A GEOTERMIKUS ENERGIA

Megújuló energiák

A GEOTERMIKUS ENERGIA A geotermikus energia olyan belső energia, amelyet a földkéreg, a köpeny és a mag nagy hőmérsékletű tömegei tárolnak. Mivel a Föld belsejében sokkal nagyobb hőmérsékleteket találunk, mint a felszínen, a belső energia szakadatlanul áramlik a nagy mélységű forró zónákból a felszín felé. Ez a földi hőáram. A földkéreg hőmérséklete a hővezetés törvényének megfelelően növekszik a mélységgel, így az egységnyi tömegű anyag energiatartalma a mélységgel nő. Nyilvánvalóan annál alkalmasabbak a körülmények a geotermikus energia kitermelésére, minél közelebb van a felszínhez a belső energiát hordozó, nagy hőmérsékletű közeg. A földkéreg minden pontja tartalmaz geotermikus energiát. Habár a geotermikus energia a kéregben mindenütt jelen van, a gazdaságosan kitermelhető geotermikus energia olyan hordozó közeghez kötött, amely nagy fajlagos energiatartalmú, könnyen felszínre hozható, nagy mennyiségben rendelkezésre áll, olcsó, jól kezelhető. Mindezeket a követelményeket a víz elégíti ki a legjobban. A víz fajhője nagy (4,187 KJ/kgK), ehhez gőz előfordulása esetén a fázisátalakulásával járó latens hőnek megfelelő energiatartalom is járul. Ez 1 bar nyomáson 2259 KJ/kg, a mélységgel növekvő nyomással viszont csökken: 200 bar esetén már csak 629 KJ/kg. A földkérget alkotó kőzetek nem homogén anyagok, a teret csak ritkán töltik ki hézagmentesen. A magmás kőzetek a Föld mélyéből a forró köpenyt alkotó, izzón folyó szilikátolvadékokból keletkeztek. Fizikai tulajdonságaik minden irányban megegyeznek. Ilyen kőzet a gránit, a bazalt, az andezit vagy a riolit. A kéregmozgások következtében a magmás kőzetekben is vannak törések, repedések. Sőt, a nagy víztartalmú olvadékok habképződésre hajlamosak, a vízgőztartalmú „hab-láva” nagy hézagtérfogatú kőzetté, ignimbiritté válik. A felszínre került magmás kőzeteket a víz, a fagy, a szél, az oldott savak pusztítják, mállasztják. A keletkezett mállástermékek vagy helyben maradva halmozódnak fel, vagy a víz elszállítja, s más helyen lerakja azokat. Az így keletkezett kőzetek az üledékes kőzetek. A kezdetben laza szemcsés üledékhalmaz önsúlyterhelésének hatására összetömörödik és kőzetté szilárdul, amit egyidejűleg kémiai átalakulás is kísér. A durvaszemcsés homokos folyami, vagy deltaüledékből homokkő, míg a 2 mikron, vagy annál kisebb szemcsékből álló, tavi, vagy tengeri agyag lerakódásokból agyagmárga, bentonit keletkezik. A szerves eredetű üledékekből a mészkő, dolomit, illetve a kőszén, kőolaj keletkezik. A szemcsés szerkezetű üledékes kőzetekben a szemcsék mérete, alakja, elrendeződése teljesen véletlenszerűen (sztochasztikusan) változik. A durvább szemcsés üledék hézagai egymásba nyílva összefüggő járatrendszert alkotnak. A finom szemcsés agyagok hasonló nagyságú hézagtérfogata sokkal finomabb szerkezetű, szűk, alig áteresztő járatrendszert képez. A mészkövek könnyen válnak repedezetté, a karsztosodás pedig egészen nagyméretű üregek, barlangrendszerek kialakulására vezet. A kőzetek hézagtérfogatát minden esetben folyadék tölti ki: túlnyomórészt víz, de lehet kőolaj vagy földgáz is. A szemcsés szerkezetű, vagy a finom repedésekkel átszőtt kőzetek hézagait kitöltő folyadék mozgását szivárgásnak nevezzük. A nagyobb repedésekben, vagy üregekben áramlik a víz. A porózus kőzetek hézagtérfogatát csökkenti a higroszkópos, vagy molekuláris erők folytán kötődő hártyavíz. Ennek az igen vékony hártyának a megbontásához a


2

gravitációnál nagyságrenddel nagyobb külső erőre van szükség. Így a szokásos nyomáskülönbség nagyságrendek mellett ez a folyadékhártya érintetlen marad, az azt alkotó folyadékhányad nem vesz részt a szivárgásban, ún. holtteret képez s a hatásos hézagtérfogat ennek megfelelően csökken. A 1. ábra mutatja a teljes és a hatékony pórustér különbségét.

1 hatékony pórustér 2 kötött hártyavíz 3 elszigetelt pórustér

1. ábra Hatékony pórustérfogat A szivárgás kialakulásának tere tehát a hatékony pórustérfogat. Ennek jellemzésére definiált paraméter a porozitás, az anyag üregeinek valamint teljes térfogatának hányadosa φa =

Vhézag V

(1)

Ez az ún. abszolút porozitás. A hatékony pórustérfogattal kapjuk az effektív porozitás értékét V φ eff = eff V

(2)

Adott szivárgási feladat megoldásához egy zavartalan kőzetmintán végzett közvetlen mérésből adódó értékre van szükség. A 1. táblázatban néhány üledékes kőzetre vonatkozó porozitásértékek legvalószínűbb intervallumát foglaltuk össze. A kőzetek szemcseátmérője és porozitása közötti összefüggést keresve nyilvánvalóvá válik, hogy ilyen függvénykapcsolat csak a gömbhalmaz konfigurációjának ismeretében értelmezhető. A 2. ábrát tekintve szembetűnő, hogy az a és a b konfiguráció különböző tömörségű. Az a esetben minden egyes gömb 6, míg a b esetben 12 gömbbel érintkezik. Ez utóbbi a legkisebb porozitást eredményező gömbelrendezés: egyszerű geometriai megfontolások alapján igazolható, hogy azonos

2


3

átmérőjű gömbök esetén az átmérő értékétől függetlenül a minimális porozitás 0,259. A még stabil konfigurációból kapható porozitásmaximum HRUBISEK szerint 0,875. Ha e két szélső értéket összevetjük a kísérletileg kapott porozitásértékekkel, a közelítés eredményével elégedettek lehetünk. Mivel tény, hogy a szemcsék nem gömb alakúak, nem azonos méretűek, gyakorlati vizsgálatoknál kisebb porozitásértékeket kapunk, másrészt átmérő és porozitás között csak bizonyos korrekciókkal érvényes összefüggéseket használhatunk. Egy bizonyos kőzetfajta porozitása is változik a hely és az idő függvényében. Ennek oka, hogy az igénybevétel, a kőzetterhelés hatására a pórusok összenyomódnak, a pórustérfogat csökken.

2. ábra Különböző porozitást adó gömbhalmaz-konfigurációk Mészkő Agyagpala Homokkő Kavicsos homo Kavics hordalék Finom és közepes homok keveréke Azonos szemcseméretű homok Közepes és durva homok keveréke Iszap Agyag Különböző talajok Tőzeg

0,01…0,10 0,01…0,12 0,10…0,25 0,20…0,35 0,30…0,40 0,30…035 0,30…0,40 0,35…0,40 0,40…0,50 0,45…0,55 0,50…0,60 0,60…0,80

1. táblázat Néhány üledékes kőzet abszolút porozitásértékeinek legvalószínűbb intervalluma A porozitás tehát alapvető fontosságú paraméter, amely egy kőzet folyadéktároló képességét jellemzi. A szivárgó folyadékmozgás leírására használt másik lényeges kőzetjellemző a permeabilitás, a kőzet áteresztőképessége. A permeabilitás definíciója a klasszikus szivárgástan alapegyenletében a Darcy-összefüggésben gyökerezik. A tapasztalati úton nyert összefüggés a 3. ábrán látható kísérleti berendezésen végzett mérések eredményein alapszik. A függőleges helyzetű, homokkal töltött, állandó keresztmetszetű

3


4

csövön a gravitáció hatására víz szivárog keresztül, miközben mérjük az időegység alatt átfolyt Q térfogatáramot és két U-csöves manométerrel a nyomásesést. Az ábra jelöléseivel Q = k⋅

D 2 π ∆h 4 H

(3)

összefüggés adódik, tehát az egységnyi hosszra jutó térfogatáram és nyomásesés kapcsolata lineáris. A k együttható állandó, a folyadék és a szemcsehalmaz tulajdonságai együtt határozzák meg k értékét.

3. ábra Darcy kísérlete

4. ábra Az általánosított Darcy-kísérlet

A kísérletet Darcy óta sokan reprodukálták igen szélesre kiterjesztett vizsgálati körülmények között. Különböző anyagú, méretű szemcsehalmazok, különböző minőségű folyadékok esetén is elvégezték a kísérletet. A kísérletek során változtatott paraméterek hatását az eredeti alakban felírt Darcy-összefüggés egybemossa. NUTTING vezette be azt a felírásmódot, amelyben elkülöníthető a szintkülönbség és a nyomáskülönbség változásából eredő hatás, és amely a szemcsehalmaz és a folyadék tulajdonságainak bizonyos fokú figyelembevételére ad módot. A 4. ábrán vázolt általános esetben

4


5

qA =

Q K [p1 − p 2 + ρg(z1 − z 2 )] = 2 D π µH 4

(4)

adódik, ahol qA az átlagos szivárgási sebesség, µ a folyadék dinamikai viszkozitási tényezője, ρ a sűrűsége, K a permeabilitási tényező, SI-egysége m2. A gyakorlatban ennek 108-szorosát a darcyt, vagy annak ezredrészét a milidarcyt használják. Tájékoztatásul néhány üledékes kőzet permeabilitását, annak jellemző intervallumával, foglaltuk össze a 2. táblázatban. 2

m 10-17 10-16 10-14 10-14 10-14 5·10-14 10-13 10-12 1.5·10-12 5·10-12 10-10

KŐZET FAJTA Ca-bentonit Alluviális öntésiszap Tégla Homokos agyag Homokos iszap Mészkő, dolomit Finom homok Alsó liász homokkő Pelső pannon homokkő Dogger homokkő Kavicsos homok

PERMEÁBILITÁS Darcy mD 10-5 0,01 -4 10 0,1 -2 10 10 10-2 10 -2 10 10 5·10-2 50 -1 10 100 1 1000 1.5 1500 5 5000 100 100000

2. táblázat Néhány jellemző permeábilitás érték Meg kell jegyeznünk, hogy 1m3 fajlagos belső felület 2·106 m2/m3=2 millió m2, valamint a szivárgási sebesség értékei nagyságrendekkel kisebbek a szokásos áramlási sebesség-értékeknél. Például egy jó áteresztőképességű homokos kavicsban, ahol K = 10-10 m2, µ = 10-2 Ns/m2, ρ = 103 kg/m3, p1-p2 = 0,1 bar, z1-z2 = 0,3 m az átlagos szivárgási sebességre

qA =

[0,1⋅10 ⋅1

10−10 10 −3

5

]

+ 0,3 ⋅10 4 = 1,3 ⋅10 −3

m mm = 1,3 s s

(5)

adódik. Ezért az általános mérnöki gyakorlatban a m/nap egység gyakrabban használt. Még egy nagyon érdekes kérdés merül fel a rétegvíz kapcsán: honnan ered? Korábban azt hitték, hogy a nagy mélységben lévő pórusvíz vulkáni működés kapcsán keletkező ún. juvenilis víz. Az 1950-es években megvizsgáltak egy sor a világ különböző tájairól származó nagy mélységű rétegekből származó vízmintát. Megvizsgálták a hidrogén és a deutériumatomok arányát és a mérések 5. ábrán látható eredményt hozták. A termálvizek H/D értékei a csapadékvíz H/D értékeivel igen jól egyeznek, a 16 18 oxigénizotópok hányadosának függvényében ábrázolva. Az új-zélandi 0 /0 (Wairakei), olaszországi (Larderello), amerikai (Geysers, Steamboat Springs) és izlandi

5


6

vízmintáknál egyaránt jó az egyezés. Ez azt mutatja, hogy a kőzetek hézagait kitöltő víz túlnyomórészt beszivárgott csapadékvíz, s csak kisebb hányada vulkanikus eredetű, valószínűleg csak 5-10%.

5. ábra Hidrogén/Deutérium arány különböző eredetű termálvizekben A földkéreg erre alkalmas helyein a kőzettest pórusaiban, vagy repedéseiben forró vizet tároló képződmények, geotermikus rezervoárok alakultak ki. Ritka kivételektől eltekintve ezekben a víz folyadékfázisban található. A mélység mentén a víz hidrosztatikai nyomása a p = p0 + ρgh

(6)

összefüggés szerint nő. A víz forráspontja is nő a nyomás növekedésével, míg 1 bar nyomáson 100 oC, 100 bar nyomáson már 309 oC. A földkéreg természetes geotermikus hőmérséklete a T = T0 + γh

(7)

lineáris összefüggéssel írható le, ahol T0 a felszíni középhőmérséklet, γ az ún. geotermikus gradiens, az egységnyi mélységre eső hőmérséklet-növekedés [oC/m]. Ez a Kárpát-medencében csaknem kétszerese az európai átlagnak. Tekintsük most a 3. táblázatot, ahol a mélység menti nyomás, forráspont és kőzethőmérséklet-értékeket találjuk 0,5 oC/m geotermikus gradiens mellett. [m] 0 1000 2000

[oC] 100 307 361

[bar] 1,0 96,66 192,00

[oC] 10,5 60,5 110,5

3. táblázat Mélység menti nyomás-forráspont- és kőzethőmérséklet értékek

6


7

Szembetűnő, hogy az adott mélységben uralkodó nyomáshoz tartozó forráspont-érték sokkal nagyobb, mint az ugyanabban a mélységben adódó kőzethőmérséklet. Ez mutatja, hogy a tárolóban a 100 oC-nál melegebb fluidum is vízfázisban van. Vulkanikus területeken, pl. ilyen Új-Zélandon a Wairakei-mező, jóval nagyobb geotermikus gradiens-értékek adódnak: itt 400 m mélységben már 260 oC a hőmérséklet, ez 0,625 W/moC, a világátlagnak több, mint tízszerese. Itt természetesen gőz-víz keverék alakjában van a víz a tárolóban. Az ilyen előfordulások igen ritkák: a művelt geotermikus mezők alig több mint 1%-ából termelhető gőz. A Föld belső szerkezetének ma elfogadott modellje szerint az átlagosan 35 km vastagságú kontinentális és 5 km vastag óceáni kérget az ún. Mohorovicic-felület választja el a köpenytől. A köpeny kb. 2900 km mélységben a földmaggal határos. A kéreg nem homogén képződmény. A kontinensek és a legtöbb beltenger alatt a gránithoz hasonló összetételű, kovasavban gazdag, átlagosan 2670 kg/m3 sűrűségű kontinentális kéreg húzódik. Az óceánok alatt bazaltos összetételű, kovasavban szegény, átlagosan 2950 kg/m3 sűrűségű óceáni kérget találunk. A kontinentális kéreg vastagsága a magas hegységek alatt 55-60 km, a megsüllyedt üledékes medencék alatt viszont alig 20-25 km. A kéreg alatt a köpeny egy része még merev: ez a litoszféra. A litoszféra vastagsága mintegy 80-100 km. Alatta egy kb. 150 km vastag gömbhéjban a földrengéshullámok terjedési sebessége kisebb, mint a felette és alatta lévő köpenyrészekben. Ez az asztenoszféra, amely feltehetően melegebb, mint a litoszféra, vagy az alatta lévő köpeny, valószínűleg eléri a 600 oC hőmérsékletet. Az asztenoszférában uralkodó hőmérsékleten a köpeny kőzetanyaga plasztikus állapotban van, folyásra képes. Mivel az asztenoszféra sűrűsége átlagosan 3350 kg/m3, a kisebb sűrűségű litoszféra úszik a plasztikus köpenyen. Archimedes törvényének megfelelően a magas hegységek alatt mélyebbre merül, az óceánok alatt pedig elvékonyodik. A litoszféra tehát nem egyetlen merev héj, hanem hat nagyobb és néhány kisebb lemezdarabból áll, amelyek egymáshoz és a Föld forgástengelyéhez képest állandó mozgásban vannak. A Föld jelenkori magmás és tektonikai tevékenysége szinte kivétel nélkül a lemezhatárok mentén zajlik. Jól mutatja ezt a 6. ábra, itt a földrengés-övezetek, a vulkanizmus a litoszféra-lemezek határait jelölik ki.

6. ábra A litoszféra-lemezek határai

7


8

A plasztikus köpenyben a hő nem csupán vezetéssel, hanem konvekcióval is átadódhat. A litoszféra határán a hőmérséklet alacsonyabb, mint nagyobb mélységben. A hőtágulás miatt így nagyobb mélységben kisebb sűrűségű köpeny-anyag helyezkedik el. A gravitáció hatására a nagyobb sűrűségű, hidegebb, felső köpeny-anyag lesüllyed, kiszorítja helyéről a melegebb, könnyebb, nagyobb belső energiatartalmú közeget. Ez feláramlik a litoszféra határáig, magával víve belső energiatartalmát. Az így kialakuló mozgás a termokonvekció. Áramvonalképe jellegzetes konvekciós cellákat mutat. A köpeny-anyag viszkozitása igen nagy, így az abban kialakuló termokonvekciós áramlás sebessége nagyon kicsiny. A litoszféra a köpennyel mechanikai és termikus kölcsönhatásban áll. A konvekciós áramok egyrészt magukkal sodorják a köpenyen úszó litoszféra-lemezeket, másrészt a felszálló áram intenzíven fűti a kérget, amelynek szilárdsági tulajdonságai a hőmérséklet növekedésével gyengülnek.

7. ábra Az óceáni kéreg szétterülése A 7. ábrát tekintve látjuk, hogy az asztenoszférából felszálló plasztikus köpenyanyag, a magma, torlópontot képez, majd két ellentétes irányban halad a litoszféra-lemezek alsó határán. A torlópont közelében a legerőteljesebb a hőátadás, a kéreg itt melegszik fel legjobban, s az áramló köpeny-anyag két oldalról kifejtett húzófeszültségei a szilárdságilag gyengült lemezt széthasítják, míg a magma állandó hozzánövéssel tölti ki az egyre távolódó lemezdarabok közötti hasadékot. Ilyen távolodó lemezszegélyek hozzák létre a szeizmikusan és geotermikusan is aktív óceánközépi hátságok rendszerét, tengeralatti vulkánok sorával és igen nagy földi hőárammal. A litoszféra-lemezek törése a kontinentális kéregben is előfordulhat (pl. a Kelet-afrikai árok) de tipikus a vékonyabb, gyengébb óceáni kéregben. Az egymástól távolodó litoszféra-lemezek a mozgásuk irányába eső más lemezekkel ütköznek. Ilyenkor a nagyobb sűrűségű óceáni kéreggel fedett lemezdarab a könnyebb, kontinentális kéreg alá merül. Ez a plasztikus köpenybe hatoló litoszféra lemez fokozatosan felmelegszik, szilárdsága csökken, majd az olvadáspontjáig melegedve megolvad és az archimédeszi felhajtóerő hatására felszáll. Az alámerülő merev litoszféra-lemez szeizmikus eszközökkel mintegy 6-700 km mélységig követhető. Mindezt a 8. ábra mutatja. A litoszféra-olvadék és a köpeny-anyag sűrűségkülönbsége mintegy 600 kg/m3, ez sokkal nagyobb, mint a köpeny termokonvekciós áramait kiváltó, a hőtágulásból eredő sűrűségkülönbség (∼ 50 kg/m3). Ebből fakadóan a nagyobb felhajtóerő hatására sokkal intenzívebb felszálló áramlás alakul ki a lemerült litoszféra-lemez

8


9

tönkremenetelének tartományában. Az újraolvadt intermedier és savanyú magmák alulról hozzánőnek a kontinentális kéreghez, amelynek hatására az felemelkedik. Ugyanakkor az itt rendkívül intenzív konvektív hőáram a szilárd kéregben fokozott intenzitású hővezetési folyamatban terjed tovább. Ekképpen a gyűrt lánchegységek (Andok, Parti hegység, Appenninek) geotermikus szempontból igen aktívak, földi hőáramuk az óceáninál jóval nagyobb kéregvastagság ellenére is jelentős.

8. ábra Kontinentális és óceáni litoszféra lemez ütközése Az alámerülő óceáni kéreg fölötti zónában is elvékonyodhat a szilárd kéreg, s vulkáni ívek sora keletkezhet (Japán, Fülöp szk). Az óceáni kéreg megsemmisülése és a kontinentális kéreg megvastagodása a forrása a harmadkori orogén (hegyképző) területek fokozott földi hőáramának. A litoszféra-lemezek határövezetén kívül is találunk néhány intenzívebb földi hőárammal jellemzett területet, pl. a Magyar Alföld, a Párizsi Medence. Ezek keletkezésének oka a kontinentális kéreg elvékonyodása. A Magyar Alföld alatt mindössze 18-20 km vastag a kéreg, ez a kisebb vastagság szükségszerűen vezet nagyobb földi hőáramra, hiszen annak teljesítménysűrűsége q=

k (Tk − T0 ) δ

W  2 m 

(8)

ahol k a hővezetési tényező, δ a mélység, Tk az adott mélységhez tartozó, míg T0 a felszíni hőmérséklet. A hőmérséklet egységnyi mélységre eső növekedése az ún. geotermikus gradiens itt szintén nagyobb,

γ=

dT Tk − T0 = δ dz

(9)

Ennek értéke az Alföldön 0,045-0,06 oC/m. Tehát viszonylag kis mélységben találunk viszonylag nagy hőmérsékletű, nagy fajlagos energiatartalmú kőzettömegeket. Tekintve, hogy a fúrási költségek a mélységgel közel exponenciálisan nőnek, a kedvező geotermikus gradiens miatt viszonylag olcsón férhetünk hozzá a geotermikus energiakészleteinkhez.

9


10

A geotermikus mező földrajzi fogalom, a földfelszín olyan tartománya, ahol a föld belső melege a nagy földi hőáram és a nagy geotermikus gradiens révén az átlagosnál fokozottabb mértékben nyilvánul meg. A geotermikus tároló (rezervoár) a geotermikus mezőnek az a része, amelynek belső energiatartalma valamilyen telepfolyadék, víz, vagy gőz közvetítésével felszínre hozható. A geotermikus tároló tehát gyakorlati szempontok, az energiatermelés szempontjai által lehatárolt képződmény, amely lehet természetes, de mesterséges is. A természetes geotermikus tároló kellő kiterjedésű, nagy hőmérsékletű, megfelelő porozitású és áteresztőképességű hévíz, vagy gőztároló képződmény amely néhány jellegzetes tulajdonságában különbözik a közönséges talaj, vagy rétegvíztárolóktól. Az alapvető különbség, hogy a geotermikus tárolóból belső energiát termelünk ki, amelynek csupán hordozó közege a forró víz, vagy gőz. Ezt környezetvédelmi szempontok miatt és a rétegnyomás fenntartása érdekében is vissza kell sajtolni a tárolóba. A bányászat tehát a víz energiatartalmára irányul nem magára a vízre. További különbség, hogy az értékes, nagy fajlagos energiatartalmú tárolók porozitása általában töredezett, hasadozott kőzettesthez kötődik. Az ebben kialakuló, hatékony termokonvekcióhoz szükséges a rendszer kellő függőleges irányú kiterjedése is. A mesterséges tároló pedig valamilyen forró, nem áteresztő, száraz kőzetben létrehozott repedésrendszer, ahová a felszínről juttatjuk a vizet. Konduktív hőárammal fűtött tárolók

A geotermikus tárolót szakadatlanul fűti a földi hőáram. Az egyik nagy tárolócsoportba azok a rezervoárok sorolhatók, amelyek utánpótlását konduktív, azaz vezetéses hőáram adja. A hővezetés mindig viszonylag kisebb erősségű fűtést jelent, lineáris, vagy szakaszosan lineáris mélység szerinti hőmérséklet-eloszlással. A földi hőáram átlagos értéke alig 60 mW/m2, az átlagos geotermikus gradiens pedig 30 oC/km. Ilyen feltételek mellett nem alakulhatnak ki a mai műszaki körülmények között gazdaságosan kitermelhető hévíztárolók. A földkéreg helyi elvékonyodásai, egyes kőzetfajták eltérő hővezető-képességei bizonyos szolid anomáliát okozhatnak a földi hőáram értékében. A 100-120 mW/m2 teljesítménysűrűségű fűtés, illetve az 50-60 oC/km geotermikus gradiens megfelelő földtani feltételek esetén már gazdaságosan művelhető forró-, vagy melegvíz-tárolók kialakulására vezethet. Ennek földtani feltételei elsősorban a süllyedő és üledékkel feltöltődött medencékben adottak. Főként a nagy kiterjedésű, egy-egy vízszintes síkban viszonylag homogén kőzetfizikai tulajdonságokkal jellemezhető, porózus (∼ 20%) és áteresztőképes homokos, homokköves rétegek képezhetnek hévíztárolót. A nagyobb mélységben lévő üledékrétegek hőmérséklete, fajlagos energiatartalma tehát nagyobb. Sajnos, az üledékes kőzetek önsúlyterhelés következtében létrejött tömörödése a mélységgel exponenciálisan csökkenő porozitás-eloszlást eredményez, ezt a

φ = φ 0 ⋅ e − A⋅z

(10)

összefüggés elég jól közelíti, ahol φ0 a porozitás a felszínen, z a mélység, A az illető kőzettípustól függő állandó. Mint a 9. ábra is mutatja, 2500-3000 m mélységben már olyan kicsiny a porozitás és az áteresztőképesség, hogy ez a mélység-intervallum a kedvező hőmérsékleti viszonyok ellenére sem jöhet szóba geotermikus energiatermelés

10


11

céljából. A kellően porózus, áteresztőképes és megfelelő hőmérsékletű kőzetek alkalmasak tehát geotermikus energiatermelésre, ezek hőmérséklete felülről korlátos, általában kisebb, mint 150 oC, ezért kis entalpiájú tároló elnevezésük is használatos. 0

1000 m

2000 m

3000 m

9. ábra A porozitás csökkenése a mélységgel A konduktív hőárammal fűtött geotermikus tároló fogalmi modelljét szemlélteti a 10. ábra. Az át nem eresztő medence-aljzatra rakódtak le a többnyire vízszintes, vagy ahhoz közel álló rétegsorok. A vízvezető rétegek a medence-perem, vagy vetők, törésvonalak mentén utánpótlást kapnak a csapadékvízből. A tároló pórusvíz-tömege gyakorlatilag hidrosztatikus állapotban van, legfeljebb artézi hatás, vagy az üledékrétegek tömörödése során kiszoruló víz változtat valamit a hidrosztatikus állapoton. A tároló érintetlen állapotában tehát hidrosztatikus nyomás-eloszlást találunk, amely csak azért tér el a lineáristól, mert a mélységgel növekvő vízhőmérséklet hatására a víz sűrűsége csökken.

10. ábra Konduktív fűtésű tároló modellje

11


12

A legismertebb, s ma a legnagyobb kiterjedésű konduktív fűtésű geotermikus tároló az Alföld felső-pannon homokos üledéksoraiban található. Ez mintegy 40 000 km2 kiterjedésű, átlagos vastagsága kb. 200 m. Magyarország geotermikus energiatermelésének túlnyomó része innen származik. Ez a felsőpannóniai korú homokos üledéksor természetesen nem homogén képződmény. A 200 m összlet egy sor különböző vastagságú homokos-agyagos rétegből áll, a homokos-homokköves rétegek oldalirányban véges kiterjedésűek, de nyomásuk az agyagrétegek szerény áteresztőképessége révén kiegyenlítődik. Ez egy egységes, 40 000 km2-es tároló létezését sugallhatja, de ezt a 40 000 km2-t a váltakozó homokos-agyagos rétegek „nápolyi szeletként” töltik ki. Ha egy, vagy több homokos lencsét egy mélyfúrású kúttal megcsapolunk, a lencsék véges méretei következtében gyorsabban fogy a pórusrendszerükben tárolt víz, mint ahogy a lencsét körülvevő rossz áteresztőképességű agyagos rétegeken át utánpótlást kap. Így viszonylag hamar jelentős helyi nyomáscsökkenés alakulhat ki. A felsőpannon homokos-homokköves tároló tehát hidrosztatikus állapotában egységes rendszerként viselkedik, az egyes feltárt és művelésbe vett tároló-részek viszont véges, kimerülő jellegűek. Egy üledékes medence rétegsorai alatt az alaphegység helyenként repedezett, vagy karsztosodott kőzettömegében is találhatunk forróvíz-tárolókat. Ezek ugyan mélyebben helyezkednek el, mint a még áteresztőképes üledéksorok, de hőmérsékletük nem sokkal magasabb, mert a jobb hővezetőképességű alapkőzetben a geotermikus gradiens kisebb. Ezek az alaphegységi tárolók is hidrosztatikus állapotban vannak, mert fűtésük alapvetően konduktív, vezetéssel történik. Kis mértékű utánpótlódás és gyenge termokonvekció is jellemző lehet. Az Alföldön Mélykút, Tiszakécske, Sajóhídvég, a Dunántúlon a zalai mélykarszt: Zalakaros, Táska, Buzsák sorolhatók ebbe a kategóriába. Túlnyomásos tárolók konduktív fűtéssel

A gyorsan süllyedő és feltöltődő üledékes medencék vastag, túlnyomórészt agyagos összleteinek tömörödését gyakran gátolja, hogy a pórusvíz csak nehezen, vagy egyáltalán nem képes kisajtolódni az agyagból. A felső üledékrétegek önsúlyából származó litosztatikus nyomás a pórusvizet is terheli, így rosszul tömörödött, hézagtérfogatukban nagy nyomású vizet tartalmazó, ún. túlnyomásos zónák keletkeznek. Az egyensúly beállása még földtörténeti időtartamokban számolva is elhúzódik. A túlnyomásos zóna olyan hidrodinamikai csapdát képez, amely szerepét tekintve a szénhidrogén-tárolók át nem eresztő (impermeábilis) fedőkőzeteivel analóg. A vastag agyagrétegek közé természetszerűen jó permeabilitású homokrétegek is települnek, ezek megtartják porozitásukat, víztartalmukat, s a mélyre süllyedt túlnyomásos tárolókat alkotják. A legismertebb ilyen túlnyomásos hévíztárolók a Mexikói öböl partvidékén Texasban és Louisianában találhatók 3-7 km mélységben 100 Mpa (1000 bar) nagyságrendű túlnyomásokkal. Bár e gyorsan süllyedő medencék geotermikus gradiense a környezeténél mindig kisebb, a nagy mélység miatt elég nagy a hőmérséklet, a nagy nyomás miatt pedig a telepfolyadék entalpiája is nagyobb. Konvektív fűtésű tárolók

12


13

A legkiugróbb geotermikus anomáliák – pl. egy fiatal magma-intrúzió környezete – olyan intenzív földi hőárammal jellemezhetők, amelyet a porózus, vagy a töredezett kőzetváz vezetéssel már nem képes továbbítani. Ismeretes, hogy a belső energia konvektív árama sokkal nagyobb energiaáram-sűrűséget tesz lehetővé, mint a hővezetés. A mélység mentén növekvő hőmérséklet a sűrűség csökkenésével jár, s ilyen esetben a folyadék mechanikai egyensúlya nem lehet stabilis. A nagyobb hőmérsékletű, kitágult folyadéktömegre a sűrűségcsökkenéssel arányos archimédeszi felhajtóerő hat, amely a nehézségi erőre szuperponálódva áramlást kelt a folyadékban. Ez az áramlás nagy mennyiségű belső energia átvitelét teszi lehetővé. A termokonvekció mechanizmusa egy igen nagy hővezetőképességű réteggel egyenértékűen viszi át a földi hőáramot, kis hőmérséklet-változás mellett is igen nagy a hőáram. Ahhoz, hogy egy porózus kőzettest pórusvíz-tömegében termokonvekciós áramlás alakulhasson ki, mennyiségileg is jól meghatározható feltételeknek kell teljesülniük. Legfontosabb ezek között a nagy geotermikus gradiens. Ez legtöbbször meghaladja a 0,2-0,3 oC/m értéket. Oka általában valamilyen felszínhez közeli (< 3 km mélységű) fiatal magma-intrúzió. A nagy hőmérsékletű magma (650-1200 oC) igen erősen fűti környezetét, s ez a felszín felé igen nagy (1 W/m2) erősségű földi hőáramot okoz. A felszínhez közeli üledékes kőzetek hővezetési tényezője legtöbbször elég kicsiny (2 W/moC), ezért a mélységgel igen gyorsan nő a hőmérséklet. A termokonvekció kialakulásának szükséges feltétele a nagy áteresztőképesség is. Ez kétféle esetben lehetséges. Az egyik, hogy durva szemcsés, rendszerint deltaüledékből kifejlődő homokos, homokköves rétegekben alakul ki a tároló. A másik lehetőség – és ez a gyakoribb -, hogy nem porózus, hanem repedezett kőzetek sokkal kisebb áramlási ellenállású járataiban alakul ki a konvekció, ebben az esetben már nem is szivárgás, hanem áramlás formájában. Szükség van a tároló elegendően nagy függőleges irányú méretére is: ekkor a konvekció hosszabb úton hatékonyabban viszi át a belső energiát a felszínhez közeli kőzettartományba. Növeli a konvekció intenzitását, ha a tárolót kitöltő forró víz hideg víz utánpótlást kaphat. Ekkor nagyobb a hőmérséklet s így a sűrűségkülönbség, s az erőteljesebb vízmozgás több belső energiát visz a felszín közelébe. A konvektív fűtésű tároló fogalmi modelljét a 11. ábrán szemléltetjük. A hideg víz utánpótlása, mint csapadékvíz általában törések, vetők mentén történik. A tárolókőzet sokszor közvetlenül a magma-intrúzióval érintkezik pl. Nesjavellir vagy Krafla Izlandon. Máskor az intrúzió fölött jó hővezetőképességű kristályos alapkőzet, erre települ a repedezett tároló. A tárolót legtöbbször impermeábilis – át nem eresztő – fedőkőzet borítja, amely esetleg csak vetők mellett engedi kialakulni a természetes hévíz, vagy gőzforrásokat, a geotermikusan aktív területek leggyakoribb felszíni megnyilvánulásait. Ezek igen gyakran elvízkövesednek, bedugulnak. A konduktív fűtésű tárolóval szemben a konvektív fűtésű tároló hőmérsékleteloszlása nem lineáris. A konvekció zónájában igen kicsi a hőmérséklet változása, s csak a konvekciós cellák és a külszín között nagy a geotermikus gradiens értéke 12. ábra.

13


14

11. ábra Konvektív fűtésű tároló modellje Így a konvektív tárolókban viszonylag kis mélységben már nagy hőmérsékletű telepfolyadékot találunk, amelyet kevésbé mély, s nagyobb átmérőjű fúrásokkal olcsóbban elérhetünk.

12. ábra Konduktív fűtésű tároló hőmérséklet-eloszlása A tároló nyomáseloszlása, ha forró víz tölti ki közel hidrosztatikus, csak a felszálló forró, s a leszálló hidegebb áramlás hatására torzul kevéssé. A gőzt vagy gőzvíz keveréket (nedves gőz) tartalmazó tárolók mélység menti nyomásgradiense kisebb, a száraz túlhevített gőzt tartalmazó Geyser-mező nyomáseloszlása a gőz-zónában közelebb áll a konstanshoz, mint a hidrosztatikushoz ( 13. ábra).

14


15

13. ábra Gőz –és víz rezervoár nyomáseloszlásai Energiahasznosítás szempontjából legértékesebbek a túlhevített gőzt tartalmazó lelőhelyek. Legismertebbek Lardarello Olaszországban, Matsukawa Japánban és a jelenlegi legnagyobb erőművet tápláló kaliforniai Geyser’s mező. Más tárolók forró vize a termelő kútban felszállva alakul gőzzé: pl. Wairakei és Broadlands Új-Zélandon, Imperial Valley Kaliforniában. Valamennyi ismertetett tároló óceánközépi hátságokon, litoszféra-lemezszegélyeken vagy harmadkori orogén területeken található. A porózus, vagy repedezett kőzettest hézagtérfogatát kitöltő rétegvíz nem egynemű, tiszta H2O. A hézagrendszer belső felülete igen nagy (pl. 1m3 homok belső pórusfelülete 2 millió m2). Ezen a nagy felületen, viszonylag nagy hőmérsékleten érintkezik egymással a kőzet és a víz. A víz jó oldószer, és kémiai kölcsönhatásba kerül a kőzettel. Különösen alacsony pH értéknél és magas hőmérsékleten gyorsul fel a folyamat. Egy-két órától egy-két napig terjedő intervallumban kimutathatóan megváltozik az oldat összetétele és tart a kémiai egyensúly irányába. A leggyakoribb összetevők a Na, K, Ca, SiO2, Cl, F, SO4 ionok, az oldott gázok között legtöbbször CO2, CH4, N2, H2S, H2, Ar, és NH3 található. Ezeknek a komponenseknek a koncentrációja mezőről-mezőre jelentősen változik, de kisebb mértékben ugyanennek a geotermikus mezőnek az egyes tároló-részei között is. Néhány tároló típushoz jellegzetes rétegvíz-összetétel rendelhető. A nátrium-kloridos víz a leggyakrabban a nagykiterjedésű, üledékes medencékben fordul elő. A pH-érték a semlegeshez közeli, de a kútban feláramló vízből gőz és széndioxid válik ki, és a pH érték lúgos irányban módosul. Legjellemzőbb kation a nátrium, az anionok közt a klór/szulfát arány nagy. Egyébként erősen változó koncenctráció-értékek fordulnak elő. Magyarországon különösen Debrecen környékén találunk erősen kloridos rétegvizeket (Debrecen, Hajdúböszörmény, Hajdúszoboszló, Hajdúnánás, Karcag … stb.). A savas, szulfátos-kloridos rétegvizek viszonylag ritkábbak. A víz savasságát az okozza, hogy a tárolóban a szulfidok szulfáttá oxidálódnak. A kitermelt víz pH-értéke

15


16

lehűléskor tovább változik savas irányba. Hazánkban Sárospatak-Végardó kútjai adnak szulfátos-hidrogénkarbonátos vizet. A budapesti hévizek csaknem mindegyike szulfátos-kloridos-hidrokarbonátos jellegű. A hidrogénkarbonátos vizek jellemzik a Magyar Alföld alatt található, felsőpannóniai korú homokköves hévíztárolót. Emellett Bükkszék, Bükfürdő, Sárvár, Bogács, Hévíz esnek ebbe a kategóriába. A rétegvizekben szoros összefüggés áll fenn a víz kalcium-hidrogénkarbonát és szénsav tartalma között. A vízben oldott kalciumhidrogénkarbonát ugyanis a vízben gyakorlatilag oldhatatlan kalcium-karbonátra, vízre és széndioxidra bomlik: Ca (HCO 3 )2 ⇔ CaCO 3 + H 2O + CO 2

Látjuk, hogy a folyamat megfordítható, ami azt jelenti, hogy a CO2 csökkentésével CaCO3 válik ki a vízből (vízkőképződés). Ha viszont CO2 kerül a vízbe, a reakció fordított irányban megy végbe a kalcium-karbonát a jól oldódó kalciumhidrokarbonáttá alakul, így keletkeznek a mészkőben a karsztos képződmények. Azt a széndioxid-mennyiséget, ami az oldatban lévő kalcium-hidrokarbonát oldatban tartásához szükséges egyensúlyi szénsavnak nevezzük. Ha a víz éppen az egyensúlyi szénsavnak megfelelő szabad szénsavat tartalmazza, akkor a mész és a szénsav egyensúlyban van. Az egyensúlyi szénsavmennyiség függvénye a víz hőmérsékletének és kalciumhidrogén-karbonát tartalmának. Ha a széndioxidtartalom az egyensúlyi értéknél kevesebb, a vízből kalciumkarbonát válik ki mindaddig, míg a kalciumhidrogén-karbonát koncentráció az egyensúlyi szénsavnak megfelelő értékig le nem csökken. A vízkő ilyenkor kiválik a kút, vagy a csővezeték falán, az áramlás keresztmetszetét leszűkítve, akár teljes eldugulásra is vezethet. Ha a széndioxid tartalom nagyobb az egyensúlyi értéknél, akkor a lerakódott vízkőréteget feloldja, az acélcsövet pedig agresszíven károsítja, lyukadást okoz. A mélyfúrás és kútkiképzés

A geotermikus energia kitermelése a forró víz, vagy gőz mélyfúrású kutakon keresztül történő felszínre hozatalával történik. A mélyfúrás technológiáját a szénhidrogénipar fejlesztette ki. Lényege, hogy a földkéregben többnyire függőleges irányú, körszelvényű több ezer méter mélységű fúrólyukat állítanak elő. Ennek három alapvető rész-folyamata: a kőzet felaprítása, a furadék felszínre szállítása és a lyukfal biztosítása. A legelterjedtebb, szinte kizárólagosan használt módszer a rotari fúrás. Ebben a kőzet megbontását és felaprítását a fúrólyuk talpára szorított fúró forgó mozgása végzi. A fúró szára egy felszínig érő cső, amelynek üregén át fúróiszapot juttatnak a lyuktalpra: ez a fúró éleinél kilépve a fúrócső és a lyukfal közötti körgyűrűkeresztmetszetű hengeres téren át szállítja felszínre a kifúrt kőzetszemcséket. A lyukfal biztosítása a fúrással egyidejűleg történő acél béléscsövek beépítésével történik. A béléscsöveket a kőzet falához cementezik. A lyuktalpon dolgozó görgős, vagy gyémánt fúró 14. ábra csőrudazat végén függ. A csőrudazat közvetíti a felszínről a forgó mozgást. A fúrórudat a felszínen egy kúpos fogaskerékpár nagyobbik átmérőjű tányérkereke, a forgatóasztal forgatja. A

16


17

fúrócsőoszlopot a fúrólyuk mélységének növekedéséhez igazodva folyamatosan toldják 5-14 m-es darabokból.

14. ábra Görgős fúrók A fúrószerszám a fúróból és az azt felfüggesztő felszínig meghosszabbított fúrószárból áll. A fúrószár a fúrás energiavezetéke: átviszi a forgatónyomatékot a felszínről a fúróra, alsó vastagfalú szakaszával az ún. súlyosbítóoszloppal terheli s talpra szorítja a fúrót, az iszapszivattyúval a fúrócsövön átáramoltatott fúróiszap a fúró öblítőnyílásain kiáramolva elsodorja a fúró élei ebből a kifúrt kőzetszemcséket és a felszínre szállítja a furadékot. Ugyanakkor a fúróiszap hűti a súrlódástól felmelegedett fúrószerszámot, hidrosztatikai nyomása pedig „kitámasztja” a csupasz lyukfalat, védi az omlástól. A fúróiszap nagy sűrűségű (1200-1500 kg/m3) szuszpenzió. Emiatt az iszappal töltött fúrólyuk hidrosztatikus nyomása nagyobb, mint az átfúrt kőzettestben tárolt vízé: megakadályozza a beáramlást, s kitámasztja a lyukfalat. Ugyanakkor a nagyobb sűrűségű iszapban nagyobb a felhajtóerő a furadék felszínre hozásához. A fúrószerszám felfüggesztésének, emelésének megoldására épül a fúrótorony, amelyben a horogra akasztott fúrószerszámot különlegesen teherbíró sodronykötéllel egy csigasorrendszer beiktatásával mozgat az emelőmű ( 15. ábra). A forgó fúrószerszám legfelső vége az öblítőfejen keresztül csatlakozik az álló iszapvezeték-rendszerhez és a felfüggesztő horoghoz. Az öblítőfej a fúrószerszám olyan görgős talpcsapágyazású felfüggesztése, amely a megfelelő forgó tömszelencével lehetővé teszi az öblítőiszap bevezetését forgás közben. A kengyellel felfüggesztett acélöntvény öblítőfejházban talpcsapágy támasztja alá az öblítőfej felül tárcsában végződő orsóját. Az orsó a házban radiális csapágyak közt fut. A horog egy mozgó csigasorhoz csatlakozik, amely a fúrótorony tetején elhelyezett koronacsigasoron függ. A csigasorrendszerbe befűzött emelőkötelet a fúrótorony munkaszintjén elhelyezett emelővitla mozgatja. Az emelődob szalagfékével a fúrószár nagyobb felső részét megfeszített állapotban tartja. A kiegyensúlyozatlanul maradt alsó rész súlya adja a fúró terhelését. Az állandó, egyenletes terhelés biztosítására a fúró haladásának megfelelően az emelőkötelet a dobról utánengedik. A csigasoron átfűzött kötél másik ágát a toronyhoz rögzítik. Az emelőművet, a forgatóasztalt, az iszapszivattyút legtöbbször belsőégésű motorral hajtják. A hajtómotorokat csoportos hajtómű kapcsolja össze.

17


18

15. ábra Fúróberendezés vázlata Ha a fúró eltompul, a fúrószárat az emelőművel kiemelik a fúrólyukból. A kiemelés előtt a forgatórudat és az öblítőfejet a fúrószárról lecsavarják és félreállítják az ún. rókalyukba. Az emelőművel a szállítószéken függő fúrószárat 2-3-4 fúrócsőből álló rakatonként szétcsavarva emelik ki a lyukból és félreállítják. a fúrócsere után a fúrószárat ismét rakatokból összecsavarva leeresztik a lyukba, a forgatórudat és az öblítőfejet visszaszerelik, s a fúrást folytatják. Az öblítőiszap áramlását a fúrószárban és a fúrószár és a lyukfal közti gyűrűs térben dugattyús iszapszivattyúk tartják fenn. A felszínre érkező fúróiszapból a furadékszemeket leválasztják, s a tiszta fúróiszapot újra besajtolják. A fúrás műveletét nagy átmérőjű, a hazai termálkutaknál legtöbbször φ 432 mm átmérőjű fúróval kezdik, s a felszíntől mintegy 30-50 m-ig mélyítik le. Ebbe általában 340 mm átmérőjű vezető béléscsőoszlopot bocsátanak le, majd a béléscső és a lyukfal közötti körgyűrűhengert cementtejjel töltik ki. A felszínhez közeli laza rétegek biztosításán kívül a vezető béléscsőoszlop feladata a fúrólyuk függőleges irányának meghatározása is. Ezt követi a második fázis: a 305 mm-es fúróval folytatják a fúrást, 350-700 mes mélységig. Ebben bocsátják le a 244,5 mm külső átmérőjű biztonsági

18


19

béléscsőoszlopot. Ennek feladata az ún. kitörésgátló tolózár-kombináció lehorgonyzása. A biztonsági béléscsőoszlop és a lyukfal közötti gyűrűs teret is a felszínig cementezik. A fúrást a harmadik lépésben 212,7 mm átmérőjű fúróval folytatják, a megnyitandó vízadó rétegek mélységétől függően 1200-2200 m mélységig. Ebbe a 178 mm külső átmérőjű termelési béléscsőoszlopot építenek, amelyet csak a biztonsági béléscsőoszlop alsó vége (saruja) fölött 80-100 m-ig cementeznek. A szakaszosan fúrt lyukban az egymásba illő béléscsőoszlopok egymáson belüli felfüggesztését és a gyűrűs terek tömítését a béléscsőfejekkel oldják meg. Végül a megfelelő mélységben a termelési béléscsövet vagy perforálják, vagy szűrőt építenek be. Így nyeri el a kút végleges, jellegzetesen teleszkópos kialakítását. (16. ábra).

16. ábra Hévíztermelő kút vázlata Az elkészült kút a nagy sűrűségű fúróiszappal van tele. Ez megakadályozza, hogy a víztermelésre kiválasztott rétegekből beáramoljon a folyadék a kútba. A fúróiszapot előbb el kell távolítani egy erre a célra kifejlesztett szerszámmal. Ha ez legalább részlegesen megtörtént, a kúttalpi nyomás csökken, a beáramlás megindul és a telepfolyadék kiszorítja a maradék fúróiszapot. Víztermelés a hévízkútból

Ismeretes, hogy a geotermikus tárolók túlnyomó többségében vízfázisban van a telepfolyadék. Ritka kivétel a túlnyomásos száraz gőzt tartalmazó rezervoár, mint pl. a legnagyobb geotermikus erőművet ellátó Geyser’s mező Kaliforniában San Francisco közelében. Gőzt tartalmazó tárolónál már a fúrás közben szükség van kitörésgátló

19


20

berendezésre, s ha elkészült a kút, a kútfejszerelvényt megnyitva szabadon áramlik a túlnyomás hatására a kúton keresztül a felhasználóhoz a gőz. A nagy nyomású forró vizet tartalmazó tárolókat megcsapolva, a kút nagy mélységű szakaszán még vízfázisú a telepfolyadék. Ahogyan feláramlik a kútban, nyomása csökken, hőmérséklete azonban sokkal kisebb mértékben. Így egy jól meghatározható mélységben, ahol a víz nyomása eléri az adott hőmérsékletű víz telített gőznyomását, a víz azonnal, teljes tömegében felforr (flashing) és a rendszer ellennyomásától függő mértékben forrásban levő gőz-víz keverék formájában ömlik a felszíni vezetékbe. A forráspontot el nem érő, a felszíntől át nem eresztő fedőkőzettel (caprock) el nem zárt tárolók nyomása hidrosztatikus. Az ilyen tárolóba fúrt kútban a talajvízszintnek megfelelő nyugalmi vízszint alakul ki. Ezekből a tárolókból is termelhetünk szabad kifolyással. Hazai hévízkutainkra ez az üzemmód jellemző. Ez a következőképpen lehetséges. Egy állandó sűrűségű víztest hidrosztatikus nyomása a p = p0 + ρgz

(11)

összefüggéssel írható le, a mélység mentén ez nyilvánvalóan egy egyenest ad. Ha a sűrűség változik a dp = ρg dz

(12)

differenciálegyenlet adja meg a változást. A földkéregben a hőmérséklet a mélységgel lineárisan nő, az abban tárolt víz hőmérséklete is: T = T0 + γz

(13)

A hőtágulás miatt viszont kisebb a nagyobb mélységű, nagyobb hőmérsékletű rétegvíz sűrűsége. Közelítőleg a

[

ρ = ρ 0 ⋅ 1 − α(T − T0 ) − β(T − T0 )

2

]

(14)

parabolikus függvénykapcsolattal írható le a sűrűség-változás. Behelyettesítve a hőmérséklet-különbséget a (13) egyenletből a

[

ρ = ρ ⋅ 1 − αγz − βγz 2

]

(15)

eredményt kapjuk. Ezt behelyettesítve a (12) differenciálegyenletbe, integrálás után p = p 0 + ρ 0 gz − αγρ 0 g

z2 z3 − βγ 2 ρ 0 g 2 3

(16)

az eredmény. Ez a két utolsó tagban tér el az állandó sűrűségű víz nyomáseloszlásától, amint azt a 17. ábra mutatja.

20


21

17. ábra Nyomáseloszlás a tárolóban és a kútban A még meg nem nyitott, vagy átmenetileg lezárt kút vize kőzet-környezetével hőmérsékleti egyensúlyba kerül, tehát nyomáseloszlása is a (15) egyenletnek megfelelő. A kút beindítása úgy történik, hogy ezt a természetes geotermikus hőmérsékleteloszlású vizet eltávolítjuk a kútból, s helyére a kúttalpnak megfelelő T = T0 + γH

(17)

hőmérsékletű és

[

ρ = ρ0 1 − αγH − βγ 2 H 2

]

(18)

sűrűségű víz áramlik be a perforációkon keresztül. Amikor ez az állandó sűrűségű forró víz tölti meg a kútoszlopot, a talpnyomás értéke

[

p t = p 0 + ρ0g 1 − αγH − βγ 2 H 2

]

(19)

s ez nyilvánvalóan kisebb, mint a (15.) egyenletből adódó  H2 H3  p t = p 0 + ρ0g 1 − αγ − βγ 2  2 3  

(20)

érték. A nagyobb rétegvíznyomás hatására azután folyamatosan áramlik be a kúttalpon a forró víz, a kútfejen mintegy 2-3 bar túlnyomással ömölve a felszíni szállítóvezetékbe. Ehhez az áramlást fenntartó hatáshoz egy másik is járul. A termelőcsőben feláramló hévíz nyomásának csökkenésével az abban oldott gázok (CH4, N2, CO2) nagy része kiválik az oldatból, s a kút felső 2-300 m-es szakaszán egy buborékos víz-gáz keverék áramlik, akár az 50-50 térfogatszázalékot is elérve. A buborékos folyadékoszlop sűrűsége nyilvánvalóan kisebb (5-600 kg/m3), tehát a hidrosztatikus nyomása is. Így a kúttalpon még kisebb ellennyomással szemben áramolhat be a kútba a rétegvíz.

21


22

18. ábra Kútfejnyomás a térfogatáram függvényében Tehát a szabad kifolyással termelő hévízkút egyrészt a „hőlift”, másrészt a „gázlift” hatására termel. A kútfejen mérhető nyomást a kút által termelt hévíz térfogatáramának függvényében ábrázolva egy jellegzetes, az adott kútra jellemző pkf(Q) görbét kapunk (18. ábra). Ez a kút ún. jelleggörbéje. A kútra csatlakozó felszíni vezeték áramlási ellenállását a csővezeték jelleggörbéje ábrázolja. A két görbe metszéspontja a rendszer munkapontja, ez szabja a kút valódi hozamát és nyomását. A művelés tartama alatt a tároló nyomása jelentős mértékben csökkenhet. Ebben az esetben szivattyúzással pótoljuk a vízadó réteg csökkenő nyomási energiáját. Erre legalkalmasabbak az ún. búvárszivattyúk. Ezek a vízszint alatt üzemelő gépek meghajtó motorjuk is a víz alá merül. A búvárszivattyú az ún. örvényszivattyúk egyik fajtája. Az örvényszivattyú működési elve fordítottja a turbináénak. A szivattyúházban forgó járókerék lapátjai az átáramló vízen munkát végeznek, ezáltal annak energiatartalma megnövekszik. A szivattyú járókerekén a turbinával ellentétben, sugárirányban kifelé áramlik a víz. A 19. ábrán látható sebességi háromszögek ezt jól szemléltetik.

19. ábra Sebességi háromszögek a járókeréken

22


23

A meghajtott tengely nyomatéka növeli meg a víz perdületét az & (R 2c 2u − R1c1u ) M=m

(21)

egyenletnek megfelelően. Az időegységre eső energianövekedés, a teljesítmény & ω(R 2c 2u − R1c1u ) P = Mω = m

(22)

Az energianövekedésnek megfelelően ez az érték pozitív. Fajlagos értéke az ún. elméleti szállítómagasság: u c − u1c1u H e = 2 2u g

(23)

Ahogy a turbináknál tettük, most is a cosinus tételt alkalmazzuk a sebességi háromszögekre:

w 2 = c 2 + u 2 − 2uc cos α

(24)

Mivel cu = c·cosα, felírhatjuk, hogy uc u = c 2 + u 2 − w 2

(25)

Ezzel az elméleti szállítómagasság c 2 − c 2 u 2 − u 2 w 2 − w 22 He = 2 1 + 2 1 + 1 2g 2g 2g

(26)

Az első tag nyilvánvalóan a kinetikus energia növekménye. A második és a harmadik tag viszont a nyomási energia megnövekedése. A szivattyú járókerekének lapátjai között az áramlási keresztmetszet jól felismerhetően nő az áramlás irányában, tehát a w relatív sebesség csökken, ez a nyomás növekedésének egyik forrása. A másik a kerületi sebességkomponens növekedése, hiszen a sugárirányban kifelé áramló vízre u2 > u1. A forgó járókereket a szivattyúházhoz rögzített álló vezetőlapát-koszorú követi, ezen átáramolva csökken a víz perdülete és kinetikus energiája, ez a nyomás további növekedését okozza. Mivel a búvárszivattyúnak el kell férnie a termelőcsőben, sugárirányú méretei nem lehetnek tetszőlegesek. Ez határt szab egy járókerekekkel előállítható nyomásnövekedésnek, hiszen az u 22 − u12 érték erősen korlátozott. Ezen több járókerék sorbakapcsolásával segíthetünk. A 20. ábrán látható egy szivattyúfokozat, ami a járókerékből és az azt követő vezetőkerékből áll. Szinte tetszőleges számú szivattyúfokozat kapcsolható sorba, az olajkutakba akár 100 fokozatú búvárszivattyúkat is telepítenek.

23


24

20. ábra Egy búvárszivattyú fokozat: járókerék és vezetőkerék A búvárszivattyút a termelőcső tartja, amint az a 21. ábrán látható. Legalul egy vezető közdarabot találunk, ez biztosítja, hogy a szivattyú a béléscsőoszloppal egytengelyű legyen, szerelés közben ne sérüljön a beépítés során. A hévíztermelésre használt búvárszivattyúk motorja a 70-150 oC-os vízbe merül, s ezt a tartósan magas hőmérsékletet jól tűri. 3-5 éves az elvárható élettartam, de akad 10 éve zavartalanul üzemelő gép is. A motor rendszerint háromfázisú, kétpólusú aszinkron villamos motor 2880-2915 min-1 fordulatszámmal. A sugárirányú méretek csökkentésének igénye hozta létre a karcsú, hosszú motoralakot. Rendszerint olajjal töltött házban forog a motor forgórésze, a jól szigetelő olaj keni a csapágyakat és a forgórészben fejlődő hőt szállítja a köpenyhez, amelynek külső palástfelületét a termelt hévíz hűti. Fontos, hogy a motor a perforáció, vagy a beépített kavicsszűrő fölött legyen beépítve, s így az intenzív áramlás a külső palástfelületen kedvező hőátadást tegyen lehetővé. A perforáció alatt nem áramlik a víz, csak szabad konvekció jöhet létre. Ennek hőátvitele sokkal gyengébb és így leégne a motor. Nagy mélységben elhelyezett búvárszivattyúknál jelentős teljesítményveszteséget okoz a kábel ellenállása. A helykihasználás miatt a kábel lapos, és lemezborítás védi. A búvárszivattyúk karcsú, minél kisebb átmérőjű motorjai meglepően nagy teljesítményre képesek. A 115 mm-es külső átmérőjű motorok csúcsteljesítménye 80

24


25

kW, a hévízkutak szokásos béléscső-méreteinél még alkalmazható 220 mm-es átmérővel pedig 650 kW is elérhető.

21. ábra Kútba épített búvárszivattyú

22. ábra Folyadékzár

A motort megtöltő olajat el kell szigetelni a kútban áramló víztől. Ezt a 22. ábrán látható protektornak is nevezett folyadékzár teszi lehetővé. A folyadékzárat magában foglaló szerkezeti egység egyúttal tengelykapcsoló, csapágyház, és az olaj hőtágulását lehetővé tevő tartálynak is helyt ad. A protektor fölött helyezkedik el a beömlő keresztmetszet, szűrővel ellátva, majd itt következnek a szükséges számban beszerelt szivattyúfokozatok. Egy csatlakozófejjel rögzítik a szivattyút a termelőcső alsó végére. A termelőcső és a béléscső között már nagyobb a gyűrűs tér, itt rendszerint a kábel is körkeresztmetszetű. A termelőcsőben visszacsapó és zárószelepek találhatók. A különlegesen kiképzett kútfej egyrészt megtartja a termelőcső és a szivattyú súlyát, átengedi a kábelt a kútból a

25


26

felszínre. Ott egy csatlakozó doboz, mérőműszerekkel ellátott kapcsolószekrény és transzformátor tartozik még a búvárszivattyúhoz. Szokásos konstrukció, hogy a szivattyú egy hosszú tengely végén forog, a meghajtó motor pedig a felszínen van. A tengely hossza 100-120 m is lehet. A 23. ábra mutat egy ilyen megoldást.

23. ábra Felszínről meghajtott búvárszivattyú 1. motor 2. kútfej 3. csapágy 4. tengely 5. kenés 6. termelőcső 7.béléscső 8. beömlőcsonk 9. szivattyú 10. nyomócsonk 11. kinagyított részlet (14 és 15) 12. közdarab 13. kapcsolószekrény 14. nyitott csapágy 15. zárt csapágy Hőcserélők

A hőcserélő a geotermikus energiatermelő rendszer egyik igen fontos eleme. Egyrészt azért van rá szükség, mert a tárolóból kitermelt telepfolyadék vízkőkiválásra hajlamos, vagy korróziót okoz, így közvetlen alkalmazását korlátozza kémiai összetétele. Másrészt a kettős közegű körfolyamatokkal az elektromos energiatermelés hatásfoka javítható, s az alacsonyabb forráspontú, szerves munkavégző közegek felmelegítése is hőcserélőben történik. Az oldott anyagok koncentrációja a telepfolyadékban, valamint az egyes koncentrációk aránya a hőmérséklet függvénye. Ezen alapulnak a különböző geokémiai hőmérséklet-mérő eljárások. Ugyanakkor egy adott telepfolyadék koncentrációviszonyai arra késztetik az energetikus mérnököt, hogy ugyanezekből az adatokból

26


27

meghatározza a vízkőkiválás és a nem kondenzálódó gázok felszabadulásának hatását a hasznosítás során. A kútban felfelé áramló telepfolyadék nyomása és hőmérséklete csökken, a tárolóban korábban meglévő kémiai egyensúly megszűnik, s megindul a vízkőkiválás. A keresztmetszet-szűkítések fojtó hatására fellépő gőzképződés az ilyen szerkezeti elemek: fúvókák, tolózárak, mérőperemek erőteljes elvízkövesedését okozza. Amíg a karbonátos vízkőkiválás elsősorban a nyomáscsökkenés hatására keletkezik, a szilikátok lerakódása egyértelműen hőmérsékletfüggő. Figyelemreméltó következtetések levonására alkalmas a 24. diagram.

24. ábra A szilícium oldhatósága a hőmérséklet függvényében A vízszintes koordinátatengelyen a telepfolyadék hőmérsékletét, a függőlegesen az oldott szilikát mennyiségét találjuk. Az alsó görbe a kvarc oldódását ábrázolja, míg a felső, a nagyobb koncentráció-értékekkel az amorf szilíciumdioxidot jellemzi. Nyilvánvalóan nincs vízkőkiválás, ha a hőmérséklet és a koncentráció összetartozó értéke által meghatározott pont a két görbe közötti tartományba esik. A kútban feláramló, vagy fojtás miatt lehűlő forró víz-gőz keverékben a gőzfázis növekedése a két görbét összekötő transzverzálisok mentén zajlik a nyíl irányában. Érdekes következmény, hogy a fojtással megvalósított gőzképződés csak mintegy 20-25% fajlagos gőztartalomig, és 100 oC hőmérsékletesésig nem okoz szilikát-lerakódást. A forró víz 75-80%-a csak vízkőkiválás árán hűthető tovább. A vízkőkiválás elkerülésére módosíthatjuk a forró víz pH-értékét tiszta víz bekeverésével, amint ezt pl. Zalakaroson sikerrel teszik, alkalmazhatnak inhibitort, vagy pedig egy hőcserélőben tiszta vizet melegítenek fel, s a vízkőlerakódás a hőcserélő szerkezeti elemeire korlátozódik. A hőcserélő olyan berendezés, amelyben két áramló közeg, általában elválasztó falon keresztül, kényszerkonvekcióval hőt ad le ill. vesz fel, az ún. fluid ágyas hőcserélőkben a két közeg – általában különböző fázisban – közvetlenül érintkezik, a hőcsere elválasztó felület nélkül történik. A leggyakoribb hőcserélő típusokat: a csőköteges, a lemezes, a bordás és a fluid ágyas hőcserélőket a geotermikus energiatermelésben egyaránt használják.

27


28

A 25. ábrán egy rögzített csőköteges hőcserélőt láthatunk. Ez a legegyszerűbb szerkezetű, és a legolcsóbb készülék. A telepfolyadék a csőkötegben áramlik, míg a csövek külső felülete fűti a csőköteg és a köpeny között átáramló szekunder közeget. A csövek melegebbek lévén, mint a köpeny, a készülékben jelentős termikus feszültségek ébrednének. Ezt egy dilatációs elem beépítésével kerülik el. Hátránya, hogy a csőköteg külső felülete nem tisztítható mechanikailag, az esetleges lerakódások a hőátadás hatékonyságát rontják.

25. ábra Rögzített csőköteges hőcserélő Az úszófejes csőköteges hőcserélőkben, amint a 26. ábra mutatja, a csőköteg és a köpeny a termikus feszültségek hatására szabadon elmozdulhat egymáshoz képest. A csőköteg tisztítás céljából kiemelhető, a szekunder folyadék szivárgásmentesen tartható. Hátránya, hogy az úszófej meghibásodásakor agresszív, esetleg mérgező anyag szivároghat ki.

26. ábra Úszófejes hőcserélő Az U-csöves csőköteges hőcserélőt a 27. ábra szemlélteti. Ez a konstrukció is kiküszöböli a termikus feszültségeket a csőköteg és a köpeny között. Mindössze egy rögzítési helyre van szükség. Hátránya, hogy tisztítása nehezebb, s a meghibásodott, esetleg korrodált csövek cseréje is körülményes. A hőcserélők méreteinek és árának csökkentése a bordázott, ill. nem-körkeresztmetszetű csőkötegek alkalmazásához vezetett. Ily módon nagy változatosságban alakítottak ki nagy fajlagos hőátadó felületű készülékeket.

28


29

27. ábra U-csöves hőcserélő A 28. ábrán látható lemezes hőcserélőben a telepfolyadék és a melegített közeg váltakozva áramlik keresztül minden második nagy fajlagos felületű áramlási csatornán. Az áramlás formája ellenáramú, turbulens, nagy az eredő hőátbocsátási tényező, s viszonylag kis méretű de igen hatásos hőátadást megvalósító a készülék. A lemezek rozsdamentes acélból, ritkábban titánötvözetből készülnek. A lerakódott vízkőréteg csak kémiai eszközökkel távolítható el.

28. ábra Lemezes hőcserélő A hőcserélők méretezésének alapja a Q = U ⋅ A ⋅ ∆T

(27)

összefüggés. Ebben U az eredő hőátbocsátási tényező, a hőátadó felület, ∆T pedig egy jellemző hőmérsékletkülönbség. Általában lamináris áramlásra egyszerű aritmetikus hőmérsékletkülönbséget veszünk, turbulens áramlás esetén viszont a logaritmikus átlaghőmérséklet-különbséget:

∆Tln =

(T1 − t 2 ) − (T2 − t1 ) T −t ln 1 2 T2 − t1

29

(28)


30

Ez a kifejezés ellenáramú hőcserélőkre érvényes, T a primer, t a szekunder közeg hőmérséklete, az 1. index a belépésre, a 2. a kiömlésre vonatkozik. Egyenáramú hőcserélőknél értelemszerűen a T1-t1 és a T2-t2 különbségeket kell használnunk. Ha a primer közeg geotermikus gőz, meg kell oldani a nem-kondenzálódó gázok eltávolítását. Enélkül a gáz összegyűlhet a hőcserélő bizonyos részein és pangó holtteret, s az ezzel járó csökkenő hőátadást okozhat. A nagy oldottanyagtartalmú hévizek számára a lemezes hőcserélők a legjobbak. Az eredő hőátbocsátási tényezőt ismert módon számíthatjuk, a lamináris alapréteg és a csőfal közötti hőátadási tényező, a csőfalban, a rárakódott vízkőrétegben kialakuló vezetés, valamint a csőköteg külső felületén adódó konvekció hőátadási tényezőjének figyelembevételével:

1 1 R o R1 R o R 2 R = + ln + ln + o U o h o k a R o k v R1 R 2h 2

(29)

Nagyságrendek érzékeltetése végett szeretnénk megadni néhány tapasztalati értéket: TÍPUS Csőköteges Lemezes Csőköteges Lemezes Csőköteges Lemezes

KÖZEGFAJTÁK gőz/gőz gőz/víz víz/víz víz/víz nedves gőz/víz nedves gőz/víz

U W/M2OC 1500-2000 3000-4000 1000-1500 3000-4000 1000-1500 3000-4000

Néhány további gyakorlati szempontot a hőcserélők tervezése és üzemeltetése során egyaránt figyelembe kell vennünk: A hőcserélő csövét belülről sokkal könnyebb tisztítani, mint a külső palástfelületet, vagy a köpenyt. Ezért a vízkő-lerakódásra hajlamosabb közeget mindig a cső belsejében áramoltassuk. A korrózív közeg hasonlóképpen a csőköteg belsejében áramoljon. A rozsdamentes anyagok drágák, ha a köpeny ebből készülne, az egész hőcserélő sokkal költségesebb volna. Egy-egy korrodált csövet is könnyebb cserélni, mint a köpenyt javítani. A nagyobb nyomású folyadékot kell a csőbe vezetni. Ha a köpenyben lenne a nagyobb nyomású tér, a falvastagságnak, a berendezés tömegének, árának jelentős növekedésére számíthatnánk. A nagyobb hőmérsékletű folyadékot célszerűbb a csőkötegben áramoltatni. A nagyobb hőmérséklet csökkenti a szerkezeti anyagok szilárdságát, így a köpenyt vastagabb falú, drágább kivitelben kellene készíteni. A köpenyen át a hőveszteség is nagyobb lenne ez esetben. A hosszabb időre üzemen kívül helyezett hőcserélőből feltétlenül ki kell öblíteni a vízkövesedésre hajlamos, vagy agresszív folyadékot, és tiszta vízzel feltöltve kell várni az újraindítást. A vízkőlerakódásra nem csupán a hőátadási viszonyok romlásából, hanem a hőcserélő áramlási ellenállásának megnövekedéséből is következtethetünk. A

30


31

csőkötegek áramlási nyomásveszteségei nehézség nélkül számíthatók: a köpenyen belüli, a csőkötegeken esetleg keresztirányba átfolyó közeg súrlódási nyomásveszteségét a típustól függően kísérletileg szokás meghatározni. Még egyszer felhívjuk a figyelmet, hogy egy adott térfogatáram esetén a súrlódási nyomásveszteség fordítva arányos az átmérő ötödik hatványával: ∆p' =

8λρL 2 ⋅Q D5 π2

(30)

A vízkövesedés tehát nem csupán kedvezőtlenebb hőátadási viszonyokat okoz, hanem a jelentős fojtás révén, a térfogatáram csökkenése miatt is nagymértékben rontja a rendszer hőteljesítményét. Hőszivattyúk A geotermikus energiakészletek túlnyomó többsége nagy kiterjedésű, de kis entalpiájú üledékes, vagy karsztos hévíztárolókban található. Az ezekből kitermelhető energia mennyisége igen nagy, de a viszonylag alacsony hőmérséklet kedvezőtlenül korlátozza a felhasználás lehetőségeit. Egy viszonylag kis hőmérsékletű geotermikus energiaforrás konvertibilitását növelhetjük hőszivattyú alkalmazásával: mechanikai munkavégzés révén magasabb hőmérséklet-szintre juttathatjuk a rendelkezésünkre álló energiát. A hőszivattyú tulajdonképpen egy hűtőgép: az alacsonyabb hőmérsékletű hévizet lehűti, mert hőt von el belőle egy alacsony forráspontú közvetítő közeg: ammónia, széndioxid vagy freon elgőzölögtetéséhez. A gőz nyomása és hőmérséklete egy kompresszor munkavégzése révén megnövekszik, majd egy kondenzátorban cseppfolyósodás közben a szekunder közegnek hőt ad le. A kondenzálódott gőz a környezeténél jóval nagyobb nyomásról fojtásos (állandó entalpiájú) állapotváltozás során a környezetnél alacsonyabb hőmérsékletre hűl, s kezdheti az új ciklust. Az ammónia, vagy más közvetítő közeg a hőszivattyúzás során termodinamikai körfolyamatot végez, amelynek jellemző szakaszait a 29. ábra T-S diagramján követhetjük:

29. ábra Hőszivattyús körfolyamat T-S diagarmja Az 1-2 szakaszon egy hőcserélőben a termálvízből hőt elvonva izotermikusan expandál a nedves gőz, entalpiájának növekedése a fajlagos gőztartalom növekedése mellett hőmérsékletnövekedés nélkül, rejtett hő formájában valósul meg. A 2-3 szakaszon a kompresszoron történő átáramlás során megnő a gőz nyomása, hőmérséklete, entalpiája. Ez az entalpianövekedés a kompresszor munkavégzése révén áll elő. A kompresszió politropikus, amelynek n kitevője nagyobb, mint az izentropikus kompressziót jellemző κ. A 3-4 szakaszon a kondenzátorban (hőcserélő, amelyben hőleadás közben cseppfolyósodik a gőz) izotermikus hőleadás alakul ki: a szekunder közeg hűtő hatására úgy ad le entalpiát a gőz, hogy fajlagos gőztartalma csökken, a hűtés hatására nem a hőmérséklete, hanem a rejtett hője csökken, rendszerint a telített állapotig. A 4-1 szakaszon rendszerint izentalpikus fojtás során expandál a munkavégző közeg: fajlagos gőztartalma nő, hőmérséklete és nyomása a kezdeti állapotra csökken. A

31


32

körfolyamat iránya az óramutató járásával ellentétes: a fenntartásához szükséges munka a hurok területeként jelentkezik. A 30. ábrán látható egy dugattyús kompresszorral működtetett hőszivattyú vázlata és energiafelhasználása.

30. ábra Hőszivattyús fűtés hősémája 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

hideglevegő ventilátor meleglevegő hőcserélő fojtószelep hőcserélő termálvíz szívócsonk kompresszor nyomócsonk kétutas szelep

a. b. c. d. e. f. g. h.

kompresszor elgőzölögtető kishőmérsékletű oldal fojtószelep folyadék gőz kondenzátor nagyhőmérsékletű oldal

A. B. C. D. E. F. G. H.

hasznos hő (102%) környezetből felvett hő hasznosmunka motor munkája felvett villamos energia „E” előállítására használt energia (100%) elektromos veszteség hővezetési veszteség

A hőszivattyú-körfolyamatra definiálhatjuk az ún. teljesítmény-tényezőt:

32


33

QA (31) Wk ami azt fejezi ki, hogy egységnyi kompresszor-munkával mekkora hőmennyiséget lehet az alsó hőmérsékletről a felsőre szállítani. A vázolt körfolyamatot megvalósító berendezés minden eleme: hűtőkompresszor, hőcserélők, fojtószelep, nagy sorozatban gyártott, kiforrott konstrukció. A kisebb teljesítmény-tartományban (<10 kW) legtöbbször dugattyús kompresszorokat használnak. A nagyobb teljesítményű (>1-2 MW) berendezéseknél inkább csavar-, vagy turbokompresszorok kerülnek beépítésre. A hőcserélők egyaránt készülnek csőköteges, vagy lemezes kivitelben. Világszerte elterjedtek a kisméretű, általában egy-egy lakóházat ellátó 10 kW termikus teljesítményű hőszivattyús rendszerek. Általában 50-100 m mélységű kút vize a primer hőszolgáltató közeg. A munkavégző közeg cirkulál a kútba épített U-csöves hőcserélőn, a kompresszoron és a padlófűtés radiátorain keresztül, amint azt a 31. ábra mutatja. Ma már mintegy 330 000 geotermikus-hőszivattyús fűtőrendszer működik, túlnyomórészt az Egyesült Államokban (300 000), Kanadában (8000), Svédországban (5000), Svájcban (6000), Ausztriában (4000). ε=

31. ábra Családi ház hőszivattyús fűtési rendszere

33


34

A másik lehetőség a nagyméretű, kommunális fűtőrendszerek. A legismertebb és legsikeresebb megoldások egyike a Párizs elővárosában Creilben megépült rendszer. Két hévíztermelő kút összesen 270 m3/h hozamú, 57 oC-os vizével fűtenek 4000 lakást. Közvetlen fűtéssel csupán 13167 kW teljesítményt adna a veszteségmentesnek tekintett ideális rendszer. A 32. ábrán vázolt megoldással, radiátoros és padlófűtés összekapcsolásával 3 sorbakapcsolt hőszivattyú beépítésével 31350 kW a rendszer teljesítménye. A hőszivattyúk 2112 kW, a termelő és besajtoló szivattyúk 390 kW elektromos teljesítményt fogyasztanak. Az évi fűtőolaj-megtakarítás 2760 tonna.

32. ábra A svédországi Lundban, a magyarországinál sokkal kedvezőtlenebb geotermikus adottságok mellett (800 m mély kútból 23 oC víz) épült ki egy kommunális, hőszivattyús fűtési rendszer. 47 MW hőszivattyú-kapacitással, hideg napokon gázráfűtéssel és a gázturbinás elektromos erőmű hulladékhőjének hasznosításával a 90 000 lakosú város fűtési igényeinek 80%-át elégítik ki. A légszennyezés mértéke 1985-től 1993-ig SO2 esetén 95%-kal, az NO2-t tekintve 60%-kal csökkent. Ez utóbbi adatok is mutatják, hogy a geotermikus energia gazdaságosságán túl környezetkímélő jellege miatt tarthat számot megkülönböztetett figyelmünkre. Hévíztermelés

A termelő kúton keresztül vagy szabad kifolyással, vagy szivattyúzással termelik a forró vizet. Ennek során a tároló nyomása és a kút hozama az idő múlásával csökken. Ha ezt a folyamatot számítással kívánjuk követni, majd prognosztizálni, meg kell alkotnunk a tároló matematikai modelljét. A geotermikus tároló-modellek kiépítésekor rendszerint két fő nehézséggel kerülünk szembe. Az egyik a tároló geometriai viszonyainak: alakjának, kiterjedésének, a kőzetfizikai jellemzők térbeli eloszlásának

34


35

bonyolult volta. Ez még akkor is komoly matematikai nehézséget okozna, ha ismernénk a tároló határait, porozitásának, repedezettségének, anyagjellemzőinek térbeli változását. Ehelyett – jó esetben – néhány, vagy csak egyetlen, a tárolót határoló fúrás tengelyében vannak adataink. A másik nehézség a telepfolyadék termodinamikai állapotának változása. A legegyszerűbb modellek markáns egyszerűsítés révén adódnak. Az egyik ilyen lehetőség, hogy egyszerűsítjük a tároló geometriai viszonyait, homogénnek vesszük a kőzetfizikai sajtságokat, hogy a folyadék és a kőzet termodinamikai tulajdonságait, viselkedését meghatározhassuk. A legfontosabb megválaszolandó kérdések, bármely modell esetén, hogy a tároló mennyi energiát tartalmaz, és a nyomás, vagy más paraméterek változása esetén mennyi energiát képes leadni egy adott időszakon belül. Tekintsünk egy V térfogatú, zárt tárolót, mint egy tartályt, amelyet homogén Φ porozitású kőzet s a pórusokat homogén ρ sűrűségű, β izotermikus térfogati összenyomhatósági tényezőjű víz tölti ki. A tartályon egy kifolyónyílást találunk, ennek nyomását tetszés szerint szabályozhatjuk. Nyilván minél erősebb a nyomáscsökkenés, & tömegáram [kg/s]. annál nagyobb az m Ha a megcsapolást úgy szabályozzuk, hogy az időegység alatt kitermelt folyadéktömeg állandó legyen az alábbi egyszerű összefüggéshez jutunk: & (t 2 − t1 ) = V ⋅ φ ⋅ β ⋅ ρ(p1 − p 2 ) M=m (32) Ebben M a t1 és t2 időpontok között kitermelt folyadéktömeg, p1 és p2 a kezdeti és a végső időpontban adódó nyomás a tárolóban. Ez azt jelenti, hogy a θ = t2 – t1 időtartam alatt, miközben a nyomás a kezdeti p1 értékről p2-re csökkent, a tárolóból összesen M tömegű folyadékot termeltünk ki. Az arányossági tényező: S = V ⋅ φ ⋅β ⋅ρ

(33)

a rezervoár ún. tárolóképessége. Egységnyi nyomásváltozás hatására ennyi folyadékot tud a tároló kibocsátani, vagy felvenni. A nyomáscsökkenés mértéke függ a tároló típusától is. Túlnyomásos tárolóknál a kőzetnyomás, vagy az artézi hatás a kúton át a felszínre nyomja a tároló vizét. A kúttalpon ugyanis

  v2 p 2 = p kf + ρg H + + h′    2g  

nyomás alakul ki, ahol pkf a kútfejnyomás a felszínen H a kút talpmélysége v a kútban áramló folyadék sebessége h’ a kútban keletkező áramlási (súrlódási) veszteség

35

(34)


36

A tárolót addig termeltethetjük rugalmas tágulással, míg nyomása p2 értékre nem csökken. Ha p2-t tovább szeretnénk csökkenteni, a mesterséges termeltetés módszereihez fordulhatunk. Búvárszivattyú beépítésével a p2 nyomás tovább csökkenthető, s a tárolóból az ennek megfelelő folyadéktömeg kitermelhető. Ha a zárt tárolót egyetlen kúttal csapoljuk meg, s a nyomás időbeli változását és kútból kiömlő víz tömegáramát megmérjük, a rezervoár tárolóképességét meghatározhatjuk, a kitermelhető folyadéktömegre elfogadható becslést adhatunk. Az elmondottak illusztrációjaként számítsuk ki az Alföld felső-pannonkori homokos-homokköves rétegeiből szabad kifolyással, a rugalmas tágulás révén kitermelhető víztömeget. A tároló mintegy 40.000 km2 kiterjedésűm, s átlagosan 200 m vastagságú. Átlagos porozitása hozzávetőlegesen 20%. A lezárt kutak kútfejnyomása átlagosan 3 bar (túlnyomás). A víz izotermikus térfogattágulási tényezője β = 4,68 ⋅10 −8

m2 . Behelyettesítve a (32.) egyenletbe N 12

3

M = 80 ⋅10 m ⋅ 0,2 ⋅ 4,68 ⋅10

−8

m2 N ⋅103 kg ⋅ 3 ⋅105 = 2,256 ⋅1014 kg 2 N m

adódik. A tárolóban lejátszódó nyomáscsökkenés izotermikus. Ekképpen a rugalmas tágulással csak a kitermelt hévízzel felszínre kerülő belsőenergia-mennyiségnek a környezeti hőmérséklet fölötti hányada hasznosítható. Ez E = M ⋅ c v ⋅ (T − Tkö )

(35)

Itt cv a víz fajhője, T a tároló átlaghőmérséklete, Tkö a környezeti hőmérséklet. Feltesszük, hogy T = 90 oC, Tkö = 15 oC, míg cv = 4,18 KJ/kgoC. Így E = 2,256 ⋅1014 ⋅ 4,18 ⋅ (90 − 15) = 6,9725 ⋅1016 KJ

Ez a nagyon egyszerű modell alkalmas lehet egy hévíztároló alapvető viselkedési formáinak szemléltetésére, de a gyakorlati készletbecslési igények kifinomultabb tárolómodellek kidolgozását teszik szükségessé. Ez a rezervoármechanika tudományának feladata. A tároló nyomásának csökkenése elkerülhető, ha a kitermelt, felhasznált és lehűlt hévizet visszasajtoljuk a tárolóba. Ennek további előnye, hogy a kőzetvázon többször is átáramoltathatjuk a vizet, amely ott újra felmelegszik, s a kőzet belsőenergia-tartalmát mintegy „kiöblíti”. A víz-visszasajtolással a kitermelt energia mennyisége és a tároló élettartama megsokszorozható, ezzel a technológiával a geotermikus energia megújuló jellege is érvényre juttatható. A vízzel telített porózus kőzettest egységnyi térfogatú darabjának fajlagos belsőenergia-tartalma ε = (1 − φ )ρ k c k Tk + φρ v c v ⋅ Tv

36

(36)


37

Ez a számadat önmagában semmitmondó, ugyanis a legjobb esetben is csupán az energiaforrás és a környezet hőmérséklete közötti energiakülönbség értékesíthető, függetlenül attól, hogy az energia abszolút mennyisége mekkora. Ha a környezetileg lehűtjük a kitermelt hévizet a tároló egységnyi térfogatú darabjából ε = (1 − φ )ρ k c k (Tk − To ) + φρ v c v (Tv − To )

(37)

energiát nyerhetnénk. Mivel a tárolóban a kőzet és a víz termikus egyensúlyban van T = T k = Tv

(38)

ε = [(1 − φ )ρ k c k + φρ v c v ](T − To )

(39)

tehát az előző összefüggés az

alakban is felírható. A homokkő-tároló sűrűségét 2400 kg/m3-nek, porozitását 20%-nak, fajhőjét 0,855 KJ/kgoC-nak véve: ε = [0,8 ⋅ 2400 ⋅ 0,855 + 0,2 ⋅1000 ⋅ 4,18](T − To ) = (1641,6 + 836 )(T − To )

Ez az egyszerű számítás egyrészt azt mutatja, hogy a kőzetváz belsőenergiatartalma közel kétszerese a vízének, másrészt ha feltesszük, hogy a tároló többszöri átöblítésével azt – önkényesen megválasztva – 5 oC-kal lehűtjük, akkor annak minden egyes köbméteréből 12.385 KJ energiát termelhetünk ki. Ebben az esetben a 8 ⋅1013 m 3 re becsült felsőpannon homokköves tárolóból 9,908⋅1017 KJ geotermikus energiát termelhetünk, ez csaknem 15-szöröse a szabad kifolyással, rugalmas tágulással felszínre hozható energiamennyiségnek. A visszasajtoláshoz természetesen további visszasajtoló kutat kell fúrni. Ez költséges megoldás, hiszen egy geotermikus energiatermelő létesítmény beruházási költségeinek mintegy 70%-át a fúrás és kútkiképzés költségei teszik ki. Ez egy további besajtoló kút esetén megduplázódik. Hiába nő többszörösére a tároló élettartama, s az abból kitermelhető energia, ezek az előnyök csak a távoli jövőben jelentkeznek, s nem motiválják a gyors megtérülésre törekvő tőkét. Ami mégis a visszasajtolásra szorítja a geotermikus energia-felhasználókat, az a szigorú környezetvédelmi előírások rendszere, ugyanis mind a hévíz sótartalma, mind hőmérséklete miatt tilos azt az élővizekbe vezetni. Az összetartozó termelő-besajtoló kútpárok talpainak kellő távolságra kell esni egymástól, hogy a visszasajtolt víz ne hűtse le a termelő kút körüli tároló-részt. Általában 1.000-1.500 m távolságra telepítik a két kúttalpat a tároló áteresztőképességének függvényében. A fúrólyuk tengelyének elferdítésével elérhető, hogy a két kutat a fúróberendezés egy helyszínre telepítésével lehet lefúrni, nem kell a berendezést szétszerelni, szállítani, a fúrással járó elkerülhetetlen környezetterhelés is csak egy helyszínen jelentkezik. Ez a költségeket lényegesen csökkentheti. A 33. ábrán mutatunk be néhány szokásos kútpár-elrendezést.

37


38

33. ábra Termelő és besajtoló kútpárok Rezervoármechanikai szimulációval jó biztonsággal meghatározható a tárolóban kialakuló áramkép. A szivárgási sebesség áramvonalait láthatjuk a 34. ábrán azonos termelt és visszasajtolt vízmennyiségek esetén, míg a 35. ábrán vázolt áramvonalak különböző kitermelt és visszasajtolt vízmennyiségek esetére vonatkoznak. A szimuláció a hidegfront-terjedését is megmutatja a két kút között. A 36. ábrán látható esetben a besajtolt víz 30 év alatt éri el a termelő kút talpát. Ez a rendszer élettartamának meghatározását teszi lehetővé. & [kg / s ] a kút Egy hévízkút hőteljesítményét egyszerűen számíthatjuk. Ha m o tömegárama, c [KJ/kg C] a víz fajhője T a kitermelt víz, To pedig a környezet hőmérséklete, akkor & c(Tkf − Tkö ) (40) P=m Egy átlagosnak minősülő termálkút tömegárama 20 kg/s, a víz fajhője 4,187 o KJ/kg C a kitermelt cíz hőmérséklete 90 oC, a környezeté 15 oC. Ebben az esetben a hasznosítható teljesítmény

P& = 20 ⋅ 4,187 (90 − 15) = 6280 kW = 6,28MW

Gőztermelő kutaknál a kútfej-hőmérséklet nem jellemzi egyedül a nedves gőz energiatartalmát, hiszen a rejtett hő értéke is befolyásolja azt. Ekkor az entalpiák különbségét célszerű venni: & (i − i 0 ) = m & [i'+ x (i"−i') − i 0 ] P& = m

(41)

Az i’ és i” entalpiák értékét az éppen adódó nyomás, vagy a hőmérséklet függvényében a T-s diagramról, vagy gőztáblázatból vehetjük.

38


39

34. ábra Termelő és besajtoló kútpár áramvonal rendszere QT = QB

35. Termelő és besajtoló kútpár áramvonal rendszere QB > QT

36. ábra A hidegfront terjedése a besajtoló kút körül A legjobb hazai hévízkutak tömegárama ritkán haladja meg a 30 kg/s értéket. Ez a szokásos feltételekkel (Tkf = 90 oC, Tkö = 15 oC) mintegy 9,4 MW hőteljesítményre vezet. Egy koncentrált nagyfogyasztó – a szentesi Árpád Mezőgazdasági Rt. több, mint 65 MW hőteljesítményt használ fel – nyilvánvalóan több termelő és besajtoló kútból álló hálózatot kell, hogy kialakítson. Különösen így van ez a villamos energiát termelő geotermikus erőművek esetén: a nagy erőműveket több száz kút táplálja száraz, túlhevített gőzzel, vagy gőz-víz keverékkel. Néhány jellegzetes esetet az alábbi táblázatba foglaltunk. Néhány nagyobb geotermikus villamos erőmű teljesítmény és kútszám-adatait az alábbi táblázatba foglaltuk.

39


ERŐMŰ Geyser’s Cerro Prieto Larderello Bulalo Tiwi Coso Salton Sea Wairakei

40

ORSZÁG

TELJESÍTMÉNY 1962* 620 405 330 330 265 254 157

USA Mexikó Olaszország Fülöp szigetek Fülöp szigetek USA USA Új-Zéland

KÚTSZÁM 500 144 578 69 87 63 78 128

*A mező jelenleg rekonstrukció alatt áll. Átmenetileg elég több, mint 1000 MW teljesítményt ad. Érdekes lehet, ha a fenti adatokból az egy kútra jutó átlagos villamos teljesítményt nézzük. Ez a Geyser’s mezőben 1,5 MW, Larderello esetében pedig csak 0,67 MW. A legnagyobb hőmérsékletű és tömegáramú kutakat egy-egy tároló gőzsapkájának közvetlen megcsapolásával érhetjük el. Az izlandi Swartsengi mező, vagy a fülöpszigeti Bulalo így 5 MW-nál többet produkál kutanként. Jó közelítésként vehetjük, hogy egy átlagos gőztermelő kútra 2 MW elektromos kapacitás telepíthető.

40


41

VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS GEOTERMIKUS ENERGIÁBÓL

Ismeretes, hogy a belső energia folyamatos átalakítása munkává csak körfolyamat, vagyis ciklikusan ismétlődő állapotváltozások révén lehetséges. A vízgőz belső energiájából a CLAUSIUS-RANKINE körfolyamattal nyerhetünk munkát. A 2. fejezetben megismertük, hogyan működik egy hagyományos, fosszilis tüzelőanyagokat elégető hőerőmű gőzkörfolyamata. Akkor sincs lényeges eltérés, ha napenergiával besugárzott kazán termeli a gőzt. A geotermikus gőzt hasznosító turbinák esetében viszont némileg mások a körülmények. A gőzfejlesztés folyamata ekkor a természet műve. Száraz, túlhevített gőzt tartalmazó rezervoárok csak nagyon ritkán fordulnak elő: ilyen Olaszországban Larderello, vagy Kaliforniában a Geyser’s mező. A tárolók túlnyomó többségének nyomása nagyobb, mint a tároló hőmérsékletéhez tartozó telített gőznyomás, így a geotermikus fluidum a rezervoárban vízfázisban van, az állapotát jelző pont a T-s diagramon az alsó határgörbére esik. A tárolót megnyitva, a kút termelőcsövében a forró víz felszáll, nyomása a felszínhez közeledve csökken és amikor eléri a víz hőmérsékletéhez tartozó telített nyomás értékét, pillanatszerűen forrni kezd. Ennek során a fajlagos gőztartalom egyre nő, és a kútfejen kétfázisú víz-gőz keverék, az ún. nedves gőz jelenik meg. A hőmérséklet-entrópia diagramon tanulmányozhatjuk ezt a jellegzetes állapotváltozást. Az i1 entalpiájú közeg a kútban feláramolva lehűl, entalpiája i2 értékre csökken, tehát ez nem az „ideális” fojtás, amelynél az entalpia állandó. A kútban a gőzfejlődés így az izentrópikus (2’) és az izentalpikus (1) expanzió végállapota közé esik, (37. ábra).

37. ábra Fojtásos állapotváltozás a termálkútban és a gőzturbinában 1. izentalpikus görbék 2. izentrópikus expanzió 3. expanzió a kútban 4. izentalpikus expanzió 5. expanzió a gőzturbinában

41


42

A gőz-víz keveréket termelő kutak termelvényét először egy gőzleválasztó készülékbe az ún. szeparátorba vezetik. Ez egy álló hengeres tartály, amelybe a keverék érintő irányból érkezik egy spirális kialakítású beömlő csövön át. A víz a hengeres fal mentén örvénylő mozgásra kényszerül egyúttal a gravitáció hatására lefelé áramlik, s a tartály fenekének közelében lévő hasonlóan érintőirányú kiömlőnyíláson távozik. A gőz először függőlegesen felfelé áramlik, és a szeparátor középvonalában elhelyezett függőleges csövön át, távozik. A jól tervezett szeparátorok hatékonyak, 0,1%-nál kevesebb vízcsepp marad a gőzben. A berendezést a 38. ábra szemlélteti.

38. ábra Centrifugál szeparátor (vízleválasztó) 1.

nedves gőz

2. víz

42

3. száraz gőz


43

39. ábra Ellennyomásos gőzturbina közvetlen geotermikus gőzzel 1. kútfej

2. atmoszférába távozó gőz

3. turbina

4. generátor

A geotermikus gőzzel működő turbináknak többféle kialakítása ismert. Talán a legegyszerűbb elrendezés látható a 39. ábrán. A kitermelt gőzt a kútfejtől közvetlenül a turbinába vezetik. A turbina meghajtja a vele együtt forgó generátort az expandált gőz pedig az atmoszférába távozik. Ennél a megoldásnál, ha nagy a gőz nem kondenzálódó gáztartalma (> 10%) komoly korróziós és vízkőlerakódási problémák jelentkezhetnek. Ez az ún. ellennyomásos turbina.

40. ábra Kondenzációs gőzturbina közvetlen geotermikus gőzzel 1. kútfej

2. turbina

3. kondenzátor

4. generátor……5. kondenzátum

A 40. ábrán látható rendszerben a turbina után egy kondenzátort építenek be. A kondenzátorban az atmoszférikusnál kisebb – 0,08 – 0,12 bar a nyomás és alacsonyabb az expanzió véghőmérséklete is. Így a körfolyamat által bezárt terület a T-S síkon megnő és a körfolyamat hatásfoka javul. A nem kondenzálódó gázok eltávolítása a kondenzátorban történik, kisebb gázmennyiségeknél gőz-ejektorokkal (sugárszivattyú) míg a 2-10%-os gáztartalomnál kompresszort alkalmaznak. Ezek a teljesítményt csökkentik, a beruházást drágítják a bonyolultabb kialakítás miatt. A hűtőtorony megépítése is költségnövelő tényező. Ha a geotermikus mező kimerül a berendezés élettartamán belül az atmoszferikus ellennyomású turbina továbbszállítható, míg a kondenzációs megoldásnál a hűtőtorony, a kondenzátor, és a vízszállító csővezetékek felhasználatlanul helyben maradnak. Az ellennyomásos gőzturbinák szokásos teljesítmény intervalluma 1-15 MW, a kondenzációs egységeké elérheti az 55 MW-t is. A szeparátorból távozó gőzt a turbinába vezetik. Egy mező élettartama során szokásos, hogy a kitermelés kezdetén ellennyomásos turbinát használnak egyrészt a nem-kondenzálódó gázok miatt, ezek ugyanis kezdetben nagyobb arányban vannak jelen a gőzben, mint később, pár év múlva. Ekkor módosítják a turbinát a kondenzációs üzem feltételeihez igazodva.

43


44

A szeparátorból érkező gőznek előnyei és hátrányai egyaránt vannak. Előnye, hogy a korrózív komponensek mennyisége kisebb, lévén hogy azok vízben oldódók, tehát a vízfázisban maradnak. Kisebb a nem kondenzálódó gázok aránya is s azok egyszerűbben eltávolíthatók. A kondenzátorban kevésbé savas víz képződik. Igen kevés a turbinát erodáló szilárd részecskék száma is. A most elmondottakat illusztrálja egy számpélda, és a 41. ábra amely általánosítható tanulságokat tár fel.

41. ábra A kútban és a szeparátorban lejátszódó állapotváltozás a T-S síkon Legyen a tárolóban 281 oC hőmérsékletű forró víz, amely a termelőcsőben feláramolva 65 bar nyomásnál éri el a 28. ábrán vázolt T-s diagramon az alsó határgörbére eső s = 3,076 KJ/kgK entrópiával és i = 1241 KJ/kg entalpiával jellemzett állapotot, amelyben megindul a gőzképződés. Ebből az állapotból állandó entalpiájú expanzióval jut el a közeg a 7 bar szeparátor-nyomással, 165 oC hőmérséklettel, s = 3,25 KJ/kgK entrópiával és x = 0,263 fajlagos gőztartalommal megadható állapotba. Itt a vízgőz keverék a szeparátorban szétválik. A vízfázis entalpiája a 7 bar nyomású vízszintes egyenes és az alsó határgörbe metszéspontjában i’ = 697 KJ/kg, míg a gőzfázisé i” = 2764 KJ/kg. A szeparált gőz magával visz iG = x(i”-i’) = 0,263(2764-697) = 544 KJ/kg entalpiát, míg a vízben marad i’ = 697 KJ/kg. A kondenzátor nyomása 0,12 bar. Eddig a nyomásig expandálhat a közeg. Ha az 1 függőleges mentén izentropikusan expandálna a közeg a rezervoár állapotból a kondenzátor nyomásszintjéig tartó állapotba,

∆i = 1241 – 975 = 266 KJ/kg

44


45

lenne a maximális, hasznosuló entalpiacsökkenés. Ez a folyamat megvalósíthatatlan, hiszen a tárolótól a kútfejig jelentős a nyomáscsökkenés. Ha a fojtásos állapotváltozás végpontjából szeparálás nélkül a teljes víz-gőz keverék entalpiája izentropikusan csökkenne a kondenzátor-nyomás által meghatározott 1031 KJ/kg értékig, akkor

∆i = 1241 – 1031 = 210 KJ/kg lenne a munkává alakítható entalpia, ez az előző ideális értéknek csak a 79%-a. Végül a leválasztott gőz a turbinában a 3 függőleges szakasz mentén expandál izentropikusan a 7 bar nyomáshoz tartozó vízszintes és a felső határgörbe metszéspontja által meghatározott 2764 KJ/kg entalpia-értékről a kondenzátor 0,12 bar nyomásához tartozó vízszintesén adódó 2146 KJ/kg értékig. Ne feledjük, hogy az egységnyi tömegű vízgőz keveréknek csupán 0,263-ed része a leválasztott gőz, tehát a turbinában

∆i = 0,263(2764-2146) = 163 KJ/bar entalpia alakul mechanikai munkává, ami az ideális esetben elérhető munka 61%-a. Bár a konkrét entalpia-értékek változnak az egyes fojtásos gőz-felszabadító állapotváltozások során, bizonyos általánosításokra alkalmas a bemutatott példa. Felismerhetjük, hogy bár a fojtás során a víz-gőz keverék entalpiája tehát a teljes munkavégző-képessége állandó marad, a fojtás utáni izentropikus expanzió mintegy 20%-kal kisebb munkavégzést tesz lehetővé. A szeparátorban a leválasztott víz szintén további 20%-nyi entalpiát visz magával, a rezervoárban rendelkezésre álló energiának tehát csak mintegy 60% hasznosítható. A turbinán belüli elsősorban súrlódási veszteségek miatt ez az érték még tovább csökken.

41. ábra Kettős közegű körfolyamat hősémája 1.

termelő kút

6.

45

hűtőtorony


2. 3. 4. 5.

46

kútvezeték hőcserélő munkavégző közeg turbógenerátor

7. 8. 9. 10.

keringető szivattyú kondenzátor hűtőtó besajtoló kút

A közepes és kis entalpiájú (170 oC < T <85o) geotermikus tárolók csak ún. kettős közegű rendszerekkel alkalmasak elektromos energia termelésére. A rendszert a 41. ábrán vázoltuk. A termelő kútból származó forró vizet egy hőcserélőbe vezetik, ahol az energiatartalmát átadja a másodlagos munkavégző közegnek, majd visszasajtolják a tárolóba. Ezután a munkaközeg egy hagyományos Clausius-Rankine körfolyamatot végez, technikai munkájával meghajtva a gőzturbinát s az azáltal meghajtott generátort. A másodlagos munkavégző közegek alacsony forráspontú és kis hőmérsékleten nagy telített gőznyomású hideg gőzök. Ilyen anyagok az aromás szénhidrogének, a halogéneket tartalmazó szénhidrogének, szilánok, éterek, vagy akár az ammónia és a széndioxid. A tervezés számára fontos szempont a szóban forgó közeg T-s diagramjában a nedves gőz tartományt határoló alsó és felső határgörbék alakja. A 42.ábrán 4-5 atomból álló egyszerű molekulájú hideg gőzök fázisdiagramja a vízgőzére emlékeztet (a). A molekulák összetettségével a felső határgörbe a függőlegeshez közeledik, a 6-10 atomos molekulák esetén (b). A 10-nél több atomból összetett, nagy móltömegű közegek felső határgörbéje a (c) ábrának megfelelő: a görbe jobbra dől. A határgörbe alakjának különbözősége különböző termodinamikai viselkedést jelez, s ez a körfolyamatokban is érvényre jut.

42. ábra Hideggőzök fázishatár görbéi a T-S diagramon Az egyszerű molekulaszerkezetű munkavégző közegek és a bonyolultabb molekulájú szerves gőzök tehát eltérő módon viselkednek a Clausius-Rankine körfolyamatban. Hasonlítsuk össze a vízgőz és az R114 kereskedelmi jelű diklórtetrafluoretán (C2Cl2F4) viselkedését két azonos felső- és alsó hőmérséklethatár közé illesztett körfolyamatban! Legyen a hőforrás hőmérséklete mindkét esetben 140 oC, a körfolyamat felső hőmérséklet-határa 105 oC, az alsó pedig 40 oC.

46


47

43. ábra Kettős közegű és vízgőz körfolyamat összehasonlítása A 43. ábrán egymás mellett láthatjuk a két T-S diagramot, s néhány különbség azonnal szembetűnik. A vízgőz megszokott fázishatárgörbéjét csak részlegesen ábrázoltuk, hiszen 225 oC-os kritikus pontja nem fért el az ábrán. A csaknem szimmetrikus alsó és felső határgörbéktől szemre is lényegesen különbözik a nagy molekulájú, szerves gőzé. Feltűnően nagyobb a hideg gőz nyomása: 105 oC-on a vízgőz telített gőznyomása 1,2 bar az R114-é 15,3 bar. Az alsó 40 oC-os határon a vízgőz 0,07 bar nyomáson kondenzálódik, míg az R114 3,4 bar-on. A turbinában létrejött izentropikus expanzió függőlegesében van a legjelentősebb különbség: a vízgőzé teljes terjedelmében a nedves gőz mezőbe esik, az R 114-é viszont végig túlhevített gőzállapotban megy végbe. A vízgőzzel működő turbina lapátjait így erodálhatják a nedves gőzben megjelenő vízcseppek, míg a szerves hideg gőzben folyadékfázis nem jelenik meg, a turbinából túlhevített gőz távozik, amivel a kondenzációt megelőzően a d-d’ szakaszon előmelegíteni lehet egy hőcserélőben a b-b’ szakaszon a munkavégző közeget. A Clasius-Rankine körfolyamat hatásfoka a vízgőz esetében 10,9%, míg az R114-re 10,1%. Ez ugyan a vízgőzre valamivel kedvezőbbnek adódik, de az összhatásfok, amit úgy definiálhatunk, hogy a körfolyamat termikus hatásfokát megszorozzuk a hasznosított hőteljesítmény és a hőforrásban rendelkezésre álló hőteljesítmény hányadosával, 5,5% a hideg gőz és csak 3,6% a vízgőz esetében. A szerves munkaközeg további előnye nagyobb sűrűsége. Az expanzióvégnyomás is és a molekula-tömege is nagyobb, mint a vízgőzé. Így az R114-nél, és természetesen más, nagymolekulájú hideg gőznél kisebbek a fajtérfogatok (az a sűrűség reciproka), kisebb a turbinán átáramló térfogatáram is. Ezért a hideggőzös ClausiusRankine körfolyamat kisebb turbinát igényel a gőzturbinához képest, s ez nyilvánvalóan gazdaságosabb. A hideg gőzök nagy választékban állnak a tervező mérnök rendelkezésére, s az adott geotermikus telepfolyadékhoz a legjobb összhatásfokot nyújtó munkaközeg biztonsággal kiválasztható.

47


48

A geotermikus forrásból villamos energiát termelő erőművek száma és teljesítménye világszerte növekszik. Az International Geothermal Association 2003. évi adatai szerint az egyes országokban működő erőmű-kapacitások a következők: Ország

Teljesítmény [MW] 2067 1834 870 797 699 561 403 198

USA Fülöp szk. Mexikó Indonézia Olaszország Japán Új-Zéland Izland Costa Rica Kenya Salvador Oroszország Gutomala Kína Nicaragua Portugália Törökország Etiópia Franciaország Ausztria Összesen

143 121 120 64 29 28 28 16 12 7 5 1 8002

KÖZVETLEN HŐHASZNOSÍTÁS

A geotermikus forrásból történő elektromos energiatermelés helyett különösen a kisebb entalpiájú hévizek és gőz-víz keverékek előnyösen hasznosíthatók közetlen hőszolgáltatásra. A kommunális, mezőgazdasági és ipari hőfogyasztás hatalmas felvevő piacot jelent. Az alkalmazási lehetőségek rendkívül széles körűek, s a következő táblázatból kitűnik, hogy túlnyomórészt geotermikus forrásból is kielégíthetők. A táblázatban 25 oC-os intervallumokra bontva találjuk az Egyesült Államok hőfogyasztóit, s százalékos részesedésüket a közvetlen hőfogyasztásból. A fűtés, használati melegvíz, légkondicionálás több, mint 60%-ot tesz ki, míg a vegyipar és az olajipar 200 oC-nál melegebb ipari hő igénye alig több, mint a teljes fogyasztás 2 %-a. Nyilvánvaló, hogy más, mérsékelt égövi fejlett ipari ország hőigény-spektruma is hasonló. Ez azt mutatja, hogy a kis entalpiájú geotermikus tárolók a közvetlen hőfogyasztásban meghatározó szerepet játszhatnak, két okból is. Egyrészt a kis entalpiájú geotermikus mezőket a világon igen sok helyen megtalálhatjuk, másrészt fosszilis tüzelőanyagok kiváltságával a környezet széndioxid-szennyezése jelentős mértékben csökken.

48


49

Az USA hőfogyasztásának megoszlása a hőmérséklet-tartomány és a felhasználás módja szerint Alkalmazás módja Hőmérséklet tartomány o C 50-74 Üzemcsarnokok fűtése 75-99 Használati melegvíz lakásokban Használati melegvíz munkahelyeken Egyéb Légkondicionálás 100-124 Főzés-sütés Ruhaszárítás Élelmiszeripar Egyéb Élelmiszeripar 125-149 Olajipar Vegyipar Egyéb ipari felhasználás Háztartási hűtőgépek 150-174 Kereskedelmi hűtőgépek Ipari hűtőházak Háztartási légkondicionálás Olajipar Papírgyártás Vegyipar Élelmiszeripar Egyéb ipari hőfogyasztás 175-199 Papírgyártás Vegyipar Olajipar Egyéb ipari hőfogyasztás 200-250 Vegyipar Olajipar Egyéb

A felhasznált energia százalékában 4,76 42,29 2,54 0,45 4,34 1,66 0,81 1,58 1,59 1,58 1,50 1,28 4,76 2,70 2,61 0,39 1,66 1,50 1,18 1,07 0,35 4,31 2,74 1,07 0,23 4,31 0,64 0,52 0,90

Az ún. LINDAL-diagram a hasznosítási hőmérséklet-intervallum függvényében rendezi el a közvetlen hőfogyasztókat. Az eredetihez képest a diagram egyre bővül, ahogyan újabb és újabb alkalmazási területeket hódít meg a geotermikus energiahasznosítás. A 44. ábrán – természetesen a teljesség igénye nélkül – mutatunk be egy lehetséges változatot. A közvetlen hőhasznosítók közül az utóbbi években ugrott az élre Kína és az Egyesült Államok. Az e téren a 70-es években világelső Magyarország jelentősen visszaesett: egykor 1000 MW feletti, elsősorban mezőgazdasági hőfogyasztásunk harmadára zsugorodott, alapvetően a kereslet csökkenése miatt.

49


50

44. ábra LINDAL-diagram A következő táblázatban a jelentősebb ipari mezőgazdasági és kommunális hőfogyasztókat foglaltuk össze az IGA 1995-ös adatszolgáltatása alapján. Az egyes országok adatszolgáltatása eléggé eltérő és megbízhatóságuk sem homogén. Mégis a közvetlen fogyasztás nagyságrendjéről hasznos tájékoztatást ad a táblázat.

50


51

Kína Egyesült Államok Izland Magyarország Franciaország Japán Olaszország Új-Zéland Grúzia Oroszország Törökország Románia Svájc Algéria Szlovákia Szerbia Lengyelország Izrael Svédország

1915 MW 1874 1443 340 337 318 307 264 245 210 140 130 110 100 100 80 63 44 43

A felsoroltakon kívül számos más országban folynak üzemi méretű kísérletek néhány MW hőteljesítményű referencia berendezésekkel. MAGYARORSZÁG GEOTERMIKUS VISZONYAI

A Kárpát-medence alatt, a legtöbb szárazföldön belüli medencéhez, vagy árkos süllyedékhez hasonlóan, vékony a földkéreg, az asztenoszféra pedig felboltozódott. A kontinentális medencefejlődés ma elfogadott modellje szerint a litoszféra egy darabja a vízszintes irányú húzófeszültségek hatására megnyúlt, kivékonyodott, majd lesüllyedt. Ezután a tektonikailag aktív iniciális süllyedés után következett a lassúbb termikus süllyedés, amelynek során az iniciális fázis során létrejött termikus anomália további lassú süllyedés és hővezetés révén kiegyenlítődik. A litoszféra két szakaszra osztható fejlődéséhez jellegzetes medencealjzat-szerkezet alakulási folyamatok kapcsolódnak. Az iniciális fázis során a kéreg merev, felső része főként ívelt normálvetők mentén feldarabolódott. A vetők a közben lerakódó üledéksort is harántolták. A termikus süllyedés során tektonikailag alig zavart, nagyobb területre kiterjedő üledékek halmozódtak fel. A töredezettség, tektonizáltság foka helyről-helyre változik, a medencealjzat morfológiáját általában húzásos tektonikai formák jellemzik, leggyakoribbak a normálvetők. A Kárpát-medence aljzatának süllyedése a medence feltöltődésével járt együtt. Az üledéklerakódás és tömörödés a környezeti tényezőktől függött. Azokon a szegélyterületeken, ahol a gyors süllyedés és az ezzel egyensúlyban levő intenzív törmeléklerakódás történt (delta-üledék) zömmel homokos, a delta előtti mélyebb vízben zömmel agyagos rétegek rakódtak le. A felsőpannonban így alakult homokoshomokköves rétegek képezik Magyarország legjelentősebb hévíztárolóját.

51


52

Ha koruk szerint vesszük sorra a Kárpát-medence üledékes kőzeteit, a devon kori karsztosodott dolomitrétegek képezik a legöregebb víztárolót. A büki gyógyfürdő kútjai ezt csapolják meg 8000 l/min hozammal. A kristályos alaphegységbe fúrt kutak csak jelentéktelen mennyiségű vizet adnak. Ezen kívül Sárváron 2000 l/min hévíz származik devonkori képződményekből, a többi ópalezoós rétegbe fúrt kút hozama csekély. Karbon, vagy permkorú újpaleozoós képződmények a felszínen ritkák (Bükk, Mecsek), a fúrt kutak nagy mélységű rétegsoraiból még kevésbé ismeretesek. Bátaszék környékén a karbon kori gránittörmelék a felszínhez közel jelentős talajvíztároló. Üreges permi homokkövekből Balatonszepezden termelnek talajvizet (az 5-30 m-es mélységközből). Nagy mélységben települt gránitmurva, vagy permi homokkő rétegek lehetnek hévíztárolók, de eddig ilyeneket nem találtak a neogén feküje alatt. A földtörténeti középkorból származó üledékes kőzetek közül elsősorban a triász kori karsztosodott mészkövek jó víztárolók. Ezek Zalában fordulnak elő a legnagyobb mélységben: Nagylengyel 2499, Zalalövő 3245 m. A triász és általában minden más hasadékos, karsztosodott tároló feltárása sok bizonytalansággal jár. A repedésrendszer bár bizonyos tektonikai irányokat követ, mégis szabálytalan alakú, szeszélyes elrendeződésű. Felszíni geofizikai módszerekkel csak igen kevéssé juthatunk előre megtalálásukban. Sok fúrás – amelyik elkerüli a repedésrendszert – meddőnek bizonyul, viszont aránylag közel egy másik fúrás elérheti a hasadékrendszert. Legismertebb triászkori hévíznyerő helyünk Zalakaros, ahol a 2200-2300 m-es mélységközből 1500 A repedésrendszerben kialakuló l/min 99 oC hőmérsékletű vizet termelnek. termokonvekció folytán már kis mélységből is anomálisan meleg víz termelhető. Az ugyancsak triász mészkőbe fúrt táskai hévízkút például a 688-698 méteres rétegből 1400 l/min 80 oC-os vizet szolgáltat. Alapos okunk van feltételezni, hogy a dunántúli mélykarszt jelentős mennyiségű forró vizet tárol. Az óharmadkori, paleogén üledékek közül a legnagyobb vízkészletet a Pesti medence legalsó szintjén lerakódott eocén mészkő tartalmazza. Mivel az eocén rétegsor általában közvetlenül a triász mészkőre települ, ezért azzal gyakran egységes hidrodinamikai rendszert képez, s utánpótlása szinte korlátlan. Budapest közismert hévízkútjain kívül Eger, Bükkszék és Tata a jelentősebb eocén hévízelőfordulások. Az oligocén képződmények általában finomszemcséjű, tömör, agyagos, agyagmárgás üledékrétegek, amelyek az eddigi fúrási adatok alapján víztárolásra, hévíztermelésre alkalmatlanok. Az újharmadkorban, az ún. neogénben a Kárpát-medencében jelentős tengerelöntés alakult ki. Ez a miocénben kezdődő folyamat a pliocénben teljesedett ki. Ekkor a középhegységek kiemelt tömegének kivételével az egész medencét először mélyebb, majd a felső-pannon időszakában sekélyebb beltenger öntött el. Az alsópannon tengerelöntés nagyon különböző mélyszerkezeti körülmények között ment végbe és igen változatos üledékfelhalmozódást vont maga után. Mélyebb szintjein az alapkonglomerát, breccsa és durvaszemcsés homok mellett uralkodóan agyag és agyagmárga rakódott le. A 10-30 m vastag homokrétegek elcementálódtak, víztermelésre alkalmatlanok. Erre egy rendkívül nyugodt időszakban települt 100-400 m vastag agyagmárgás réteg rakódott le, amely elválasztja a mélyebb rétegek kloridos vizét a felső pannon hidrogénkarbonátos vizétől. Az alsó és felső pannon határa karottázsszelvényeken jól kimutatható. A felsőpannonban megújultak a szerkezeti mozgások, változatos, durvaszemcséjű üledékrétegek rakódtak le, ezek aránya 20-40%. A homokrétegek a mélyebb szintekben

52


53

vastagok, sűrűn települtek és egymással összeköttetésben állnak. A homokok 1500 és 2000 m között még alig cementálódtak, hasznos hézagtérfogatuk 25-30%, áteresztőképességük 500-1000 md. Vízföldtani és szénhidrogénkutató fúrások jól feltárták ezt a képződményt, így hidrogeológiai sajátosságai jól tisztázottak. Ez a felsőpannon homokos hévíztároló Magyarország területén mintegy 40 000 km2 kiterjedésű. A vastag, porózus és permeabilis felsőpannon üledékek alkotják három legnagyobb hévíztárolónkat: az Alföld, a Kisalföld és a Dráva-süllyedék területén. A legfiatalabb, negyedkori pleisztocén üledékek bár nagy porozitásúak, és jó az áteresztőképességük, kis mélységük miatt hideg vizet tárolnak. Ez – bár energiaforrásként nem jöhet szóba, mint vízkészlet rendkívül értékes. Jelentőségét mutatja, hogy a negyedkori rétegek vizének kitermelésére eddig több, mint 44 000 kutat fúrtak, ez a Magyarországon fúrt 55 000 kút 80%-a. hazai víztárolók készleteit, hozzáférhetőségét jellemzi, hogy a felső pannon rétegeket mintegy 10 000, az idősebb képződményeket pedig 1000 kút csapolja meg. A 45. ábrán látható Magyarország 30 oC-nál melegebb vizet adó hévíztárolóinak elterjedése. Ez a térkép jelzi azt, hogy mely területeken lehetséges ma nagyobb mérvű geotermikus energiahasznosítás. Nem véletlen, hogy elsősorban Csongrád megye 90 oCnál nagyobb kútfejhőmérsékletet adó területein (Szeged, Szentes, Szarvas) a legelterjedtebb a geotermikus energiatermelés és hasznosítás.

45. ábra Magyarország 50 oC-nál melegebb vizet adó hévíztárolói A geotermikus energiatermelés környezeti hatásai

A Föld népessége, annak nyersanyag- és energiaigénye évről-évre, úgy tűnik, megállíthatatlanul növekszik. A XX. Században a két pusztító világháború ellenére

53


54

tizenkétszeresére nőtt az összes felhasznált energia mennyisége, a növekedés csupán az 1973-as közelkeleti háború után torpant meg kissé. Ez az energiamennyiség a mai napig döntően fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származik, ami súlyosan szennyezi a környezetet. A fosszilis energiahordozók alkalmazásához képest a geotermikus energia felhasználása nagymértékben csökkenti a környezetszennyezést. Így a geotermikus energia gazdaságossága mellett egyre erősebb érvként szerepel környezetkímélő jellege is. Természetesen a geotermikus energia alkalmazása során is károsodhat a környezet, azonban ez nagyságrendekkel kisebb, mint a fosszilis energiaforrások igénybevételekor. A következő táblázat a két legveszélyesebb környezetszennyező anyag: a széndioxid és a kén fajlagos kibocsátott értékét mutatja megtermelt kilowattóránként. Ismert, hogy az előbbi az üvegházhatásért, az utóbbi a savas esőként súlyosan elmarasztalható.

Széntüzelés Olajfűtés Földgáz Geotermikus gőz Larderello Tiwi Cerro Prieto Krafla Geysers Wairakei Forró száraz kőzet

CO2 g/kWh 1042 906 453 380 272 175 96 33 13 11

S g/kWh 11 11 0,005 3,5 0 4,2 6,0 1,9 0,5 0

Szembetűnő, hogy a természetes, hidrotermális rendszerekből történő energiatermelés is sokkal kevésbé szennyező, mint pl. a szén és az olajtüzelés. A forró száraz kőzetekben mesterségesen létrehozott hőcserélők környezetkárosító hatása viszont gyakorlatilag elhanyagolható. A geotermikus energiatermelés okozta környezeti károk alapvetően abból származnak, hogy a kitermelt hévíz, vagy gőz nem tiszta H2O, hanem több-kevesebb szilárd és gáznemű komponenst tartalmazó oldat. A kémiai egyensúly feltételei meghatározzák, hogy valamely tárolókőzet pórusterében vagy repedéseiben az adott hőmérsékletű víz milyen oldott anyagot tartalmazhat, s mekkora mennyiségben. A hévíz, vagy gőz kitermelésekor az oldott komponenseket is felszínre hozzuk, s az energiahasznosítás után elfolyó kondenzvíz, vagy cusrgalékvíz nagy mennyiségű környezetidegen anyaggal szennyezi elsősorban a felszíni vízfolyásokat. Hazai hévízeink általában három nagy csoportba sorolhatók: hidrogénkarbonátos, kloridos, vagy szulfátos vizek. A felsőpannon hévizek túlnyomórészt nátrium-hidrogénkarbonátosak, kloridos jelleg csak Debrecen környékén fordul elő. Hidrogénkarbonátos-szulfátos hévizek elsősorban a Budapesten fakadó, ill. fúrt kutakkal termelt vizek. Az alsópannon tárolókból termelik a kloridos hévizeket, töménységük a mélységgel általában nő. Szulfátos a Sárospatak-Végardó fürdőjét tápláló hévíz.

54


55

Legnagyobb töménységűek a hasadékos, karbonátos tárolókból származó hidrogénkarbonátos vizek. Néhány nagy oldottanyag-tartalmú hazai hévízkút összes oldottanyag tartalmát mg/l-ben, valamint a kút térfogatáramát l/min-ban az alábbi táblázat tartalmazza. Kút Bükkszék Sárrétudvari Kiskőrös Hajdúböszörmény Zalakaros Földes Szandaszőlős Igal Hajdúnánás Endrőd Kecskemét Karcag Bükfürdő

Oldott anyag tartalom mg/l 24808 23485 14407 12913 12545 12125 10383 9394 7943 7124 6977 6579 6566

Térfogatáram l/min 1000 33 84 2050 1500 400 360 330 2000 500 430 1250 9000

E szerint pld. Bükfürdő 31000 t, míg Bükkszék 13000 t oldott szilárdanyagtartalommal terheli a környezetet. Hasonló külföldi adatok is nagy számban ismeretesek. A kaliforniai Imperial Valley 45 MW-os geotermikus erőművét tápláló kutak oldottanyag-termelése is jelentős. CaCl2 KCl Fe2O3 BaSO4 SrSO4 Na2B4O7 Li2CO3 Zn MgCl2 Pb

300 000 t/év 160 000 39 400 30 000 27 560 13 100 11 900 10 000 9 600 2 270

Ha ezt az anyagmennyiséget nem egyszerűen környeztet terhelő ballasztnak, hanem kibányászott nyersanyagnak tekintjük, nagyrészt piacképes, százmillió dolláros nagyságrendű értékhez jutunk. Ez lehet az oldott szilárdanyag-kérdés megoldásának útja, a nem-, vagy nem gazdaságosan értékesíthető komponenseké pedig a visszasajtolás. A nagy nyomású mélységi vizekben jelentős mennyiségű gáz lehet oldott állapotban. Ennek legnagyobb része széndioxid, metán, nitrogén, kénhidrogén, ritkábban lehet ammónia, radon, hélium, bór, vagy higany. A hévizekből kiváló gázok közül a legtöbb gondot a kénhidrogén (H2S) okozza. Már kis koncentrációban mérgező, és extrém kis (5 ppm) hígításban is kellemetlen

55


56

szagú. Világszerte egyre szigorúbb határértékeket írnak elő a kénhidrogén-kibocsátás megengedett értékére. A kénhidrogén a légkörben természetes úton alakul át kéndioxiddá, egynapos felezési idővel. A hévizek, vagy a geotermikus gőz nem-kondenzálódó gázait mesterségesen elégetve lehet megszabadulni a kénhidrogéntől. A kiváló gázkeveréknek rendszerint igen nagy az inert-tartalma. Pl. a Párizsi-medence dogger mészkőtárolójából termelt hévíz gáztartralma: 3% H2S, 27% CH4, 35% CO2, 35% N2. Ezt egy olyan reaktorban, tulajdonképpen módosított gázégőben égetik el, amely egy injektorba épített elektróda rendszer segítségével tartja fenn a rosszul éghet gázkeverékben a lángot. Éghető szénhidrogén-komponensek hiányában a készülék plazmakémiai reaktorként is üzemelhet. Ennél gazdaságosabb gyakorlatot követnek Izlandon: a gőzből kivált nagyobb mennyiségű H2S-ből elégetés révén SO2, ebből H2SO3, majd jól értékesíthető kénsav (H2SO4) keletkezik. A hévízből kiváló széndioxid – bár üvegházhatást előidéző gáz – nagyságrenddel kisebb, mint a foenergiahordozók elégetésekor keletkező széndioxidmennyiség. Mivel a geotermikus energia hasznosításával fosszilis tüzelőanyagokat váltunk ki, a hévíz CO2-tartalma mindig egy sokkal nagyobb széndioxid-kibocsátást helyettesít. Így a geotermikus eredetű széndioxid környezetkárosító hatásáról beszélni értelmetlen dolog, csőlátásra vall. A forró száraz kőzetek hőhasznosításakor még kisebb a CO2-emisszió, mint a természetes hidrotermális rendszerek esetén. A széntüzelésének alig 1%-a ez az érték. A hévízben oldott széndioxid kiválása nagyobb gondot okoz a vízkőkiválás folyamatában, illetve a korrózió előidézésében. A rétegvizekben szoros összefüggés áll fenn a víz szabad szénsav és kalciumkarbonát tartalma között. A vízben oldott kalciumhidrokarbonát a Ca(HCO3)2 ⇔ CaCO3 + H2O + CO2 egyenletnek megfelelően bomlik a vízben gyakorlatilag oldhatatlan kalciumkarbonátra, vízre és széndioxidra. Ez az egyenlet megfordítható, tehát ha a vízben oldott széndioxidot valamilyen módon eltávolítjuk, akkor a reakció a felső nyíl irányában zajlik le, s a hévízből oldhatatlan kalciumkarbonát válik ki. Ha viszotn széndioxidot vezetünk a vízbe, a reakció megfordul, és a kivált kalciumkarbonát feloldódik, hidrokarbonáttá alakulva. Azt a szabad széndioxidot, amely a feloldódott a(HCO3)2 oldatban tartásához szükséges, egyensúlyi szénsavnak nevezzük. Ha a hévíz éppen az egyensúlyi szénsavnak megfelelő szabad CO2-t tartalmazza, akkor mész-szénsav egyensúly van. Az egyensúlyi szénsavmennyiség a víz hőmérsékletétől és Ca(HCO3)2 tartalmától függ. A szabad, ill. az egyensúlyi CO2, valamint a Ca(HCO3)2 tartalomtól függően a hévizekben három esetet különböztethetünk meg. Ha a víz szabad szénsavtartalma kevesebb, mint amennyi a mész-szénsav egyensúlyhoz szükséges, egyensúlyi szénsavnak nevezzük. Ha a hévíz éppen az egyensúlyi szénsavnak megfelelő szabad CO2-t tartalmazza, akkor mész-szénsav egyensúly van. Az egyensúlyi szénsavmennyiség a víz hőmérsékletétől és Ca(HCO3)2 tartalmától függ. A szabad, ill. az egyensúlyi CO2, valamint a Ca(HCO3)2 tartalomtól függően a hévizekben három esetet különböztethetünk meg.

56


57

Ha a víz szabad szénsavtartalma kevesebb, mint amennyi a mész-szénsav egyensúlyhoz szükséges, a vízből kalciumkarbonát válik ki mindaddig, míg a kalciumhidrokarbonát koncentráció az egyensúlyi értékre nem csökken. A csővezetékek belső falán így vízkőlerakódás alakul ki, csökkentve az átmérőt, növelve az áramlási nyomásveszteségeket. A vízkőkiválás a termelőcső teljes eldugulásához is vezethet, ez történt a fábiánsebestyéni gőzkitörés alkalmával a csökkent szénsavtartalmú, hirtelen lehűlő gőz-víz keverékkel. Ha a víz szabad szénsav tartalma kevesebb, mint amennyi a mész-szénsav egyensúlyhoz szükséges, a vízből kalciumkarbonát válik ki mindaddig, míg a kalciumhidrokarbonát koncentráció az egyensúlyi értékre nem csökken. A csővezetékek belső falán így vízkőlerakódás alakul ki, csökkentve az átmérőt, növelve az áramlási nyomásveszteségeket. A vízkőkiválás a termelőcső teljes eldugulásához is vezethet, ez történt a fábiánsebestyéni gőzkitörés alkalmával a csökkent szénsavtartalmú, hirtelen lehűlő gőz-víz keverékkel. Ha a víz szabad szénsav tartalma a kalciumhidrokarbonát koncentrációjának megfelelő egyensúlyi értékekl egyenlő, az áramló hévízből vízkő nem válik ki. Ha a víz szabad szénsav tartalma nagyobb az egyensúlyi értéknél, akkor az az esetleg már lerakódott kalciumkarbonát réteget leoldja a cső faláról, az acéllal szemben pedig agresszíven viselkedik. Szigetváron a városi távfűtőhálózatba vezetett agresszívvé vált hévíz csővezetékek és radiátorok sorát tette tönkre. Nagyon sok külföldi geotermikus gőz, vagy hévíz esetén a sziliciumdioxid (SiO2) kiválása okoz vízkövesedési problémát. Hazai hévizeinkre ez a komponens nem jellemző. A geotermikus energiatermelő kutakból származó víz vagy gőz gyakran tartalmaz hasznosítható mennyiségű metánt. A szeparátorral leválasztott metán elégetésével járulékos energiaforráshoz jutunk. A metán elégetése a szénhez, vagy olajhoz képest sokkal kisebb széndioxid-kibocsátással jár, tehát még a legtisztább fosszilis energiahordozó. A Mexikói öböl louisianai és texasi partvidékén nagy mélységű, túlnyomásos tárolókból termelnek a hévízzel együtt jelentős mennyiségű metánt. Magyarországon már a ét világháború között hasznosították a hajdúszoboszlói hévízkutakból nyert metánt, többek között a MÁV személykocsijainak világítására. A kitermelt hévizek gyakran tartalmaznak mérgező anyagokat: higanyt, ólmot, arzént, cinket sőt uránt is. Ezeket a csurgalékvizekből biotechnológiai úton hatékonyan el lehet távolítani. Bizonyos mikroorganizmusok 55-60 oC hőmérsékleten és kissé savas jellegű folyadékban akár mechanikus keverővel ellátott, akár fluidizáltágy formájában működő bioreaktorokban 24 óra alatt a mérgező fémek 75-85%-át képesek kivonni. A módszer különösen ott előnyös, ahol visszasajtolásra nincs lehetőség. A geotermikus energiahasznosítás termikus hatásfoka általában alacsony, különösen elektromos energia előállításakor. A kondenzvíz entalpiája, vagy közetlen hőhasznosításnál az elfolyó meleg víz energiatartalma élő vizekbe vezetve megváltoztathatja annak ökológiai rendszerét: algásodást, oxigénhiányt, toxikus folyamatokat, halpusztulást okozhat. A többlépcsős, sorbakapcsolt hasznosítás a hőveszteséget csökkenti, ugyanakkor csökken a környezet „hőszennyezése” is. A „hőszennyezés” annál súlyosabb, minél kisebb az elfolyó melegvízhez képest a befogadó vízfolyás, tehát ez csak lokális jellegű. Ugyanakkor globálisan a növekvő geotermikus energiatermelés nem okozhat érzékelhető károsodást. A világ teljes energiatermelése ma közelítően 13⋅106 MW. A Föld felszínét elérő napsugárzás teljesítménye 173⋅109 MW, tehát 17800-szor nagyobb, mint a társadalom által

57


58

elfogyasztott, s végtermékként hő formájában megjelenő teljesítmény. Így az emberi civilizáció hőtermelése még ma is csak kimutathatatlanul kicsiny mértékben lehet éghajlat-módosító tényező. A hévíztermelés mértéke a tároló utánpótlódását meghaladva a vízszintsüllyedést, a tárolóban felgyorsuló tömörödést, esetleg űlszíni süllyedéseket is okozhat. Jelentős felszíni süllyedéseket mértek többek között az Új-Zélandi Wairakei és Broadlands mezőkben, a maximum meghaladta a 7 m-t. Olaszországban a már lassan évszázada művelt Larderellóban, Izlandon a Svartsengi mezőben, de kismértékben Szeged, Szentes és Hajdúszoboszló térségében is kimutatható a felszín süllyedése. Egyelőre csupán az olajiparban tapasztalták, hogy a vízbesajtolással történő olajkiszorítás aktív vetőket érintve kisebb „földrengéseket” okozott. Az USA-beli Geysers mezőben folyó vízvisszasajtolás hatására is jelentkeztek műszeresen már mérhető, de a mindennapi életet nem zvaró, szubjektíve még az észlelési küszöb alá eső szeizmikus mozgások. A vízvisszasajtolás helyszínének gondos kiválasztásával, rezervoármechanikai hatásvizsgálatán alapuló jól tervezett besajtolási stratégiával ezek a hatások is elkerülhetők. A geotermikus energiatermelés zaj-ártalmai a fúrással kezdődnek. Egy működő fúróberendezés zajszintje ritkán haladja meg a 90 dB értéket, ám sűrűn lakott területen, különösen éjjel kellemetlen elviselni. Egy kitörés alkalmával viszont jelentősen megnő a zajszint. A Fábiánsebestyénnél feltört gőz a 2-4000 Hz közötti frekvenciatartományban a fájdalomküszöböt elérő 120 dB-t meghaladó zajt okozott. A gőztermelő kutak is hangosabbak, a szokásos álló hengeres hangtompítókkal 85 dB alá csökkenthető a zajhatás. A száraz gőzt termelő kutak (Geysers, Krafla, Larderelló) zajcsökkentése nehezebb: homokkal töltött hengeres tartályokon átvezetve bíztató eredmények adódtak, bár a hvőeszteségek nem jelentéktelen mértékben növekedtek. Hévíztermelő kutaknál az alacsonyabb frekvenciájú és kisebb erősségű zajok dominálnak. Mégis, ajánlatos a fülvédő viselése, különösen kútvizsgálatoknál. Az USA előírásai ma a legszigorúbbak: a már működő geotermikus létesítmények megengedett zajszintjét a Geológiai Szolgálat mindössze 65 dB-ben határozta meg. Energiatermelés forró, száraz kőzetekből

Ismeretes, hogy a geotermikus energia fajlagos, tömegegységre vonatkoztatott értéke a mélységgel növekszik, ahogy a hőmérséklet is nő a mélységgel. A földkéreg legnagyobb részén a kellően nagy hőmérséklet már olyan nagy mélységben található, ahol a kőzetek kicsiny porozitása és az áteresztőképesség szinte teljes hiánya nem teszi lehetővé a pórusfolyadék kitermelését. Ebből a mélységtartományból csak úgy termelhetünk geotermikus energiát, hogy a kőzettestben mesterséges repedés-rendszert hozunk ltére, az azon kersztüláramoltatott és felmelegedett víz pedig felszínre hozza a kőzet belső energiatartalmának egy részét. Ezt a geotermikus energiatermelési módot gyakran emlegetik hőbányászatként, hiszen nem jár anyagkihozatallal. A forró száraz kőzetből (hot dry rock) geotermikus energiát termelő rendszer elvi vázlata a 46. ábrán látható. A felszínről egy keringető szivattyú táplálja be a vizet a besajtoló kúton keresztül a hőcserélőként működő repedésrendszerbe. A repedést legcélszerűbben hidraulikus rétegrepesztéssel állíthatjuk elő. A repedés-rendszeren átáramló víz felmelegszik, miközben hűti a kőzetet. A repedés hőátadó felületéhez a kőzetben vezetéssel adódik át a hőutánpótlás. A termelő kúton át jut a felszínre a

58


59

hasznosítóhoz a felmelegedett víz: a nyomáscsökkenés miatt nagy valószínűséggel nedves gőz, tehát gőz-víz keverék formájában.

46. ábra HDR kísérlet vázlata A rendszer sok szempontból hasonló egy, a porózus tárolóból vízvisszatáplálássasl termelő egységhez. Az alapvető különbség a tárolóban mutatkozik: az első esetben egy igen nagy fajlagos felületűpórusrendszeren igen lassan keresztülszivárgó víz „öblíti ki” a kőzetmátrix energiatartalmát, míg a mesterséges repedésrendszer hőátadó felülete kisebb, az áramlási sebesség viszont sokkal nagyobb a porózus tárolóhoz képest. Kövessük a cirkuláltatott víz útját egy felmelegedési-hőleadási cikluson keresztül. A rendszer nyomásszintjét a felszínen elhelyezett keringető szivattyú

59


60

nyomóoldali nyomása határozza meg. Túlnyomórészt ez fedezi a kutakban, a repedésben a hőcserélőben keletkezett áramlási nyomásveszteségeket. A szivattyút segíti a termoszifon-hatás: a besajtoló kút hidegebb, nagyobb sűrűségű vízoszlopa és a termelő kút felmelegedett kisebb sűrűségű vízoszlopa között adódó hidrosztatikus nyomáskülönbség. A besajtoló kútban lefelé áramló víz nyomása a hidrosztatika alaptörvényének megfelelően nő a mélységgel. A súrlódási nyomásveszteség az áramlás irányában a hossz függvényében szintén lineárisan nő a nyomás rovására. Így a függőleges irányú nyomásgradiens természetesen kisebb, mint a hidrosztatikus állapotban adódó érték. A besajtoló kút talpán jelentkezik a legnagyobb nyomás. A résben a víz a termelő kút talpa felé áramlik. Mivel a termelő kút talpmélysége kisebb, a nyomás egyrészt hidrostzatikai, másrészt súrlódási okból tovább csökken. Ha a víz eléri a termelő kút talpát, áramlása innen függőlegesen felfelé irányuló. Nyomása a mélység csökkenésével és a súrlódási nyomásveszteségek miatt lineárisan csökken a hőcserélő belépő csonkjáig. Itt a súrlódási nyomásveszteség tovább csökkenti a nyomást a minimális értékig. A víz hőmérsékelte a besajtoló kútban exponenciális jelleggel növekszik. A repedés-rendsezrben a víz tovább melegszik: a jóval nagyobb hőátadó felület miatt a hőmérsékletnövekedés nyilván markánsabb. A termelő kútban a talp közelében még tovább nő a felfelé áramló víz hőmérséklete, majd egy maximum-érték után a kútfejig exponenciálisan csökken. Nyilvánvalóan a hőcserélőben adja le a forró víz energiatartalmának legnagyobb hánaadát: lehűlve az A pontban a kiindulási hőmérsékleten kezdi az új ciklust. A forró száraz kőzetből történő geotermikus energiatermelés gyakorlati megvalósítására az első kísérlet 1971-ben kezdődött. Az USA geológiai szolgálata által gyűjtott és feldolgozott földtani, hidrológiai és hőáram-adatai alapján egy a közelmúltban még aktív vulkanikus területet választottak ki Los Alamostól kissé nyugatra. 1974 folyamán a második, a GT-2 jelű kísérleti fúrást mélyítették le a GT-1-től 2,5 km-re délre a Fenton Hill nevű helyen. Ennek lyuktalpi hőmérséklete 2929 m mélységben 197 oC volt. Az alapkőzet itt is viszonylag kis nyomással repeszthetőnek és igen kis permeabilitásúnak bizonyult. 1975-ben Fenton Hill-ben az EE-1 jelű irányított fúrással célozták meg a GT-2 lyuk repedés-rendszerét. A tervekkel ellentétben nem sikerült eltalálni a kialakult repedéseket, a lyukat 3064 m mélységig fúrták, ahol 205 oC hőmérséklet uralkodott. Az EE-1 lyukból végül sikerült – többszöri kísérletre – egy olyan repedést létrehozni, amely metszette a GT-2 fúrás repedésrendszerét, így a két fúrólyuk között a permeabilis repedezett kőzetzóna kialakult, s sor kerülhetett az első cirkuláltató kísérletekre 1976ban. Az 1976 év túlnyomórészt a mérőműszerek és módszerek javításával, a repedésrendszer geometriai viszonyainak megállapításával telt el. Ezeknek az információknak a birtokában 1977-ben GT-2 fúrólyuk legmélyebb szakaszát újra fúrták két ízben. Az első újrafúrás lényegesen csökkentette a két lyuk közötti áramlási ellenállást, a második is hasznosnak bizonyult, így lehetségessé vált a hőkinyerési kísérlet elvégzése. A két kútfejet összekötötték, s a víz-gőz keverék léghűtésű hőcserélőnát áramlott. Itt természetesen még szó sem volt energiahasznosításról: a hatévi kemény és költséges munka eredménye, hogy létrejöhetett a föld alatt záródó áramkör: a GT-2 és EE-1 lyukakat 2650 m mélységben kötötte össze a repedésrendszer.

60


61

1978-ban továbbfolytak a kísérletek. A túlnyomás alatt keringetett víz a termelő kútfejen 130 oC hőmérsékletet ért el, s a kényszeráramú léghűtőn 3,2 MW termikus teljesítmény disszipálódott. A rendszer fokozatos tökéletesítése után 1979-ben egy 75 napig tartó kísérletsorozatra került sor. A kísérletekből úgy adódott, hogy egy 8000 m2 felületű hidraulikus repesztett réssel egyenértékű hőátadó felületet sikerült létrehozni. A repedésrendszer hidraulikai ellenállása fokozatosan csökkent, nyilván az áramló víz eróziójának hatására. A két kútfej közötti állandó nyomáskülönbség (állandó keringtető szivattyú-szállítómagasság) mellett fokozatosan nőtt a térfogatáram a 17 kg/s értékig. Ez a hozam a hőátadó felülethez képest nagynak bizonyult, így a rendszer elég gyorsan hűlni kezdett, s a 75 napos vizsgálat végére 87 oC-ra csökkent a hőmérséklet. A kőzetből kinyert hőteljesítmény a hűlés ellenére nőtt, hiszen a megnövekedett térfogatáram túlkompenzálta a hőmérsékletesés hatását. Így a teljesítményhozam 5 MW értékig nőtt. A rendszerből elszivárgó víz a térfogatáram 1,5%-ának megfelelő veszteséget tett ki. A víz minősége az erózió ellenére elég jó maradt, az összes oldottlebegtetett szilárd anyag nem érte el a 2000 ppm értéket. A hűlés következtében nem volt észlelhető szeizmikus folyamat a rezervoár környezetében, vagy a felszínen. Egy 38 napos újabb ciklusra is sor került megnövekedett visszasajtoló nyomással, hogy a repedésen nagyobb térfogatáramok haladjanak át. Ez a kísérlet meghiúsult a besajtoló kút cementpalástjának tönkremenetele következtében. A megnövelt nyomás hatására bizonyítottan csökkent a repedés-rendszer áramlási ellenállástényezője, ezt csak az okozhatta, hogy a rések a megnövelt nyomás hatására tágultak. 1979-ben fejeződött be az EE-1 cementpalástjának újracementezése, amely a béléscső és a fúrólyuk fala közötti tér gondos kitöltését igényelte. Ekképp az EE-1 lyuk sokkal nagyobb repesztő nyomásokat is képes volt elviselni. A béléscsövezetlen fúrólyukszakaszon így további repedésrendszer létrehozására nyílt mód. Ez 200 m-rel a régi repedésrendszer alatt jött létre, ezen keresztül folytak az 1980-as év áramlástechnikai kísérletei. Ugyancsak 1979-ben kezdték fúrni az EE-2 jelű lyukat, amely 1980-ra készült el. Ezzel egy újabb repedésrendszert sikerült létrehozni, amelyből már elektromos energia termelésére alkalmas hőmérsékletű és mennyiségű gőzt lehetett termelni. A megnagyobbított repedésrendszert 2930 m mélységben metszette az EE-1 (a besajtoló) kút, a termelő kút a GT-2B 2700 m mélységben csapolta meg a repedésrendszert. A rendszer 9,65 Mpa besajtoló nyomás mellett 6,0 kg/s térfogatáramot bocsátott át, 1,1 Mpa ellennyomással szemben. A rendszer által leadott hőteljesítmény 3 MW volt. A rendszer áramlási ellenállástényezője 1400 Mpa⋅s/m2-nek adódott, s különösen a repedésrendszer és a termelőkút találkozásánál bizonyult nagynak. Az érintetlen állapotban levő kőzet hőmérséklete a repedésrendszer és a termelőkút találkozásánál bizonyult nagynak. Az érintetlen állapotban levő kőzet hőmérséklete a repedésrendszer bemenő oldalán 197 oC volt, s a kvarc geotermométerrel a folyadékkal érintkező kőzetfelület 190 oC hőmérsékletűnek adódott. A folyadék hűtő hatására a repedésrendszer hőmérséklete 156 oC-ra csökkent a 23 napos kísérlet végére a termelő kút környezetében. A folyadékveszteség 1,3 kg/s volt – elég nagy – a vízminőség azonban igen jó maradt. 1980 második felében egy 200 napos kísérletsorozat indult a tényleges hőátadó felület meghatározására. A hőmérséklet alig 3-5 oC-kal csökkent, a hőátadó felület 50 000 m2 nagyságúnak bizonyult. A víz elszivárgása is csökkent 0,6 kg/s értékre. 1980 májusában egy kis, gerendavázra erősített 60 KVA teljesítményű kétközeges

61


62

körfolyamattal meghajtott turbogenerátort építettek be a termelő kútfejnél. Az ott 132 o C víz-gőz 3 kg/s térfogatárama forralta fel a munkavégző Freion R-114 gázt, ennek a gőze hajtotta a generátort forgató turbinát. A gépegység nem működött folyamatosan, a freon szökött a tömítetlenségeknél, a szabályozó körben elektromos hibák adódtak, s ez áramlástechnikai kísérletek miatt a forró víz termelő rendszer – a maga nemében az első ilyen a világon – meglepően jó, 5,7% hatásfokkal működött. A kísérletek során a repedésrendszer a fúrólyuktól távolabb is regisztrálható mikroszeizmikus zajokat keltett. Az eddigi kísérletek sikeresen bizonyították, hogy a száraz, forró kőzetből történő energiatermelés megvalósítható. Ugyanakkor kitűnt, hogy ez a térfogatáram és kútfejhőmérséklet még alkalmatlan gazdaságos villamos energia termelésre. Valószínű, hogy egy ekkora repedésrendszer élettartama sem lenne elegendő, hogy az elektromos energiatermelő egység és a fúrási-repesztési munka költségei amortizálódjanak.

62

A GEOTERMIKUS ENERGIA

Recommend Documents