Pod zemským povrchem je obrovité množství tepelné energie. Občas se dostane s lávou, horkou vodou a plyny na povrch, většinou jsou však její zdroje v hloubce. Jak se k nim dostat?
Horníci z vlastní zkušenosti již dávno věděli, že čím hlouběji fárají, tím horší podmínky a vyšší teplota. V kutnohorských stříbrných dolech neklesly v hloubce 500 m teploty nikdy pod 35 oC. V příbramském dole Vojtěch, kde se v roce 1973 poprvé prorubali tisíc metrů pod povrch, byly již teploty padesátistupňové. Tříkilometrové hloubky jihoafrických a indických zlatých dolů by byly bez větrání pro člověka zcela nedosažitelné.
V kilometrové hloubce už taje stříbro!
I když již ve starověku a středověku psali filozofové a přírodovědci o podzemním ohni a žhavém zemském nitru, zřejmě první pojednání, mající punc vědeckého pozorování bylo z území dnešního Slovenska. V roce 1620 totiž francouzský astronom a fyzik J. B. Morin navšívil doly v Báňské Štiavnici, tehdy maďarské Selmecbánya, a napsal, „že se o každých 50 m zvýší teplota o stupeň.“ Později bylo pravidlo o stoupání teploty s hloubkou prokázáno nesčíslněkrát, jak přímým pozorováním v dolech i vrtech, tak i modelovými výpočty odvozenými z poznatků o zemském nitru. Podařilo se údaje upřesnit a definovat tzv. geotermický stupeň. „Je to počet metrů, o který se teplota zvýší o 1 oC. Jeho průměrná hodnota je 33 m, což znamená, že o každých 100 m hlouběji pod povrch by mělo být o 3 oC tepleji,“ uvádí se v definici. Je to ovšem číslo průměrné. V sopečných a geologicky aktivních oblastech s mladou zemskou kůrou je to třeba jen několik metrů. Naopak, v místech kde jsou staré horniny na stabilních štítech, může být geotermický stupeň i 100 m. V našich zemích se tato hodnota pohybuje kolem průměrných 33 m, někde je pod povrchem o něco tepleji a jinde naopak chladněji. Údaje z větších hloubek jsou odvozeny z geofyzikálních měření. V hloubce 50 km pod zemským povrchem, uprostřed kontinentu, by měla teplota dosáhnout 500 oC, ve stokilometrové hloubce 750 oC. Pod oceánským dnem je tepleji, ve stokilometrové hloubce uprostřed oceánu předpokládáme teplotu o něco větší než 1000 oC. Při této teplotě už se například vypaluje keramika a taje stříbro. Teploty pak přibývá s rostoucí hloubkou pomaleji než v zemské kůře, takže soudíme, že v samotném zemském nitru dosahuje šesti tisíc stupňů.
Co nám nabízí nitro Země?
Teplou vodu můžeme využít k vytápění, k ohřívání skleníků, k rekreaci, ba i k léčení. Horká voda a pára nám nabízí další možnosti, hlavně výrobu elektrické energie. Při využívání zemského tepla mluvíme čím dál tím častěji o geotermální energii. Je to přírodní teplo Země, které je uloženo v komplexech hornin. Pokud je jeho koncentrace vyšší, je takový zdroj energie využitelný. Je to zdroj velmi zajímavý, především je naprosto nevyčerpatelný, neustále se obnovuje. Dnes je ještě důležitější, že je to zdroj ekologický. Starosti s produkcí skleníkových plynů při spalováním fosilních paliv, obavy o vyčerpání klasických zdrojů energie, uhlí, ropy a zemního plynu, to vše podporuje na celém světě zájem o energie, kterým říkáme trochu ošklivým a zprofanovaným slovem alternativní. K alternativním energiím patří spolu s geotermální i energie solární, větrná, energie produkovaná spalováním biomasy a podle některých i energie atomová.
Obstojí geotermální energie v konkurenci?
O solární energii se hodně mluví a píše, zatím však zajišťuje jen něco kolem 1 % energie vyráběné v celém světě. Větrná energie je moderní, v celé Evropě se vyrábí tolik větrné elektřiny jako v pěti velkých uhelných elektrárnách, což je přibližně 35 000 mW. Dánsko je v Evropě na prvním místě, tam dodá vítr na 20 % spotřeby elektrické energie. V Česku je využití poněkud problematické, jednak nejsme typicky větrnou zemí, jednak se obyvatelé těžko sjednocují v názoru na výhody a nevýhody obřích větrníků. Proto v Česku dnes pokulhává využití alternativní energie včetně energie geotermální daleko za klasickými zdroji, dokonce též vodními elektrárnami i spalováním komunálních a průmyslových odpadů
Geotermika zkoumá teplotu na povrchu i pod ním
Geotermika jako odvětví geofyziky je vědou o tepelném stavu planety Země. Zabývá se nejen teoretickými úvahami o tom, jak se teplo do Země dostalo a jak je rozmístěno, ale i ryze praktickými otázkami o jeho možném využití. Velmi důležité je měření tepelného toku, což je množství tepla, které se šíří z hlubin Země k povrchu. Vyjadřujeme jej v hodnotách mW.m-2. Vysoké hodnoty jsou ve vulkanických oblastech, v mladých horských pásmech, v blízkosti ještě živých tektonických poruch a obecně tam, kde je zemská kůra tenká. Průměrná hodnota pro všechny kontinenty je kolem 65 mW.m-2, , kolísá však v širokých mezích, od několik desítek až po tisíc. Máme k dispozici mapy tepelného toku i pro Českou republiku tím i možnost srovnání s geologickým stářím a vývojem. Nejstabilnější a tím nejchladnější jsou jižní Čechy se Šumavou, kde jsou staré horniny, zemská kůra je tlustá a málo pohyblivá. Hodnota tepelného toku se tam pohybuje kolem 50 mW.m-2.
Podivná skvrna pod Vsetínem
V Jeseníkách a Krkonoších byly naměřeny ještě nižší hodnoty. Naproti tomu v Podkrušnohoří, kde jsou stále stopy sopečné činnosti, hodnoty tepelného toku převyšují i 100, dokonce v celých Krušných horách byly naměřeny hodnoty vyšší než průměrné. Teplé oblasti jsou i na některých místech severních a východních Čech, kde jsou na povrchu křídové sedimenty, pod nimi však časté zlomy. Podezřele teplé jsou i zóny na hranici mezi Českým masivem a Karpaty, zhruba od Vsetína na jihovýchod k Hodonínu. Někde jsou i mimořádně teplé skvrny, třeba na Ostravsku. Pro celý Český masiv byla z mnoha stovek měření vypočtena průměrná hodnota kolem 65 mW.m-2, což vlastně odpovídá světovému průměru pevnin.
Naměřený tepelný tok prozradí, kolik tepla uniká přes povrch do atmosféry, potřebujeme však znát i geotermický gradient, což je změna teploty s rostoucí hloubkou. Známe-li obojí, pak můžeme odvodit, jaké teploty jsou třeba v hloubce 500 m pod povrchem, nebo naopak, v jaké hloubce pod povrchem je dosaženo třeba teploty 100 oC. Nepostradatelnou pomůckou je nám cenná publikace, Geotermální atlas Evropy
O geotermální energii se zajímá i Evropská unie
V roce 1988 vydala Evropská unie, samozřejmě ještě bez naší účasti, Geotermální atlas západní Evropy. Do Unie pak vstoupily nové země, další mají o vstup zájem, a tak bylo nutno údaje o zdrojích tepla rozšířit na celou Evropu. Na novém Atlasu geotermálních zdrojů Evropy, který vyšel v roce 2002, se podíleli spolu s tradičními a novými členy Unie i naši odborníci. Jedna z map ukazuje, jakou teplotu předpokládáme v hloubce 500 m pod povrchem. Vyjádřili jsme to pomocí izolinií, což jsou čáry spojující místa stejných hodnot. Čarám, spojujícím místa stejných teplot, říkáme izotermy. V celých jižních Čechách a velké části Moravy nepředpokládáme v hloubce 500 m pod povrchem teploty větší než 20 0C. V pásu od Krušných hor do severovýchodních Čech je to více, od 25 do 30 oC , což platí i pro zónu od Ostravy po Hodonín podél slovenských hranic. U těchto zvýšených teplot jde již většinou o potenciálně využitelné geotermální zdroje. V Atlase jsou i podrobnější údaje vybraných oblastí, a to zejména západočeských lázní, Ústecka a Teplicka a dalších zájmových oblastí.
Máme i představu o teplotách v hlubších patrech zemské kůry. Z jedné z map vyčteme, v jaké hloubce dosáhne teplota 130 oC Tolik stupňů někde předpokládáme již v hloubce 4 km, a to opět v Podkrušnohoří, na východě Čech a na Ostravsku. Opakem je osmikilometrová a devítikilometrová hloubka v Jeseníkách, jižních Čechách a na Českomoravské vrchovině. Sestoupíme-li ještě hlouběji, v Podkrušnohoří očekáváme v hloubce 65 km již teplotu 180 oC.
Slovensko i Maďarsko jsou teplejší
I ze základních geolologických poznatků vyplývá, že naši východní sousedé i s Maďarskem mají teplejší zemskou kůru a tím i větší možnosti využití geotermálních zdrojů. Srovnání map z Atlasu to dokazuje. Obě země jsou geologicky mladší, tektonický vývoj ještě neskončil, sopky tam dosoptily nedávno a řada velkých poruch umožňuje výstup teplých vod k povrchu. Hojný výskyt teplých pramenů v těchto oblastech, umožňuje budování termálních lázní a koupališť, které zejména na Slovensku rostou v posledních letech jako houby po dešti. Na Slovensku jsou zcela běžné třicetistupňové. ba i čtyřicetistupňové teploty v hloubce 500 metrů pod povrchem. Nejteplejší je jižní Slovensko při ústí Hronu do Dunaje, část povodí Váhu i Hronu, okolí Banské Bystrice a jihovýchodní část země při řekách Uh a Ondava. Zemská kůra prakticky v celém Maďarsku je ještě teplejší, kolem Budapešti jsou v pětisetmetrové hloubce až padesátistupňové teploty, na severovýchodě při Hornádu dokonce šedesátistupňové. Ve slavné balatonské lázeňské oblasti jsou v hloubce 500 m teploty mezi třiceti a čtyřiceti stupni celsia.
Ze sousedů nás zajímá ještě Německo, které je poměrně chladné, až na výjimky podél živého rýnského prolomu, zejména v okolí Stuttgartu a Karlsruhe, mladých vulkanických hornin pohoří Eifel, podhůří Alp a kupodivu i severovýchodu země u polských hranic.
Svět obepíná pás ohně
Nejlépe vše vidíme na barevné geotermální mapě Evropy, kde jsou teplejší oblasti červené a chladné od zelené po modrou, rozlišuje se i „teplý“ západ a jih a „studený“ východ a sever i s Velkou Británií. Naprostou anomálií je pak Island se svým současným vulkanismem. Pro geologa nic překvapujícího ! Na západě jsou mladá pohoří, třetihorní i čtvrtohorní vulkanismus s živou tektonikou. Celý jih je ovlivněn srážkou africké a eurasijské desky, tektonickými pohyby a mohutným vulkanismem. Na východě a severu je naopak starý a pevný skandinávský štít. Rozšíříme-li náš pohled na celý svět, „horké“ jsou země v zóně, které říkáme pás ohně. Táhne se přes Japonsko na jih k Filipínám přes Východoindické souostroví do Východoafrického prolomu, pak na druhé straně Atlantiku přes jihoamerické Andy, celou Střední Ameriku do severoamerických Kordiler až na Aljašku. Obdobou jsou i oceánské oblasti se svými vulkanickými hřbety, které nad hladinu vystupují jako Azory a Kanárské souostroví, samozřejmě i Island. V oceánu jsou i tzv. horké skvrny, jejichž skvělým příkladem je Havaj.
Proč je vlastně Země teplá?
Víme již, jak teplá je Země, že zemského tepla lze využít, ale kupodivu přesně nevíme, kde se teplo v zemském nitru vzalo. Do konce 19. století se nepochybovalo o tom, že se při kosmickém stadiu tvorby planety nahloučením kosmických částic a rotací Země rozžhavila, načež postupně chladla. Podle možné rychlosti vychládání se vědci pokoušeli vypočítat stáří naší planety a vycházely jim pouhé miliony, nanejvýše desítky milionů let, což se ovšem podle moderních poznatků liší o dva až tři řády. Opravdová revoluce nastala na konci 19. století objevem radioaktivity a zjištěním, že rozpadem radionuklidů vzniká teplo. Země proto nechladne, ale naopak se ohřívá. Dnes, přes určité pochybnosti některých badatelů předpokládáme, že hlavním zdrojem tepelné energie zemského tělesa je energie uvolněná při rozpadu radionuklidů v horninách. Zdroj je to hlavní, ale ne jediný. Z dalších desítek dalších možných zdrojů vybíráme ty, které by jistou roli mohly hrát:
– Určité množství tepla musilo zbýt z kosmické etapy vzniku Země. Kolik jej bylo, to přesně nevíme.
– Sluneční záření je sice obrovským zdrojem tepelné energie,ohřívá však pouze povrch, hlouběji pod něj nepronikne.
– Tepelná energie, vzniká též přeměnou z kinetické energie při tektonických pohybech v zemské kůře. Tento proces je velmi vážným kandidátem na jeden z důležitých zdrojů tepla.
– Energie vzniká též při průchodu zemětřesných vln zemským tělesem. Ta se může měnit na energii tepelnou přispět k celkové bilanci.
– Energii produkuje též tlak nadložních vrstev na podložní. To je teoretická, těžko vyčíslitelná možnost, ale určitou úlohu takový pochod hrát může.
– Některé fyzikálně chemické reakce uvolňují teplo. Je to například docela běžná oxidace, při které se prvky slučují s kyslíkem a z nižšího mocenství přecházejí v minerálech do vyššího. V hlubších partiích kůry navíc nerosty pod tlakem překrystalují, nebo se dokonce mění na jiné o větší hustotě. Takové pochody nemůžeme podceňovat a v poslední době se jim v teplotní bilanci Země přisuzuje značný význam.
— Dopadem meteoritů nepochybně také vzniká tepelné energie. Je to zajímavá možnost, ale v současnosti má spíše jen lokální význam.
– Energie slapových sil, tedy věčné tření vodních mas o sebe a o dno. Teplo pohybem vod j vzniká, ale má-li na celkovou bilanci Země větší vliv, o tom se pochybuje.
Ve využití jsou mistři Japonci
Podle posledních statistik vyrábějí geotermální elektrárny 5827 MW energie, z toho nejvíce v USA, po nichž následují Filipíny, Mexiko, Itálie, Japonsko, Nový Zéland, El Salvador, Keni a Island.
Přepočítáme-li přímé vytápění na energii, je na prvním místě Japonsko, po něm Čína, pak Maďarsko, Rusko, Island a pak další země. Do této kategorie nepatří jen vytápění bytů, ale i zahřívání skleníků, průmyslové vysušování, lázeňství i chov ryb.
Sečteme-li celkové množství energie, získávané na celém světě z geotermálních zdrojů, je to doposud žalostně málo, jen asi 0,02 % světové energetické potřeby.
Kde je u nás nejtepleji?
V České republice se projevuje vyšší geotermický gradient i výstupem horkých vod na povrch. Nejteplejší jsou prameny v Karlových Varech (72 oC), Teplicích v Čechách (42 oC), Jáchymově (32 oC,) Jánských lázních (32 oC), ve Velkých Losinách (34 oC) a v Darkově (28 oC). V Podkrušnohoří, na Ústecku a Děčínsku, v některých částech české křídové pánve i na jihovýchodní Moravě jsou teplé podzemní vody, které se buď již využívají nebo se o jejich využití uvažuje. Např. mezi Ústím nad Labem a Děčínem mají podzemní vody teplotu od 32 do 42 oC, třicetistupňové jsou i vody kolem Mělníka a Slaného a severněji až k Turnovu a na jihovýchodní Moravě. Geotermální energie se již používá k vyhřívání budov a uvažuje se nejméně o tisíci lokalitách, další, více než stovka je již v provozu. V pevných horninách bez cirkulující vody se doporučuje využít metody HDR (Hot Dry Rock – horká suchá hornina), při které se dvěma blízkými vrty pod tlakem hornina rozštěpí tak, aby voda mohla být do nich vháněna, a po ohřátí čerpána na povrch.
Vysokoteplotní zdroje nám chybí
Geotermální zdroje klasifikujeme podle teploty a podle přítomnosti či nepřítomnosti vody. Nízkoteplotní zdroje, chladnější než 150 oC, jsou velmi hojné. Lze je používat pro vytápění obydlí, rekreační a lékařské účely i určité průmyslové procesy. Zdroje středně temperované mají teplotu mezi 150 a 200 oC. Lze je již použít nejen pro vytápění, ale pro přímou výrobu elektřiny. Vysokoteplotní zdroje nad 200 oC jsou jen ve vulkanických oblastech a používají se k výrobě elektřiny. Takové zdroje se na povrchu projevují jako gejzíry, fumaroly nebo i přírodní nádrže s vroucím bahnem. V Evropě jsou vysokoteplotní zdroje jen v Itálii, Řecku, na Islandu, na Kanárských ostrovech a Azorech.
Vroucí kotel Island
Nejstarší geotermální elektrárna byla postavena v italském Larderellu již v roce 1904. Zpočátku stačila na rozsvícení čtyř žárovek, pak po rozšíření dosáhla výkonu 250 kW. Ve Spojených státech uvedli do provozu geotermální elektrárnu The Geysers v roce 1960. Je na geotermálním poli 140 km od San Franciska, na kterém se začaly hloubit vrty již v roce v roce 1920. V Japonsku začala vyrábět elektřinu ze zemského tepla elektrárna u města Matsukawa v roce 1966. Následovaly další země, vesměs ty, ve kterých jsou činné sopky i výrony horkých vod a par. Příkladem jsou Filipíny, Mexiko, Nový Zéland, El Salvador, Keňa a Island. Posledně jmenovaná země je příkladem opravdu všestranného využití zemského tepla, od vytápění veřejných i soukromých budov, přes vyhřívání skleníků až po rekreační a léčebné účely.
Zahřívat nás může i žula
Radioaktivita je hlavním zdrojem tepla Země. Rozpadem radionuklidů v horninách se teplo uvolňuje a je roznášeno do chladnějších míst, kde jejich koncentrace není tak velká. Uran, thorium a radioaktivní draslík jsou odpovědné za tepelnou bilanci Země a též za všechny geologické pochody, jejichž zdroj je pod zemským povrchem. Nejvíce radioaktivních prvků je v kyselých vyvřelinách, do kterých patří hlavně velká rodina žul (kyselé jim říkáme proto, že mají vysoké procento oxidu křemičitého). Takové horniny mají nad 3 % draslíku, 3,5 ppm (jedna částice v milionu) uranu a 18 ppm thoria. Naproti tomu horniny bazické, např. čediče, mají jen pod 1 % draslíku, 0,5 ppm uranu a 3 % thoria. Jsou daleko méně radioaktivní a produkce tepla je malá. Z toho vyplývá, že v nevulkanických oblastech jsou žulové terény nejnadějnějšími zdroji tepelné energie.
