[Spoiler]: Tvrdiť, že v skutočnosti podporujem geotermálnu energiu môže byť (aj) po takomto príklade podobné presviedčaniu niekoho, kto nikdy neletel, aby do lietadla sadol hneď po tom, ako mu medzi rečou zanietene opíšete zrážku 747-ičiek na Teneriffe. Táto tragédia, a pole The Geysers, však majú spoločného menovateľa – zlyhal ľudský faktor. Nie lietadlá. Nie „geotermálka“.
Máloktorý kus zeme je v geotermickej literatúre tak spomínaný, ako geotermálne pole The Geysers v severnej Californii. Pritom pri rozlohe okolo 120 km2 je to územie len o niečo väčšie, ako okres Bratislava IV – či, zhodou náhod, 2x tak veľký ako okres Košice IV. Podstatnejšie asi predsa bude, že patrí medzi jedenásť (!!!) miest sveta, ktoré vystihuje spojenie „suchopárne rezervoáre“. Dôvody toho, prečo je to taká rarita, sú na samostatný blog (aj sa tak stane). Nateraz snáď postačí, že nevyhnutne musí ísť o súhru splnených (bez výnimky) podmienok:
rezervoár musí mať zabezpečený prísun „čerstvých“ vôd, ktoré klesajú na jeho bázu a zúčastňujú sa pohybov v konvekčných bunkách (hovorme jej nádrž) = stále sa má čo odparovať,
ten prísun musí byť tak pomalý, aby existovala rovnováha medzi odparovaním „nádrže“, prítokom vody, a únikom pary k povrchu, čiže aby boli zabezpečené podmienky takzvaného parostatického tlaku = ak by vody pritekalo viac, podmienky by zodpovedali hydrostatickému tlaku, a vznikali by iné formy vzťahu voda – para v rezervoári,
čiže rezervoár musí komunikovať s povrchom, najčastejšie po zlomoch, čím vznikajú takzvané fumaroly, vývery suchej pary, a v ich okolí horúce, bublajúce bahná = ak by para neunikala, skôr neskôr by aj tak boli vytvorené podmienky hydrostatického tlaku,
zároveň musí mať rezervoár tri zóny: zónu suchej parnej čiapky v jeho hornej časti, teda „čiapku“, stredovú zónu ktorou para do čiapky preniká a neustále ju zahrieva (takže nekondenzuje, a „nepadá“ nadol), a spodnú zónu, kde sa vyskytuje odparujúca sa „nádrž“,
no a v podloží rezervoáru musí byť blízky zdroj „dodatočného“ tepla, ktoré násobne až rádovo prevyšuje jeho prirodzený, takzvane konduktívny transport – najčastejšie ide o rozsiahle intrúzie (plutonity), magmatické krby, alebo čerstvo chladnúce hniezda žíl = zdroj tepla potrebného pre odparovanie
Malina.
Prvopočiatky.
The Geysers vďačia za svoje meno Williamovi Bellovi Elliotovi, ktorého pri voľbe názvu inšpirovali práve desiatky fumarolov, ktoré síce nemajú s gejzírmi nič spoločné, ale aspoň podobne vyzerajú. Písal sa rok 1837, kedy hojnosť výronov pary a bublajúceho bahna dala za vznik mohutnému kúpeľnému komplexu, ktorý navštevovali také persóny, ako Mark Twain, Theodore Roosevelt, či generál Ulysses S. Grant. A každý, kto na to mal. Lenže – svetská sláva, poľná tráva, vysoké ceny, a nízka návštevnosť znamenali postupný útlm celého projektu. Posledným klincom do boli rozsiahle katastrofické zosuvy koncom 30-tych rokov, z ktorých sa už lokálne, a chátrajúce, kúpeľníctvo nespamätalo.
Vzostup.
Všetko to začalo v roku 1932. Inšpirovaný vtedy už svetoznámym príbehom Larderella, John D. Grant pomocou dvoch vrtov hlbokých ani nie 100 m previedol suchú paru s teplotou 153 °C potrubím k jednoduchej turbíne, ktorá zásobovala elektrinou blízky Healdsburg City. Celý kontrakt však nevydržal dlho – zruinovala ho lacnejšia cena energií zo spaľovania ropy, a nie práve najlepšie hospodárenie majiteľa, ergo dlhy. Prvý blok skutočnej elektrárne (The Geysers I) „se vším všudy“ inštalovali s výkonom 11 MW až v roku 1960. A potom to prišlo. Len desať rokov trvalo, aby sa inštalovaný výkon zvýšil na 500 MW. A zdalo sa, že pary je stále dosť. Kríza na trhu s ropou a zemným plynom, výhodná federálna podpora v podobe bonusov, a takmer nulová regulácia viedli k nárastu inštalovaného výkonu do roku 1989 na úroveň 2000 MW (!!!).
Pýcha.
Čo spravilo už v tom čase (a stále robí) z The Geysers svetový unikát?
inštalovaný výkon 2000 MW zabezpečovalo 22 elektrární s celkovým počtom 32 blokov
počet vrtov v tomto období nie je dostupný, ale priemerný výkon na jeden vrt v suchopárnych geotermálnych poliach predstavuje 20 - 30 MW (k tomu je potrebné pripočítať minimálne ďalších 30 % pre reinjektáž, plus slepé vrty, ktoré boli jednoducho neproduktívne) – dnes je aktívnych 380 (!!!)
ku roku 1990 dosahoval celkový inštalovaný výkon všetkých geotermálnych elektrární vo svete 5 800 MW, takže kus zeme s ledva 120 km2 sa postaral o 34 percent svetovej produkcie elektrickej energie z „geotermálky“.
Pád.
Lenže. Veľa elektrární znamená veľa vrtov a veľa majiteľov (operátorov) s jediným cieľom, zarobiť. A kde je konkurencia, tam nie je komunikácia, každý si chráni „to svoje“. A tak, kým inštalovaný výkon stúpal a píkoval v 89-tom reálny výkon celého poľa začal od roku 1982 stagnovať okolo úrovne 1300 MW. Pare dochádzala para. A čo urobí každý majiteľ elektrárne, keď pary „zrazu“ nepriteká dostatok? No predsa ďalšie vrty. Výsledok? Do roku 1986 sa síce reálny výkon zvýšil na približne 1500 MW, za cenu ohromných nákladov, ktoré sotva zodpovedali zisku, potom ale začal jeho prudký pád, a v roku 1989 dosahoval už len 1200 MW. Pre ilustráciu. Medziročný pokles produktivity pary, ktorý v roku 1982 začal na úrovni 2 %, vyšpičkoval v 1989 na úrovni 25 % oproti roku predošlému. A keď sa niečo pokašle, tak väčšinou poriadne. Cena fosílnych palív začala po roku 1985 znovu prudko klesať, tým pádom cena jednotkovej produkcie geotermálnej energie narastala. Všetok cirkus s vŕtaním bol jednoducho čistá strata.
Čo sa stalo na The Geysers?
Existencia, a formovanie parnej fázy v rezervoári závisí od vzťahov medzi teplotou, tlakom, a rýchlosťou konvekčných buniek, čiže možností pre „vodu“ odpariť sa. Takže ak ostanú všetky podmienky zachované ako na začiatku, potom je strata tlaku v rezervoári, ktorého časť okupuje suchá para riadny prúšvih. Reťazová reakcia, ktorá nastane, sa v angličtine nazýva „superheating“ a jej produkt „superheated steam“. Doslovne preložené, „prehriata para“. Znie to idylicky, ale... . Poklesom tlaku sa „nádrž s vodou“ na báze rezervoáru začne intenzívnejšie odparovať ako pri „rovnovážnom“ parostatickom tlaku, a unikať po otvorených zlomoch k povrchu, alebo k parnej čiapke. Predtým izolovaná „parná čiapka“ prenikne do tých častí rezervoáru, kam predtým pri pôvodnom tlaku nemohla, mimo dosah vrtov. To ešte viac zníži tlak v produkovanej časti rezervoáru, a podnieti ešte väčšie odparovanie s rovnakým výsledkom. Špirála poklesu tlaku, zintenzívnenia odparovania, úniku, a ďalšieho poklesu tak skončí tým, že rezervoár zlikviduje sám seba ako odparením a stratou pary z „čiapky“, tak aj odparením „nádrže“. Ak sa nenájde spôsob, ako ju na začiatku zastaviť. Lenže ak jednou z podmienok formovania suchopárnych rezervoárov je veľmi pomalý a malý prítok „čerstvých vôd“ aby to príroda s tlakom v rezervoári „neprešvihla“, rezervoár sám o sebe v neskorších štádiách tejto špirály nemá šancu. Jedinou pomocou je „hrať sa“ s rozumným množstvom vôd, ktoré rezervoáru dodáme z povrchu technicky – reinjektážou. Preto tie straty produktivity. Para jednoducho alebo vyfučala k povrchu, alebo ju vrty „vyčerpali“ alebo sa „odparila“ do neprístupných častí v rezervoári.
"Pak se ale dalo pár chytrách hlav dohromady..."
Jeden si povie – no veď dobre, ak všetko, čo potrebujem, je zabezpečiť vyrovnaný „parostatický“ tlak, a inak ako reinjektážou to nejde, nuž nech sa tak stane. Však sa aj. V pomere k produkcii, 15 % kondenzátu pary po opustení turbín a chladiacich veží poctivo pumpovali späť už od začiatku. Viac to pri vtedajšej technike ani nešlo. A zjavne to nestačilo. Na druhej strane prehnať to s reinjektážou a navodiť hydrostatický tlak v rezervoári, tak svoje elektrárne na suchú paru môžete zabaliť rovnako (v rezervoári navodíte takzvanú dvojitú fázu alebo vlhkú paru, na čo „suchopárne elektrárne“ nie sú stavané), len z iného dôvodu. Poľu The Geysers hrozil kolaps.
Poslednou kvapkou akejkoľvek trpezlivosti úradov a rezervoárových inžinierov boli odpojenia štyroch blokov (čiže aj vrtov, ktoré ich zásobovali, a ktoré niečo stáli) v rokoch 1992 a 1995, a to aj napriek zvýšeniu reinjektáže v pomere 20 % voči produkcii (po miliónoch vrazených do technológií chladiacich veží). Medziročný pokles produktivity veselo ostával nad pätnástimi percentami.
Ale. Najprv „sa nič nedá“, ale keď sa už niečo fakt po...kazí, zrazu „sa dá“. Ďalšie milióny boli naliate do technológií existujúcich elektrární – systémov zachytávania pary, kondenzácie, chladiacich veží, a kilometrov produktovodov, ktoré sťahovali vody z okolitých riek a zdrží. Geniálne (kríza často vedie k odvážnym krokom) bolo napojiť na reinjektáž mestské čističky. Envirobonus, šupnúť odpadovú vodu 1 – 2 km do zeme. No jasne, aby sa nezabudlo, ďalšie milióny boli vtlačené do monitoringu, modelovania a výskumu, a rezervoároví inžinieri boli zrazu v kurze. A prví na odstrel, keď aspoň zo začiatku opatrenia nezaberali podľa očakávaní.
Pumpovala sa para zo zeme, voda do zeme, a milióny do čohokoľvek s akou-takou nádejou zachrániť, čo sa dá. Našťastie, malo to postupne svoj zmysel. Renovácie chladiacich veží umožnili zvýšiť podiel vtláčaného kondenzátu na 40 %, a celkové množstvo vody reinjektovanej do rezervoáru postupne narástlo na 80 % množstva produkovanej pary. Rozsiahly výskum umožnil prehodnotiť polohu reinjektážnych aj produkčných vrtov, a konsolidácia operátorov a majiteľov odpojiť ďalšie jednotky bez súdnych cirkusov. Medziročná strata produktivity klesla do roku 2010 pod 5 %. Skutočný výkon celého geotermálneho poľa však už nikdy nepresiahol 1 000 MW.
Fénix. S pristrihnutými krídlami.
Poslednú dekádu sa medziročný pokles produktivity udržiava na hranici 2 – 3 %. Je to úžasná správa, ktorá znamená, že rezervoár(e) aspoň čiastočne začínajú paru znovu obnovovať. Úporná snaha o záchranu priniesla práve v posledných rokoch nečakané ovocie – boli objavené nové, dovtedy nezaznamenané „parné čiapky“, ktoré umožnia v rokoch 2025 – 2030 inštaláciu troch nových elektrární s ďalšími piatimi blokmi. Rozdiel oproti rokom 1960 – 1989 je však v tom, že pôjde o úzko regulovanú, prísne monitorovanú, a striktne sledovanú fázu novej kapitoly. Nateraz, po odpojení celkovo 5 elektrární a 7 blokov, je dnes inštalovaný výkon 1600 MW, priemerný ročný 700 MW. Na výkony, ktoré The Geysers ponúkali koncom 80-tych rokov, môžu zabudnúť.
Herézy.
V rozhovoroch, ktoré som mal to šťastie viesť s rezervoárovým inžinierom, ktorý svoju odbornosť zasvätil (aj) poľu The Geysers, mi, ako mladému a patrične neskúsenému uchu vykreslil svoje pohľady, interpretácie a názory, čo by bolo, ak by federálna a miestna vláda nevrazili miliardy a miliardy do reinjektáže, a spolu s majiteľmi aj do technických inovácií elektrární. Nuž:
superheating, by postupne odpájal jednu elektráreň za druhou a ani znižovanie produkcie pary by tento proces nezastavilo – leda spomalilo o niekoľko rokov, a rezervoár by prešiel do „smrtiacej vývrtky“, na ktorej hrane sa už nachádzal
v rozpätí 10 – 20 rokov (!!!) by došlo k úplnému kolapsu rezervoárového prostredia, podľa pravidla: čím bližšie k zdroju tepla, tým skôr (čiže dnes by už boli The Geysers sentimentálnou spomienkou a kopou hrdzavejúceho železa)
oživovaním rezervoárov reinjektážou po kolapse, ak by všetko fungovalo podľa modelov (že bude všetko fungovať podľa modelov je síce utópia, ale aspoň príjemná), by priblíženie sa k iniciálnym podmienkam spred roku 1960 trvalo plusmínus 300 – 700 rokov
ponechať to na prírodu, obnovenie pôvodných podmienok by sa počítalo v n-tisícoch, respektíve n-desaťtisícoch rokov.
Skvelá vizitka toho, čo všetko dokážeme.
A ešte väčšia paráda? Modely rezervoárových inžinierov už z polovice 90-tych rokov naznačili, že pri „hamovaní“ na inštalovanom výkone do 1300 MW (čo zodpovedá rokom 1980 – 1984) a teda reálnom výkone 1000 – 1200 MW, by medziročný pokles produktivity pary nepresiahol tri percentá. Žiadne odpájanie elektrární, žiadne dodatočné náklady. Žiaden superheating. Žiadna vývrtka. Stačilo sa „len“ vykašľať na ďalšie a ďalšie vrty a hnať sa hlava-nehlava za výkonmi, čiže ziskom.
[Prvá heréza]: Takže. Ak spočítame 29 rokov produkcie (1960 – 1989), a predikovaných 20 rokov, po ktorých by došlo ku kolapsu rezervoáru, a jeho regenerácia by v ideálnom prípade trvala pár sto rokov, v druhom zopár geologických období – je výsledok presne to, čo si predstavujeme pod slovom „obnoviteľný“ a teda v domácom ponímaní „nekonečný“ ?
[Druhá heréza]: Je skutočne famóznym úspechom rezervoárových inžinierov, a lokálnej a federálnej vlády, ktoré ich počúvali, čo v súvislosti s poklesom produktivity dosiahli. Malý zázrak a vizitka obdivuhodných mozgov (tu by boli za kuvikov, „múdrosráčov“, alebo – v lepšom prípade – by len ostali ignorovaní). Jeden by však čakal, že ak je niečo bezvýhradne „obnoviteľné“, tak tá strata skrátka nebude žiadna... či?
[Tretia heréza]: Časť úspechu na spomalení straty pary a zabránení tomu, aby obávaný „superheating“ prešiel do nekontrolovateľnej fázy má aj odpojenie siedmych blokov v piatich elektrárňach v rokoch 1993 – 2000 – napriek tým pár miliardám vynaloženým na ich konštrukciu, vrty, nové vrty, rekonštrukciu, reinjektáž, ďalšiu rekonštrukciu, ďalšiu reinjektáž... . A potom tú obnoviteľnosť vysvetľujme majiteľom elektrární. Asi ako v kultovom seriáli Yes Minister, keď Humphrey Appleby (vo fantastickom dabingu hlasom Františka Němca) , zaperlí: „Ztrátu jednoho ministra, tu lze ještě považovat za ránu osudu, ale ztráta dvou, to už je nedbalost.“.
[Štvrtá heréza]: Najprv vrazíte miliardy na to, aby váš inštalovaný výkon dosiahol niečo cez 2 000 MW, a robíte, čo môžete, aby sa reálny výkon tomu priblížil. A ono to funguje. Pár rokov. A potom... nech púšťate žilou a bankovými účtami akokoľvek... ste v konečnom dôsledku radi, že sa udržíte reálnym výkonom na zhruba polovici pôvodného. Plus pár tých blokov za pár miliárd aj tak - aj tak odpojíte, no lebo musíte. Turbíny sa nezvyknú krútiť z dobrej vôle, a toľko škrečkov na ich točenie nemáme. Nechcelo by to od absolútne obnoviteľného zdroja predsa len iný výsledok?
Pointa celého tkvie v tomto: „ ... že pri „hamovaní“ na inštalovanom výkone do 1300 MW (čo zodpovedá rokom 1980 – 1984) a teda reálnom výkone 1100 – 1200 MW, by medziročný pokles produktivity pary nepresiahol tri percentá. Žiadne odpájanie elektrární, žiadne dodatočné náklady. Žiaden superheating. Žiadna vývrtka... “. Čiže – stačilo rešpektovať prirodzenú, a limitovanú schopnosť rezervoárového prostredia obnovovať, či udržiavať svoje podmienky ustáleného „parostatického“ prostredia, ktoré ovplyvňovali dlhodobé formovanie pary, a tých 1100 – 1200 MW by The Geysers utiahli dodnes. A dekády do budúcnosti. Premenené na drobné, ak by bol v tom čase dôraz naozaj kladený na monitoring, hodnotenie, a interpretovanie rezervoárových procesov, už samotný pokles produktivity – a teda pokles tlaku – by bol znamením, že niečo nie je v poriadku, a ďalšie vrty situáciu z dlhodobého hľadiska len zhoršia. Jedine, ak by boli reinjektážne. To by bolo to, čo by z rezervoárového prostredia spravilo skutočne obnoviteľný zdroj energie.
Je prirodzené, že čím vzácnejšie geotermické podmienky v rezervoároch sú (podiel viazanej, voľnej alebo suchej pary), a teda čím sú energeticky „bohatšie“, tým sú zároveň aj zraniteľnejšie voči produkcii, a „drancovaniu“. Ad jedna, súvisí to s potrebou udržiavať krehkú stabilitu teploty a tlaku, ktorá sa za ix geologických období, alebo tisíce rokov sformovala, ako aj potrebu udržať dynamiku a charakter rezervoárových procesov, ktoré k vzniku tej-ktorej formy parnej fázy viedli. Ad dva – poznáme to, akosi nám prirodzene, čím viac toho vo výklade vidíme, tým viac toho chceme. Do puntíku to platilo aj pre (ale nielen pre) The Geysers. Tým pádom tým väčšie problémy s ich obnoviteľnosťou, a trvalo udržateľným využívaním môžeme očakávať.
Áno, zdroje geotermálnej energie sú obnoviteľné – raz určite, ale nám, ani našim deťom, vnukom, pravnukom a ich pravnukom a prapravnukom naozaj nepomôže, ak sa obnovenia pôvodných podmienok v rezervoároch po tom, čo ich my za pár rokov zhumpľujeme, nedožijeme. Zem, zemská kôra, ani rezervoáre nie sú, neboli, a nebudú perpetuum mobile. Príbeh The Geysers (a stoviek ďalších príkladov s podobným, rovnakým, alebo aj horším výsledkom) by mal byť mementom kedykoľvek a kdekoľvek tam, kde v súvislosti s geotermálkou začujeme vyjadrenia „všade“, „nekonečné“, „neobmedzené“, a všade tam, kde obnoviteľnosť je synonymom nevyčerpateľnosti.
Tak – nech horúce vody tečú stále horúce, a zem hreje. Pre radosť nás – a našich detí.
---
Niektoré údaje použité v tomto blogu boli čerpané z nasledujúcich článkov. Mnohé ďalšie pochádzajú z rozhovorov so Subirom Kuramom Sanyalom, rezervoárovým inžinierom, ktorý bol výskumu The Geysers oddaný už od 90-tych rokov, a ktorý, žiaľ, geotermálnu komunitu pred troma rokmi opustil. Bohvie, ako by bez ním vedených prác vyzerali The Geysers dnes.
Česť jeho pamiatke.
https://www.osti.gov/servlets/purl/1048267
https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/SGW/2011/sanyal3.pdf
http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2010/0635.pdf
https://publications.mygeoenergynow.org/grc/1016810.pdf
