Geotermikus Energia Dr. Tóth Anikó PhD Kőolaj és Földgáz Intézet
ALAPFOGALMAK Az energia a tágabb értelemben vett anyag egyik lehetséges megjelenési formája, objektív fizikai realitás. Univerzális skalár mennyiség, amely egy zárt anyagi rendszer bármilyen állapotváltozásánál időben állandó marad. Bármely zárt anyagi rendszerhez hozzárendelhető egy energiafüggvény. A fizika egyik alaptörvénye az energia megmaradásának törvénye: energia nem keletkezhet, és nem semmisülhet meg, csak átalakulhat egyik formából a másikba.
Minden természeti vagy műszaki folyamat energiaátadással jár. A rendszer határán a kölcsönhatás során átvitt energiamennyiség a munka. A munka nem az energia egyik megjelenési formája, csupán egy energiaátviteli forma. Az energia a rendszer állapotát, a munka a kölcsönhatás folyamatát jellemzi.
A klasszikus definíció szerint a mechanikai munka az erő és az erő irányába eső elmozdulás szorzata. Ez a munka és az energia azonos mértékegységének alábbi definícióját teszi lehetővé: 1N erő 1m úton 1Joule munkát végez. Entalpia– (jele H, mértékegysége J) – egy zárt rendszer összes energiatartalmát jelenti. Tartalmazza a rendszert alkotó részecskék egyenesvonalú mozgási energiáját, rezgési és forgási energiáját az atomok és a molekulák elektronjainak energiáját és az atommagokon belüli kötési energiákat. Entrópia - (jele S, mértékegysége rendezetlenségének mértékét jelenti.
J)
az
anyagi
rendszerek
Minél stabilabb termodinamikailag egy rendszer, annál nagyobb a belső rendezetlensége, entrópiája.
I. főtétel – Energiamegmaradás törvénye Egy termodinamikai rendszer belső energiáját kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. A rendszer ΔU belső energiájának megváltozása tehát a vele közölt Q hőmennyiség és a rajta végzett W (bármilyen) munka összege:
Áramló közegre a hő, és technikai munka összege így számolható:
ahol q a hő, w(t12) a technikai munka, h az entalpia, c a közegáramlás sebessége, g a gravitációs állandó, és z a vizsgált pont magassága (helyzete). Differenciális alakban:
Következménye: Nincs olyan periódikusan működő gép, ú.n. elsőfajú perpetuum mobile (örökmozgó), mely hőfelvétel nélkül képes lenne munkát végezni.
II. főtétel Clausius-féle megfogalmazás (1850.): A természetben nincs és egyetlen géppel sem hozható létre olyan folyamat, amelyben hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át.
Kelvin-Planck-féle megfogalmazás (1851., 1903.): A természetben nincs és egyetlen géppel sem hozható létre olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít és ez a hő egyéb változások nélkül teljes egészében, 100%-os hatásfokkal munkává alakulna át.
Az energetikában általában a Joule sokszorosát használják, ezekhez a nagyobb egységekhez a következő többszörösöket és prefixumokat használják.
1J 1 KJ (kilojoule) 1 MJ (megajoule) 1 GJ (gigajoule) 1 TJ (terajoule) 1 PJ (petajoule) 1 EJ (exajoule)
= = = = = = =
1Nm 103 J 106 J 109 J 1012 J 1015 J 1018 J
A szemléletesség kedvéért gyakran használják az 1 tonna olaj egyenértékét, főleg a gazdasági és a politikai szférában.
1Toe = 41,85GJ
A teljesítmény az egységi idő alatt végzett munka, vagy az egységi idő alatt közölt hő.
W Q P= , vagy P = t t Mértékegysége a watt.
1 watt = 1 J/s.
A wattnak a joule-lal azonos prefixumú többszörösei vannak, kW, MW, GW, TW … stb. A villamosiparban viszont a teljesítményből számított munka, illetve energia-egység honosodott meg. 1kilowattóra=1kilowatt teljesítménnyel végzett munka 1 órán keresztül.
1 kWh = 3600 KJ 1 MWh = 3600 MJ
A céljainknak megfelelően hasznosuló energiamennyiséget az összes átvitt energia mennyiségével összehasonlítva kapjuk a hatásfokot.
Whasznos Phasznos η= , vagy η = Wösszes Pösszes A hatásfok érték mindig kisebb egynél, vagy mindig kisebb, mint 100%.
Az egyes energiafajták rendszerint valamilyen hordozó közeghez, az ún. energiahordozóhoz kötöttek. Egy 100 m magasságban lévő 1 kg tömegű test helyzeti energiája a gravitációs térben 981 J, tehát alig 1 KJ. Ha 100 m/s sebességgel mozog u.ez a test, mozgási energiája 5 KJ 1 kg 100 oC forró víz hasznosítható belső energiája a 15 oC-os környezethez képest 355,9 KJ 1 kg kőszén tökéletes elégésekor 25.000 KJ. 1 kg kőolaj égésekor 40.000KJ.
1 kg földgáz elégésekor 50.000 KJ
1 kg 235-ös U izotóp meghasadásakor 8*1010 KJ energia keletkezik.
Nem alárendelt jelentőségű a helyzeti energia sem. Kínában a Jangce folyón épült erőmű 180 m-rel duzzasztja fel a folyó vizét, azaz 1 kg víz helyzeti energiája 1,8 KJ. A Jangce vízhozama itt átlagosan 20 millió kg/s, s az erőmű teljesítménye 18,2 GW, tehát 18.200 MW. Összehasonlításul a Paksi atomerőmű 1.800 MW teljesítményű.
Az ipari társadalom energiaszükségletének túlnyomó részét a kőszén, a kőolaj és a földgáz elégetésekor végbemenő kémiai reakcióban felszabaduló energiából fedezi. Ezek a tüzelőanyagok a földtörténeti múltban sokmillió évvel ezelőtt keletkeztek, az akkori szerves anyagból létrejött „kövületek” azaz fossziliák. Ezért szokás ezeket fosszilis tüzelőanyagoknak nevezni.
A fosszilis tüzelőanyagokat tehát a földkéregből bányászati módszerekkel hozzák felszínre. A világ fosszilis energiahordozóinak termelése 2002-ben: Kőszén
11.800 Mt
Kőszén
150 év
Kőolaj
3.557 Mt
Kőolaj
40 év
Földgáz
60 év
Földgáz
2.528 Tm3
A ma ismert készletek A fosszilis energiahordozók elégetésének egy igen kedvezőtlen következménye a légkör szennyezése a keletkező égéstermékekkel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkező égéstermékek fajlagos mennyiségét – 1 TJ = 109 KJ felszabaduló hőre vonatkoztatva:
SO2
NOx
Kőszén
420
40
5.000 94.000
Olaj
140
35
70 78.000
-
35
70 52.000
Földgáz
CO
CO2
A fosszilis tüzelőanyagokat tehát a földkéregből bányászati módszerekkel hozzák felszínre. A világ fosszilis energiahordozóinak termelése 2002-ben: Kőszén
11.800 Mt
Kőszén
150 év
Kőolaj
3.557 Mt
Kőolaj
40 év
Földgáz
60 év
Földgáz
2.528 Tm3
A ma ismert készletek A fosszilis energiahordozók elégetésének egy igen kedvezőtlen következménye a légkör szennyezése a keletkező égéstermékekkel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkező égéstermékek fajlagos mennyiségét – 1 TJ = 109 KJ felszabaduló hőre vonatkoztatva:
SO2
NOx
Kőszén
420
40
5.000 94.000
Olaj
140
35
70 78.000
-
35
70 52.000
Földgáz
CO
CO2
A nukleáris erőművek sem jelenthetnek mindenre megoldást. Egyfelől a hasadóanyag-készletek is végesek, másrészt a Csernobil óta tudatosodott balesetveszély, a radioaktív hulladékok hosszú ideig tartó biztonságos tárolása, a kiöregedett atomerőművek lebontása, anyagának biztonságos tárolása nem teljesen megnyugtatóan rendezett. A fenntartható fejlődés igénye olyan további, új energiaforrások felhasználását igényli, amelyek történelmileg belátható idő alatt sem merülnek ki, hanem szakadatlanul megújulnak. A megújuló energiaforrások között legjelentősebb a napenergia. A megújuló energiaforrások között legjelentősebb a napenergia. Közvetve a napenergia a forrása a víz és a szélenergia sőt a biomassza energiájának is.
A geotermikus energia a Föld belső nagy hőmérsékletű tartományainak belső energiája. Kitermelésének módszerei eszközei a kőolajiparban kidolgozottak, az olajkészletek kimerülése a geotermikus energiatermelésre predesztinálja a szakmát. A megújuló energiaforrások közül ez az egyetlen amely bányászati módszerekkel hasznosítható.
qterr
2500 °C
6000 °C A föld 99 %-a 1000°C-nál melegebb. Csak 0.1 %-a van 100°C alatt. A földi hőáram globális teljesitménye 40 millió MW.
40*106 MW
Földi hőáram
Hőkitermelés
Hőnyelő
Izotermák A földi hőáram kilép a világürbe (=„elveszik“)
A hőnyelő „befogja“ a földi hőáramot
Jövőbeli kilátások (AAPG 1997)
}
Oilshale
Megújulók
A megújuló energiák potenciálja (WEA 2000)
Energiaforrás Geotermikus energia Napenergia Szélenergia Biomassza Vízenergia Összesen
Teljesítmény (EJ/év)* 5000 1575 640 276 50 7541 * 1 EJ = 1018 J
Áramfejlesztés megújuló energiaforrásokból 2005-ben (WEC 2007 Survey of Energy Resources) Energiabázis Víz Biomassza Szél Geotermia Nap Összesen:
Beépített teljesítmény
Éves termelés
GWe
%
TWh/év
%
Kapacitás faktor (%)
778 40 59 9 4 890
87.5 4.5 6.6 1.0 0.4 100
2,837 183 106 57 5 3,188
89 5.7 3.3 1.8 0.2 100
42 52 21 72 14 41* * súlyozott átlag
Összehasonlítás egyéb megújuló energia felhasználásával 9A földhőre az jellemző, hogy állandóan rendelkezésre áll; ezzel szemben a nap nem süt és a szél nem fúj mindig. Ennek megfelelően a geotermikus erőművek használhatósági aránya (termelt áram / teljesítmény = 72%) a legmagasabb.
9Azáltal, hogy a geotermikus energia független a meteorológiai körülményektől (ami viszont nem jellemző a víz-, szél-, napenergiára), flexibilis formában alkalmazható, alapteljesítményre ugyanúgy, mint az igények maximumának idején csúcsteljesítményre.
9A geotermia aránylag magas részesedése (a termelt áram 1,8%-át szolgáltatja a teljesítmény 1,0%-ával) a földhő megbízhatóságát bizonyítja; sokhelyütt már 90%-os használhatósági arány realizálódik.
A földhőhasználat célja a termelt közeg hőmérsélkletétől függ.
Az első geotermikus erőmü
Ginori Conti herceg a 10 kW-os dinamójával (1904)
A geotermikus áramfejlesztés fejlődése világszerte (Bertani, 2008)
Geotermikus áramfejlesztés
•A
geotermikus áramfejlesztés több mint amikor száz éve indult Olaszországban. Ma huszonnégy ország állít elő áramot földhő-forrásokból; ezek közül jó néhányban jelentős részlege van (15 –22 %) a geotermikus áramnak az ország (Costa Rica, El Salvador, Izland, Kenya, Fülöp-szigetek) áramellátásában.
• 2004-ben
világszerte 8,9 GWe kapacitás termelt 57 TWh árammennyiséget; a 2007-re szóló becslés 9,7 GWe teljesítményt és 60 TWh áramot ad (Bertani, 2005, 2007).
•A
geotermikus erőművek világszerte működnek, jelenleg leginkább a geológiailag előnyös területeken mint pl. vulkanikus környezetben.
Geotermikus erőművek - lemezhatárok
Lithospheric plates, oceanic ridges, oceanic trenches, subduction zones, and geothermal fields. Arrows: direction of plate movement. 1- geothermal fields producing electricity and country name; 2- midoceanic ridges; 3- subduction zones (from Dickson and Fanelli, 2004).
Geotermikus erőművek - világszerte
Németo 3 MW
Franciao 15 MW USA 2687 MW
Ausztria 1 MW Kína 28 MW
Olaszo 811 MW Töröko 38 MW
Izland 421 MW
Thaiföld 0,3 MW
Oroszo 79 MW Portugália 23 MW Japán 535 MW
Mexikó 953 MW
Costa Rica 163 MW El Salvador 204 MW
Fülöp-szigetek 1970 MW
Etiópia 7 MW
Guatemala 53 MW
Nicaragua 87 MW
Kenya 129 MW
Indonézia 992 MW
Pápua Új-Guinea 56 MW
Ausztrália 0,2 MW
TELJES BEÉPÍTETT KAPACITÁS, 2007 = 9.7 GW
ÚjZéland 472 MW
A geotermikus áram-fejlesztésben élenjáró országok („top fifteen“, Bertani 2007)
Geotermikus áramfejlesztés Ország GWh/év 17.917 USA 9253 Fülöp-szigetek 6282 Mexikó 6085 Indonézia 5340 Olaszország 3467 Japán 2774 Új-Zéland 1483 Izland 1145 Costa Rica 1088 Kenya 967 El Salvador 271 Nicaragua 212 Guatemala 105 Törökország 102 Guadeloupe (Fr.o.)
Jelenleg 24 országban müködik geotermikus erőmű.
7 plants 73 MWe By 2010 300 MWe
12 MWe (3x4) - 1999
1st stage 50 MWe (2x25) Severe weather unmanned and remote controlled – planned 15 m snow
Separators – 50 MWe
Turbines – 50 MWe
Mutnovsky power plant, Kamchatka, Russia
Földhőfejlesztés Németországban Flensburg
N O
R
D
S
E
E
O
E
E
S
S
T
Stralsund
Kiel
54°
54°
Rostock Lübeck
Systems
Groß Schönebeck
Hamburg
Enhanced Geothermal
Stettin
Emden
Genesys Bremen
Em s
HDR
Elbe
Od e
r
Ha
r
vel
A l le We se r
Berlin Spree
Hannover
52°
Prometheus Rhe
52°
in
N ei s
Ruhr
se
Halle Leipzig
Hydrothermal
e
Kassel
E lb
Aachen
Hürth
Tiefe Sonde
Cottbus
ClausthalZellerfeld Leine
Dortmund
Staßfurt
Dresden
Köln
Erfurt
Freiberg
Gera
Werra
Lahn
Wiesbaden Wiesbaden
Frankfurt
M
50°
o sel
M a in
Saa
R&D projects
l
e
Speyer Landau Bellheim Germersheim
FZK Bruchsal Rheinstetten Kehl
Eger
Praha
50°
Legende
Würzburg
Störungen mit einer wahrscheinlichen Reichweite bis in 7km Tiefe Mo
Nürnberg
lda u
München Riem Unterhaching Pullach etc.
Saarbrücken
Reg en
A lt
Soultz sous Forets
m l üh
Sa ar
Rh ein
Ne
Do
na u
Isar
r cka
Ulm
Σ150 nagyobb projekt Σ 4 milliárd €
Passau
Do na u Inn
München
48°
r Ille
Neuried
Salzburg
ch
Freiburg
Le
48°
Stuttgart
Bad Urach
Basel
Aa
re
Basel
s Enn
Salzach
°
°
14°
A Landau-i geotermikus erőmű
Németország, 2.5 MWe, 2007 november óta működik
Unterhaching /D
Elektromos erőmü 3.4 MWe
Unterhaching /D
Hőerőmü - távvezeték 38 MWth 2007. novembertől
Közvetlen hőhasznosítás
•A
közvetlen hőhasznosítás sok alkalmazási területen érvényesül: fűtés, ipari és mezőgazdasági felhasználások, hévízfürdők.
• 2004-ben
hetvenkét országban folyt közvetlen geotermikus hasznosítás 28 GWth kapacitással és 270 TJ/év hőtermeléssel; készletek világszerte kilencven országban vannak kimutatva.
•A
közvetlen hasznosítás globális megoszlása a következő: épületfűtés 52% (ebből 32% földhőszivattyúk), fürdés (gyógyfürdők, üdülés) 30%, mezőgazdaság (üvegházak, talajfűtés) 8%, ipari alkalmazás 4%, haltenyésztés 4% (Lund et al., 2005).
A földhőhasználat célja a termelt közeg hőmérsélkletétől függ.
Közvetlen hőhasznosítás Ország TJ/év Kína 45,378 Svédország 36,000 USA 31,241 Törökország 24,840 Izland 24,502 Japán 10,303 Magyarország 7942 Olaszország 2098 Új-Zéland 7553 Brazília 6624 Grúzia 6307 Oroszország 6145 Franciaország 5195 Dánia 4399 Svájc 4230
A közvetlen földhőhasználatban élenjáró országok. („top fifteen“; Fridleifsson, 2008)
Jelenleg 72 országban folyikközvetlen hőhasznosítás.
Industry
Residential
Backup
Heat exchanger
Reinjection well
Production well
Termálvizes távfütés vázlata
Reykjavik / Izland
Izland : Az épületek 88 % -át
Párizsi medence : > 100‘000 lakásegységet
geotermikus távfütés látja el.
today
1980s
Reykjavik
1933
távfütés
Földhőszivattyúk
• A követlen felhasználásban az utóbbi évtizedben a
földhőszivattyúk elterjedése a legszembetűnőbb; egyben a megújuló energiaforrások egyik leggyorsabban növekvő kategóriáját képviselik.
• Ezek a rendszerek a mindenütt jelenlévő, sekély, óriási
geotermikus készletek (a talaj, vagy a talajvíz hőtartalma) kihasználásán alapulnak. Ez a készlettartomány maximum 400 méter mélységig terjed (ez csak definíció kérdése, termikus határa ennek a tartománynak nincs).
• A már kiforrott technológia a készlettartomány relatív konstans hőmérsékletét (4 – 30 °C) használja fel sokféle alkalmazásra (épületfűtés, -hűtés, melegvíz szolgáltatás lakások, iskolák, ipari, nyilvános és kereskedelmi létesítmények számára).
Földhőszivattyús rendszerek
„száraz“ talajvizes a leggyakoribb
Ground Coupled Heat Pumps (GCHP) a.k.a. closed loop heat pumps
vertical
horizontal slinky
Groundwater Heat Pumps (GWHP) a.k.a. open loop heat pumps
Disposal to lake, pond, river, creek, etc.
Hot water tank Heat pump
single well
two well
Surface Water Heat Pumps (SWHP) a.k.a. lake or pond loop heat pumps
indirect
direct
pond pond
Low-temperature underfloor heating
Borehole heat exchanger
Földhőszivattyú (FHSz) FHCs-vel
(FHCs) 50 – 400 m mély
FHCs fúrás és beépités
Prominens példa Svájcból
Terminal E, Zurich airport
200‘000 m3 construction space 58‘000 m2 energy supply area 2120 MWh/a heating, 1240 MWh/a cooling load 300 energy piles à 30 m
Földhőszivattyúk Németország (Baden-Württemberg)
0
5 km
Földhőszivattyúk Svédországban (Göteborg)
A földhőszivattyús rendszerek rohamosan fejlődnek. Az EU-ban egyes országok már régóta, míg mások csak nemrég kezdtek felcsatlakozni. 2006-ban több mint 500.000 berendezés működött, 7,2 GWh teljesítménnyel. Ország Svédország Németország Franciaország Ausztria Finnország Észtország Csehország Belgium Lengyelország Szlovénia Magyarország Összesen: Svájc
2003 31.564 7349 9000 3633 2200 n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. 53.746 3558
2004 39.359 9593 11.700 4282 2905 1155 600 n.a. n.a. 35 n.a. 69.629 4380
2005 34.584 13.250 13.880 5205 3506 1310 1027 1000 100 97 80 74.039 5128
2006 40.017 28.605 20.026 7235 4506 1500 1446 1000 200 120 120 104.775 7130
A „jövő zenéje”: az EGS rendszer
• Az
„EGS“ (Enhanced Geothermal System) rendszer lényege elvben egyszerű: nagyobb, néhány kilométeres mélységben, ahol a kőzethőmérséklet eléri a 200°C-t, egy repedésrendszert kell kialakítani hőcserélőnek. A kiemelt hőenergia közvetlenül (pl. távfűtésre) és/vagy áramfejlesztésre használható.
• Annak
ellenére, hogy még sok részletkérdés tisztázandó, Ausztráliában egy igazi „EGS láz“ tört ki. Ott 33, részben már a tőzsdén szereplő társulat dolgozik 150 koncessziós területen, 650 millió US $-t meghaladó tőkebevetéssel (Beardsmore, 2007). Erőművek egész sora van tervbe véve, beindulásuk egy-két éven belül várható.
• Németországban
és Franciaországban is épülnek jelenleg EGS-alapú erőművek.
EGS rendszer váza, kapcsolt áram- / hőtermelésre
A fő komponens: ~200°C
egy elágazó, áteresztőképes repedésrendszer, több km mélységben, elegendő hőcserélő felülettel
Ausztrál geotermikus viszonyok
°C
5km mélyen Temperature Resource Map of M. Somerville, D. Wyborn, P Chpora, S. Rahman, D. Estrella and T. Van der Meulen from Geotherm93 database.
EGS fejlesztés Ausztráliában
Geothermal Licences Geothermal Licence Applications Planned Acreage release for bids
Köszönöm a figyelmet !
