Nový článek o seismické bezpečnosti při využívání geotermální energie

2018-05-20-Nahled-Fischer-reditel-RINGEN-01

[30.4.2019] Tomáš Fischer, ředitel centra RINGEN a přední odborník na seismicitu se zamýšlí nad potenciálem indukované seismicity v prostředí České republiky v souvislosti s využíváním hlubinné geotermální energie a ve světle událostí v Pohangu, jihokorejském městě, které zasáhlo v roce 2017 zemětřesení.

Seismická bezpečnost při využívání zemského tepla je prioritou

Korejská vládní komise, pro vyhodnocení souvislosti mezi zemětřesením u města Pohang a geotermálním projektem, vydala ve středu 20. března svou zprávu. Její šetření trvalo celý rok a závěry stojí za pozornost, neboť mají relevanci i pro Evropu a Českou republiku, kde patří zemské teplo mezi stále více využívaný obnovitelný zdroj energie s velkým potenciálem do budoucna.

 

Nejprve krátká rekapitulace. Pobřežní město Pohang na jihovýchodě Korejského poloostrova bylo odpoledne 15. listopadu 2017 zasaženo zemětřesením o magnitudu 5.5. Nepřineslo žádné oběti na životech, ale zraněno bylo 135 obyvatel a vznikly přímé škody ve výši 75 miliónů amerických dolarů. Pro srovnání uveďme, že západočeská zemětřesení o magnitudu 4.0 nezpůsobila dosud žádná zranění, byly jen porušeny omítky nebo komíny. Podle údajů seismologických agentur se podobně silné zemětřesení opakuje v Koreji zhruba jednou za 5 let. Toto zemětřesení bylo ale dosud nejničivější, a navíc vzniklo v blízkosti hlubokých vrtů. Ty byly vyhloubeny s cílem využívání zemského tepla technologií EGS (Enhanced Geothermal System). Při její aplikaci se za pomoci vtlačování vody pod vysokým tlakem vytvoří mezi dvěma vrty propustná zóna, kterou následně cirkuluje voda, a přitom odebírá teplo hornině. Souvislost s projektem nebyla ale jasná, a to nejen proto, že práce na vrtech skončily dva měsíce před vznikem zemětřesení. Podobně velké zemětřesení vzniklo totiž v září roku 2016 asi 40 km jižně od města Pohang, a tam lze souvislost s vrtáním spolehlivě vyloučit.

 

Projekt byl pozastaven a vláda nechala zřídit mezinárodní komisi, jejímiž členy byli experti na indukovanou seismicitu z USA, Švýcarska, Číny a Nového Zélandu. Komise vydala obsáhlou zprávu, v níž shrnuje výsledky publikovaných studií i vlastních výpočtů. Konstatovala, že zemětřesení bylo s velkou pravděpodobností spuštěno injektážními pracemi na vrtech. A nejen to. Na základě dostupných dat komise zjistila, že již během realizace projektu mělo být realizačnímu týmu zřejmé, že k zemětřesení může dojít a mělo být přehodnoceno seismické ohrožení lokality a upraven způsob provádění stimulace. Tím by se vzniku zemětřesení s jistou pravděpodobností podařilo zabránit. Ale ne navždy. Energie tohoto zemětřesení totiž výrazně převyšovala energii spotřebovanou na vtlačení vody do nitra země. Taková zemětřesení se často označují jako spuštěná. Ve stejném místě by došlo k přirozenému zemětřesení někdy později v důsledku uvolňování akumulované deformační energie v horninách.

 

Co se vlastně stalo? V oblasti půlmilionového průmyslového města Pohang byly vyhloubeny dva vrty do hloubky 4200 a 4300 m. Jejich zakončení byla od sebe vzdálena 600 m a při následném vtlačování vody pod vysokým tlakem mělo dojít k jejich propojení systémem puklin. Tak měl být vytvořen puklinový geotermální výměník. Projektu předcházel geologický a geofyzikální průzkum, který neodhalil zásadní rizika komplikující jeho realizaci. Místo bylo vybráno dostatečně daleko od geologických zlomů, které by mohly být zdrojem zemětřesení, a nad propustnou zónou indikovanou v hloubce vhodnou pro využití geotermálním projektem. Zároveň bylo ale známo, že tektonická napjatost v oblasti je vysoká, což se projevilo např. vznikem již zmiňovaného silného zemětřesení v září 2016, které bylo přirozeného původu.

Během vrtání a následného vtlačování vody (injektáže) následovalo několik událostí, které mohly být dalším varováním. Nejprve jeden z vrtů prošel v hloubce 3800 m dosud neznámým zlomem a došlo přitom k velké ztrátě vody (výplachu) používané při vrtání. Následovala řada velmi slabých zemětřesení (magnitudo menší než 1) způsobená aktivací tohoto zlomu uniklou kapalinou.

Po dokončení vrtání byla do obou vrtů opakovaně vtlačována voda, aby došlo k rozrušení horniny a vytvoření potřebného puklinového systému, a ukázalo se, že vrty reagují různě. V jednom z nich byl pro vtlačování třeba výrazně vyšší tlak než ve druhém. Maximální tlaky vody tak výrazně překračovaly tlak hornin v hloubce vrtu, což muselo nutně způsobit otevření mnoha puklin, a to i těch, které za nižších tlaků kapaliny zůstávají trvale sevřeny. Každá injektáž tak byla provázena řadou malých zemětřesení, jejichž magnitudo ale postupně rostlo až k úrovni 3.2. Varováním byla nejen zvyšující se síla zemětřesení, ale hlavně poloha jejich ohnisek. Ta nebyla poblíž paty vrtu, tam, kde za normálních okolností bývá, ale až ve vzdálenosti několika stovek metrů od příslušného vrtu, což ukazovalo na aktivaci zlomu. Seismická aktivita pak jeden měsíc po poslední injektáži ze září 2017 utichla. Až po dalším měsíci nastal nikým nečekaný otřes o magnitudu 5.5. Jeho ohnisko leželo na zlomové ploše vyznačené ohnisky dosavadních zemětřesení. Ale jeho porušená plocha byla mnohem větší. A doprovodné otřesy na zemském povrchu též. Ukázalo se, že slabá zemětřesení na dosud neznámém zlomu aktivovaném injektáží kapaliny do vrtů spustila velké zemětřesení na stejném zlomu. Síla otřesů povrchu byla ovlivněna nejen vysokým magnitudem zemětřesení, ale také malou hloubkou ohniska. Připomeňme, že přirozená zemětřesení mívají hloubku ohniska kolem 8 km, což je dvojnásobek oproti 4.3 km v případě zemětřesení Pohang.

 

Nabízí se mnoho otázek. Jak se to mohlo stát? Je využívání zemského tepla bezpečné?

Závěr komise zní jasně. Na jedné straně nastaly v průběhu projektu komplikace. Byl odhalen dosud neznámý geologický zlom a injektáž v jednom z vrtů dávala mnohem horší výsledky, než se očekávalo. Na druhé straně nebylo ale s nově nabytými znalostmi v průběhu projektu naloženo adekvátně. Nová data nebyla kriticky zhodnocena, a navíc dobře nefungovala komunikace mezi jednotlivými výzkumnými týmy podílejícími se na realizaci projektu. Zpráva komise ale opomíjí některé, možná důležité okolnosti. Jaká byla komunikace s firmou, která realizovala vrtání a injektáže? Jak byla vrtná firma zainteresována na výsledku? Proč používala extrémně vysoké tlaky při injektážích? Věřím, že po čase dostaneme odpovědi i na tyto otázky, které se týkají geotermálního projektu ve vzdálené oblasti. A jak s těmito zprávami a zkušenostmi naložíme u nás?

 

Dosud jediný český projekt na využití hlubokého zemského tepla RINGEN je rozvíjen v Litoměřicích. Jeho cílem je vyzkoušet možnosti cirkulace vody mezi vrty ve zdejších horninách a v případě úspěchu nakonec dodávat teplo pro vytápění města. Nové zkušenosti z korejského projektu znovu potvrdily, že seismická bezpečnost musí být vždy na prvním místě. A že je třeba udělat maximum pro získání co nejpřesnějších údajů o geologické stavbě a tektonickém napětí v cílovém objemu horniny. A v případě pochybností volit vždy konzervativní řešení, včetně možnosti odstoupení od projektu.

 

Probíhající pilotní projekt RINGEN má právě tento cíl - s pomocí geologického výzkumu a geofyzikálního měření zpřesnit existující modely hlubinné geologické stavby. Oblast českého masivu má sice intenzivní horotvorné procesy dávno za sebou a předpokládá se, že tektonická napjatost je na nízké úrovni, také proto, že se u nás vyskytují jen slabá zemětřesení. Ta nejslabší ale nejsou dokumentována. Proto byla v okolí Litoměřic vybudována citlivá síť seismických stanic, která již od roku 2014 sleduje úroveň přirozené seismicity. Společně s měřením napjatosti ve vrtu a s hydraulickými testy v malých hloubkách přispěje k ocenění tektonické napjatosti oblasti a propustnosti hornin. Během realizace projektu pak seismické monitorování umožní sledovat úroveň seismicity a jejího vztahu k prováděným pracím. Získané údaje pak budou použity pro průběžné řízení cirkulace vody. Výsledky hydraulických testů v malých hloubkách chystaných na léto t.r. budou zásadní pro další směřování projektu. Zejména chceme upřesnit v jaké cílové hloubce a jakým postupem je bezpečné podzemní tepelné výměníky v našich podmínkách realizovat a dále ověřit, zda podobné riziko nehrozí i u nás. K tomu také chystáme odborný seminář na podzim tohoto roku. Aktuální informace o průběhu projektu jsou k dispozici na projektovém webu www.rin-gen.cz.

                                                                                                                                    

Tomáš Fischer