Környezeti hő
Európai Parlament és a Tanács 2009/28/EK IRÁNYELVE 2. cikk ► geotermikus energia: a szilárd talaj felszíne alatt hő
formájában található energia; ► Sekély mélységű (20-400 m)
► Nagy mélységű
► hidrotermikus energia: a felszíni vizekben hő
formájában tárolt energia; ► légtermikus energia: hő formájában a környezeti
levegőben tárolt energia;
Geotermia
Földhő eredetű energia hasznosításával kapcsolatos szakkifejezések Természetes felszín alatti vízkészlet: A hézagokat kitöltő víz a mozgásállapottól függetlenül;
dinamikus vízkészlet: A természetes felszína alatti vízkészlet azon része amelyik a hidrológiai körfolyamatban részt vesz; statikus vízkészlet: A természetes felszín alatti vízkészlet azon része amelyik a hidrológiai körfolyamatban nem vesz részt; Gazdaságosan hasznosítható készlet: az a vízhozam amelynek kitermelése következtében a hatásterületen fellépő károk kisebbek, mint a vízhasznosítás anyagi előnye.
►
Elméleti alapok 1. - hőáram A geotermikus energia a Föld belsejének hőenergiája, amelynek forrása a radioaktív izotópok bomlása: a mag melegebb 4000 °C-nál; a földbelső 99%-a melegebb 1000 °C-nál; a hő a felszín felé áramlik ►hőáram[sűrűség]: 1 m2-en jelentkező hőteljesítmény = 7090 mW/m2 – ez olyan csekély mennyiség, amit nem érdemes hasznosítani – még szerencse, hogy a NAP is melegít, így alakulhatott ki a hőszivattyúzás, ami ezért sokkal inkább tartozik a napenergia-hasznosításhoz. ► Időjárástól függetlenül rendelkezésre áll;
93 000 km2 felszínen a hőáram 8370 MW hőteljesítményt jelent. Így e hőáram által szállított éves hőmennyiség 264 PJ.
Elméleti alapok 2.- mélyben tárolt hő ► Geotermikus gradiens
3 °C/100 m (Magyarország alatt 4,5-5 °C/100 m) 1000 m-en 60 °C, 2000 m-en 110 °C ►A mélységgel a nyomás is növekszik: pórusok, repedések Ø ►Kőzethőmérsékletünk
► Természetes geotermikus rezervoár: A mélyben
természetesen előforduló meleg víz ► Mesterséges földhő-rendszer (Enhanced Geothermal
System – EGS): hidegvíz-besajtolással megnövelik a repedésrendszert, így a vízvezető-képességet
egyik típusa a Forró Száraz Kőzet (Hot Dry Rock) technológia
► ►
►
Hot Dry Rock Igen nagy mélységben (2-5 km); 150 °C visszatérő vízhőmérséklet fölött gazdaságos, amikor lehetőség van kogenerációra; 20 éves élettartam során a közeli kőzetrétegek visszahűlnek és csak 100 éves pihentetés után használhatók megint;
Hatásfok (%)
Éves növekedési ütem (%/év)
A technológia várható maximális költségcsökkenése (%)
-20 - 70
2
20
45 - 90
3
20
20-40
30
30
8-20
30
80-85
Kombinált termálelektromos
20-35
5
60
Ár-apály
20-30
0
0
Biomassza
25-80
3
30
Víz Geotermia
Szél PV
A geotermikus energia ajánlott felhasználási területei, ill. komplex hasznosítása – Lindaldiagramm Az eddig feltárt legnagyobb hőmérsékletű területek: Milos (Görögo) 310 °C, Salton Sea (AEÁ) 360 °C, Cerro Prieto (Mex.) 388 °C.
Geotermikus közvetlen hőhasznosítás
Geotermikus távfűtés Európában rendszerek száma 216 rendszer - 4900 MWth
Geotermikus távfűtési rendszerek beépített kapacitása európai országokban 2014-ben (MWth) (ANGELINO, L. et al. 2014)
Geotermikus fűtés esetén nincsen szükség a környezetterhelő sózásra
Visszasajtolás = fenntarthatóság avagy ténylegesen megújuló-e? Jogszabály: EU Víz Keretirányelv: csak a zárt rendszerben használt vizeket engedi visszasajtolni – fürdővizeknél például tilos. Előnyei: Fenntartja a rétegenergiát Nem károsítja a talaj és a vizek minőségét és az ökoszisztémát (Nincs szennyvízbírság és vízkészlet járulék) Hátrányai: Beruházási, üzemeltetési költségek Kihívások: Törmelékes (porózus) kőzetekbe (pl. homokkő) nehézkes, kevés a referencia
„A Magyar Geotermális Egyesület (MGtE) szervezett szakmai konferenciát 2011. május 3án, amelynek témája a termálvíz kötelező visszasajtolása elleni tiltakozás volt.”
„Megoldhatatlan feladat visszasajtolni a földbe a többek közt fóliasátrak, üvegházak fűtésére felhasznált és lehűlt termálvizet - írta szentesi gazdálkodókra és szakemberekre hivatkozva a Magyar Nemzet”. (2011. 05. 05.)
A Nemzeti Fejlesztési Minisztérium álláspontja
2013.03.27. A Kormány döntött arról, hogy 2025-ig meghosszabbítja az energiahasznosítás céljából kitermelt termálvíz visszasajtolási kötelezettségének felfüggesztését, és a javaslatot az Országgyűlés elé terjeszti.
Közvetett hasznosítás: Villamos energia ►
7-8 °C/100 m geotermikus gradiens - főleg vulkáni területek (átlag: 3 °C)
►
A) Közvetlenül (ha magas a hőmérséklet és kedvező a gőz összetétele, pl. Larderello)
►
B) Kétkörös (biner) rendszerben Elgőzöltetéses áramtermelés – alacsony nyomáson gőzzé alakítják a feltörő forró vizet Segédközeges áramtermelés – alacsony forráspontú anyagot (pl. izobután, ammónia-víz keverék) melegítenek
Nyomáscsökkentő tartály
Forró víz (nagy nyomás okán
Dry steam station
Flash steam station
Kétkörös rendszer
Larderello
Az áram termelése 1904-ben indult meg – a világon elsőként; 1913-ban induló üzemszerű használat: 250 kWp teljesítmény; Vízhőmérséklet 200°C! Kiaknázott terület: 250 km2 Jelenlegi teljesítménye 600 MW, de 880 MW-ra szeretnék növelni.
(MW)
(GWh)
2014. évi növekmény
Geotermia az áramtermelésben
Wairakei – 2 km2-en 64 kút 30 km2-es területen 1 cm vízszintcsökkenés évente
Wairakei – Új-Zéland Indítás: 1958 (világon első FLASH STEAM rendszer) Lezárás: 2013-tól fokozatosan Típus: Flash steam + binary cycle (2005 óta a kilépő alacsonyabb hőmérsékletű gőz hasznosítására) Kutak: 55 production; 6 reinjection; 50 monitoring Átlagos kútmélység: 300 m; max. kútmélység: 660 m Névleges teljesítmény: 175 MW Capacity factor: 89.0% Természetes hidrotermális rendszer. A kitermelés üteme lényegesen meghaladja a tároló vízutánpótlását, ezért a konszolidáció miatt felszíni süllyedések keletkeztek. Itt a felszín süllyedésének sebessége évente 0,45m.
Áramtermelés (2000-2010)
Izland (2011)
661 MWe 4,600 GWh 24.5% of the country's total electricity production.
90% households are heated with geothermal energy.
Nesjavellir PowerPlant 120 MWp + 1,1 m3/sec forró víz (82-85°C) space heating and hot water for the Capital Region, Greater Reykjavík.
Magyarországon a megújuló primer energia 10%-át adta (2004) 85% biomassza (tűzifa) ~10% geotermia ►
► ►
A bányatörvény (1993. évi XLVIII. tv.) szerint a geotermikus energiát energetikai céllal kitermelőknek bányajáradék fizetési kötelezettségük van. A bányajáradék összege a kitermelt geotermális energia 2%-a. A bányatörvény végrehajtásáról szóló 203/1998. (XII. 19.) Korm. rendelet szerint nem kell bányajáradékot fizetnie annak, aki vízjogi engedély alapján a geotermális energiát gyógyászati, balneológiai vagy vízellátási alkalmazás mellett energetikai célra is hasznosítja.
Hazai hasznosítás 30% ivóvíz ► 35% fürdővíz ► 35% hőenergia Mindez összesen 3,6 PJ/év (2006) – viszont 26-38 PJ a kitermelés, vagyis 90%-a elveszik!!!!! a 3,6 PJ a hazai primer energiafelhasználás mindössze 0,3%-a ; A 3,6 PJ a megújulón belül 6,6%; A teljes potenciál minimum 60 PJ ►
Szita K. 2009, Energoexpo – Bólyi példa
Hévízkutak talpmélysége
Hőmérséklet 1000 méteres mélységben
5000 méteres mélység
Hévízkutak megoszlása a kifolyó víz hőmérséklete szerint Magyarországon (2000) Hőfok (oC) 30-39,9 40-49,9 50-59,9 60-69,9 70-79,9 80-89,9 90-99,9 100 < Összesen
Kutak száma 581 283 132 121 70 50 48 3 1289
Százalék (%) 42 20 11 10 7 5 5 0,4 100
A mértéktelen kitermelés (az egyre szaporodó fürdők) miatt: - csökken a felszín alatti vízkészlet, - az elengedett vizek szennyezik élővizeinket, - az elfolyások ki nem használt energiatartalmát elpazaroljuk.
Mezőgazdasági hasznosítás A szektorban működő termálkutak száma: ~200 !! Kapacitás: 210 MW Energiafelhasználás: 1,9 PJ/év Növénytermesztésben 67 ha üvegház, 232 ha fóliasátor Állatartásban 52 helyszín (istálló, baromfikeltető, halastó)
Szentes- Árpád-Agrár Zrt a világ legnagyobb mezőgazdasági célú termálhő-hasznosítója!! - 65 MW Termálvízre alapozott kertészet (zöldségtermesztés, dísznövénytermesztés) két típusa alakult ki: • üvegházi (30 ha) • fóliasátras (30 ha). + 35.000 m2-en baromfitelepet, pulykaólakat, keltetőket is fűtenek, + Gabonaszárítást végeznek
Az energiaköltség 70%-kal csökkent
Magyarországon 17 geotermikus távfűtéses rendszer – kapacitás: 120 MW
Kistelek Bóly
Szita K. 2009; Bobok – Tóth A. 2010
SZEGED, FELSŐVÁROS II. GEOTERMIKUS ENERGIAELLÁTÁS HŐSÉMA
85-87 °C
A legsikeresebb hazai projekt: HÓDMEZŐVÁSÁRHELY
A sikeresen megoldott vízvisszasajtolás költségei ellenére a távfűtés költsége a gáztüzelésű távfűtéséhez képest 40%-kal kisebb.
Kistelek – 2008. november Önkormányzati intézmények fűtésére ► 50-60 millió Ft/év helyett 15-20 millió Ft/év ► Beruházás: 500 millió Ft, ebből 300 m. pályázatból ► 1550 liter/perc 85 fokos víz 2095 méter mélyről érkezik a rendszerbe. A vizet tisztítják és gáztalanítják, így kerül a rendszerbe, és végül így sajtolják vissza a felső rétegekbe. A visszasajtoló 2,5 kilométerre van a településtől. A fűtött intézményekben teljesen tetszőleges hőmérsékletet választhatnak a fogyasztók, általában 22 fokot igényelnek. ►
Miskolc – 2013. május Közép-Európa legnagyobb geotermikus fűtőművének átadása fűtési energiafelhasználás forrásoldalának változása
Problémák, nehézségek, kihívások
Nagyszerű adottságok a felhasználókhoz közel (Margit-sziget, Városliget [Széchenyi-fürdő])
Esettanulmány (Széchenyi fürdő) Kiindulási probléma: 6300 m3/nap, 32-42 °C hőmérsékletű elfolyó (csurgalék-) víz - Ebből 5040 m3/nap 76 °C + 14 db alacsonyabb hőmérsékletű kút - Legrosszabb esetben is 22°C-kal lehetne visszahűteni (10 °C-ra)
- Ez 6,8 MW hőteljesítmény! - 222,9 TJ/év (0,2 PJ/év) hő volna kinyerhető ebből az egyetlen rendszerből! - Ez jelenleg nem előnyként, de súlyos hőterhelésként jelentkezik! Megoldási javaslat: 1000 m távolságban minimum 8 nagyfogyasztó: BVSC uszoda; Éttermek (Gundel, Robinson); Múzeumok, Irodaházak (minimum 2 db)
A termálvíz minősége, kémiai összetétele ► ►
a kút helyének, mélységének függvénye - de: egymáshoz közel mélyített kutak esetén is jelentősen eltérhetnek. ez határozza meg a termálvíz vízkőkiválási és korróziós tulajdonságait: az összes oldott sótartalom (kalcium- és magnézium sók - vízkő), a kationok, anionok mennyisége, minősége,
a gáztartalom (metán, szén-dioxid), az egyensúlyi pH érték ►
A lerakodások vegyszeradagolással előzhetők meg, utólag pedig savazással eltávolíthatók. A lerakodás mennyiségének, növekedési sebességének, helyének pontos ismerete lényeges a zavartalan üzemeltetéshez.
Üzemeltetés nehézségei
►
A nagy CO2-tartalmú vizek (szénsav) megtámadják a fémeket, a kút csövezését, az egyéb szerelvényeket, a továbbító csöveket. Agresszív vizekkel érintkező szerelvényeknél lényeges azok anyagának helyes megválasztása.
►
A metán-tartalom szeparálása a robbanásveszély elkerülése érdekében lényeges. Egyes vizek olyan sok metánt tartalmaznak, hogy az a termálvíz mellett további gazdaságos energiaforrást jelenthet.
A legnagyobb probléma az elhasznált víz elhelyezése ►
Esetenként mérgező hatása is lehet. mérgező anyagok (pl. arzén) akár a vízi élőlények tömeges pusztulását is okozhatják;
►
Még viszonylag kis koncentrációjú oldott anyagtól is lehet kellemetlen szag, elváltozhat a szín; ha a lehűtött termálvízzel halastavakat töltenek fel, már csekély fenol tartalom is kellemetlen ízűvé teszi a halak húsát.
►
A talajban szikesedést idézhet elő;
►
Hőszennyezés.
Hazai gondok ►
a gyakorlatban egylépcsős a hasznosítás;
►
a hasznosítás szezonális,
►
gyakran nincs mérés alacsony hatásfok;
► gyakorlatilag nincs visszasajtolás
Jövő (?)
Reálisan elképzelhető fejlesztési lehetőségek a közeljövőre vonatkozóan: fókuszban az áramtermelés
Környezeti terhelés - összefoglalás A létesítés időszakában: fúrási zaj; rétegrepesztés szeizmikus hatása (Bázel, 2006); Természetes hidrotermális rendszerekben, ha a kitermelés üteme lényegesen meghaladja a tároló vízutánpótlását, a konszolidáció miatt felszíni süllyedések keletkeznek. Az erőművek kevéssé zavaróak tájképi szempontból: kis területigény, alacsony építés, nem szükségesek magas tornyok. Egy geotermikus erőműnél az egységnyi teljesítményre eső hulladékhő 2-3-szor nagyobb a nukleárishoz képest. A hévíz vagy a gőz kitermelésekor az oldott komponenseket is felszínre hozzák, s az energiahasznosítás után elfolyó csurgalékvíz nagy mennyiségű környezetidegen anyaggal szennyezi elsősorban a felszíni vízfolyásokat. Célszerű ezen anyagok hasznosítására törekedni. A víztermelés jelentős vízszintsüllyedést okozhat. Hajdúszoboszlón és Szentesen jelentős (>50 m) vízszintsüllyedést okozott a visszasajtolás nélküli, több évtizedes hévíztermelés.
Sekély mélységű geotermikus hőenergia és egyéb környezeti hőforrások hasznosítása
Talajhő komponensei (W/m2)
30
25
10
20 15 10
20 0,1
5
0
napenergia eredetű
földhő eredetű
• Áramfogyasztása ~6000 kWh/év egy átlagos háztartást feltételezve - kérdés, hogy milyen forrásból származik a villamos áram...
Elméleti hatásfok (Jóságfok) (COP = Coefficient of Performance) • COP 3-4 (-5) • A hőszivattyú leadott fűtőteljesítményének és teljesítményfelvételének az aránya. Egységnyi villamos energia felhasználásával mennyi (hányszoros mennyiségű) hőenergia állítható elő. • a névleges COP értéket általában +7 C°-os hőleadó közegre számítják - magyar éghajlati körülményeknek jobban megfelel a +2 C°-nál mért COP érték
• Adott hőmérsékletű külső hőforráshoz tartozó elméleti mutató, pillanatny értéket jelent: vásárlási döntésre ez önmagában nem elegendő.
Gyakorlati hatásfok • A hőszivattyús rendszerek gazdaságosságát az adott rendszerrel elérhető szezonális teljesítmény-faktor SPF [kWh/kWh] értéke határozza meg; • SPF: Seasonal Performance Factor; • Pontos értékét mérésekkel lehet meghatározni;
Nyitott és zárt rendszerű hőszivattyús megoldások
Talajszonda
Talajkollektor
Kisebb, olcsóbb változat: 0 °C alatt rohamosan romló hatásfok, COP = 1.
Nagyobb, nehezebb, drágább változat: -20-25 °C-ig képes +65 °C-os vizet előállítani
Csak olyan műszaki megoldásoknál támogatható a hőszivattyúzás, ahol az alábbiak együttesen érvényesülnek: a) a) alacsony hőmérsékletű fűtés esetleg fan-coil van (nem radiátorok a hőleadók); b) b) automatikusan üzemelő hűtő-fűtő rendszert szükséges létesíteni; c) c) az épület hőszigeteltsége minimum megfelel a jelenleg érvényes épületenergetikai előírásoknak.
Nagy mennyiségű alacsony hőmérsékletű közeg hőenergiájának egy részét elvonjuk és tartalmát átadjuk egy kisebb mennyiségű közegnek. Alapelv: ha a gázt összenyomjuk, annak a hőmérséklete nő (pumpálás), ha a molekulákat egymástól eltávolítjuk – komprimáljuk – a gáz lehűl (szódásszifon).
Development of heat pumps sales in 21 European countries:
growth rates 2011-12 and 2012-13
Éves hőszivattyú-értékesítés Németországban
Gazdaságosság – osztrák árak alapján
Megítélése nem egyértelmű o Energetikai kiszolgáltatottság háztartási szinten; o Függ a meglévő energiarendszer környezeti teljesítményétől; o A villanyautók mellett a legnagyobb áramfogyasztó lehet Ugyanakkor o Hulladékhő alapon komoly erőforrásmegtakarítást eredményez o a rendszer rugalmasságát fokozó technológia (DSM) – a jövőben fontos lehet! o Vízerőművekre alapozott rendszerhez illesztve ideálisan működhet (Heller László, 1948 – Zürich városháza)
