Geotermální energie: Jak geotermální systémy získávají a využívají teplo

První část třídílného článku vysvětluje technické principy geotermálních systémů a způsoby, jimiž se teplo z podloží získává a využívá. Druhá část se věnuje některým možnostem rozvoje geotermálního teplárenství v Česku. Třetí část rozebírá emise oxidu uhličitého a metanu, jejich měření a případy vysokých emisí z geotermálních elektráren.

Teplo vzniká rozpadem prvků i chladnutím Země

Geotermální energie využívá teplo uložené v zemském podloží. Teplo má dva dominantní zdroje. Jednak vzniká radioaktivním rozpadem uranu, thoria a draslíku v zemském podloží, jednak stoupá k povrchu při postupném ochlazování Země od jejího vzniku, tedy z takzvaného primordiálního tepla. [1, 2]

Poměr obou zdrojů se liší podle geologických podmínek. Radiogenní teplo, jak název napovídá, převažuje tam, kde zemská kůra obsahuje vyšší koncentrace radioaktivních prvků. Primordiální teplo může dominovat například v oblastech aktivního magmatismu. [2, 3]

K povrchu se energie přenáší vedením přes horniny i prouděním vody, páry nebo magmatu. Teplota s hloubkou roste, rychlost tohoto růstu popisuje geotermální gradient. Ten je jeden ze základních údajů při hodnocení vhodnosti lokality pro geotermální systém. [3, 4]

Samotný gradient ale nestačí. Pro odhad tepelného toku je nutné znát také tepelnou vodivost hornin, protože stejný nárůst teploty může odpovídat různému množství přenášené energie. Významnou roli může zastávat i proudění podzemní vody. [1, 3]

Nejspolehlivější data nám poskytnou teplotní měření ve vrtech. Tam, kde chybějí, zůstává odhad pouze orientační a opírá se o geologickou stavbu lokality, radioaktivitu hornin, geofyzikální průzkum a informace z okolních vrtů. [2, 3, 5]

Mělká geotermie pracuje hlavně s teplem u povrchu

Mělké geotermální systémy fungují jinak než hlubinná geotermie. V prvních metrech až desítkách metrů teplotu podloží výrazně ovlivňuje sluneční energie, a tak se zde teplota přibližuje dlouhodobému průměru povrchových teplot. Takovéto systémy v principu využívají schopnosti zemského podloží akumulovat teplo. [6]

Zemní kolektory a mělké vrty odebírají především energii uloženou v půdě, horninách a podzemní vodě. V některých místech se k ní může přidat také odpadní teplo z budov nebo infrastruktury. [1, 6, 7]

Podloží lze ale využít také jako zásobník. Pokud se v létě přebytečné teplo ukládá do země a v zimě se znovu odebírá, jde o podzemní tepelnou akumulaci. Energie se při ní nevyrábí, pouze se přesouvá v čase. [7]

Teplota mělkého zdroje zpravidla nestačí přímo pro vytápění, k tomu je většinou potřeba doplnit tepelné čerpadlo, které akumulované teplo koncentruje na použitelnou hodnotu.

Podzemí jako velký zásobník tepla

Podzemí lze využít i pro velkokapacitní a dlouhodobou akumulaci tepla. Tyto systémy se souhrnně označují jako UTES (Underground Thermal Energy Storage) a umožňují ukládat přebytečné teplo na týdny až celé měsíce. Podle způsobu ukládání se rozlišují například vrtná úložiště BTES, akviferová ATES nebo kavernová CTES. Do rozsáhlých podzemních prostor se v době přebytku ukládá ohřátá voda a energie se z nich znovu odebírá v topné sezoně. Takové zásobníky mohou pracovat v měřítku celé teplárenské soustavy. Příkladem CTES je švédský Västerås, kde byla pro ukládání tepla využita bývalá podzemní ropná kaverna.

Zdrojem uložené energie může být například odpadní teplo z elektráren, průmyslu nebo spaloven, případně přebytky z jiných zdrojů. Akumulace tak umožňuje oddělit dobu výroby tepla od jeho spotřeby: místo aby se přebytek vypustil do okolí, uchová se a v jiné sezoně se použije na vytápění. U tepelných elektráren může zároveň omezit potřebu odvádět přebytečné teplo přímo do řek či chladicích soustav, což může být významné zejména v obdobích horka a nedostatku vody.

Hydrotermální systémy čerpají vodu z propustných hornin

Nejběžnější způsob využití hlubinné geotermální energie představují hydrotermální systémy. Pracují s vodou nebo párou v propustných horninách. Voda většinou neleží v prázdné podzemní dutině, ale vyplňuje póry sedimentů a pukliny hornin, které jsou často propojené. Horninové prostředí, jež vodu zadržuje a zároveň ji dokáže propouštět, se označuje jako zvodeň. [3, 4]

O tom, zda voda v podzemí je kapalná, v fázi páry, rozhoduje kromě teploty také tlak. Čím je větší, tím lépe dokáže ve velkých hloubkách udržet velmi horkou vodu v kapalném stavu. Blíže k povrchu tlak klesá a část vody se může začít vřít a vypařovat.

K dlouhodobému provozu hydrotermálních systémů se obvykle používá sestava produkčních a injekčních vrtů, příp. jenom jednu dvojici. Produkční vrt přivádí ohřátou vodu na povrch, kde předá energii. Ochlazená voda se pak injekčním vrtem vrací do podzemí, čímž pomáhá udržet tlak a stabilitu rezervoáru. [3]

Výkon zdroje nezávisí pouze na teplotě. Důležitý je i dlouhodobě udržitelný průtok a rozdíl mezi teplotou vody před a po využití. Tudíž i chladnější voda může poskytovat vysoký tepelný výkon, pokud jí protéká dostatečné množství. Takový systém ale vyžaduje výkonnější čerpání, příp. i tepelné čerpadlo. [3, 8, 9]

EGS pomáhá tam, kde horká hornina špatně propouští vodu

Stimulované geotermální systémy, označované zkratkou EGS, se používají v místech, kde jsou horniny dostatečně horké, ale přirozeně neobsahují dost vody nebo jsou málo propustné. Smyslem je tuto vodu do hydrotermálního systému uměle dodat nebo zvýšit propustnost.

Do horninového masivu se při těchto projektech vstřikuje voda a hydraulickou stimulací se rozšiřují nebo propojují existující pukliny. Voda pak proudí vytvořenou sítí, ohřívá se o okolní horninu a vrací se k produkčnímu vrtu jako v klasickém hydrotermálním systému. [3, 10, 11]

Starší literatura pro podobný koncept používá označení HDR, tedy Hot Dry Rock, horká suchá hornina. Dnešní pojem EGS zahrnuje širší skupinu technologií, které mají zlepšit proudění tekutiny v hlubokém horninovém prostředí. [3, 10]

Uzavřené vrty oddělují pracovní kapalinu od horniny

Jinou cestu představují uzavřené vrtné systémy. U běžných hydrotermálních projektů i EGS je voda v přímém kontaktu s horninou. V uzavřeném systému naopak pracovní kapalina obíhá pouze potrubím a teplo přijímá přes jeho stěnu.

Není proto nutné čerpat podzemní vodu ani spoléhat na přirozenou propustnost rezervoáru. Vedle mělkých vrtů se vyvíjejí také hluboké varianty se dvěma propojenými vrty nebo s více horizontálními větvemi, například Eavor-Loop. [3, 12]

Výhodou je menší závislost na chemickém složení podzemní vody a velmi malé riziko uvolňování geogenních plynů. Nevýhodou je omezená plocha tepelného výměníku, závislost na tepelné vodivosti horniny, vysoká cena vrtání a postupné ochlazování okolí vrtu. [3, 12]

Využití geotermálního tepla

Nejjednodušší je přímé využití geotermálního tepla, tedy bez transformace tepelné energie na elektřinu. Technologicky nejjednodušším využitím jsou například lázně. V složitějších systémech voda z podzemí předává energii přes výměník do soustavy zásobování teplem nebo do průmyslového procesu. Geotermální teplo lze, možná paradoxně, využívat i k chlazení, kdy sorpční čerpadla dokážou místo elektřiny využít geotermální teplo o dostatečně vysoké teplotě k pohonu chladicího cyklu. Geotermální voda bývá mineralizovaná a korozivní, proto se zpravidla nepouští přímo do tepelné sítě. Pokud její teplota nestačí, systém doplní tepelné čerpadlo pohaněné elektřinou. [3, 8, 9]

Výroba elektřiny vyžaduje vyšší teplotu. Princip je podobný jako u jiných tepelných elektráren. Například v binární elektrárně hydrotermální voda předá teplo pracovnímu médiu s nižším bodem varu přes výměník, čímž se ochladí, a následně se čerpadlem vrací do hydrotermického rezervoáru přes injekční vrt. Pracovní médium pohání turbínu spojenou s generátorem, poté se ochladí a vrací do oběhu. Geotermální voda, tedy primární okruh, přitom nemusí zůstávat po celé trase kapalná a hermeticky oddělená od atmosféry. [3, 13, 14]

V suchoparní elektrárně míří pára z hydrotermálního rezervoáru po základním očištění přímo do turbíny. U zábleskového, neboli flash systému, na povrch přichází velmi horká voda, která v hloubce byla tlakem držena v kapalném stavu. Po snížení tlaku se část vody odpaří a táto separovaná pára pohání turbínu.

Všechny tyto elektrárny tedy nakonec pracují s vodou a párou. Navazují tak na století parních technologií – od parního stroje přes uhelné elektrárny až po běžné jaderné elektrárny. Jejich základní technický princip je tak překvapivě podobný.

I geotermální projekt musí počítat s riziky znečištění

Geotermální projekt musí kromě energetického výkonu řešit také ochranu podzemních vod. Rizikem je například nechtěné propojení původně oddělených zvodní, únik geotermální nebo pracovní kapaliny při poruše vrtu, změna hladiny podzemní vody nebo uvolnění solí, kovů a radioaktivních látek. [17, 18]

Bezpečný provoz proto stojí na kvalitní konstrukci vrtů, tlakových zkouškách a sledování chemického složení vody. Do rozhodování vstupuje také ochrana přírody, lázeňských zdrojů a další limity územního plánování. [17]

Dalším rizikem je vyvolaná seismicita. Čerpání a vstřikování vody mění tlakové poměry v horninách, i samotné ochlazování v důsledku odběru geogenního tepla může měnit napětí horninového masivu. U EGS se přidává riziko při počáteční stimulaci. Citlivá jsou zejména okolí geologických zlomů, proto se za provozu sledují tlaky, průtoky a mikroseismická aktivita. [11, 16]

Geotermální voda může obsahovat také rozpuštěný oxid uhličitý, metan, a další plyny, které se při poklesu tlaku mohou uvolňovat. Provozovatel je může zachytit nebo reinjektovat, zatímco v uzavřeném jednofázovém systému lze geotermální tekutinu udržet kapalnou po celé trase a odplynění se vyhnout. Uzavřený systém ale bývá dražší. [14]

Z neskleníkových plynů bývá nejvýznamnější sirovodík, H₂S. Tento toxický a výrazně zapáchající plyn se může z geotermální tekutiny uvolňovat při poklesu tlaku, varu nebo odplynění na povrchu. [14, 19, 20] Sirovodík představuje zdravotní riziko a může urychlovat korozi zařízení. Po oxidaci v atmosféře může přispívat ke vzniku oxidu siřičitého a následně síranových částic. [14, 20–22]

Toto je první část třídílného článku vysvětluje technické principy geotermálních systémů a způsoby, jimiž se teplo z podloží získává a využívá. Druhá část se věnuje některým možnostem rozvoje geotermálního teplárenství v Česku. Třetí část rozebírá emise oxidu uhličitého a metanu, jejich měření a případy vysokých emisí z geotermálních elektráren.

Zdroje

1. Davies, J. H., Davies, D. R. (2010): Earth’s Surface Heat Flux. Solid Earth 1, 5–24. https://doi.org/10.5194/se-1-5-2010
2. Huang, Y., Chubakov, V., Mantovani, F., Rudnick, R. L., McDonough, W. F. (2013): A Reference Earth Model for the Heat-Producing Elements and Associated Geoneutrino Flux. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 14, 2003–2029.
   https://doi.org/10.1002/ggge.20129
3. International Energy Agency (2024): The Future of Geothermal Energy.
   https://www.iea.org/reports/the-future-of-geothermal-energy
4. U.S. Department of Energy: Geothermal Basics. https://www.energy.gov/hgeo/geothermal/geothermal-basics
5. U.S. Geological Survey (2001): Volcano Watch — Heat Is Deep and Magma Is Shallow in a Hot-Spot System.
   https://www.usgs.gov/news/volcano-watch-heat-deep-and-magma-shallow-a-hot-spot-system
6. Popiel, C. O., Wojtkowiak, J., Biernacka, B. (2001): Measurements of Temperature Distribution in Ground. Experimental Thermal and Fluid Science 25, 301–309. https://doi.org/10.1016/S0894-1777(01)00078-4
7. Sanner, B., Karytsas, C., Mendrinos, D., Rybach, L. (2003): Current Status of Ground Source Heat Pumps and Underground Thermal Energy Storage in Europe. Geothermics 32, 579–588.
   https://doi.org/10.1016/S0375-6505(03)00060-9
8. Ministerstvo životního prostředí a Ministerstvo průmyslu a obchodu (2025): Akční plán rozvoje využití nízkopotenciálního obnovitelného a odpadního tepla. https://www.mzp.gov.cz/system/files/2025-07/Akcni_plan_rozvoje_vyuziti_nizkopotencialniho_obnovitelneho_a_odpadniho_tepla.pdf
9. Kloz, M. et al. (2022): Země má energie na rozdávání, proč ji využíváme tak málo a jak to změnit? Shrnutí a doporučení pro rozvoj geotermální energetiky v ČR. https://mpo.gov.cz/assets/en/energy/research-and-development-in-energy-sector/ongoing-completed-projects-and-their-results/projects-supported-in-the-second-public-tender-of-the-theta-program/2023/2/Shrnuti-a-doporuceni-pro-rozvoj-geotermalni-energetiky-v-CR-_vystup-V2_.pdf
10. U.S. Department of Energy: Enhanced Geothermal Systems.
    https://www.energy.gov/hgeo/geothermal/enhanced-geothermal-systems
11. Majer, E. et al. (2012): Protocol for Addressing Induced Seismicity Associated with Enhanced Geothermal Systems. U.S. Department of Energy. https://www1.eere.energy.gov/geothermal/pdfs/geothermal_seismicity_protocol_012012.pdf
12. Beckers, K. F., Johnston, H. E. (2022): Techno-Economic Performance of Eavor-Loop 2.0. Proceedings, 47^th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, SGP-TR-223.
    https://pangea.stanford.edu/ERE/db/GeoConf/papers/SGW/2022/Beckers.pdf
13. U.S. Department of Energy: Geothermal Electricity Generation.
    https://www.energy.gov/hgeo/geothermal/geothermal-electricity-generation
14. Fridriksson, T. et al. (2016): Greenhouse Gas Emissions from Geothermal Power Production. World Bank / ESMAP. https://documents1.worldbank.org/curated/en/875761592973336676/pdf/Greenhouse-Gas-Emissions-from-Geothermal-Power-Production.pdf
15. World Bank / ESMAP (2016): Comparative Analysis of Approaches to Geothermal Resource Risk Mitigation.
    https://documents1.worldbank.org/curated/en/621131468180534369/pdf/105172-ESM-P144569-PUBLIC-FINAL-ESMAP-GeoRiskMitigation-KS024-16-web.pdf
16. Parisio, F., Vilarrasa, V., Wang, W. et al. (2019): The Risks of Long-Term Re-injection in Supercritical Geothermal Systems. Nature Communications 10, 4391. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12146-0
17. World Bank (2022): Geothermal Energy Upstream Development Project: Environmental and Social Management Framework. https://documents1.worldbank.org/curated/en/099437102022326312/pdf/IDU046e4e7ac0a00082300e29c84754f86.pdf
18. Fisher, R. S. (1998): Geologic and Geochemical Controls on Naturally Occurring Radioactive Materials (NORM) in Produced Water from Oil, Gas, and Geothermal Operations. Environmental Geosciences 5, 139–150.
    https://doi.org/10.1046/j.1526-0984.1998.08018.x
19. Stoppa, G. et al. (2023): Exposure to Low Levels of Hydrogen Sulphide and Its Impact on COPD and Lung Function in the Geothermal Area of Mt. Amiata in Italy. PLOS ONE 18, e0293619. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0293619
20. Kristmannsdóttir, H., Ármannsson, H. (2003): Environmental Aspects of Geothermal Energy Utilization. Geothermics 32, 451–461. https://doi.org/10.1016/S0375-6505(03)00052-X
21. Spedding, D. J., Cope, D. M. (1984): Field Measurements of Hydrogen Sulphide Oxidation. Atmospheric Environment 18, 1791–1795. https://doi.org/10.1016/0004-6981(84)90354-8
22. Liu, T., Chan, A. W. H., Abbatt, J. P. D. (2021): Multiphase Oxidation of Sulfur Dioxide in Aerosol Particles: Implications for Sulfate Formation in Polluted Environments. Environmental Science & Technology 55, 4227–4242.
    https://doi.org/10.1021/acs.est.0c06496