Využití hluboké geotermální energie v Evropě

Úvod

Obr. 1 Mapa teplot v hloubce 5 km [1]

Geotermální energie je obnovitelný zdroj energie, kterým je tepelná energie uložená v horninách či kapalinách v zemské kůře. Původem se jedná o zbytkovou energii z formování naší planety a o energii z radioaktivního rozpadu v jejím jádru. Trvalý tepelný tok ze zemského jádra k povrchu umožňuje využití geotermální energie s vysokou teplotou z vrstev v jednotkách kilometrů pod zemským povrchem. Využívání geotermální energie je v současnosti spojeno zejména s tepelnými čerpadly, které využívají zemních vrtů do hloubek 100 až 200 m. V těchto hloubkách lze obvykle předpokládat teploty mezi 10 až 15 °C. Systémy s hlubokými vrty s hloubkami v řádu kilometrů jsou přirozeně výrazně náročnější na jejich plánování a realizaci, nicméně poskytují výrazně vyšší teplotní úroveň přímo či nepřímo (tepelnými čerpadly) využitelnou pro dodávku tepla do systémů vytápění, nebo dokonce pro produkci elektrické energie. Obecně lze předpokládat průměrný teplotní gradient mezi 2 až 3 K/km, tzn. v 1 km lze očekávat teploty mezi 30 a 40 °C, v 5 km již 100 až 160 °C. Nicméně konečná teplotní úroveň závisí vždy na konkrétní lokalitě, geologickém profilu, tepelných anomáliích apod. Na obr. 1 je znázorněna mapa teplot České republiky v hloubce 5 km.

V Evropě se hluboká geotermální energie využívá především pro systémy centralizovaného zásobování teplem (CZT). V současné době je realizováno 401 geotermálních systémů (300 v EU) s celkovým tepelným výkonem okolo 5,6 GW. Zároveň se více než 300 nových projektů s výkonem nad 700 MW připravuje. Významný podíl realizací je zejména v Německu a ve Francii [2]. Do roku 2022 bylo v Německu realizováno 42 systémů využívajících hluboké zdroje geotermální energie s celkovým tepelným výkonem 343 MW. Nejvíce projektů (24) je realizováno v Bavorsku v Molasské pánvi (Mnichov a okolí), kde je krasový propustný aquifer o tloušťce 500 až 600 m v hloubkách 3 km (80 °C, severní část) až 5 km (140 °C, jižní část). Další zdroje jsou realizovány v Severním Porýní (6) či Bádensko-Württembersku (6). Ve Francii (2023) je v provozu 73 systémů s tepelným výkonem cca 600 MW. Zásadní oblastí pro využívání geotermální energie je především aquifer v Pařížské oblasti, kde je realizováno 54 systémů s celkovou roční produkcí tepla 1,65 TWh/rok (z celkových 2,26 TWh/rok ve Francii). Cílové hloubky v Paříži a okolí jsou 1,6 až 1,8 km s teplotami 60 až 80 °C. Další významnou oblastí pro využití geotermální energie ve Francii je Akvitánie.

Hluboké geotermální systémy

Geotermální teplo z velkých hloubek lze jímat a využívat různými systémy (viz obr. 2). V zásadě lze rozlišit následující konfigurace podle místních geologických poměrů:

• hydrotermální systém (HTS) – přirozeně propustná zvodnělá vrstva (aquifer) v dostatečné hloubce a s dostatečnou mocností (tloušťkou) umožňuje snadné získávání tepelné energie cirkulací vody skrze otevřený systém jednoho injektážního a jednoho nebo více produkčních vrtů;
• stimulovaný geotermální systém (EGS: enhanced geothermal system) – propustnost vrstvy pro dosažení dostatečného průtoku se v dané hloubce vytváří uměle rozpráskáním horniny vysokotlakou hydraulickou stimulací, do puklinového výměníku je pak injektážním vrtem vháněna voda, která se průchodem ohřívá a produkčním vrtem je čerpána ohřátá zpět na povrch pro využití tepla;
• systém s uzavřenou smyčkou (CLG: closed loop geothermal, AGS: advanced geothermal systems) – suché vrty s koncentrickými trubkami navzájem od sebe tepelně izolovanými (např. vakuovou vrstvou) nevyžadují propustné horninové prostředí a získávají geotermální teplo pouze vedením.

Obr. 2 Typy hlubokých geotermálních systémů

Podle využitelné teplotní úrovně geotermálního zdroje pro soustavu zásobování teplem lze rozlišit tři hlavní nadzemní technologie:

• nepřímý systém s tepelným čerpadlem – v případě nedostatečné teploty zdroje tepla pro soustavu zásobování teplem je nutné zvýšit teplotní úroveň zařazením tepelného čerpadla;
• přímý systém s výměníkem tepla – v případě dostatečné teploty pro soustavu zásobování teplem je teplo předávané pouze přes teplosměnnou plochu;
• systém s produkcí elektrické energie – v případě vysokých teplot lze uvažovat produkci elektrické energie termodynamickými oběhy (ORC, Kalinův cyklus apod.)

Vélizy-Villacoublay (Francie)

Od 60. let 20. století dodává místní soustava zásobování teplem ve Vélizy-Villacoublay teplo do cca 12 000 domácností tepelnou sítí od celkové délce 19 km. Od konce roku 2021 pokrývá 60 % spotřeby tepla geotermální systém a nahrazuje tak zčásti fosilní zdroj (plynové kotle). Celková investice byla 25 mil. EUR, z toho regionální dotace okolo 9 mil. EUR.

Geotermální zdroj je vybudován ve hloubce 1600 m tzv. multidrain technologií, kdy je použito více injektážních či produkční vrtů. Teplota na výstupu z geotermálního zdroje je 65 °C a pro použití v soustavě CZT musí být navýšena použitím tepelných čerpadel o celkovém výkonu 16 MW (viz obr. 3).

Obr. 3 Geotermální systém ve Vélizy-Villacoublay: geotermální výměník tepla, vrtací souprava, zhlaví vrtů, cirkulační čerpadlo, tepelné čerpadlo

Riem (Německo)

V roce 2003 byly na místě bývalého letiště, dnešního výstaviště v Mnichově-Riem, provedeny dva hlubinné geotermální vrty do aquiferu v hloubce cca 3000 m. Cílem projektu bylo nahradit geotermálním teplem základní odběr 8 MW v soustavě CZT pro čtvrť s 16 000 obyvateli krytý do té doby zemním plynem. V současnosti je zemní plyn používán pouze jako špičkový zdroj vybudovaného geotermálního zdroje (viz obr. 4).

Vzdálenost mezi oběma vrty na povrchu je pouze 16 m, nicméně vrty jsou od sebe odkloněny pro zvýšení produkce tepla (vzdálenost konců je 2 km). Zhlaví vrtu má průměr cca 47 cm, zatímco konec vrtu pouze 15 cm. Teplota čerpané vody z produkčního vrtu je 94 °C a je možné ji použít přímo pro zásobování teplem. Voda je po ochlazení znovu injektována do aquiferu. Náklady projektu činily 5,3 mil. EUR včetně nákladů na rekultivaci místa vrtu.

Obr. 4 Geotermální systém v Riem: vrtání geotermálního vrtu, výtopna a zhlaví obou vrtů

Traunreut (Německo)

Geotermální teplárna Traunreut (viz obr. 5) byla zprovozněna v roce 2014. Oba hlavní vrty byly vyvrtány v letech 2012–2013 do hloubky cca 5 km. Po jejich zprovoznění bylo dodáváno geotermální teplo do místní sítě CZT (Stadtwerke Traunreut) pro cca 2000 zásobovaných zákazníků (domácnosti, průmysl) přes výměníky tepla s výkonem 12 MW a teplotní úrovní 118 °C. V poslední fázi projektu v letech 2014–2015 byla instalována technologie organického Rankinova cyklu (ORC) pro produkci elektrické energie s el. výkonem 5,5 MW. Účinnost produkce elektrické energie je okolo 8 %. Roční produkce el. energie 30 GWh kryje potřebu 10 000 domácností. Do výstavby geotermální teplárny bylo investováno okolo 80 mil. EUR.

Obr. 5 Geotermální teplárna v Traunreut

Závěr

Evropské snahy o dekarbonizaci soustav centralizovaného zásobování teplem, nestabilita cen zemního plynu a elektrické energie a vůbec nejistota okolo dodávek energie v souvislosti s válkou na Ukrajině urychluje rozvoj nových a spolehlivých zdrojů energie s vyrovnaným výkonem během roku a s minimálním dopadem na místní i globální klima. Takovými zdroji jsou právě hluboké geotermální systémy, které se stále více začínají rozvíjet v Evropě, zejména v oblastech s vhodnými podmínkami. Technologie vrtání do velkých hloubek jsou známé a zavedené z ropného průmyslu a je zde velký potenciál pro plynulý přechod ke geotermálním zdrojům a rozvoj tohoto oboru. Zásadním předpokladem pro úspěšnou realizaci je nicméně geologický průzkum, který výrazně snižuje riziko vrtání a docílení předpokladů.

V České republice je ve fázi příprav hluboký geotermální zdroj tepla v Litoměřicích. V rámci projektu SYNERGYS [3] je plánován geotermální systém se stimulovaným puklinovým výměníkem tepla v hloubce 3,5 km s předpokládanou teplotní úrovní mezi 90 a 100 °C a možnou dodávkou tepla do místního systému zásobování teplem.

Literatura

1. Doplněná a zpřesněná mapa tepelného toku, výstup projektu Modernizace výzkumné infrastruktury RINGEN.
2. EGEC 2023 Geothermal Market Report, 13^th Edition, (2024).
3. Projekt SYNERGYS (2021–2027) – systémy pro energetickou synergii, Operační program Spravedlivá transformace, synergys.cz.

Tento příspěvek vznikl v rámci projektu SYNERGYS – systémy pro energetickou synergii podpořeného z Operačního programu Spravedlivá transformace 2021–2027 pod reg. číslem CZ.10.02.01/00/22_002/0000172. Přednesen byl na konferenci o geotermální energii v Litoměřicích v listopadu 2025.