THERMES - Aktivity

### Štruktúra a tepelný stav litosféry západných karpát : potenciál energetických zdrojov tepla suchých hornín Slovenska

Kód projektu: APVV-0724-11, Akronym: THERMES

### História využívania geotermálnej energie

Človek bol od svojich začiatkov konfrontovaný s prejavmi zemského tepla na povrchu. Či už to bola sopečná činnosť, horúce pramene, jazerá a ďalšie. V dávnych dobách boli tieto prejavy často spájané s niečím nadprirodzeným, stávali sa súčasťou mýtov a religiozity. Veľký rešpekt vzbudzovali najmä neočakávané udalosti ako sú napríklad sopečné výbuchy. Naopak, napríklad horúce pramene sa stávali symbolmi života, sily, pripisovali sa im liečivé či očistné účinky aj v duchovnom význame.

Jazero s geotermálnou vodou. Rotorua, Nový Zéland ( zdroj )

Geotermálny Čierny bazén a Yellowstonské jazero ( zdroj )

Fumaroly v Leirhnjukur. Krafla, Island. (zdroj)

Celkom prirodzené však bolo, že už aj v ranných štádiách vývoja človek využíval prírodné zdroje pochádzajúce z geotermálnych prameňov vo forme tepla najmä v prípade nepriaznivých klimatických podmienok, na očistu, kúpanie i získavanie minerálnych látok, ktoré sa nachádzali v týchto lokalitách. Napokon i zvieratá celkom prirodzene využívajú pozitíva geotermálnej aktivity. Populárnym príkladom sú snežné opice z Yamanouchi v Japonsku.

Japonské makaky čiastočne ponorené v jazierku s geotermálnou vodou. Yamanouchi, Japonsko.(zdroj)

Veľká časť histórie využívania geotermálnej energie človekom je viazaná na využívanie prírodných zdrojov a maximálne ich vyhľadávanie. Archeologické vykopávky a historické pramene hovoria o využívaní horúcich prameňov na kúpanie, varenie, vykurovanie a v spojení na obsah minerálov vo vode aj na liečebné použitie.

Archeologickými nálezmi bolo potvrdené, že pred viacerými tisíckami rokov severoamerickí indiáni využívali geotermálne zdroje v oblasti Južnej Dakoty.

Historická kresba zobrazuje domorodých Američanov
pri horúcich geotermálnych prameňoch (zdroj)

Pred 3000 rokmi boli bohovia Gréckej spoločnosti spájaní s termálnymi a minerálnymi vodami a ich liečivou silou. Historické písomné dokumenty Rimanov, Japoncov, Turkov, Islanďanov, Číňanov a taktiež Maurov z Nového Zélandu popisujú výskyt a využitie horúcich prameňov.

Horúce jazierka pri Whakarewarewa boli tradične využívané
na varenie jedla. Voda je dostatočne horúca aj na uvarenie čaju (zdroj)

Kamenný bazén v najstarších známych kúpeľoch vybudovaných v treťom storoí pred Kristom.
Pohorie Lisan, Čína (zdroj)

Kelti a potom aj Rimania extenzívne využívali geotermálne zdroje strednej Európy. Stavebné pamiatky aj viac ako 2000 rokov staré svedčia o tom, že mnohé budovy boli vykurované systémami založenými na geotermálnej energii.

Prvý známy systém podpodlahového geotermálneho kúrenia
v kúpeľoch rímskych vojakov. Aquae Aureliae, Baden-Baden,
Nemecko. (Stober, Bucher, 2013)

Veľký rozvoj kúpeľníctva v oblastiach geotermálnych prameňov sprevádzali aj ďalšie spôsoby využitia tepelnej energie horúcej vody. V Číne boli v štvrtom až šiestom storčí okrem terapeutických účinkov termálne vody využívané napríklad aj v poľnohospodárstve. Existovali návody ako zavlažovať touto vodou, aby prvá úroda ryže bola už v marci a celkovo sa získali až tri úrody za rok. Geotermálna voda z Peta River v stredovekej Transylvánii sa v zime využívala ako rozmrazujúca kvapalina na udržovanie funkčnosti vodou naplnených ochranných priekop okolo opevnenia Oradey. Zo štrnásteho storočia sú zmienky o začiatkoch budovania vykurovacieho systému celej obytnej štvrte v Chaudes-Aigues (centrálne Francúzsko). Systém je funkčný až dodnes.

Kúpele v Abane. Padova, Taliansko. (zdroj)

Od začiatku 19. storočia sa termálne pramene v blízkosti Larderella využívali na produkciu kyseliny trihydroboritej keď už aj predtým sa odparovaním získavali rôzne minerály a ich soli. Táto oblasť sa stala prvou s priemyselným využitím geotermálneho zdroja. V roku 1827 tu Francesco Larderel vybudoval prvý nízkotlaký parný kotol vyhrievaný geotermálnou vodou.

Larderello v roku 1868. Priemyselné využitie geotermálneho zdroja. (zdroj)

Rozvoj termodynamiky a techniky v druhej polovici 19. storočia priniesol aj prvé pokusy s výrobou elektrickej energie z geotermálnych zdrojov. V roku 1904 boli úspešne zavŕšené vôbec prvou ukážkou vykonanou P.P.G. Contim. Pomocou 10-kilowatového dynama sa podarilo rozsvietiť 5 žiaroviek. Dynamo bolo poháňané piestovým strojom cez tepelný výmenník nepriamo napojený na geotermálne žriedlo v oblasti Larderella.

Princ Piro Ginori Conti pri prvej geotermálnej experimentálnej elektrárni.(zdroj)

Zariadenie prvej komerčnej geotermálnej elektrárne. Larderello, Taliansko (Enel)

V oblasti Larderella bola neskôr (1913) vybudovaná aj prvá komerčná elektráreň využívajúva geotermálne zdroje. Mala výkon 250 kilwatov a elektrická energia bola využívaná v chemických zariadeniach, hlavných budovách Larderella a okolitých obcí. Celkový inštalovaný výkon sa postupne zvyšoval až na 132 MW v roku 1943. Význam výroby elektrickej energie z geotermálnych zdrojov sa zvyšoval aj napojením železničnej siete v celom centrálnom Taliansku.

Prvá geotermálna elektráreň v Amerike a jej konštruktér (zdroj)

Postupne nasledovali aj ďalšie pokusy o výrobu elektrickej energie z geotermálnych zdrojov. Napríklad prvá taká elektráreň na americkom kontinente bola vybudovaná rodinou Grantových v oblasti Geysers. Mala výkon 35 kW. Výrazný rozvoj využitia geotermálnej energie na výrobu elektrickej energie nastal koncom päťdesiatych rokov, keď sa začali budovať elektrárne aj v iných geotermicky aktívnych oblastiach ako napríklad vo Wairakai na Novom Zélande (1958), v Pathe Mexiku (1959) a The Geysers v USA (1960). V súčasnosti sa na výrobu elektrickej energie využívajú klasické parocykly na tzv. vlhkú a suchú paru, binárne cykly a aj ich kombinácie. Samozrejme popri náraste výkonov geotermálnych elektrární sa stále geotermálna energia široko využíva aj klasickým spôsobom v kúpeľníctve, na vykurovanie, v priemysle i poľnohospodárstve.

Island je vďaka svojej jedinečnej geologickej polohe jedným z najväčších producentov elektrickej energie
z geotermálnych zdrojov na svete. Geotermálna elektráreň v oblasti Nesjavellir. (zdroj)

Zdroje:

I. Stober and K. Bucher: Geothermal Energy,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013.

J.W. Lund: 100 Years of Geothermal Power Production. GHC Bulletin, 2004

### Využitie geotermálnej energie podľa teploty

Geotermálne zdroje sú využívané podľa teploty vody, ktorá sa dostáva na povrch a naopak zdroje geotermálnej energie sa vyhľadávajú podľa stanovených potrieb.

Aquapark Tatralandia v zime. Liptovský Mikuláš, Slovensko (zdroj)

Na kúpanie nám stačia teploty už okolo 30 stupňov Celzia. Podobne aj na roztápanie snehu a ľadu alebo chov rýb. Náročnejšie je už napríklad využitie teplých vôd na pestovanie húb, zeleniny v skleníkoch, produkciu bioplynu a sýtenie nápojov oxidom uhličitým. Na úrovni okolo 45-50°C začína aj možnosť aplikácie tepelných zdrojov geotermálneho pôvodu na ohrev vody a vykurovanie či chladenie budov. S použitím technológie tepelných čerpadiel však na takýto účel možno využiť aj teploty pod 10°C dosiahnuteľné v najvrchnejších častiach Zeme. V takomto prípade je však celkový dosiahnuteľný výkon menší. Teploty geotermálnej vody nad 100°C sú postačujúce na široké priemyselné využitie ako je sušenie ovocia a zeleniny, sušenie reziva, farbenie textilu, spracovanie celulózy a papiera i ďalšie. Teploty okolo sto stupňov Celzia sú teoreticky postačujúce aj na výrobu elektrickej energie pomocou binárnych cyklov avšak efektívne teploty sú pri súčasných technológiách až na úrovni 120 °C. Produkcia etanolu a biopalív a tiež výroba ľadu a mrazenie vyžadujú teploty až na úrovni 150°C. Ešte vyššie nároky majú technológie získavania minerálov a výroby vodíka. Teploty okolo 200 °C sú už využiteľné aj na produkciu elektrickej energie pomocou klasických parocyklov.

Dôležitým faktorom využitia geotermálneho zdroja je aj teplota, ktorá je aj na výstupe. Výstupná teplota závisí najmä od toho, čo sa s vodou robí po využití jej tepelného potenciálu.

Stručná tabuľka použitia zdrojov geotermálnej energie podľa teploty. (Slovenská verzia)

Ak sa voda vypúšťa do povrchových tokov musí spĺňať prísne ekologické kritériá najmä čo sa týka minerálneho zloženia a aj teploty. Často sa dochladzuje na teploty blízke teplotám v týchto tokoch. Pri reinjektovaní (voda sa vracia do Zeme) sú tieto teploty zvyčajne vyššie.

Zjednodušené schémy využitia geotermálnej vody reinjektovaním späť do vnútra Zeme (vµavo)
a s vypúšťaním do vodného toku (vpravo).

Napríklad pri energetickom využití je výstupná teplota reinjektovanej vody pohybuje až na úrovni 80°C. Celý interval teplôt je potom možné využiť aj na aplikáciu viacerých technológií zapojených do reťazca či reťazcov v sérii alebo paralelne. Príkladom môže byť zapojenie výroby elektrickej energie pomocou binárnych cyklov po klasických cykloch ale aj iné kombinácie energetického, priemyselného, poľnohospodárskeho a ďalšieho využitia.

Príklad zreťazenia rôznych druhov využitia geotermálnej vody z jedného zdroja.

V Podhájskej sa geotermálna voda využíva v skleníkovom hospodárstve, na kúpanie
a vďaka minerálnemu zloženiu aj na liečebné účely.
Skleníky pri Podhájskej (foto Záležák) a nové wellness centrum (foto TASR).

Kombinovaná elektráreň so zapojením klasických parocyklov a binárnych cyklov. (Puna, Hawaii.)