Geotermální elektrárny aneb málokdy máme energii zadarmo (I. část)

Pozorní čtenáři mého „energetického“ blogu mne upozornili, že jsem se ve svých článcích doposud nezabýval problematikou geotermální energie.

Nebyl to žádný záměr. Prostě na to ještě nepřišla řeč. Zkusím to tedy dnes napravit. Název odvozený od kořenů slov „geo“ (země) a „therm“ (teplo) pocházejících ze staré řečtiny už sám o sobě vypovídá, že geotermální energie je jedním z projevů tepelné energie zemského jádra. Tato energie se m.j. projevuje erupcemi sopek a gejzírů, případně výronem horkých pramenů či páry v tektonicky aktivních oblastech zemského povrchu. V geotermálních elektrárnách se využívá ve formě tepelné energie pro vytápění nebo pro výrobu elektrické energie. Geotermální energie se obvykle řadí mezi obnovitelné zdroje energie. Ovšem asi trochu mentorsky podotýkám, že i pro geotermální zdroje samozřejmě platí zákon zachování energie. Konkrétněji řečeno, množství energie odebírané z konkrétního geotermálního zdroje musí vždy odpovídat konkrétním geologickým a hydrogeologickým podmínkám dané lokality, tj. množství přiváděné energie. Naivní představa mnohých ekologistů-vizionářů o tom, že do země jednoduše navrtáme dostatečný počet vrtů a z lokality budeme odčerpávat neomezené množství energie podle svých potřeb neodpovídá fyzikální ani technické realitě. Například první příznaky „snížení výkonu“ geotermálního zdroje lze pozorovat u jedné z nejstarších geotermálních elektráren na světě v lokalitě Wairakei-Tauhara na Novém Zélandu (1958), takže i tyto zdroje mohou být „vyčerpatelné“ v horizontu desítek let. Nicméně, množství teoreticky globálně dostupné geotermální energie dosahuje opravdu kosmických hodnot. Rovněž tak je neoddiskutovatelnou skutečností, že geotermální energie má jednu obrovskou výhodu oproti jiným obnovitelným zdrojům, např. sluneční a větrné energii, a tou je naprostá nezávislost na počasí. Zatímco produkce solárních a větrných elektráren silně kolísá v čase v důsledku proměnlivých atmosférických podmínek, tedy přímo z přirozené podstaty jejich funkce, geotermální elektrárny mohou stabilně pracovat v základní části denního diagramu zatížení. Vzhledem k vynikajícím přírodním podmínkám mají v Evropě zřejmě největší zkušenosti s geotermálními elektrárnami na Islandu. Podle NORDEL Annual Statistics za rok 2007 bylo na Islandu v geotermálních elektrárnách vyrobeno 3,579 TWh, tj. 29,88% vyrobené elektřiny. Dalších 70,09% bylo vyrobeno ve vodních elektrárnách a mikroskopických 0,03% pochází z fosilních paliv (konkrétně v případě Islandu z plynových turbín). Celkový instalovaný výkon geotermálních elektráren na Islandu činil 485 MW, což odpovídá velice solidnímu souhrnnému ročnímu koeficientu využití instalovaného výkonu geotermálních elektráren ve výši 84,2%. Pouze pro dokreslení jedna perlička ohledně snadného přístupu Islanďanů ke geotermální energii. V centru hlavního města Reykavíku a městě Akureyri, čtvrtém největším městě Islandu, jsou v zimě vytápěny chodníky, aby z nich nebylo nutné shrabávat sníh. A už vůbec nehovořím o množství skleníků, krytých plaveckých bazénů a jiných vymoženostech vytápěných geotermální energií. Trochu jsem zapátral v islandských v internetových zdrojích a našel podklady k největší místní geotermální elektrárně Nesjavellir (viz obrázek níže), která se nachází zhruba 45 km severovýchodně od hlavního města Reykavík u jezera Thingvallavatn, v těsné blízkosti vulkánu Hengill, tj. v  tektonicky aktivní oblasti.

Geotermální elektrárna Nesjavellir v říjnu 2006 (autor: Gretar Ívarsson)
Obrázek převzat z encyklopedie Wikipedia (EN), heslo Nesjavellir

Vulkán jako takový byl naposledy aktivní někdy v době narození Ježíše Nazaretského, tedy zhruba před dvěma tisíci lety. Dostupné údaje hovoří o 24 000 zemětřeseních větších než 0,5 Richterovy stupnice ve sledované časové periodě let 1993-1997, přičemž jenom v roce 1997 jich bylo 12 000. Nejsilnější zemětřesení v tomto období bylo v roce 1998 a odpovídalo velikosti 5,3 Richterovy stupnice.  V elektrárně jsou v současné době instalovány čtyři parní turbíny o výkonu 30 MWe určené pro výrobu elektřiny, přičemž elektrárna rovněž dodává 300 MWt v topné vodě (1800 l/sek.) pro teplovodní vytápění širšího okolí hlavního města Reykavíku.   Společnost Reykjavík District Heating zajišťující vytápění hlavního města započala s průzkumem lokality v roce 1965, pokusné vrty byly prováděny od roku 1972. Vzhledem k velmi dobrým výsledkům bylo možné původně průzkumné vrty využívat přímo jako vrty produkční. V současné době je v lokalitě umístěno celkem 22 vrtů o hloubce 1000 až 2000 metrů (5 z nich je uzavřeno). Každý vrt produkuje v průměru 60 MWt energie, z nichž přibližně 30 MWt je technicky využitelných. Teplota ve vrtech dosahuje až 380°C.  Z těchto parametrů vidíme, že Island je skutečně tím zřídkavým případem, kdy příroda velkoryse lidem poskytuje stabilní zdroj „koncentrované“ energie úplně zadarmo resp. jim energii téměř nutí a přivádí až pod nos.  Vzhledem k parametrům vstupní parovodní směsi mohli Islanďané pouze modifikovat technologické systémy klasických parních elektráren a nemuseli využívat nejrůznější technické novinky, ke kterým se snad dostanu v pokračování článku ve 2. díle. Dokladem je zjednodušené technologické schéma elektrárny:

Pokud je někdo ze čtenářů třeba historikem umění a prezentované schéma mu nic neříká, pokusím se v jednom odstavci velice stručně a zjednodušeně popsat funkci elektrárny. Směs páry a vody (geothermal fluid - oranžová/červená) z produkčních vrtů (production wells) je přiváděna parovody do separační stanice (steam separators, mist eliminators), kde se rozdělí podle médií na samostatný parní a vodní okruh. Přebytečná pára je vypouštěna do atmosféry (steam exhaust) a přebytečná voda do místního vodního toku. Ze separační stanice je přiváděna na vstup parních turbín (steam turbines) vysokotlaká pára (high pressure geothermal steam - oranžová) pod tlakem 12 bar (1,2 MPa) a teplotě 190°C. V parních turbínách je energie páry přeměněna na rotační pohyb soustrojí turbína - generátor, který vyrábí elektřinu. Elektřina je vedena elektrickou linkou do Reykavíku. V kondenzátorech (steam condensers) nízkotlaká pára (low pressure geothermal steam - žlutá) kondenzuje, přičemž jako chladící médium slouží surová voda (cold water - modrá), která je do kondenzátorů přiváděna čerpadly (cold water pumps, plant pumps) z pěti vrtů umístěných v lokalitě Grámelur poblíž jezera Thingvellir. Kondenzát (condensate - světle hnědá) je odváděn kondenzátními čerpadly (condensate pumps) z elektrárny do vodního toku. Předehřátá surová voda z kondenzátoru (warm water - červená) je vedena do soustavy tepelných výměníků (geothermal fluid heat exchangers), kde se dále ohřeje až na teplotu 85-90°C horkou vodou ze separátorů (geothermal fluid - fialová). Tato ohřátá voda je následně vedena do odplyňováků (deaerators), kde se vyloučí kyslík a další plyny, kterými je nasycena – protože jinak by docházelo ke korozi ocelových součástí potrubí a topného systému. Odplyněná topná voda o teplotě 82-85°C je následně čerpána hlavními čerpadly (main pumps) a vedena potrubím do Reykavíku. Toť ve stručnosti vše. Pokud si někdo myslí, že geotermální elektrárna nemá absolutně žádný dopad na životní prostředí z hlediska emisí, tak musím uvést, že parovodní směs z geotermálních zdrojů mimo valné části Mendělejevovy tabulky prvků rovněž obsahuje rozpuštěné plyny, které z technologie unikají do atmosféry. Ze zprávy provozovatele elektrárny o vlivu na životní prostředí za rok 2007 jsem vybral pouze emise 15 412 tun kysličníku uhličitého (CO₂) a 10 275 tun sirovodíku (H₂S). Emise CO₂ jsou samozřejmě neporovnatelně nižší, než kdyby bylo stejné množství energie vyrobeno spalováním uhlí nebo plynu. Především emise sirovodíku jsou zřejmě problém a provozovatel elektrárny v současné době instaluje technologii na separaci, kterou hodlá testovat od podzimu tohoto roku. Je zřejmé, že vzhledem ke geologickým podmínkám v kontinentální Evropě asi příliš nevyužijeme zkušenosti z Islandu. Proto jsem se v dalším pátrání zaměřil na evropské informační zdroje a pokročilé geotermální technologie. A skončil jsem, věřte tomu nebo ne, v České republice. Existují tedy i jiné geotermální technologie, které bychom mohli případně využít i v našich poměrech, kde známe větší tektonickou aktivitu jenom z televize? Ano existují! Ovšem nejsou rozhodně zadarmo. Ale o těch se čtenáři dozví až v pokračování tohoto článku, protože už jsem toho napsal dost a v nejlepším se má přestat. Psáno pro blog.iDNES. Petr Nejedlý