A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSA HALLGATÓI SZEMINÁRIUM
MAGYARY ZOLTÁN POSZTDOKTORI ÖSZTÖNDÍJ A KONVERGENCIA RÉGIÓKBAN KERETÉBEN
DR. KULCSÁR BALÁZS PH.D. ADJUNKTUS
DEBRECENI EGYETEM MŰSZAKI KAR MŰSZAKI ALAPTÁRGYI TANSZÉK
A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSÁNAK TECHNIKAI MEGOLDÁSAI • hőszivattyú • közvetlen hőhasznosítás
fűtési rendszerek
• villamosenergia termelés
gőzzel hajtott turbinák
• EGS rendszerek (forró száraz kőzetek)
FENNTARTHATÓ GEOTERMIKUS ENERGIA TERMELÉS
= VISSZASAJTOLÁS
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI
HŐSZIVATTYÚ
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI - HŐSZIVATTYÚ Földhőszivattyúk elterjedése a világon A geotermikus energia legegyszerűbb hasznosítási lehetősége a hőszivattyúk alkalmazása, mely olyan kedvezőtlen adottságú térségekben is alkalmazható, mint Svédország. A közvetlen hasznosítás globális megoszlásában a földhőszivattyúk 2005-ben 32%-al képviseltették magukat (Lund et al. 2005). A megújuló energiaforrások egyik leggyorsabban növekvő kategóriáját képviselik (Rybach, 2005a). A World Geothermal Congress 2005-ös felmérése szerint a világon a geotermikus hőhasznosításban a teljesítmény 54,4%-át, a hőtermelés 32%-át biztosították. Az Európai Unióban 2006-ban több mint 500.000 berendezés működött 7,2 GW teljesítménnyel. Az USA-ban 800.000 berendezés működött és évente 50.000 új egység épül (Lund, 2006). A hasznosítás technikai háttere: A felszín közelében mindenütt jelenlévő, sekély, de hatalmas geotermikus készletek, az altalaj vagy a talajvíz hőtartalmának kihasználásán alapul. Ez a készlettartomány maximum 400 méteres mélységig terjed. A technológia a készlettartomány relatív konstans hőmérsékletét, 4-30°C használja fel.
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI - HŐSZIVATTYÚ A mérsékelt éghajlatú övben fő előnyük, hogy az ilyen berendezések télen fűteni, nyáron pedig hűteni tudnak. Emellett a használati melegvíz igény is kielégíthető vele egész évben.
Egy ilyen fűtési-hűtési rendszer beruházási költsége természetesen magasabb, mint egy hagyományos rendszeré, azonban a megtérülési idő így is 4-8 év közé tehető. Egy 10 kW-os rendszerhez vertikálisan 2 db 100m mélységű (120 mm átmérőjű) furatra van szükség, melybe a csőhurok elhelyezhető (Ádám, 2008a). A hőszivattyús rendszerekhez nincs feltétlenül szükség vízkivételre. A hőt szolgáltató közeg lehet felszíni vízfolyás, talajvíz, néhány méteres mélységben a talajhő vagy a 150-300 méteres mélységben elhelyezkedő kőzethő. A hőszivattyúk számának növekedésével a kinyert energia 2020-ra elérheti a 2-10 PJ/év –et, ha csak a lakások fűtésére használják a talaj alapú zárt rendszerben működő hőszivattyúkat (Ádám, 2008b).
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI - HŐSZIVATTYÚ Földhőszivattyúk elterjedése Magyarországon A hőszivattyús földhőhasznosítás elterjedése 2002-ben indult meg, amikor a gáztörvényben engedélyezték és szabályozták a zárt rendszerű földhőt szabályozó szondás-kollektoros rendszerek telepítését, bányajáradék-mentesen. Ennek ellenére - a megfelelő mennyiségű és decentralizáltan rendelkezésre álló forrás hiánya miatt – Magyarországon nem terjed a várt és kívánatos mennyiségben a hőszivattyús rendszerek alkalmazása.
A hőszivattyúk elterjedése Magyarországon (2006).
az
EU-ban
és
A hőszivattyú-eladások alakulása 2000-2007 között Magyarországon (ÉTE Hőszivattyús Szakosztály, 2007 évi eladások becsült statisztikája).
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI
KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Geotermikus energia közvetlen hőhasznosítása a világon 2004-ben 72 országban folyt közvetlen geotermikus hőhasznosítás 28 GWth kapacitással és 270 TJ/év hőtermeléssel. Világszerte eddig kilencven országban mutattak ki készleteket.
A közvetlen hasznosítás globális megoszlása szerint a földhő 52%-át az épületfűtés (ebből 32% földhőszivattyúk), 30%-ot fürdők (gyógyfürdők, üdülés), 8%-át a mezőgazdaság (üvegházak, talajfűtés), 4%-ot az ipari alkalmazások, valamint szintén 4%-ot a haltenyésztés használ fel (Lund et al. 2005).
Közvetlen hőhasznosítás Ország TJ/év Kína 45.678 Svédország 36.000 USA 31.241 Törökország 24.840 Izland 24.502 Japán 10.303 Magyarország 7942 Olaszország 2098 Új-Zéland 7553 Brazília 6624 Grúzia 6307 Oroszország 6145 Franciaország 5195 Dánia 4399 Svájc 4230 A közvetlen földhőhasznosításban élenjáró országok (Fridleifsson et al. 2008 alapján, átszámította Mádlné, 2008).
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS A geotermikus energiahasznosítás legrégebben alkalmazott és legegyszerűbb módja a közvetlen hőhasznosítás. Különösen akkor előnyös, ha a fokozatosan csökkenő hőmérsékletigényű felhasználók egymás után kapcsolhatók. → lépcsőzetes vagy kaszkád hőhasznosítási rendszer (Rybach és Kohl, 2004). A geotermikus fogyasztjuk:
energiavagyont
nem
csak
hőtermelési/energetikai
(MWhő)
(%)
(TJ/év)
Épületfűtés
100,6
14,5
1016,7
Üvegházak fűtése
196,7
28,3
1502,5
Fürdők, uszodák
350,0
50,4
5040,0
Hőszivattyúk
4,0
0,6
22,6
Egyéb felhasználás
42,9
6,2
358,0
Összesen
694,2
céllal
7939,8 Közvetlen geotermikus hőhasznosítás Magyarországon (Lund et al. 2005 nyomán)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Épületek fűtése-hűtése Hévízhőmérséklet igény: 40 – 140°C Fűtőtestekbe érkező víz hőmérséklete: 65-80°C 65°C-nál alacsonyabb hőmérsékletű vizek felhasználása csak hőszivattyúk, vagy különleges padlófűtési rendszerek, víz-levegő hőcserélők segítségével lehetséges. Hévízek magas hőcserélők.
oldott
anyag
tartalma
→
A belső terek fűtése a geotermikus energia egyik rendkívül költséghatékony felhasználási területe. Magas beruházási működési költségek.
költségek
→←
alacsony
(Gudmundsson, 1988; Lemale és Jaudin, 1998)
Kisteleki geotermikus távfűtési rendszer (termelőkút, a szivattyúk és a szűrők).
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Agrárgazdasági hasznosítás Nyílt területek és üvegházak fűtése. Magyarországon 299 hektár üvegházat (67ha) és fóliasátrat (232ha) fűtenek geotermikus energiával (Bobok – Tóth, 2010); Terményszárítás (gabonafélék, napraforgó, kukorica nedvességtartalmának csökkentése), paprika- és gyógynövényszárítás, gyümölcsaszalás; Állattartó telepek fűtése (istállófűtés, keltetők);
Halastavak hőfenntartása.
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Példa a geotermikus energia hazai agrárgazdasági hasznosítására Fülöpjakabi Kertészet • 1 termelő 2 visszasajtoló kút
• 49°C-os vízhőmérséklet • 2500 l/p vízhozam • 2 ha fűtött üvegház
• padlófűtés • mintaprojekt • pályázati és önerős finanszírozás
• 5-6 éves megtérülés • az energiaköltségek 70%-al • az összköltségek 66%-al
csökkentek A fülöpjakabi geotermikus hőhasznosítási rendszer (György, 2006)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Balneológiai hasznosítás Magyarországon 466, 30°C-nál magasabb hőmérsékletű fürdőkút üzemelt 2010-ben. Hőenergiájukat 239 fürdőben, ezek közül 52 gyógyfürdőben hasznosítják.
Egyre több fürdőben már nem csak a hévízkutak vizét és gyógyhatását aknázzák ki, hanem a létesítmények fűtését és használati melegvíz ellátását is ezen energiaforrással biztosítják. → Többlépcsős hasznosítás: • • • • •
Fűtés, Használati melegvíz hasznosítás, Fürdő, Balneológia, Kórházi gyógykezelések
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Ipari hasznosítás Hazai ipari hasznosítás
Egyéb ipari hasznosítási lehetőségek
• Technológiai gőz előállítása
• Petrolkémia
• Cukoripar
• Szintetikus gumigyártás
• Bőrgyártás
• Textilipar
• Hús és konzervipar
• Fa- és bútoripar
• Dohányfermentálás
• Papírgyártás
• Kendergyártás
• Szappan, mosószergyártás
• Kommunális vízellátás
• Timföldgyártás
• Üdítőipar gyártás
• Építőanyag ipar • Étolajgyártás • Sörgyártás • Gyógyszeripar
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS Példa a geotermikus energia hazai ipari hasznosítására • 36°C-os kifolyóvíz hőmérsékletű termálkút
Nyíregyházi Dohányfermentáló Vállalat (Universal Leaf Tobacco Magyarország Zrt.)
• (16°C-os vezetékes víz) • 300 l/p vízhozam • fermentáláshoz technológiai gőz előállítása • szociális vízellátás
• 85/15%-os felhasználási megoszlás • gázkazánok • „előmelegített” víz • 20%-os energia megtakarítás
A Nyíregyházi Dohányfermentáló Vállalat, termálvizet technológiai gőzzé továbbfűtő kazánjai, valamint a fermentáló gépsor.
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS távfűtés használati melegvíz légkondicionálás szappan, mosószer
fűtés hőszivattyúval szintetikus gumigyártás
hűtőházak (ipari hűtés) timföldgyártás petrolkémia ipar
papírgyártás textilipar faipar, bútorgyártás építőanyag ipar gyógyszeripar konzervgyártás sörgyártás
étolajgyártás cukorgyártás dohányipar
tejipar üvegházak fűtése
vágóhidak, húsipar üdítőitalok gyártása istállók fűtése
terményszárítás
fermentálás gombatermesztés talajfűtés 40°C
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
JELMAGYARÁZAT agrárgazdasági hasznosítási területek
egyéb hasznosítási területek
Magyarország területén elérhető legmelegebb termálvizek hőmérsékleti határa Magyarország termálvizeivel ellátható gazdasági tevékenységek
A közvetlen hőhasznosítás területei és annak magyarországi vonatkozásai (Forrás: Lindal, 1973 alapján)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK
VILLAMOSENERGIA TERMELÉS
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – VILLAMOSENERGIA TERMELÉS Geotermikus villamosenergia termelés a világon A geotermikus adottságok áramfejlesz-tési célú hasznosítása száz éves múltra tekint vissza (Dickson – Fanelli, 2003).
Ma huszonnégy ország állít elő áramot földhőforrásokból. Ezek közül jó néhányban jelentős, 15–22% a részesedése az ország áramellátásában: Costa Rica, El Salvador, Izland, Kenya, Fülöp-szigetek. 2004-ben világszerte 8,9 Gwe kapacitás termelt 57 TWh árammennyiséget. Geotermikus erőművek világszerte működnek, jelenleg leginkább a lemezszegélyek vulkanikus területein. Nagy előrelépést jelent, hogy újabban geológiailag nyugodt, azaz nem vulkanikus területeken is megindult a geotermikus áramfejlesztés, olyan országokban, mint Ausztria és Németország.
Geotermikus áramfejlesztés Ország GWh/év USA 17.917 Fülöp-szigetek 9253 Mexikó 6282 Indonézia 6085 Olaszország 5340 Japán 3467 Új-Zéland 2774 Izland 1483 Costa Rica 1145 Kenya 1088 El Salvador 967 Nicaragua 271 Guatemala 212 Törökország 105 Guadeloupe (Fr.o.) 102 A földhő hasznosításában (áramfejlesztés) élenjáró országok (Fridleifsson et al. 2008 alapján, átszámította Mádlné, 2008).
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – VILLAMOSENERGIA TERMELÉS MOL geotermikus kutatásai Magyarországon, villamosenergia termelési céllal (1995-1999)
NagyszénásFábiánsebestyén Iklódbördőce
1.300.000 GJ/év
AndráshidaNagylengyel 100.000 GJ/év
MélykútPusztamérges 230.000 GJ/év
(Árpási et al., 1997; Árpási és Szabó, 1999)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – VILLAMOSENERGIA TERMELÉS MOL kutatások (1995-1999) IKLÓDBÖRDŐCE • 2-5 MWe tervezett teljesítmény • Meddő CH-fúrásból kialakított termelőkúttal • 140 °C várható kifolyóvíz hőmérséklet • Zárt rendszer • Visszasajtolás a 3000m mélységben fekvő karsztvíztározó összletbe • Izlandi és ausztrál partnerekkel konzorciumban • Finanszírozás: Világbank (2006) • Két kút átképzése: 2007 • A réteg hőmérséklete: 142-146 °C • Alacsony vízhozam • Ok: a réteg porozitásának alacsony szintje (Kujbus, 2008)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – VILLAMOSENERGIA TERMELÉS MOL kutatások (1995-1999) IKLÓDBÖRDÖCE A rétegnyomás csökkenésével a hosszútávon várható vízhozam alacsony → alacsony teljesítmény (0,7 – 1,0 MW) → gazdaságtalan működés. A MOL által feltárt kedvező adottságú területeken néhány kiserőmű és kb. 50 közvetlen geotermikus technológia telepíthető. A megvalósulás feltételei: - állami akarat, - megfelelő makrogazdasági háttér, (!) - Metár bevezetése, - szén-dioxid kvótákhoz való jutás kérdésessége, - geotermikus erőművek támogatásának KEOP-ból és ROP-ból való kivonása, - kedvező befektetői légkör kialakítása.
(Kujbus, 2008)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI – VILLAMOSENERGIA TERMELÉS Pannergy – VGK Hönnun konzorcium (Izland) geotermikus energia projektek • • • •
Tervezett összérték: 87 milliárd Ft. Hő-, áram- és kombinált geotermikus kiserőművek, 60 MW összteljesítménnyel, 2009-2013 közötti időszakban 68 milliárd Ft. Európai uniós támogatással (KEOP), • Szándéknyilatkozat 30-40 települési önkormányzattal. VGK Hönnun kutatások (2006): 23 kedvező adottságokkal rendelkező kijelölt terület (>110°C, <3000 m),
Ahhoz, hogy Magyarország teljes egészében földhővel teljesítse az európai uniós vállalásait 2020-ra 164 MW geotermikus energiát kellene előállítani. Ehhez 82 kitermelő és 42 visszasajtoló kútra lenne szükség. * Jelenleg Magyarországon továbbra sincsen működő villamosenergiát termelő geotermikus rendszer. (Pannergy, 2007)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK
EGS RENDSZEREK
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK – EGS RENDSZEREK EGS-rendszerek (Enhanced Geothermal System) vagy Hot Dry Rock-technológia Nagy teljesítményű (>10MW) villamosenergia termelésre alkalmas hőmérsékletű fluidum (>200°C) elérhető mélységben csak a Föld korlátozott térségeiben áll rendelkezésre (pl: Izland, USA). Magas hőmérséklettartományú térségek előfordulása ennél jóval nagyobb, azonban ezekben, az általában kristályos kőzetekből álló mélységtartományokban nincsen megfelelő hőszállító közeg. Az EGS-rendszerek mesterségesen juttatnak e mélységekbe hőszállító közeget (pl. vizet), melynek hidraulikus repesztéssel állítanak elő a fluidum felmelegedésére szolgáló repedéshálózatot. A gőzzé melegedett hőszállító közeg, így már a felszínre emelve képes az áramtermelő, nagy teljesítményű turbinákat meghajtani.
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK – EGS RENDSZEREK EGS-rendszerek a világon Az első mesterséges földhőrendszer Soultz-sous-Forêts-ben, Franciaországban hozták létre a Vogézek és a Hardt-hegység között elterülő medencében. A kristályos óidei aljzatba 3 fúrást mélyítettek, 5000 méteres mélységbe, ahol mintegy 50.000 mesterséges földrengést (< 2 Richter-skála) generáltak. A kísérleti üzemet 2008-ban kezdték el. Azóta más európai országokban is működnek kísérleti EGS-rendszerek (pl: Németország, Ausztria)
A Soultz-souz-Forêts-i geotermikus kísérleti projekt vázlata (Projectinfo, BINE Informationdienst, 2009)
A GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEK – EGS RENDSZEREK EGS-rendszerek létesítésének lehetőségei Magyarországon Az EGS-rendszerekben rejlő potenciál egyértelműen nagyra becsült, több ország is folytat kísérleti-üzem építéseket. Egy francia felmérés szerint a Kárpát-medence Európában a legkedvezőbb terület ilyen létesítmények építésére (BRGM, 2004). Magyarországon, EGS-rendszerek létesítésére alkalmas hőmérséklettartományok, a 3-4 km-es mélységben elhelyezkedő mezozóos-paleozóos karbonátos-kristályos medencealjzatban találhatóak. Hatalmas beruházási költségek (20-25 milliárd Ft./5MW), magas gazdasági kockázat. A legkedvezőbb területek: Dráva, Makó, Békés, Nagykunság, Derecske (Dövényi et al. 2005). A legperspektívikusabb területek a már korábban megismert Andráshida-Nagylengyel, Mélykút-Pusztamérges, Nagyszénás-Fábiánsebestyén területek. Tovább növelheti a gazdaságosságot, ha a hőcserélő után lehült termálvizek energiatartalmát (90%) több lépcsőben – fűtés, terményszárítás, használati melegvíz, növényháztelepek – majd hőszivíttyúval hasznosítják (Árpási, 1998).
KÖSZÖNÖM MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET!
