Zem a zemské zdroje Geotermálna energia

1. Zem a zemské zdroje Geotermálna energia Ing. Ladislav Hvizdák, PhD.

2. Geotermálna energia Slovo „geotermálna“ pochádza z gréčtiny. „Geos“ znamená „zem“ a „thermal“ znamená „teplo“. Pod „geotermálnou energiou“ teda rozumieme teplo (termálnu energiu), ktorá sa nachádza vo vnútri našej planéty a pomaly preniká na povrch. Navonok sa prejavuje: • mechanicky (zemetrasenia, vrásnenia horských masívov), • alebo tepelne (sopky, gejzíry a horúce pramene).

3. Geotermálna energia Geotermálna energia nie je v pravom slova zmysle obnoviteľným zdrojom energie, nakoľko má pôvod v horúcom jadre Zeme, z ktorého uniká teplo cez vulkanické pukliny v horninách. Vzhľadom na obrovské, takmer nevyčerpateľné zásoby tejto energie, však býva medzi tieto zdroje zaraďované.

4. Geotermálna energia • Teplota zemského jadra sa odhaduje na viac ako 4000 °C • V 10 km vrstve zemského obalu, ktorá je dostupná súčasnej vŕtacej technike, sa nachádza dostatok energie na pokrytie našej spotreby na obdobie niekoľko tisíc rokov • Teplo  postupuje zo žeravého zemského  jadra smerom k povrchu. • Teplotný nárast sa pohybuje od 20 do 40 st. Celzia na vertikálny kilometer s miestnymi maximami (geotermálne pramene) • V hĺbke zhruba 2500 metrov sa často nachádza voda teplá až  200° Celzia.

5. Geotermálna energia • Najhlbší vrt na svete - Maersk Oil BD-04A, na poli Al-Shaheen v Katare. 12290 m (r. 2008) • Kola Superdeep Bore hole 12262 m (od r.1970) 0.175%

6. Geotermálna energia Geotermálne elektrárne boli donedávna obmedzené iba na lokality okrajov tektonických dosiek

7. Geotermálna energia • Geotermálna energia sa v prevažnej miere využíva na vykurovanie objektov ako sú bazény, skleníky ale aj obytné domy napojené na systém centralizovaného zásobovania teplom.

8. Geotermálna energia • Veľmi často sa však geotermálna energia využíva aj na výrobu elektrickej  energie. • Prvé pokusy s výrobou elektriny začali v Taliansku roku 1904 • Prvá 250 kW elektráreň bola daná do prevádzky v roku 1913 v Larderello. • Po nej nasledovali ďalšie v Wairakai na Novom Zélande (1958), v Pathe Mexiku (1959) a The Geysers v USA  (1960). Od roku 1980 výrazne narastá inštalovaný elektrický  výkon v geotermálnych elektrárňach a v roku 2000 dosiahol 7974 MW z toho v USA  je inštalovaných  2228  MW (viac ako ¼)

9. Geotermálna energia v SR

10. Geotermálna energia v SR V súčasnosti je na Slovensku vymedzených 26 hydrogeotermálnych oblastí, ktoré zaberajú 27 % plošnej rozlohy územia SR. Sú rozložené predovšetkým v pásme vnútorných Západných Karpát. Vláda SR schválila v apríli 2003 Koncepciu využívania obnoviteľných zdrojov energie. Podľa tejto koncepcie patrí geotermálnej energii druhé miesto spomedzi siedmich obnoviteľných zdrojov energie. Najlepší potenciál má biomasa (46,7 %), geotermálna energia (17,5%), solárna energia (14,5%), odpadové teplo (9,8%), biopalivá (6,9%), malé vodné elektrárne (2,9%), veterná energia (1,7%). Využívanie geotermálnej energie má celý rad výhod. Predstavuje domáci zdroj, je lacnejšia ako fosílne palivá. Znižuje nebezpečenstvo ohrozenia životného prostredia redukciou transportu, spracovania a využívania fosílnych palív (havárie produktovodov, výstavba a prevádzka zásobníkov plynov a ropných produktov, skládkové hospodárstvo, emisie). Umožňuje aj ovládanie ceny energie. Prevádzka geotermálnej energie je bezpečná s minimálnym dopadom na životné prostredie a záber pôdy.

11. Geotermálna energia - formy Zdroje geotermálnej energie existujú v štyroch hlavných formách: • hydro-termálny systém, • geostlačené zóny, • horúca suchá skala (hot dry rock) • magmatické zdroje.

12. Geotermálna energia – Hydrotermálne systémy • Geotermálne nahriata spodná voda sa niekedy naakumuluje v prepojenej sieti porúch v horninách a vytvorí sa podzemný hydrotermálny rezervoár. Voda z rezervoáru môže byť prírodným prúdením pozdĺž porúch privedená na zemský povrch. Hydrotermálne rezervoáre a konvekčné systémy sú zdroje javov, ktorým hovoríme prírodné horúce pramene a gejzíry

13. Geotermálna energia – Hydrotermálne systémy

14. Geotermálna energia – Studená „bublina“

15. Geotermálna energia – Hydrotermálne systémy V súčasnoti sú hydrotermálne systémy najviac komerčne využívaným geotermálnym zdrojom. Niektoré hydrotermálne rezervoáre sú veľmi horúce (nad 300° C), ale zhruba dve tretiny majú miernejšie teploty (120–200° C).

16. Geotermálna energia – Výroba elektrickej energie Para využívajúca sa na výrobu elektrickej energie obsahuje množstvo prímesí, kyslých plynov a piesku, ktoré koróziou ohrozujú funkčnosť turbíny. Preto je nutné paru pred akýmkoľvek využitím odfiltrovať. Z hypertermických polí sa získava prehriata para, pričom teplota horúcej vody pod tlakom je väčšia ako teplota pary pri atmosférickom tlaku. Aby bolo využitie tejto formy energie efektívnejšie, mokrá para sa v zásobníku niekoľkokrát separuje z tekutej vody. Takto upravená para sa už môže bezprostredne využívať na pohon turbíny, pričom v parovode dosahuje rýchlosť okolo 200 km.hod-1. Voda vychádzajúca zo separátora /oddeľovača/ je odvádzaná do riek, alebo (oveľa častejšie a účinnejšie) vrátená do rezervoára. Recykláciou vody do rezervoára sa súčasne vyvarujeme znečisteniu a zmenší sa pokles tlaku vo vnútri rezervoára a zároveň sa zníži jeho vyprázdňovanie. Vzhľadom na vhodnú geografickú stavbu podložia je geotermálna energia využívaná na výrobu elektrickej energie iba na niekoľkých miestach sveta.

17. Geotermálna energia – Geostlačené zóny • Oblasti v ktorých sú horúce slané vody (90° - 200 °C) zachytené pod vysokými tlakmi medzi vrstvami nepriepustných hornín. • Horúce vody aj hydraulický tlak môžu byť použité na výrobu elektrickej energie. • Niekedy obsahujú tieto rezervoáre aj tretí potenciálny zdroj energie – veľké množstvá rozpusteného metánu v slanej vode

18. Geotermálna energia – Suché teplo hornín (Hot dry rock) • Prakticky všade prítomné • Uložené v hĺbke zväčša viac ako 3 km pod povrchom Zeme • Neprítomnosť média – nosiča • Komerčne sa doteraz veľmi nevyužíva

19. Geotermálna energia – Suché teplo hornín (Hot dry rock) Tento typ umožňuje využiť tepelnú energiu, akumulovanú v horninovom prostredí. • Uvoľnenie takého zdroja tepla začína navŕtaním úvodného vrtu, • Odstrelom trhaviny v tomto vrte, alebo tlakom vody v hĺbke, kde je akumulovaná tepelná energia, sa vytvoria umelé trhliny, ktoré potom slúžia ako podzemný výmenník tepla, • Do vrtu sa zavedie voda, ktorá príjme teplo horúcej horniny a druhým vrtom, ktorý vytvára s úvodným vrtom prostredníctvom umelých trhlín jeden systém, vystupuje para, alebo horúca voda späť na povrch, • Získané teplo sa využije buď na výrobu elektrickej energie, alebo na vykurovanie (závisí od získanej teploty)

20. Geotermálna energia Kalinov cyklus • Súčasná generácia paroplynových zariadení dosahuje čistú účinnosť 55 %. • Budúce generácie energetických technológií umožnia prelomenie hranice 60 %. • Kalinov cyklus dovoľuje dosiahnuť účinnosť vyššiu ako 60 % a dokonca sa priblížiť k teoretickej hranici danej Carnotovým cyklom (70 až 80 %). • Kalinov cyklus využíva zmes čpavku a vody s meniacimi sa bodmi varu. V obehu sa mení zloženie zmesi kvôli minimalizácii teplotných rozdielov. • Kalinov cyklus nájde uplatnenie pri všetkých paroplynových obehoch i technológiách čistého uhlia, pretože výrazne zvyšuje účinnosť obehu a znižuje prevádzkové náklady.

21. Geotermálna energia – Projekt Litoměřice v ČR (Európa) • Projekt geotermálnej elektrárne s Kalinovým cyklom • Je projektovaný jeden injekčný a dva produkčné vrty v hĺbke 5000 m. • Overovací vrt bol zahájený 21.11. 2006 • Celkový výkon predstavuje 55 MWt za predpokladu dosiahnutia teploty 200°C a prietoku vody 150 litrov/sek. • Dodávka tepla a elektriny bude regulovaná podľa aktuálnych klimatických podmienok. V letnom období s minimálnou výrobou tepla je predpokladaný elektrický výkon 5 MWe, pričom 1 MWe je vlastná spotreba elektrárne. • Cena realizácie 1 mld 111 mil Kč. • Termín dokončenia 2010 - 2013.

22. Geotermálna energia – Riziká, problémy Geotermálny tepelný výmenník v hĺbke 5000 m pod zemským povrchom. • Problém je v tom, že tepelný výmenník je technické zariadenie, ktoré musí plniť požadovanú funkciu za určitých limitujúcich podmienok. • V našom prípade to znamená, že voda z injekčného vrtu nesmie unikať puklinami mimo priestor produkčného vrtu v takej miere, že jej straty nemôžu byť doplňované z podzemných zdrojov, čo sa už skutočne stalo v Anglicku (Wales). • A naopak: výmenník nesmie vykazovať príliž vysoký hydraulický odpor. Alebo v mieste vrtu sa musí nachádzať dostatočné množstvo puklín, aby bolo vôbec možné vodu pretlačiť z injekčného do produkčných vrtov. Na tomto už skolaboval jeden z projektov v USA.

23. Geotermálna energia – Riziká, problémy pri vŕtaní • Vychádza sa zo štúdií geológov a pracovných hypotéz • Vŕtanie totiž vôbec nie je lacná záležitosť, • Špeciálne diamantové vrtné hlavice je nutné v tvrdej žule meniť približne po každých vyvŕtaných 100 metroch, • Cena jednej hlavice je 60 000 €, • Mnohým investorom sa trasie ruka pred schválením projektu, kde môžu byť investované desiatky miliónov iba do vrtov – a to naviac bez zaručeného zdarného výsledku. Takže významnú časť z nákladov tvorí poistenie pre prípad, že by z vrtov nebolo možné získavať plánované množstvo energie. Obvykle je toto riešené prostredníctvom GeoFund Svetovej banky popr. iných nadačných a podporných finančných zdrojov.  • Ďalšie riziká – Projekt vo Švajčiarsku, Bazilej

24. Geotermálna energia – Projekt Bazilej Bazileji zaregistrovali zemetrasenie o sile 3,3 stupňa Bazilej 2. februára (TASR) - Geotermálny projekt v blízkosti Bazileja, ktorého realizáciu príslušné úrady medzičasom zastavili, vyvolal dnes v poradí piate zemetrasenie v priebehu ôsmych týždňov. Epicentrum otrasov bolo v Bazileji, šesť kilometrov pod povrchom Zeme. Zemetrasenie o sile 3,3 stupňa Richterovej škály zasiahlo územie do okruhu 20 kilometrov dnes o 4.54 hod. Podľa úradu pre geológiu, suroviny a baníctvo vo Freiburgu by otrasy nemali spôsobiť nijaké materiálne škody. Zemetrasenia v Bazileji vyvolal zásah stavbárov, ktorí pri prácach na geotermálnom projekte stlačili v hĺbke niekoľkých kilometrov vodu do horniny. Násilný zásah vyvolal prvé zemetrasenie ešte začiatkom decembra. Práce na projekte sú momentálne zastavené. piatok 2. 2. 2007 11:08

25. Geotermálna energia – Magmatické zdroje • Vzhľadom na neexistenciu vhodnej vrtnej techniky, nepredpokladá sa blízke komerčné využitie tohto energetického zdroja • Zrejme prvé využitie bude v mladých kalderách, s dobou vzniku pred niekoľkými miliónmi rokov, s relatívne plytko uloženými telesami magmy

26. Geotermálna energia – Magmatické zdroje • Prvý projekt realizovaný v Long Valley, 400 km severne od Los Angeles, California, USA • V niekoľkých etapách sa má navŕtať vrt hlboký 7 000 m, až do telesa magmy, kde sa očakáva teplota 900 °C • Najprv sa do vrtu bude vháňať studená voda, aby sa vytvorili pevné steny vrtu, čím sa vytvorí výmenník tepla hlboko pod zemským povrchom • Potom sa bude do výmenníka tepla z povrchu pumpovať voda, ktorá sa v ňom ohreje na vysoké teploty a bude vytlačená na zemský povrch, kde sa premení na paru, pomocou ktorej sa vyrobí elektrická energia • Ďalšia možná technológia, podľa výskumných pracovníkov, ktorí realizujú spomínaný projekt, je bez vytvorenia pevných stien výmenníka tepla v "magma vrte". Voda bude vháňaná z povrchu priamo do magmy, kde sa reakciou s oxidmi železa prítomnými v magme vytvorí vodík, ktorý je možné skladovať a spaľovať na výrobu elektrickej energie • Ďalšia technológia predpokladá využitie vysokých teplôt v magme na premenu zmesi vody a biomasy na vodík, metán a oxid uhoľnatý. Vodík a metán je možné skladovať a spaľovať za účelom výroby elektrickej energie, ako aj využiť na výrobu rôznych chemických komponentov.

27. Geotermálne zdroje

28. Geotermálna energia – Literatúra • http://www.inforse.org/europe/fae/OEZ/GEOTERM/geoterm.html • http://www.seas.sk/encyklopedia/obnovitelne-zdroje-energie/geotermalna-energia/ • http://slovensko.eco-energy.info/asp/index.asp?uc=&k=20572

29. Ďakujem za pozornosť