Rozdělení zařízení pro využívání geotermální energie

Teplota, která je v zemi dostupná, závisí v rozhodující míře na hloubce. Zatímco teplotu v oblasti do 25 m pod povrchem určuje téměř výlučně sluneční svit a infiltrace, v hlubších částech už tento efekt patrný není. Zde je významný tepelný tok z výrazně teplejšího nitra Země a kromě toho i radioaktivní rozpad izotopů uvnitř zemské kůry. Díky tomu dochází k nárůstu teploty podle geotermického gradientu, v Německu o 3 - 4 K na každých 100 m hloubky [1]. V hloubce 400 m je tak dosahováno v průměru teploty zhruba 20 °C. V hloubkách několika kilometrů vládnou výrazně vyšší teploty, které mohou pohánět i procesy pro výrobu elektřiny v elektrárnách. V důsledku geologických anomálií a tím teplotám, které se od shora uvedených gradientů odchylují, existují na Zemi oblasti, které jsou pro geotermické využití mimořádně vhodné. V závislosti na hloubce využívané vody je rozlišována mělká a hluboká geotermie.

Abb. 1: Darstellung der Größenverhältnisse von oberflächennaher und tiefer Geothermie

Mělká geotermie

Geotermálně využívané oblasti do 400 m hloubky jsou obecně označovány jako mělká geotermie. Teploty, které se v těchto oblastech vyskytují, sahají zpravidla od 8 °C do 15 °C, ve větších hloubkách pak i k 25 °C. Tato teplotní úroveň proto pro vytápění budov vyžaduje nasazení tepelných čerpadel k tomu, aby bylo možno dosáhnout využitelné teploty 30 – 60 °C. Využití pro chlazení je možné i bez tepelného čerpadla (pasivní chlazení) nebo za pomoci tepelného čerpadla (aktivní chlazení). Využitelné množství tepla závisí především na teplotě a tím tedy na hloubce. Při využívání uzavřených systémů má velký význam tepelná vodivost a tím tedy druh okolní horniny. Jsou-li pro získávání energie využívány v otevřených systémech podzemní vody, je rozhodující množství vody, které lze odebrat. Mimořádný význam má změna teploty půdy z důvodů využití zemského tepla. Množství tepla, které lze Zemi odebírat, závisí na termické regeneraci půdy a hornin, případně podzemní vody. Zákonné předpisy v jednotlivých spolkových zemích stanovují, jak silně se smí teplota podloží měnit v čase. Kromě průběhu přírodních procesů v zemi je to důležité i pro sousední geotermické využití, protože sousedící zařízení pro využití geotermální energie se za určitých okolností mohou ovlivňovat. Pro smysluplné a cílené využití geotermální energie je tedy rozhodující zmapování veškerých zařízení a odběrů zemského tepla.

Hluboká geotermie

Zařízení, jejichž vrty zasahují více než 400 m do Země, jsou označována za hlubokou geotermii. V současné době nejhlubší vrt pro využití geotermální energie je hluboký cca 6 400 m (Finsko) [2]. Teploty, které jsou v tomto vrtu dostupné, činí v závislosti na geotermickém gradientu zpravidla 80°C až více než 200 °C. Tato teplotní úroveň umožňuje přeměnit získané teplo pomocí parních technologií na elektrickou energii nebo jej i přímo využít. Pro přeměnu na elektrickou energii jsou v závislosti na teplotě využívány parní turbíny nebo zařízení s organickými procesními médii (Organic Rankine Cycle) a nebo Kalinův cyklus (směs vody a amoniaku). Získávání energií je realizováno buď v soudržné hornině (technologie Hot-Dry-Rock, případně petrotermální ložiska) nebo prostřednictvím hlubokých kolektorů (hydrotermální ložiska).

Důlní vody

Specifickou formu, kterou nelze klasifikovat pomocí obecně platného rozdělení na mělkou a hlubokou geotermii, představuje geotermické využití důlních vod. V závislosti na ložisku a struktuře dolu jsou dostupné hloubky v rozsahu od několika metrů až několika tisíc metrů. Člověkem vytvořené vyrubané prostory v hornině, které jsou po ukončení důlní činnosti buď zcela, nebo částečně zaplaveny vodou, umožňují realizovat specifickou formu využití zemského tepla. Uměle vytvořeným systémem výrubů, štol a šachet vzniká rozsáhlá plocha, přenášející teplo. Díky tomu lze přenést velké množství tepla z horniny do důlní vody. Tím se zvyšuje termická regenerace vodního tělesa. Díky důlním mapám a zčásti i přístupnosti těchto děl je riziko neúspěchu v porovnání s klasickou geotermií nízké. Stávající důlní struktury mohou být kromě toho využity i ke zpřístupnění geotermického potenciálu [3].

Možnosti využití

Systémy

V principu se rozlišují dva druhy systémů, umožňujících využití geotermální energie. Jsou to jednak otevřené a jednak uzavřené systémy. V případě otevřených systémů jsou důlní vody čerpány z vrtu. Pro účely získání energie jsou za pomoci tepelných výměníků ochlazeny nebo zahřáty a následně pomocí vsakovacích studní vypuštěny na povrch nebo do okolí. V navazujícím uzavřeném cyklu je teplo přenášeno na chladivo, případně je z chladiva odebíráno. V případě uzavřených systémů cirkuluje tekutina, přenášející teplo, případně chladivo v systému, který je látkově oddělen od zemského masivu.

Existují různé technické varianty, jak je možno zemské teplo využít:

Uzavřené systémy:

Solankové výměníky
• Kolektory
• Výměníky s fázovou změnou
• Specifické formy

Otevřené systémy

Vrty / dubletové systémy pro využití mělkých podzemních a důlních vod, hydrotermálních a petrotermálních ložisek (Hot-Dry-Rock)

Literatura

1] Tholen M. und Walker-Hertkorn S. (2008) Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[2] Bundesverband Geothermie Pressemitteliung: Weltrekord: Deutsches Bohrunternehmen schließt tiefste Bohrung zur Energienutzung ab (25.04.2018). k dispozici na https://www.geothermie.de/fileadmin/user_upload/Aktuelles/Presse/Pressemitteilungen/Pressemitteilungen_2018/PM_20180425_Weltrekord_Bohrung_Finnland.pdf, poslední přístup 24.01.2019
[3] Grab T., Storch T., Groß U. (2018) Energetische Nutzung von Grubenwasser aus gefluteten Bergwerken. V: Bauer M., Freeden W., Jacobi H., Neu T. (ed.) Handbuch Oberflächennahe Geothermie. Springer Spektrum, Berlin, S. 523–586