A geotermikus energia hidrogeológiai vonatkozásai Szűcs Péter1 és Szanyi János2 1tanszékvezető
egyetemi tanár, az MTA doktora Miskolci Egyetem, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék
[email protected] 2címzetes
egyetemi docens, PhD Szegedi Tudományegyetem, Ásványtani, Geokémiai és Kőzettani Tanszék
[email protected] „Összhangban a természettel és a társadalommal – a megújuló energia társadalmi vonatkozásai” Magyar Tudomány Ünnepe 2011. Budapest, 2011. november 9.
Tartalom •Speciális hidrogeológia viszonyok a Kárpát-medencében •Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában •Készletszámítási, mérési metodikai problémák •Visszasajtolás történeti alakulása Magyarországon •Cselekvési terv javaslat a fenntartható hévíztermelés érdekében •Összefoglalás
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében - MTA Köztestületének stratégiai programjai (8) - Magyarország vízgazdálkodása (Somlyódy 2011) - Környezeti jövőkép (Bozó 2010) - Megújuló energiák hasznosítása (Büki és Lovas 2010) - A Duna vízgyűjtő magyarországi része. Vízgyűjtő gazdálkodási terv (VKKI 2010) - Új Széchenyi Terv 2 programja is épít a hévízkészletek hasznosítására - A geotermikus energia helyzete és perspektívái (Bobok és Tóth 2010) - Hévizeink és hasznosításuk (Székely 2010) -A geotermikus energia (Mádlné Szőnyi J. 2010)
Liebe Pál (1997)
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében A 4-5 PJ/év geotermikus energia termelés növelése 30-50 PJ/év nagyságúra 2020-ra.
Jelenlegi helyzet (Bobok és Tóth 2010): Geotermikus energiára épülő fűtés: 118.6 MW kapacitás Geotermikus energia mezőgazdasági hasznosítása: 212 MW kapacitás Geotermikus erőművi kapacitás: 0 MWel A hidrogeológia kulcs szerepe a jövőbeli tervek megvalósításában. Hévízkészleteink hasznosítása és védelme, fenntarthatósági kérdések
Haas (2001)
(Dövényi et al. 1983 alapján)
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Energetikai célú hévíztermelés: kb. 55 millió m3 /év. Kb. 50 millió m3 /év balneológiai célú hévíztermelés Évi 1.1 millió m3 ásványvíz a hazai piacra.
Teljes FAV elérheti az 5000 km3
(forrás: VKKI 2011)
Közműves ivóvízellátás 96 %-a FAV-ból, kb. 600 millió m3/év
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Forrás: UNECE
Felszín alatti víztestek: 185 Határral osztott: 40 (96) IS
Legend : responded to inventory transboundary aquifers transboundary aquifers SE
RU
Alvízi oldal FI
NO
EE
IE
LV
DK
Magyarország
Felvízi oldal
GB
LT RU NL BY BE
KZ
DE
PL
LU CZ UA
SK
FR CH
AT MD HU SI HR
PT
RO
ES IT
BA GE
YU
AZ BG AM
MK AL
Fajlagosan a legtöbb határral osztott felszín alatti vízbázis Európán belül
GR
TR
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Az országos hévízgazdálkodásban is kiemelt szerepe van a határral osztott hévíztárolók komplex vizsgálatának Kovács et al. 2011
MÁFI 2011
Buday és Szűcs 2011
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében -Alul a tektonikai kompresszió által is generált túlnyomásos folyadék áramtér (gyógy és hévíz készletek döntő része) -Felül egy gravitációs folyadék rendszer (ivóvíz, ásványvíz) H1
H'1 Duna
500
H''1
1000 500
land surface
95
100
0 10
-1000 -1500
?
120
20 0 150
150
5 20 00 0
200
11 0
12 0
0 100
-500
150
95
90 85
0 20
0 10
0
120
90
150
85
0 10
90
120110
100 95
50 0
1000
-2500
80
-2000
1 0 5 10120 0
-1500
150
-1000
80
100
85
-500
120
90
130
110
0
-2000 -2500
500
-3000
-3000 10 00
Elevation a.s.l. (m)
H2
Szeged Tisza
50x exagerated elevation (m a.s.l.)
95
1000
100
W
-3500 -4000
-4000
hydraulic head contour (m a.s.l.) with direction of fluid driving force
120
-4500
-3500
-4500
top of Pre-Neogene basement with fault
-5000
(vertical exageration: Mh = 10 ) -5000 Mv
Distance from western end of cross section (km)
-5500 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
-5500 120
130
Tóth and Almási 2001
140
150
160
170
180
E
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Vékony kéreg – magas földi hőáram (kb. 0.09 W/m2) Dinamikus hő utánpótlódás az ország teljes területén kb. 8000 MW Hazai elektromos áramtermelés: 6000 MW
Dövényi et al. 1982
gg: 45-50 C0/km
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében OGYFI – 195 elismert ásványvíz, 220 elismert gyógyvíz Több mint 1200 hévízkút. 17 nemzetközileg is elismert gyógyfürdő Egyedülálló változatosság a vízminőség tekintetében
Budapest – 2nd place, Best Spa Vacation in Europe, TripAdvisor, 2009
Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Az ország területének mintegy 80%-a alkalmas hévíz termelésre (Mádlné Szőnyi Judit 2006)
Kb. 3000 olajipari kutató fúrás - jelentős részük alkalmas lehet hévíz termelésre
VITUKI
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában - Magyarország a világ élvonalában (Izland, Japán, USA, Franciaország, Olaszország, Kína és Új-Zéland) ásvány-, gyógy- és hévízkészletek tekintetében Új vízgazdálkodási stratégia szükségessége! - Volumetrikus hévízkészlet: 500 km3 - Gazdaságosan hasznosítható: 50 km3 - Évenkénti kihozatal mértéke elérheti : 0.2-0.5 km3 ???
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Alacsony entalpiájú rendszerek (T kisebb mint 30 0C) 40-70 W/m Finom homok, I=0.001
Hot water tank Heat pump Low-temperature underfloor heating
Borehole heat exchanger
Lund J.W. 1989
Földhőszondás hőszivattyús rendszerek – fenntarthatóság, gazdaságosság Reális támogatás – 5-7 év megtérülési idő
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Közepes entalpiájú rendszerek (T – 30 - 100 0C) Kaszkád rendszerű kommunális rendszerekben fűtésre és melegvíz szolgáltatásra Mezőgazdasági hasznosítás Wellness- és gyógyfürdők – elfolyó vizek hőtartalmának hasznosítása Hévízkészletek fenntartható termelése
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Szanyi and Kovács 2011 -A felső pannon összletek alján a számított vízszint süllyedések (Tóth Gy. 2009) - Fenntarthatóság?
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Érzékenyebb indikátor és monitoring rendszerek fejlesztése a felszín alatti áramlási rendszereket érintő változások (vízszintek és nyomás viszonyok, vízminőség, hőmérséklet) nyomon követése érdekében
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Hasznosítható FAV készletek és vízkivételek területi megoszlása (Somlyódy 2011)
Utánpótlódás ???
Hasznosítható FAV: 2.5 km3/év Az ivóvíz, az ásvány-, gyógy- és hévíz készletek nem kezelhetők egymástól függetlenül.
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Visszasajtolási technológia fejlesztése porózus hévíztárolókban. Kedvező hazai példák (Hódmezővásárhely). Kovács and Szanyi 2009
Energetikai célú hévíztermelés: kb. 55 millió m3 /év, visszasajtolás: kb. 1 millió m3 /év.
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Nagy entalpiájú rendszerek (T nagyobb mint 100 0C) Geotermikus erőmű, illetve EGS (Enhanced Geothermal Systems) Projektek kivitelezése Magyarországon. A nemzetközi szakmai figyelem középpontjában Magyarország.
-Fábiánsebestény
-Makói-árok -Békési-süllyedék -Derecskei-árok
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Igen érzékeny és komplex hidrodinamikai rendszerek a karszt és vulkáni területen. Nagy felbontású geofizikai módszerek.
Tóth Gy, Viszkok, SzőcsT, Szűcs 2009
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Innovatív és komplex tudományos és mérnöki megoldások szükségessége – extrém természeti körülmények (pl. Fábiánsebestény, 1985) Bobok, Tóth and Szűcs 2008 Kitörési mélység: 3684 m Hőmérséklet: 190.5 0C Pórus nyomás: 712.26 bar TDS: 29.1 g/l
z [mBf] 500
P [MPa] 0 -500
20
40
60
80
P(z), Rétegnyomás - mélység összefüggés EOV Y: 749000 m - 777000 m EOV X: 136000 m - 157000 m
-1500
Terület: Fábiánsebestény és környéke
-2500
Oros-1 Oros-3
Szentes-ÉK-1 Nsz-3
Fáb-4
-3500
st 9.8067MPa/km Hidrosztatikus nyomásállapot
-4500
Fáb-4
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Analitikus és numerikus szimulációk szerepe a hidrogeotermikus rendszerek vizsgálatában. Hidrodinamikai és hőtranszport modellezés.
Geotermikus védőidom
Székely (2007), Szűcs et al. (2006)
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában A medence aljzat és a mélyebb hévízadók jobb megismerésének szükségessége (EGS és geotermikus erőmű projektek).
EBES
Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában A vízföldtani eredmények közérthető megjelenítése a döntéshozók és a felhasználók számára. Szabolcs-Szatmár-Bereg (Hu) és Szatmár (Ro) megyék
Geotermikus atlasz Kovács et al. 2011
Kihívások és lehetőségek a feltárásban és hasznosításban Speciális oktatási és kutatási programok szükségessége. Geotermikus szakmérnöki valamint Hévízgazdálkodási szakirányú továbbképzés. Geothermal Course Curriculum
Bobok, Tóth and Szűcs 2008 I. Semester
Course Title Basics Renewable Energy Advanced Geology Advanced Geophysics Fluid Dynamics Hydrogeology
III. Semester
Lesson Credit Lesson Credit Lesson 16 5 16 6 16 6 16 6 12 5 Credit 28
Professional Core Drillng-welldesign Geothermal Reservoir Geothermal Water Production Geoinformatics Geothermal Chemistry Geothermal Heat-Transfer Systems Geothermal Systems Geothermal Power Production Geothermal Direct Uses Geothermal Heat Pump Geothermal Environmental Impact Energy Management Credit Special Lessons Economic Studies Tenders in EU Legal Knowledge Credit Diploma Total Number of Lessons Total Number of Credits
II. Semester
16
IV. Semester Credi t
Lesson
Credi t
6 12 16 16 12 12
5 5 5 5 5 16 16 16 16 16 16
5 5 5 5 5 5 61 16 16 12
80
80 29
96 30
2 2 2 6 25
44 30
31
300 120
Termálvizeink utánpótlódási mechanizmusa
Fenntarthatóság elve VGT szerint: „a víztermelés tartós vízszintcsökkenést ne eredményezzen”
Vízkészlet-számítás, mérési metodika kérdései
Szeged-Székely sori kút
Vízkészlet-számítás, mérési metodika kérdései
VII/1
16,7
16,7
16,6
16,6
16,5
Nyomás 1700m-en MPa
Nyomás 1700m-en (MPa)
V/2
16,4 16,3 16,2 16,1 16
16,5 16,4 16,3 16,2 16,1
15,9
16
15,8
15,9 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
200
400
2009. szeptember 24-25.
2006. június 10-11.
800
1000
Q (l/min)
Q (l/min) 1979. december 20-21.
600
1980 január 8-10. 2006. augusztus 2-3.
2009. október 20-21.
1200
Számított vízszintcsökkenés a felső pannonban (m)
Felszíni nyomásemelkedés
Mélységi nyomásemelkedés
Visszasajtolás történeti alakulása •
1978-ban az OKGT Nagyalföldi Kőolajfeltáró üzem 3 meddő szénhidrogén kutat perforálással hévízkúttá képzett ki, és a kutakon visszasajtolási kísérletet végzett.
A
teszt-vizsgálatok
szerint,
3
hónap
üzemelés után, a visszasajtoló kút nyelőképessége jelentősen lecsökkent, amit jelentős részben a kút
homokkal való feltöltődése okozott, de a csökkenésben szerepe volt a pórustorkok lebegőanyaggal való eltömődésének is. •
Ezt követően több féle kísérlet zajlott, például kettős kiképzésű kúttal (középső cső termel, mellette a gyűrűs térben, a termelt réteg feletti rétegbe visszasajtol), azonban a kezdeti visszasajtolási kísérletek sikertelennek bizonyultak pl.: Szentesen
•
Az első gazdaságosan működő visszasajtoló kút 1998-ban épült meg Hódmezővásárhelyen. Azóta ebbe a kútba több mint 2,4 millió m3 vizet sajtoltak vissza 2-5 bar nyomáson.
Visszasajtoló kutak üzemeltetési tapasztalatai •
produktív nagy hozamú vízadók
•
szakszerű lyukkiképzés
•
nyelőrétegek szűrővázának szakszerű kialakítása
•
kiemelt jelentőségű a víz felszíni szűrése
•
a szűrővázat kímélő, hidraulikus lengéseket elkerülő üzemeltetési technológia
•
rendkívül fontos a kút és a felszíni berendezések tervszerű és folyamatos karbantartása
•
a visszasajtolási nyomás jelentős növekedése esetén szükséges a kútszerkezet ellenőrzése és a szűrőváz regenerálása
•
adatok lehetőleg online regisztrálása
Visszasajtoló kutak üzemeltetési tapasztalatai
Kurunczi, 2008
Felszíni vízelhelyezés és a visszasajtolás összehasonlítása Térfogat (ezer m3/év)
1998 1999
2000 2001
2002 2003
2004 2005 2006
Kitermelt termálvíz
423
360
330
355
389
379
366
374
350
Visszasajtolt termálvíz
94
113
115
106
278
286
280
259
253
Felszíni vízelhelyezés teljes költsége: 50 HUF/m3 ( 0.18€)
Visszasajtolás teljes költsége: 35 HUF/m3 ( 0.12€)
Homokkőbe való visszasajtolás németországi tapasztalatai J. Bartels, P. Seibt & M. Wolfgramm; Workshop “Geothermal energy in Hungary – update barriers and solution statements”; Budapest 17. February 2011 • Gyakran előfordul, hogy a visszasajtolt fluidum eltérő kémiai összetétellel rendelkezik, mint az in situ rezervoár fluidumok. Ezért Németországban teljesen zárt rendszert alkalmaznak, nem engedik, hogy a kitermelt víz oxigénnel érintkezzen. Sőt a kritikus csatlakozásokat nitrogén gázzal veszik körül. • A visszasajtolt víz lebegőanyag tartalmának eltávolítására 1 mikronos szűrőrendszert használnak
Megoldandó feladatok a geotermikus energia hasznosítása során Összesen: 26,56 PJ
Termálvíz 15,2 PJ „Ivóvíz” 11,36 PJ
43%
57%
Hasznosított hőmennyiség ~ 4 PJ • Új kút létesítésénél senki nem foglalkozik van hasznosítatlan geotermikus energia a közelben • Üzemelő termálkutak 1/3-a gyógy és fürdővíz hasznosítású, de többségüknél valójában energetikai hasznosítás történik a vízforgató berendezések miatt • Termálvízzel együtt felszínre kerülő metán hasznosítás miatt a kutat akkor is üzemeltetik, amikor a vizet nem is tudják hasznosítani, hogy a gázmotoros beruházás mielőbb megtérüljön • Több ezer meddő szénhidrogén kút geotermikus energia termeléssel való hasznosításában évek óta nem történt előrelépés monitoring rendszer bővítése
Cselekvési terv javaslat a fenntartható hévíztermelés érdekében 1. A visszasajtolásról szóló jogszabályt módosítani, fokozatossá téve a visszasajtolás bevezetését 2020-ig, a következők szerint: - üzemelő termálkutak vízórával való kötelező felszerelése 2013. július 31-ig - üzemelő termálkutak tényleges hasznosításának ellenőrzése 2014. július 31-ig - a legalább 500.000 m3/év energetikai hasznosítású kitermelt hévízmennyiség után 2016. július 31-től 2 évenként 1 db, minimum 200.000 m3/év vízmennyiség visszasajtolására képes visszasajtoló kút építése, a vízkészletjárulék és bányajáradék elengedése mellett - kockázati alap létrehozása a visszasajtoló kút fúrására és üzembe helyezésére + kedvezményes hitel
2. Termálvíztesteket és hidegvizes vízadókat magában foglaló regionális modell készítése, vízkészletgazdálkodás kérdéseinek víztestenkénti meghatározása 2016 július 31-ig, melyben a 2020 utáni szabályozók rögzítésre kerülnek
3. A Na-egyenértékre számított szennyvízbírság – 2016 július 31-től – évente 20%-os emelése 2020 július 31-ig. ( Ez az 5. év végére 2,5 szeres növekedést jelent.) 4. A 2004 után létesített, vagy újonnan létesítendő energetikai hasznosítású vízkivételek esetén a kivett vízmennyiség legalább 75%-ának kötelező visszasajtolása
5. A visszasajtoló kutak létesítésének és üzemeltetésének szabványosítása, a geológiai és műszaki paraméterek meghatározása 2015 július 31-ig.
Összefoglalás
• Országos FAV (ivóvíz, ásvány-, gyógy- és hévíz) gazdálkodási stratégia szükségessége. Holisztikus szemléletmód alkalmazása. • Speciális új oktatási programok szükségessége a hévízgazdálkodás és a geotermikus energia hasznosítás területén a jövőben. • Mindezeket keretbe foglalja egy átlátható és kiszámítható jogszabályi környezet megteremtése, beleértve a tervezési, adatgyűjtési, engedélyezési és ellenőrzési jogosultságokat illetve kötelességeket A szakmai szervezetekkel egyeztetett program végrehajtása nem lehet anyagi kérdés! Téves az a felfogás, hogy nem csináljuk, mert nincs pénz. A helyzet fordított, ha nem csináljuk akkor nem lesz pénz, és elveszítjük azt a versenyelőnyünket amit a geotermikus energia hasznosítása révén eddig elértünk!
