Geotermální energie: Kdy se nám podaří zkrotit energii sopek?

Vědci odhadují, že se pod povrchem naší planety ukrývá v podobě geotermální energie 50 000krát větší potenciál, než jaký nám mohou nabídnout zásoby ropy a zemního plynu. Zatímco fosilní paliva tvoří hlavní příčinu globálního oteplování, geotermální energie představuje udržitelný zdroj, při jehož využití se do vzduchu uvolňuje minimum škodlivin. Není proto divu, že například na Islandu pokrývá celou čtvrtinu státní spotřeby, a do jisté míry lidem vynahrazuje, že žijí v blízkém sousedství aktivních vulkánů. Je však možné ji využívat i v regionech, kde se tak silná sopečná činnost nevyskytuje? A jaké překážky musí dané odvětví překonat, aby se svou dostupností zařadilo vedle toho solárního, vzdušného či vodního?  

Život pod povrchem

Teplota zemského jádra přesahuje 5 200 °C. V planetárním plášti sice panuje výrazně nižší žár, ale spolu s obrovským tlakem stále postačuje k tavení hornin a kovů, čímž vzniká magma. Zemská kůra, do jejíchž hlubin už se umíme dostat, bývá rozpálená na „pouhých“ 370 °C. Oproti plášti a jádru jde o relativně nízkou hodnotu, ale geotermální průmysl víc nepotřebuje. Při získávání tepelné energie se uplatňuje následující postup: V první řadě se musí vyvrtat tzv. studna, jejíž hloubka obvykle nepřesahuje tři kilometry. Cílem je objevit zdroj horké vody či páry, a studny se proto hloubí v oblastech, kde to pod povrchem geologicky opravdu „žije“. 

Hluboko pod zemí těžaři narazí na značně ohřátou vodu, které ve změně skupenství brání vysoký tlak. Nicméně právě díky němu začne po navrtání studny tryskat k povrchu a vypařovat se. Energii proudící kapaliny pak využívají elektrárny, jež se v principu neliší od svých jaderných, tepelných či vodních protějšků: V jejich útrobách se roztáčejí turbíny napojené na generátory, jež produkují elektřinu. Čistě parních studen však existuje relativně málo, a například ve Spojených státech víme pouze o dvou lokalitách, kde by mohly vzniknout – a to v oblasti gejzírů na severu Kalifornie a v Yellowstonském národním parku.

Využít, zchladit a vrátit 

Některá zařízení však pracují také s kapalinou o nižších teplotách. V tzv. binárních parních systémech se využívá voda ohřátá jen mírně nad 100 °C, neroztáčí ovšem jejich turbíny – pouze zahřívá „funkční tekutinu“. Obvykle se jedná o organickou směs s velmi nízkým bodem varu a teprve díky jejímu vypařování se produkuje energie. V žádné z popsaných geotermálních elektráren se přitom voda nekontaminuje, a dokonce se ani nevypouští například do moře. Při kontrole tlaku vnitřního ústrojí sice do ovzduší uniká určité procento páry, ale voda z drtivé většiny putuje do chladicích věží. Studená se posléze přečerpá do injekční studny, vstříkne se zpátky pod zem a tam se opět ohřeje, čímž se zajistí udržitelnost celého podniku.

Na rozdíl od ostatních ekologických zdrojů fungují geotermální elektrárny neustále: Neomezuje je míra slunečního svitu, síla větru ani průtok vody. Navíc vypouštějí asi jen šestinu oxidu uhličitého v porovnání se svými protějšky na zemní plyn. Zplodiny se přitom neuvolňují při fungování elektrárny, ale při kopání studen, kdy nahromaděný CO2 uniká z kapes pod povrchem.

Spolehlivý a velmi nadějný zdroj je bohužel dostupný pouze v tektonicky aktivních oblastech, kde zlomy v zemské kůře přivádějí teplo z nitra planety mnohem blíž k povrchu. Jako nejvhodnější region pro danou energetiku se kromě Islandu jeví tzv. Ohnivý kruh v Pacifiku. Rozlehlé pásmo ve tvaru podkovy zahrnuje podle některých odhadů přes 900 vulkánů, a v budoucnu by tak mohlo „pohánět“ celou Ameriku, Japonsko, Austrálii, Tchaj-wan i mnoho dalších zemí.   

Drahý příslib do budoucna 

I tektonicky mnohem klidnější centrální Evropa se však snaží na nevyčerpatelný zdroj napojit. Například Německo ve snaze zpřetrhat energetické vazby na putinovské Rusko hodlá hloubit studny v Horním Porýní, kde se nachází obří podpovrchový rezervoár horké slané vody. Z útrob Země získávají energii také Filipíny, Indonésie, Keňa a nejnověji i Chorvatsko. Balkánský stát letos na podzim zprovoznil zařízení Velika Ciglena, které má poskytovat výkon 17,5 MW. Ve srovnání s temelínským generátorem a jeho 1 078 MW se to nezdá mnoho, ale rozdíly v nákladech jsou rovněž skokové. Vybudování Cigleny vyšlo v přepočtu na miliardu korun, zatímco dva plánované nové bloky Temelína, každý s předpokládaným výkonem až 1 600 MW, by měly stát 160–400 miliard. Při stavbě jaderných elektráren se přitom časový plán téměř vždy překročí o několik let a cena nejméně o desetinu.  

Také relativně ekologické zařízení má však své kritiky: Voda v podzemí podle nich není natolik horká jako třeba na Islandu, a dokáže tudíž zajistit jen malý výkon. Chorvaté by prý mohli získávat elektřinu z větru, ačkoliv jsou takové elektrárny dle dostupných statistik poruchovější a výkonově méně stabilní. Podle skeptiků tkví problém i v ceně, neboť odvětví je zatím ekonomicky výhodné opravdu jen ve vulkanicky velmi aktivních oblastech. Průměrné náklady na elektrárnu produkující 20 MW se pohybují okolo 735 milionů korun. Stovky milionů stojí rovněž vrtání studní a cena je tím vyšší, čím hlouběji do kůry musejí stroje proniknout. 

Když se vrt nezdaří 

Nejprve se musí uskutečnit geologický průzkum, podle nějž se navrhnou bezpečnostní opatření. Takto hluboké zásahy mohou totiž podle některých vědců vyvolat zemětřesení: Odborníci se odkazují na incident z roku 2006, kdy při geotermálním projektu u švýcarské Basileje dělníci údajně narušili strukturu zemské kůry, což vedlo k otřesům o síle 3,4 stupně Richterovy škály. Zároveň hrozí, že se při kopání nečekaně odkryje magmatická komora a roztavená hornina vyvře na povrch. Někteří kritici se dokonce obávají, že by vrtání studní mohlo probudit spící vulkány – zde se však s názory odborníků rozcházejí.

Nicméně i komplikace se mohou proměnit v pokrok. V roce 2010, v rámci projektu IDDP alias Iceland Deep Drilling Project, narazili inženýři při hloubení studny v blízkosti islandské sopky Krafla zhruba 2 km pod povrchem na magma o teplotě 900 °C. V podstatě tedy pronikli do útrob vulkánu. „Najednou jsme stáli nad nejžhavější studnou světa,“ vzpomíná Wilfred Elders z University of California. Islandská národní energetická společnost Landsvirkjun nevěděla, co si počít s vrtem, jenž se plnil magmatem. „Bylo nám sice jasné, že jsme objevili velký zdroj energie, ale zároveň jsme si neuměli poradit s jeho obrovskými teplotami a tlakem,“ dodává Elders. 

Superkritická voda

Firma nakonec s požehnáním odborníků studnu dokončila a zabezpečila ji speciální ocelovou výztuží. V prohlubni se tak mohlo zvolna shromažďovat teplo a ohřívat vodu pro pohon turbín. Elektrárna u Krafly dodávala 60 MW a zhruba třetinu zajistila právě riziková studna. Magmatická anomálie fungovala dva roky, než na ní došlo k havárii a společnost Landsvirkjun ji musela zapečetit zalitím studenou vodou.   

Původní nešťastná náhoda však zřejmě vytyčila cestu do budoucnosti geotermální energie. V následujícím projektu IDDP-2 se odborníci rozhodli zajít dál a navrhli vyvrtat studnu do hloubky 4–5 km, kde se nacházejí rezervoáry vody v tzv. superkritickém stavu: V důsledku teplot a tlaku, jež překračují kritický bod, se u ní stírají fyzikální rozdíly mezi kapalinou a plynem. Aby se o vodě mimo zemskou kůru dalo mluvit jako o superkritické, musela by se ohřát na 371 °C, zatímco by na ni působil 221násobek atmosférického tlaku. 

Tiché Česko 

Vrt byl sice komplikovaný, ale oproti klasické studni sliboval až desetkrát vyšší výkon. Navzdory obtížím se jej v roce 2016 podařilo dokončit, a stal se tak krokem vpřed pro celé odvětví. Přitom již tehdy geotermální energetika rostla o 4–5 % ročně a podle Geothermal Energy Association se na celém světě uskutečňovalo na 700 projektů. Jen v USA činila předloni hodnota trhu v přepočtu 1 294 miliard korun, a přestože růst zásadně zabrzdila pandemie, do roku 2028 se číslo pravděpodobně zvedne na 2 039 miliard. 

V Evropě tou dobou fungovalo 130 geotermálních elektráren, dalších 36 zařízení se právě stavělo a 124 se jich plánovalo. Zdaleka nejvíc energie ze země přitom na starém kontinentu čerpalo Turecko: Získávalo takto 1 523 MW, následováno Itálií s 916 MW, a trojici uzavíral Island se 754 MW. V Česku však zatím geotermální elektrárny nemáme. 

Do každého domu!

Ještě větší trh ovšem vytvářejí tepelná čerpadla, která k vyhřívání domovů využívají konstantní teplotu půdy pod povrchem a vodu či jinou kapalinu v uzavřeném okruhu. Asi 20 m pod zemí panuje celoročně teplota okolo 10 °C a s každými zhruba 30 m o stupeň roste. Hloubka vrtů se proto pohybuje v rozmezí 50–150 m, ale občas dosáhne i 200 m. Podpovrchově ohřátá voda směřuje do vytápěcího zařízení, kde se teplo odebere a tekutina se vrací do země k dalšímu cyklu.

TIP: V Kanadě má vzniknout největší geotermální laguna na světě

K roku 2019 fungovaly v Evropě více než dva miliony podobných čerpadel: Na Islandu se takto produkovalo rekordních 2 172 MW, následovalo Turecko s 999 MW a Francie s 652 MW. V Česku zmíněná zařízení vyráběla pouhých 8 MW. Výhoda tepelného čerpadla tkví v tom, že nevyžaduje vulkanickou aktivitu – stačí dostatečně hluboký vrt. Cena se pohybuje mezi 25 a 450 tisíci korun, nicméně lze získat dotaci a návratnost činí asi osm let. Náklady na vytápění totiž klesnou až o 70 %, což zejména v době energetické nejistoty motivuje k uvedené investici mnoho zájemců.