SZAKMAI CIKK
A geotermikus energia hasznosítása a mezõgazdaságban Dr. Takács János*
Összefoglalás Szlovákiában a megújuló energiák hasznosításának fokozott figyelmet szentelnek a mezõgazdaságban is, így a biomassza, de fõleg a geotermikus energia hasznosításának. A megújuló energiák hatékony hasznosítása csökkenti az elsõsorban Oroszországból importált primer energiahordozók behozatalát, illetve az ebbõl eredõ függõséget. Nagyon fontos az a tény is, hogy a megújuló energiák hasznosításának nemcsak energetikai, de gazdasági, és környezetvédelmi elõnyei is vannak, mivel csökkenti a környezetünk szennyezését is. Ugyanakkor a megújuló energiák hasznosításának fontossága szerepel az Európa Tanács 31/2010 számú irányelvében is, amely elõírja az uniós országok számára, hogy a megújuló energiák hasznosítását 20%-ra kell növelni. 1. ábra. A szímei termál kútfej kialakítása
Abstract The hydraulics of each thermal network of a district heating system is a very important issue, to which not enough attention is often paid. In this paper the author wants to point out some of the important aspects of the design and operation of the thermal network in a district heating systems. The boundary conditions of the design of a heat distribution piping network and the requirements on active pressure – pump, i.e. pumping work, which influences the operation costs of the whole centralized district heating system are analyzed in detail. The heat generators and the heat exchange stations are designed on energy demands after thermal insulation and modern boiler units are used for heating.
1. A termálkút adottságai Szímõ a Csallóköz szélén, a Vág bal oldalán helyezkedik el és 2201 lakosa van. A falu az Érsekújvári járáshoz tartozik, 32 kmre Révkomáromtól, a nyitrai közigazgatási területen. A HGZ–1 termálkút 2008. és 2009. között létesült. A termálkút legfontosabb jellemzõit az 1. táblázatban foglaltam össze. A kútfej kialakítása az 1. ábrán, a kútfej lefedését szolgáló építmény a 2. ábrán látható. Az 1. táblázatból kitûnik, hogy ha 64 °C-os hévizet lehûtjük a referens hõmérsékletre, ami +15 °C, ekkor a termálkút hasznosítható energetikai potenciálja mintegy 3 077,4 kW.
*Szlovák Mûszaki Egyetem Pozsony, Építõmérnöki Kar, Épületgépészeti Tanszék
[email protected] 10
2. ábra. A szímei termál kútfej lefedését szolgáló építmény Szímõn nyitott geotermális energetikai rendszert alkalmaznak, elsõsorban a speciális fóliasátrak energetikai hõellátására. Az távozó, hasznosított hévíz vezetéken a közeli Vág folyóba kerül.
1. táblázat. A HGZ-1 termálkút energetikai jellemzõi
Lelõhely
A termálkút jelölése
Vízhozam [l/s]
A hévíz hõmérséklete a kútfejen [°C]
Szímõ – Zemné
HGZ-1
15,0
64,0
A csurgalék Hasznosítható hévíz energetikai hõmérséklete potenciál [°C] [kW] 15,0
3 077,4
Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 2015/9. szám
SZAKMAI CIKK
2. A fóliasátrak Szímõn a világhírû francia fóliagyártó fóliáit alkalmazzák. Szlovákián kívül más országokban is ezekkel építik a fóliasátrakat, így Spanyolországban, Kínában, Indiában, Hollandiában és Franciaországban. A fóliasátrak termõterületének mérete: hossza 2 x 120 m, szélessége 77 m. A két fóliasátor között betonutat építettek, ahol a megtermelt uborkát gyûjtik és szállítják. A palánták elõnevelése 60 m x 77 m-es termõterületen, azaz 4 620 m2-en történik. Ha a 120 x 77 m-es fõ termõterületet kettéosztjuk, akkor négy egyforma, 60 x 77 m-es területet kapunk, vagyis 4 x 4 620 m2 = 18 480 m2-es területet. A fóliasátrak elhelyezése a 3. ábrán látható.
rek hõhordozójának. Hõcserélõ primer oldalán a termálvíz hõlépcsõje 64/25 °C, míg a szekunder oldalon 60/20 °C. A hõhordozó ilyen mértékû lehûtése úgy lehetséges, hogy a fûtési rendszerek sorba vannak kötve, a következõ módon: 1. fûtõkör: a legnagyobb hõmérsékletre méretezett, a tervezett hõlépcsõ 70/50 °C, a fûtési rendszer a fóliasátor oldalfalain helyezkedik el. 2. fûtõkör: kisebb hõmérsékletre méretezett, a számított hõlépcsõ 55/45 °C, a fûtõrendszer sima csõvezeték, ami egyúttal a termés begyûjtését szolgáló kocsik síne is. 3. fûtõkör: a legkisebb hõmérsékletre méretezett, hõlépcsõ 45/35 °C, ezek PVC csõvezetékek. 4. fûtõkör: az öntözõvíz és a növények táplálását biztosító hidroponikus oldat elõmelegítését szolgálja.
3. ábra. A szímei fóliasátrak A fóliasátor belmagassága 6,5 m, a mûveleti magassága a széleken 4,0 m. Ezek a méretek fontosak a modern mûvelés szempontjából, így a növények számára elégendõ a termõhely és a levegõ mennyisége. Az egész mennyezetbõl a kinyitható rész csak egyharmad. Ez lehetõvé teszi a kielégítõ szellõzést, ami nagyon fontos a termesztett uborka számára. Ugyanakkor a fólia megvédi a termesztett uborkát a rovaroktól és egyéb kártevõktõl, mert a nyílásokon hálófelületek találhatók, ami biztosítja a szellõzést. Maga a fólia kétrétegû, az egymást követõ rétegek, vagyis a két fólia közé levegõt fújnak be. Ez biztosítja a fóliasátor kitûnõ hõszigetelõ tulajdonságait és a fóliasátor elegendõ ellenállást tanúsít az erõs szél káros hatása ellen. A fóliasátor belsõ klímáját egy számítógéppel vezérelt szellõzõberendezés biztosítja, az öntözés és a tápanyag-adagolás a napsugárzás intenzitásától függõen automatikusan beállítja a levegõ hõmérsékletét. Abban az esetben, ha melegebb idõ van, akkor a szellõzés hosszabb ideig van üzemben. A rendszer a levegõ páratartalmat is szabályozza, ami fontos a növényeknek és védelmet biztosít a gombás megbetegedések ellen. A fóliasátrakban a legfõbb feladat, hogy az idõjárási körülményektõl függetlenül optimális feltételeket biztosítsunk a növények termesztéséhez. Az optimális feltételeket számos fizikai mennyiség jellemzi, amelyek növénytermesztésnél a haszonnövény típusának a függvényei. Az alapvetõ befolyásoló tényezõk közé tartozik a megfelelõ fényviszonyok biztosítása, a levegõ CO2-koncentrációja, a levegõ áramlási viszonyai, a víz körforgása és nem utolsó sorban a belsõ levegõ és a talaj hõmérséklete vagy a hidroponikus aljzat tulajdonságai.
3. Mûszaki adatok A fóliasátrak alapvetõ hõforrása a termálkút. A termálvíz a kútból búvárszivattyú segítségével kerül a felszínre, amely az eváziós pont alatt, 80 m talajszint alatti mélységben helyezkedik el. A kitermelt termálvíz a hõt egy 2000 kW hõteljesítményû lemezes hõcserélõ útján (4. ábra) adja át a fûtési rendszeMagyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 2015/9. szám
4. ábra. A lemezes hõcserélõ A hõhordozó forgalmát a keringetõ szivattyúk biztosítják. A hõhordozó közeg hõmérsékletét kétutú szelep állítja be a külsõ levegõhõmérséklet függvényében. A fûtési rendszerek a következõ oldalon bemutatott 5. és a 6. ábrán láthatóak. A nyári hónapokban és az átmeneti idõszakban szükséges CO2mennyiséget a természetes szellõzés biztosítja. A téli hónapokban a szükséges CO2-mennyiség a kazán füstgázának segítségével biztosított. A nyitott geotermális energiarendszert egy speciális csúcskazán egészíti ki, amelynek a hõteljesítménye 1 700 – 2 500 kW (7. ábra). A 8. ábrán az a speciális megoldás látható, amely lehetõvé teszi a kazán füstgázainak elvezetését és a növénytermesztés számára való hasznosítását, fõképp a téli viszonyok között, amikor a fóliasátor természetes szellõzése nem lehetséges. A 9. ábrán a nyitott geotermális rendszert bekötési vázlata látható. A hévizet, amelynek a hõmérséklete a kútfejnél 64 °C, 11
SZAKMAI CIKK
5. ábra. A fûtési rendszerek látképe
6. ábra. Az oldalfalon lévõ fûtési rendszer
7. ábra. A melegvizes csúcskazán, amelynek a hõteljesítménye 1 700 – 2 500 kW
8. ábra. A füstgázok szûrõberendezése
4. Energetikai elemzés
búvárszivattyú emeli ki a kútból és továbbítja a VT1 jelû hõcserélõhez, miközben a hévíz lehûl 63 °C fokra. A hõcserélõ primer oldalon 63/44 °C hõlépcsõvel dolgozik. Az egész rendszer hátránya, hogy csak egy hõcserélõt alkalmaznak, amelybõl a szekunder fûtõrendszereket üzemeltetik. A gyûjtõbe érkezõ víz hõmérséklete kb. 40 – 42 °C között mozog.
Az energetikai elemzésnél a geotermális energia maximális hasznosítására törekszünk. Adott esetben a fûtõközeg fokozatosan, három fûtõrendszeren folyik át és az utolsó fokozatban az öntözõvíz melegítése történik úgy, hogy a lehûtött hévíz 20 °C-ot ér el. 8
2 7
6
3 VT1 5 1 500 kW
1
9
4
9. ábra. A szímei nyitott geotermális energiarendszer bekötési vázlata 1 – búvárszivattyú, 2 – termál kútfej, 3 – lemezes hõcserélõ VT1, 4 – csurgalék hévíz, 5 – keringetõ szivattyú, 6 – közös gyûjtõ és elosztó, 7 – csúcskazán, 8 – tároló, 400 m 3, 9 – a kazán keringetõ szivattyúja 12
Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 2015/9. szám
SZAKMAI CIKK
1 – 2,0%
A megválasztott hõmérsékletesések alapján meghatározzuk energiamérleget, vagyis a hasznos vagy a hulladék energiát: Az energia mennyiségek: 1. Primer oldali hõveszteség a kútfej és hõcserélõ között:
(2)
3. Hõveszteség a hõcserélõ és a csurgalék hévíz kívánt lehûlése között:
ECS = m& 1 × cv × (J4 - Jr ) , (kW) Az energiamérleg: Eelmel. = Ev,1 + Eh,2 + ECS (kW) A hatásfokot a következõképen határozzuk meg:
50
(3)
45
ç=
h
i =1
Eelmel.
3 – 59,2%
40 35 30 25 20 15 10
(4)
5
n
å (E )
2 – 38,8%
55
(1)
2. Primer oldali hasznos hõáram a hõcserélõn:
Eh,2 = m& 1 × cv × (J1 - J2 ) , (kW)
60
Hõmérséklet [°C]
Ev,1 = m& 1 × cv × (J0 - J1 ) , (kW)
65
0
× 100 , %
(5)
Az összefüggésekben: & 1 – a hévíz tömegárama, kg/s = l/s, m cv – a héviz fajhõje, kJ/(kg·K), J0 – a hévíz hõmérséklete a kútfejen (°C), Jr – a hévíz kívánt lehûlése: + 15 °C, J1 – a hévíz hõmérséklete a lemezes hõcserélõ elõtt (°C), J2 – a hévíz hõmérséklete a lemezes hõcserélõ után (°C). A 10. ábra a nyitott geotermális energetikai rendszer pillanatnyi hatásfokát mutatja. Ha a tömegáramot óránként, nap, hét, hónap vagy szezon idõtartamra vesszük figyelembe, akkor a vizsgált idõtartamra vonatkozó hatásfokot kapjuk.
2
4
6 8 10 Térfogatáram [l/s]
12
14
10. ábra. A szímei nyitott geotermális rendszer energetikai elemzése 1 – hõveszteség a kútfej és hõcserélõ között, 2 – hasznos hõáram a hõcsélõn, 3 – hõveszteség a hõcserélõ és a csurgalék hévíz lehûlése között
5. Javaslatok a hatékonyabb energiahasznosításra A jelenlegi helyzettel nem lehetünk elégedettek, mert a rendszer hatásfoka nagyon alacsony (38,8 %), az energiaveszteség 61,2%. A rendszerbe javasoljuk további hõcserélõk beépítését. A szímei nyitott geotermális energetikai rendszer javasolt bekötési vázlata a 11. ábrán látható. 8 7
4
3 VT1
VT2
1 500 kW
1 200 kW
5
2 VT3
6
700 kW
BEFOGADÓ
1
11. ábra. A szímei nyitott geotermális energetikai rendszer javasolt bekötési vázlata 1 – búvárszivattyú, 2 – termál kútfej, 3 – lemezes hõcserélõ VT1, 4 – lemezes hõcserélõ VT2, 5 – lemezes hõcserélõ VT3, 6 – öntözõvíz, 7 – csúcskazán, 8 – tároló, 400 m 3 Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 2015/9. szám
13
SZAKMAI CIKK
A javasolt hõcserélõk alkalmazásával az energetikai hatásfok nagyon magas, eléri a 98%-ot, ami szlovákiai viszonyokra egyedülálló példa volna a jól választott fûtési rendszereknek és a öntözõvíz melegítésének köszönhetõen. Az energetikai elemzés grafikus ábrázolása a 12. ábrán látható. 1 – 2,0% 65 60
2 – 38,8%
55
Hõmérséklet [°C]
50 45 3 – 36,7%
40 35
4 – 22,5%
30 25 20 15 10 5 0
2
4
6 8 10 Térfogatáram [l/s]
12
14
12. ábra. A javasolt geotermális rendszer energetikai elemzése 1 – hõveszteség a kútfej és a VT1 hõcserélõ között, 2 – hasznos hõáram a VT1 hõcserélõn, 3 – hasznos hõáram a VT2 hõcserélõn, 4 – hasznos hõáram a VT3 hõcserélõn
6. Összegzés A bemutatott nyitott geotermális rendszer tervezése és megvalósítása az Európai Unió támogatásával jött létre. Szlovákiában elõször alkalmaztak holland technológiát. A tervezés, kiépítés és a megvalósítás során szorosan együttmûködtek Hollandia, Franciaország és Finnország szakértõi. Az alacsony hõmérsékletû fûtési rendszerek és a megújuló geotermális energiaforrások kombinációja az egyik alternatíva, ebben az
14
esetben a megújuló források biztosítják a teljes hõfogyasztást. Az egész rendszer számítógéppel vezérelt és a technológia öszszes üzemviteli adata rögzítésre kerül egy számítógépes adatbázisba. Az ismertetett példa megerõsíti, hogy Szlovákiában is lehet sikeresen vállalkozni a mezõgazdaságban, de céltudatosan és hatékonyan kell ezt megtenni. A szímei példa mutatja, hogy csak egy lemezes hõcserélõvel (VT1) nem lehet hatékonyan hasznosítani a hévíz energiáját, mert csak 44 °C-ra tudjuk lehûteni, ilyen esetben a hatásfok kb. 38,8% (62,2% elveszik a csurgalékban). Ha a rendszerbe másik lemezes hõcserélõt (VT2) építünk be, a hévizet már 28 °C-ra le tudjuk hûteni, így a hatásfok 71,4%-ra növekszik (a csurgalékban 28,6% távozik). Ha a rendszerbe harmadik lemezhõcserélõt (VT3) is beépítünk, a hévizet 15 °C-ra le tudjuk hûteni, így a hatásfok már 98,0%-ra növekszik (a csurgalékban 2,0 % távozik). A VT2 és VT3 lemezes hõcserélõk beépítése komoly számításokkal alátámasztott. Annak érdekében, hogy a várt hatásfokok valóban elérhetõk legyenek és hatékonyan ki tudjuk aknázni a hévízben lévõ energiaforrást érdekében az egész vezérlõközpontot át kell alakítani.
7. Irodalom Petráš, D. a kol.: Obnovite¾né zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. (Megújuló energiaforrások alacsony hõmérsékletû rendszerekre) Jaga, Bratislava 2009, 224 p. ISBN 978-80-8076-075-5 Lulkovièová, O. – Takács, J.: Netradièné zdroje energie - Prednášky. (Megújuló energiaforrások – elõadások), Vydavate¾stvo STU, Bratislava 2003, 138 p. ISBN: 80-227-1838-6 Popovski, K.: Geothermally Heated Greenhouses in the World, Guideline and Proc. International Workshop on Heating Greenhouses with Geothermal Energy, Ponta Delgda, Azores, 1998. p. 42-48. Kontra J.: Hévízhasznosítás. Mûegyetemi Könyvkiadó, Budapest, 2004 Halász Györgyné: A geotermikus energia hasznosításának jelene és jövõje a magyarországi hõellátásban. XV. Nemzetközi Építésztudományi Konferencia, Erdély, Csíksomlyó, 2011
Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 2015/9. szám
