Podle reportu geotermální asociace IGA je v současné době v 63 zemích světa v provozu na 320 větších elektráren a tepláren využívajících zemského tepla s celkovým elektrickým výkonem kolem 15 GWe. Zlepšit jejich účinnost hlubinnými vrty až k samotnému magmatu a čerpat energii pomocí tzv. superkritické vody se pokoušejí na Islandu projekty IDDP, kdežto Kalifornie sází na revoluční technologii ECO2G, při které se teplo z hlubin přenáší do elektrárny uzavřeným okruhem superkritického oxidu uhličitého.
ZA ENERGIÍ BLÍŽE K MAGMATU
Šestnáctileté pokusy na Islandu dovrtat se vrtnou soupravou až k samému okraji pásma horkého magmatu v hloubce kolem 5 km skončily 21. prosince 2016 úspěchem. Speciální vrták se „v nejžhavější části planety“ zastavil v hloubce 4 626 m, v oblasti nadkritické páry, kterou turbogenerátory elektrárny na povrchu využijí přímo k výrobě elektřiny bez mezipřihřívání s podstatně lepší termickou účinností oproti současně provozovaným „klasickým“ geotermálním elektrárnám na světě, využívajícím suchou páru nebo horkou vodu a obvykle i teplárenský režim.
Jen o půl roku později, 14. června 2017, schválila Kalifornská energetická komise grant na vybudování neméně perspektivního projektu americké společnosti GreenFire Energy Inc. na další revoluční zlepšení výtěžnosti zemského tepla technologií ECO2G, která nahrazuje vodní okruh uzavřeným okruhem se superkritickým oxidem uhličitým. Obě revoluční technologie slibují prakticky nejméně ztrojnásobení výkonu u dosavadních klasických geotermálních studní a až desetinásobné zvýšení výkonů u budoucích geotermálních elektráren s hlubinnými vrty.
ISLAND ZATÍM USPOKOJUJÍ ELEKTRÁRNY S TEPLÁRENSKÝM REŽIMEM
Pět největších elektráren v okolí Reykjavíku na tektonickém zlomu probíhajícím napříč Islandem využívá horkou vodu (180–300 °C) obvykle
z 30 až 50 vrtů do hloubek 1–2 km, která se po odtlakování a separaci mění ve vlhkou páru využitou turbínami. Jen v případech příliš nízkého tlaku a teploty (pod 70 °C) musí být horká voda cestou tzv. Kalinova binárního systému využita k ohřívání médií s nižším bodem varu (čpavku, propanu, freonů), za cenu snížení termické účinnosti přeměny k pouhým 10 %. Vratná voda z kondenzátorů smíšená s vodou z vrtaných studen se souběžnými vrty vhání do ložiska. Horkou vodu pro zásobování Reykjavíku (asi 300 MWt) dodávají zejména kombinované elektrárny Nesjavellir (120 MWe), Hellisheidi (300 MWe) a Reykjanes (100 MWe), ta poslední je chlazena mořskou vodou.
O zásadní změnu a zvýšení účinnosti i výkonů geotermálních elektráren se začalo bojovat na přelomu 21. století v elektrárně Krafla (60 MWe). Technologické zařízení převážně dodává islandská společnost Mannvit Engineering, která je vybavuje turbosoustrojími Mitsubishi. Hellisheidi i Reykjanes jsou projektovány tak, aby zapadly do krajiny, a jsou dálkově řízeny z dispečinku v Reykjavíku. Celkový roční výkon včetně několika menších geotermálních elektráren se pohybuje kolem 4 TWhe .
CELOSVĚTOVÝ ZÁJEM NA HLUBINNÉM PROJEKTU IDDP
Geologům je známo, že Island má v hloubkách kolem 3 až 5 km obrovské zásoby tzv. superkritické vody (pokud se dá takové fluidum vodou ještě nazývat), zahřáté magmatem na 400 až 700 °C. V této zatím málo prozkoumané fázi ji obrovský tlak hornin udržuje v tekutém a nikoliv plynném (parním) stavu. Od roku 1998 se k jejím zásobám v kráteru Krafla pokoušel provrtat tým inženýra Gudmundena Fridleifssona, který k tomu přilákal profesora kalifornské univerzity Wilfreeda Elderse. V rámci mezinárodního vědecko-technického projektu IDDP (Iceland Deep Drilling Project) podpořeného investicí 22 mil. dolarů začali speciální vrtnou soupravou Tyr pronikat k jejím zásobám. Při pokusech o navrtání k magmatu v hloubce 2 300 m obrovský přetlak vyrazil vrták a bylo nutné začít znovu na vhodnějším místě. Použití superkritické vody, která má podle odhadu vědců protékat trubkami s téměř nulovým odporem jako plyn, předpokládá v budoucí nové generaci geotermálních elektráren nové typy výměníků, které zvládnou její obrovský tlak (až 40 MPa při teplotě 550 °C) a boj proti silnému korozivnímu působení v potrubním systému. Po vyčištění a odvlhčení páry však účinnost vysokotlakých turbín vzroste nejméně na trojnásobek. Podle předpokladů profesora Fridleifssona by jen na Krafle mohl vzrůst její výkon z dnešních 60 MWe na 300 MWe.
V srpnu 2011 začal vrt IDDP-1 z hloubky 2 104 m dodávat použitelnou „přehřátou“ páru s teplotou 410 °C při tlaku 23 MPa. Další vrty IDDP-2 a IDDP-3 za superkritickou vodou byly přeloženy do jihozápadní části Islandu. V létě 2012 se v Reykjanes geologové provrtali do hloubky 3,5 km, o Vánocích 2016 se vrták zastavil v konečných 4 526 m. Vrt dnes produkuje superkritickou páru s teplotou 427 °C pod tlakem 34 MPa a výkon Reykjanes posiluje při testování o 30 až 50 MWe. Vrtná souprava se nyní stěhuje do oblasti Hengill, kde skupina Mannvit připravuje další hlubinný vrt IDDP-3. Projekt pod patronátem společnosti Landsvirkjun Power Comp. budí obrovský zájem vědeckých i průmyslových organizací, neboť slibuje prakticky nejméně ztrojnásobení výkonu z dosavadních geotermálních studní ležících v oblasti vulkánů.
KALIFORNIE ZKUSÍ ZEMSKÉ TEPLO ODVÁDĚT SUPERKRITICKÝM CO2
Z geotermálních zdrojů nejvíce elektřiny
(4 000 MW) zatím čerpá USA. Třeba pověstný The Geysers Complex v Kalifornii se pyšní nejvyšším světovým výkonem 1 520 MW. Není divu, že kalifornská energetická společnost GreenFire Energy se rozhodla ověřit možnost zvýšení výtěžnosti energie z vrtů revoluční technologií ECO2G, která nedostatek vody nahrazuje tzv. superkritickým plynem CO2 v uzavřeném okruhu. S myšlenkou nahradit vodu vysoce stlačeným plynem, který snadněji prostupuje horkou zeminou a mnohem intenzivněji odvádí zemské teplo, přišli poprvé roku 2008 profesoři Randolph a Saara z University of Minnesota. Superkritický CO2 při teplotě 31 °C a tlaku 7,3 MPa má sice hustotu tekutiny, ale podobnou viskozitu jako plyn. Jeho vlastností využívá průmysl a potravinářství jako vynikající rozpouštědla. Využit k odvádění tepla má oproti vodě pronikající horninou obrovské výhodu v tom, že se neznečisťuje minerály a jako teplonosné médium nezanáší potrubí a zásobníky, turbíny a čerpadla. GreenFire jeho přednosti ještě rozšířil tím, že ve vrtech v uzavřeném okruhu používá koaxiální potrubí, které se zavádí jediným hlubinným vrtem ve společné jediné studni. Po získání grantu 1,5 mil. dolarů se firma pustila do demonstračního projektu ECO2G, první koaxiální hlubinné studny v kalifornském Coco Inyo County. Superkritický CO2 se středovou koaxiální troubou vhání do spodní části studny a při návratu prostorem mezi venkovní rourou většího průměru se zemským teplem ohřívá a přivádí do paroplynové turbíny s pohánějícím elektrickým generátorem na hřídeli. Po expanzi a odevzdání energie v turbíně se ochlazené médium stále uzavřeným okruhem vrací na dno studny. Okruh je pod tlakem udržovaným pomocí zásobníku superkritického CO2. Novátorské technologie, které využijí nejen vertikální, ale i směrové vrty, jsou rozvíjeny tak, aby poskytly výsledky v praktickém uplatnění v režimu výkonů od 20 MW až do 1 000 MW. Na měření a studiích se podílí několik amerických univerzit.
ISLAND HODLÁ NAOPAK CO2 POD ZEMÍ UKLÁDAT
Celý svět zatím zoufale hledá způsob, jak snížit emise plynů otravujících atmosféru naší planety a zpomalit tak globální oteplování. Jedním z nich by nečekaně mohl být i sám oxid uhličitý (CO2). Ten bohužel produkují i géeotermální elektrárny. Největší islandská geotermální elektrárna Hellisheidi, zásobující hlavní město Reykjavík elektřinou i teplem, tohoto plynu vypouští ročně na 40 tisíc tun, nemluvě o výrazně páchnoucím sulfanu z uvolněných vulkanických plynů. A právě zde ve spolupráci s americkými vědci roku 2012 spustili odvážný projekt CarbFix, který by mohl vyřešit problém s emisemi oxidu uhličitého. Odpadové plyny z elektrárenského systému smíchali s čerpanou vodou a vzniklý roztok začali vstřikovat do vulkanických hornin v hloubkách 400 až 800 m. Ukázalo se, že v čediči se rozběhnou s vodou a oxidem chemické reakce a vzniklý roztok kyseliny uhličité po letech horninu, vodu a plyn promění v bělavý uhličitanový minerál. Když o výsledcích pokusů referoval časopis Science, mluvil dokonce o „zkameňování“ škodlivého oxidu v podzemí. Proces sledovali vědci pomocí oxidu značeného radioaktivním uhlíkem C14, a tím se jim podařilo zmapovat vznik kalcitu. Podobné pokusy začala provádět uhelná elektrárna v kanadském Saskatchewanu. Nadšení průmyslu ochladlo, když se ukázalo, že na „zkamenění“ tuny CO2 je potřeba okolo 25 tun vody. Tu by však u větších systémů mohla nahradit i dostupnější a levnější mořská voda. Větší obavy mají vědci z podzemních mikrobů, které by mohly v místě ze vzniklých pevných látek uvolňovat metan – což je další skleníkový plyn. Při experimentech na Islandu se však nic takového neprokázalo. Pokusy u Hellisheidi zatím překonaly samu přírodu co do rychlosti „zkameňování“. Během dvou let se v pokusné studni podařilo do čediče zachytit až 10 000 tun CO2.
První elektrárnu na superkritickou vodu plánuje Island na rok 2020 a do poloviny 21. století v případě rekonstrukce již spuštěných klasických studní uvažuje o možnosti exportovat stejnosměrnými podmořskými kabely sousedním zemím až 5 TWh přebytečné elektrické energie.
Ing. Jan Tůma, Island