníkových plynov v porovnaní s fosílnymi palivami (niektoré zariadenia však uvoľňujú malé množstvá CO2, H2S a iných plynov),
• možnosť kontaminácie podzemných vôd pri nesprávnom riadení,
• indukovaná seizmita pri stimulácii rezervoárov (hlavný problém pri EGS),
• koroze a zanášanie potrubí v dôsledku minerálov vo vode,
• pozemkové nároky a vizuálny vplyv pri väčších poliach a prístupových cestách.

Príklady a regióny s rozvinutým využitím

Niektoré krajiny a regióny, kde je geotermálna energia významná alebo sa rýchlo rozvíja, sú:

• Iceland — rozsiahle diaľkové vykurovanie a významná výroba elektriny z geotermálnej energie,
• USA — oblasti Kalifornie (The Geysers), západné štáty, Aljaška a Havaj,
• Filipíny, Indonézia — veľký potenciál a významná výroba elektrickej energie,
• Nový Zéland, Turecko, Taliansko — kombinácia výroby elektriny a priameho využitia.

Ekonomika a perspektívy

Geotermálna energia vyžaduje vysoké počiatočné investície (predovšetkým na prieskum a vŕtanie), ale prevádzkové náklady sú relatívne nízke a stabilné. Výhody zahŕňajú stabilnú dodávku energie (base-load), dlhodobú životnosť vrtov a malé prevádzkové emisie. Perspektívy zahŕňajú:

• vylepšené vŕtacie technológie a nižšie náklady na prieskum,
• rozvoj EGS pre širšie využitie zdrojov,
• integrované systémy kombinujúce geotermálnu energiu s obnoviteľnými zdrojmi a tepelnými čerpadlami.

Zhrnutie

Geotermálna energia je obnoviteľný, stabilný zdroj energie s rôznymi spôsobmi využitia — od priameho vykurovania cez tepelné čerpadlá až po výrobu elektriny. Hoci jej podiel na globálnej energetike je zatiaľ menší v porovnaní s vetrom alebo slnkom, rastie vďaka technologickému pokroku a záujmu o dekarbonizáciu. Kľúčové výzvy sú spojené s vysokými počiatočnými investíciami, technickými rizikami a environmentálnymi aspektmi, ktoré sa však dajú riadiť vhodnými technológiami a reguláciou.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to geotermálna energia?

Otázka: Koľko percent svetovej elektrickej energie sa v roku 2007 vyrobilo z geotermálnej energie?

Otázka: Akú teplotu si udržiava zem v hĺbke 10 metrov pod zemským povrchom?

Otázka: Ako možno geotermálne tepelné čerpadlá použiť na vykurovanie budov?

Otázka: Sú projekty zdokonalených geotermálnych systémov zrelými technológiami?

Hľadajte podľa písmena