Geotermikus energia hasznosítása az energiaellátása
2016. December 14.
Előadás vázlata Bevezető gondolatok, tények és adatok, alapfogalmak Geotermikus energia a villamosenergia termelésben Geotermikus energia a hőellátásban Geotermia a balneológiában és hőellátásban Felhasznált és javasolt szakirodalom: 1. Ádám B Büki G. Maiyaleh Tarek:Geotermikus energia Hőszivattyúzás 2013 2. Mádlné Szőnyi J.: A geotermikus energia 2006 3.Kovács R.: Megújuló energia kézikönyv 2010 4. Büki G.: Megújuló energiák hasznosítása 2010 MTA 5 Büki G.: Megújuló energiák hasznosítása 2007 6. Kontra J.: Hévízhasznosítás Műegyetem Kiadó 2004 7.BaloghJ.Völgyes I.: Termálvíz hasznosítás 1986 8. R.DiPippo.: Geothermal Power Plants 2007 9.KomlósF.; Fodor Z. Kapros Z. Vajda J Vaszil L: Hőszivattyús rendszerek 10. MAGYARORSZÁGMEGÚJULÓ ENERGIA HASZNOSÍTÁSI CSELEKVÉSI TERVE 2010 – 2020
Erőforrás megóvás Hatékonysági követelmények, környezetvédelem Az energiatermelés és ellátás számos egyszerűbb és bonyolultabb termodinamikai folyamtok összességéből áll. Ezeknél a folyamatoknál a környezetvédelem, a fenntarthatóság, és a gazdaságosság növelésének lehetőségeit alapvetően négy csoportba sorolhatjuk: -az energiatermelés hatékonyságának növelése a felhasznált fosszilis energiahordozó struktúra és az energiahordozók struktúraváltása mellett (kapcsolt villamosenergia-termelés, a tüzeléstechnikai folyamatok javítása, a szén-dioxid megkötési technológiák alkalmazása, a szorpciós technika alkalmazása, megújuló energiák bevonása az energiatermelésbe…), -az energia-felhasználás hatékonyságának javítása (hármas energiakapcsolású trigenerációs rendszer kiépítése, a megtermelt hő szállítási veszteségeinek csökkentése a keringtetési munka- és a hőveszteség illetve hőnyereség csökkentésével, minimális fűtési és hűtési energiaigényű épületek tervezése és építése, illetve a meglévők energiatudatos felújítása, speciális építészeti, épületszerkezeti eszközök alkalmazása, a technológiai folyamatok hulladék hőjének hasznosítása, az üzemeltetési paraméterek optimalizálása…),
Erőforrás megóvás Hatékonysági követelmények, környezetvédelem -az energiatudatos fogyasztói magatartás kialakítása (a fogyasztó mindig az igényeinek megfelelően fogyasszon energiát), az ehhez szükséges feltételek megteremtésével (pl. megfelelő irányítástechnikai rendszer kiépítésével), -a fentiek érdekében megfelelő szabályozók, törvények létrehozása, megalkotása (pl. a „káros” támogatások - amelyek számos esetben az energetikai optimumot felülírják - felszámolása, az adórendszer átalakítása, kedvező ártarifa...)
Erőforrás megóvás Hatékonysági követelmények, környezetvédelem V.N.Bogoszlovszkij-M.J.Poz:(1983)Hasznosítás a lég és fűtéstechnikában
A geotermikus energia -a Föld belső alkotói között hosszú bomlási idejű radioaktív izotópok bomlása, -felső kéregben vulkáni jelenségek révén a kéregben maradó mélységi kőzetek ásványtartalmának radioaktív bomlása, -a kőzetek kémiai átalakulásának hőfejlődéssel járó folyamatok hatására keletkező, a kőzetekben és pólusvízben tárolódó termikus energia, amely folyamatosan a Föld felszíne felé áramlik. Szűkebb értelemben a felszín alatti víz hőtartalmában rejlő energia a geotermikus energia. Tágabb értelemben a geotermikus energia a földi hőáram következtében a kéregben mindenütt jelenlévő, nem szoláris eredetű termikus energia. A vonatkozó EU-irányelv meghatározás szerint: – légtermikus energia (aerothermal energy): hő formájában a környezeti levegőben tárolt energia, – geotermikus energia (geothermal energy): a szilárd talaj felszíne alatt hő formájában található energia, – hidrotermikus energia (hydrothermal energy): a felszini vizekben hő formájában tárolt energia.
Földhővel kapcsolatos fogalmak A földkéreg felső 1 km-ének becsült hőtartalma a világ jelenlegi energiafelhasználásával számolva millió évekre elegendő (Rybach et al. 2000). Ennek figyelembevételével jogosnak tűnik a geotermikus energiát a megújulók közé sorolni. A hő terjedésének korlátos sebessége miatt ugyanakkor szükségszerű definiálni a földhőtermelés fenntarthatóságának feltételeit. Az izlandi Orkustofnun Munkacsoport (2001) meghatározása alapján a termelés fenntarthatóságának feltétele egy meghatározható teljesítmény-határérték alatti termelés, mely hosszú ideig (szerintük 100–300 évig) biztosítható. E definíció tehát nem tartalmazza a földi hőáram nagyságával kapcsolatos aggályokat, elfogadhatónak tartja a kőzettestek lehűtéséből kinyerhető hőmennyiség hasznosítását is, ha az kellően lassú. „A jelenlegi termelési tapasztalatok alapján nem tekinthetjük fenntartható művelésűnek sem a kialakított erőműveket, sem a legtöbb hévíztermelési módot (Buday et al. 2008)”. A középtávú gazdaságosság azonban ennél nagyobb ütemű hőkitermelést is lehetővé tesz, amennyiben a működtetőnek nem elsődleges célja a fenntarthatóság.
Földhővel kapcsolatos alapfogalmak Az egész földkéreg átlagát tekintve 33 m-enként nő 1 °C-kal a hőmérséklet a mélység felé. Ez az úgynevezett geotermikus mélységlépcső a pozitív hőanomáliájú területeken 5–10 m/°C-ra is lecsökkenhet, míg a negatív anomáliájú területeken 100 m/°C fölé nőhet. A geotermikus mélységlépcső reciprokát, az úgynevezett geotermikus gradienst gyakran használjuk a műszaki gyakorlatban. Ennek értéke az említett világátlag esetében 2-3 °C/100m, illetve 20-30 °C/km. A harmadik közismert és gyakran használt geotermikai alapfogalom a hőáramsűrűség, amely a földkéreg egységnyi felületén átáramló hőmennyiséget fejezi ki. A földi átlag ~74 mW/m2, amelytől jelentős eltérések lehetnek a helyi adottságok függvényében. A hővezetéssel terjedő hőáramsűrűség (q) értéke függ a hőmérséklet-gradienstől (grad T) és a vizsgált kőzet egy anyagi jellemzőjétől, az úgynevezett hővezetőképességtől (λ):
q gradT
Porozitás Porozitás: A pórusok összmennyiségének a teljes kőzettérfogathoz viszonyított aránya. Százalékban adják meg. A tárlókőzetek porozitása 5-30% között változik. Minél nagyobb egy kőzet porozitása, annál nagyobb mennyiségű geotermikus fluidumot tartalmazhat. Abszolút porozitás: Az összes pórusteret tartalmazza beleértve a pórusfolyadék mozgásképtelen részét is. Effektív porozitás: A pórustér azon térfogatrészének viszonya a teljes kőzettérfogathoz, mely csak az egymással összeköttetésben lévő, a folyadék szabad áramlását biztosító pórusteret és csak a kapilláris erők által kötött folyadékteret tartalmazza. Permeabilitás (áteresztőképesség): A fluidum kitermelhetősége függ a kőzetek áteresztőképessége. Mértéke a négyzetméter: 1 m 2 az áteresztőképesség, ha 1m 2 felületen 1 Pas dinamikai viszkozitású folyadék 1 m3/sec sebességgel átáramolva 1 m hosszon 1 Pa nyomáscsökkenést okoz. Mértékegység:1 Darcy = 0.97 10-12 m2
Földhővel kapcsolatos alapfogalmak Adott vízzel telt kőzettestben tárolt hőenergia (H) számításához szükséges a víz és a kőzettestek sűrűségének (ρ), fajhőjének (c) és a kőzet porozitásának (p), valamint a hőmérsékletének és a felszíni átlaghőmérséklet különbségének (ΔT) ismerete (Muffler–Cataldi 1978). V=A*Δz (m3) H=[(1–p)ckőzetρkőzet+pcvízρvíz]VΔT kőzet gabbró bazalt gránit riolit tufák homokkő agyag mészkő agyagpala gneisz kvarcit
hővezetőképesség, λ (W/mK) 1,9–2,8 1,8–2,9 2,2–3,7 2,3–2,8 1,4–2,1 1,7–5,0 0,8–2,8 2,2–4,0 1,0–4,0 2,0–4,8 5,3–8,5
fajhő, c (kJ/kgK) 1,0–1,1 1,2–2,1 0,9–1,55 1,1–1,6 0,9–1,3 1,0–3,3 1,24–3,5 1,0–1,6 1,1–1,7 1,0–1,2 0,99–1,33
A gyakoribb kőzetfajták alapvető hőtani állandói (Egerer – Kertész 1993)
A beépített kapacitás és elektromos energiatermelés 1995-2015 és előrejelzés 89 ország adatai alapján
A 2015.-ben Melbourneben megrendezett Nemzetközi Geotermikus Konferencián 89 országjelentés előadás adatai alapján készült összegző riport szerint a geotermikus energiára épített villamos energiát termelő erőművek beépített teljesítménye 12,6 GWe, az éves megtermelt villamos energia közel 75000 GWh volt. (Ruggero Bertani 2015)
A geotermikus energiára épült villamos erőművek
A geotermikus energiára épült villamos erőművekben alkalmazott különböző technológiák %-os aránya
beépített teljesítménye 12,6 GWe (Ruggero Bertani 2015)
Közvetlen felhasználású beépített geotermikus kapacitás és az éves kihasználtság 1995-2015.
(John W. LUND, Tonya (Toni) BOYD 2015)
Geotermikus energia különböző felhasználási területei a világon 1995-2015 között
2014 végéig, ott is 36 ország jelentése alapján több mint 100 MW beépített teljesítmény. (John W. LUND, Tonya (Toni) BOYD 2015)
Megújulókból villanyt 2011 – Összefoglaló Beépített teljesítőképesség, GW
Villamosenergia-termelés, VillamosenergiaTWh
Világ
EU--27 EU
Világ
EU--27 EU
1043
230
3521
368
folyami és tárolós
1043
230
3520
367
árapály és hullám
0,3
0,3
0,5
0,5
Szélerőművek
239
57
358 – 596
172
Naperőművek
70
57
65 – 82
49 – 50
2,1 – 3
kb. 1,6
5 – 7,2
kb. 3,8
67,4
56,3
60 – 74
48
10,7
0,9
68
5,5
68
18 – 21
270 – 480
129
szilárd
47
10,1 – 14,2
188 – 329
73,8
szerves hulladék
4,3
2,4
32
18,2
biogáz
6,1
4,6
42,5
32
1
1
5
5
1431
400 – 404
4282 – 4747
kb. 723
Vízerőművek
termikusak PV Geotermikusak Biomassza
növényi olaj Összesen
0,75% Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 64. k. 5. sz. 2012. p. 5-17.
0,22 %
1,5%
0,76%
Megújulókból hőt 2011 – Összefoglaló Teljesítőképesség, GW
Hőtermelés, PJ/a
Világ
EU--27 EU
Világ
EU--27 EU
Napenergia
215
26
340 – 430
40 – 52
Geotermikus
52
14
443
125
hőszivattyúkkal
37
11
226
87
mélyről
15
3
217
38
Biomassza
nincs adat nincs adat 10 700 – 24 700
2 967
szilárd
nincs adat
nincs adat
10 000 – 24 000
2 960
biogáz
nincs adat
nincs adat
700
67
(267)
(40)
11 483 – 25 573
3 132-3144
Összesen
A világon, mint a táblázatból megállapítható, a megújuló energiahordozók hő értékesítésében a biomassza domináns szerepet játszik, az összes hasznos hő megújuló forrásokból évente 11,5 – 25,6 EJ között lehet. A napenergia és a geotermikus energia (földhő) (3,86-1,7 %) szerepe ezen a piacon elhanyagolhatóan kicsiny. Az EU-27-ben szintén a biom. tüzelőanyagok a főszereplők (2,9 EJ/a) a hő piacán. A napenergia és a geotermikus energia (4%) ehhez képest itt is nagyon kicsi. Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 64. k. 5. sz. 2012. p. 5-17.
A földhőtermelés három fő szegmensének tervezett növekedése (NCsT) 2010
2020
Növekedés (2020/
szolgáltatott
0,250 PJ
5,99 PJ
5,740 PJ
2010) 24
Hőszivattyúkon belül, földhőszivattyúk, szolgáltatott hőmennyiség/év Hévíztermeléses hőszolgáltatás, szolgáltatott hőmennyiség/év Földhő alapú áramtermelés, teljesítmény Földhő alapú áramtermelés, energia/év
0,208 PJ
4,48 PJ
4,272 PJ
21,5
4,23 PJ
16,43 PJ
12,2 PJ
3,9
Hőszivattyúk, hőmennyiség/év
0 MW 0 GWh
57 MW 456 GWh
57 MW
-
456 GWh
-
Import gázkiváltás a földhő energetikában való alkalmazásával (NCsT)
Halászné Kujbus A. 2011
Földhő energetikában való alkalmazásával a kibocsátott CO2 csökkenése(NCsT)
Halászné Kujbus A. 2011
Valós üzemeltetési adatok értékelése Közvetlen hőhasznosítás esetén Hasznosított/befektetett energia
jan u fe ár br m uár ár c iu áp s r il i m s áj u jú s ni u jú s au liu g s sz u sz ep tu te s m ok be r no tób ve er de mb ce er m át be r lag os
45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00
Hasznosított/befektetett energia
Magyarország geotermikus adottsága
Geotermikus gradiens a pannóniai képződmények feküjéig (Kovács et al. 2007)
Érdemesnek tartjuk kiemelni azt a tényt, hogy hazánk ugyan világszerte közismerten jelentős geotermikus energiával rendelkezik, magas a hőáramsűrűség és a geotermikus gradiens értéke, nincsenek nagy entalpiájú geotermikus mezőink . A 200 °C-os kőzethőmérséklet a mélyfúrások tanúsága szerint az ország legnagyobb részén 3000–4000 m között érhető el. A hőáramsűrűség 100 mW/m2. A geotermikus gradiens átlagértéke hazánkban eléri az 50 °C/km átlagos értéket. A geotermikus gradiens teljes fúrásokra vonatkozó maximális értékei megközelítik a 60 °C/km értéket. Magyarországon a földhő közvetítő közege a termálvíz –amely legalább 30 °C-os –, a hazai definíció szerint, az ország területének több mint 70%-án rendelkezésre áll (Liebe, 2001) .
Magyarország geotermikus adottsága - A termálvizek oldott ásványisó tartalma 1-8000 mg/l körül van (egyes esetekben ennél magasabb értékek is előfordulnak). - A vízzel együtt gyakran jelentős mennyiségű gázok is feltörnek, amelyek összetételüktől függően robbanásveszélyt (CH4), vízkő kiválást (CO2), vagy korróziót okozhatnak. -Előfordul, hogy a víz jelentős mennyiségű homokot is hoz magával, amely az áramlási sebesség csökkenése esetén leülepedik a rendszerben, és dugulásokat okoz. - Amennyiben közelben szénhidrogén adottságú terület van, úgy a víz gyakran olajnyomokat is tartalmaz - A víz Ca, Mg és CO2 tartalmától, a nyomás és hőmérséklet egymáshoz való viszonyától függően alakul ki a "vízkő" a termálvíz-szolgáltató rendszerekben. A nyomáscsökkenés mértéke általában a kút felső 40-60 m-es szakaszában éri el azt az értéket ("buborékpont"), amikor a vízkőkiválás megkezdődik. Legintenzívebb a kiválás a kútfejnél és környékén, de folytatódik még nagy távolságban a fűtőrendszeren belül is. A vízkőképződéstől még a termálvizet szállító műanyag csővezetékek sem mentesek, ezekben a csövekben lerakódásuk nem következik be, de a vízkődarabok egymáshoz tapadva dugókat képezhetnek.(Balogh 1986)
Geotermikus energia az energiaellátásban A geotermikus energia felhasználhatóságát alapvetően meghatározza: - a kitermelt fluidum hőmérséklete, - entalpiája, - kúthozama, - a közeg vegyi jellege, összetétele, minősége.... A geotermikus energia hasznosításának az energiaellátásban két nagy területe van: - a villamosenergia-termelés és - a hőhasznosítás.
A geotermikus energia villamosenergia-termelési célú hasznosításának főbb technológiái - száraz gőzzel működő erőművi körfolyamattal - egynyomású vagy kétnyomású közvetlen kigőzölögtetéssel - egy illetve két nyomású közvetett gőztemeléssel működő körfolyamattal - segédközeges (binaris) erőművi (ORC, Kalina) körfolyamattal megvalósított technológia - különböző körfolyamatok kombinációját tartalmazó technológiák, amelyeket az úgynevezett hibrid rendszerekben valósítanak meg.
A geotermikus energia villamosenergia-termelési célú hasznosításának főbb technológiái •száraz gőzzel működő erőművi körfolyamattal •egynyomású vagy kétnyomású közvetlen kigőzölögtetéssel
A geotermikus energia villamosenergia-termelési célú hasznosításának főbb technológiái •egy illetve két nyomású közvetett gőztemeléssel működő körfolyamattal,
Termálvíz hasznosítás egynyomású közvetett vízgőztermeléssel (Büki 2010)
Termálvíz hasznosítás kétnyomású közvetett vízgőztermeléssel (Büki 2010 nyomán)
A geotermikus energia villamosenergia-termelési célú hasznosításának főbb technológiái •segédközeges (nagy moláris tömegű szerves folyadékkal) (binaris) erőművi (ORC, Kalina) körfolyamattal megvalósított technológia
Kettős közegű (bináris) erőmű Termálvíz és munkaközeg hőmérsékletének változása a hőenergia átadási folyamatban (ábrák, összefüggések R.DiPippo 2007 nyomán)
Geotermikus energia a Villamosenergia-termelésben Kalina körfolyamat üzemi paraméterekkel (Izland, Husavik)
Az ORC és Kalina körfolyamat alapján megvalósított műszaki megoldások beruházási költsége (ower Conf. Sept 25. 2007)
Kishőmérsékletű termálvíz hasznosítása közvetlen villamosenergia- és kapcsolt energiatermelésre még eszményi viszonyokat feltételezve sem hatékony. A jelenlegi ismert technológiák alkalmazásával a valóságos hatásfok 10%-15 % körüli érték.
Geotermikus energia a Villamosenergia-termelésben Eszményi hatásfok:
Büki G 2010
Geotermikus energia a hő és villamosenergia-termelésben
Büki G 2010
Geotermikus energia a Villamosenergia-termelésben
Nap - és geotermikus közvetett kigőzölögtetős hibrid rendszer
EGS rendszerű geotermikus hőkinyerés Hasonló, mint a HDR (Hot Dry Rock) geotermikus hőkinyerés Erőmű Monitoring kút
Termelőkút
Besajtoló kút
Repedésrendszer
Forró kőzet
„A HDR és EGS hőkihozatal intenzív, a mesterséges rezervoár állandó hőmérséklet szintje nem tartható fenn. Rezervoár élettartamát 20 évre becsülik” (Büki és társai 2013)
Magyarország villamosenergia termelése geotermikus erőműben Dél-Alföldi EGS erőmű Demostrációs Projekt (EU FIRE geotermia) 2015 –ben a bányakapitányság engedélye után kezdődhetett a helyszíni kutatás Az első mélységi kútfúrásokat 3500-4000 m, azonban még megelőzi az úgynevezett visszasajtoló és rétegserkentő egységek építése, valamint egy szeizmikus monitoring rendszer telepítése. Repedezés mentes, tömör és forró kőzeteket keresnek, kőzet repesztés, felszíni víz lejuttatása, 180-200 oC hőmérsékletű közeg felhozatala. Az erőmű évente körülbelül 12 megawatt teljesítménnyel áramtermelést és emellett több mint 60 megawatt teljesítménnyel hőtermelést biztosít. A nagy teljesítményű geotermikus erőmű beruházási költsége több, mint 116 millió euró, 39,3 millió euró uniós támogatással. 2019-ben zárul a geotermális ORC típusú villamos erőmű projekt.
Összefoglalás 1 A megvalósult, a még csak megtervezett vagy megtervezendő erőművi folyamatok változatainak nagy száma azt mutatja, hogy az energiagazdálkodás különböző elvárásaival szemben való megfelelés érdekében sokféle megoldásra van szükség. Minden használható megoldásnak viszont termodinamikai értelemben hatékonynak kell lenni. A jó termodinamikai hatásfok követelménye független a gazdasági és társadalmi peremfeltételek változásaitól, amelyek között az energia berendezésnek üzemelni kell, a hatásfok önmagában egy érték.
Geotermikus energia a hőellátásban
Hőhasznosítás történhet: -Fluidum kitermeléssel -Kitermelés nélkül -Közvetlen -Közvetett -Nyitott -Zárt
Geotermikus energia a hőellátásban - Közvetlen, amikor a termálvíz kedvező fizikai (nyomás, hőmérséklet) és kémiai tulajdonságú, nem hajlamos üledékképződésre, nem fejt ki korróziós hatást a csővezetékekre, berendezésekre. Ebben az esetben termálvíz áramlik a hőleadókba. - Közvetett, amikor kedvezőtlen kémiai és fizikai tulajdonsággal rendelkezik a termálvíz, ekkor a hőhasznosításban mint primer közeg szerepel, és a hőt a fogyasztóhoz –hőcserélő közbeiktatásával – megfelelően kezelt szekunder közeg szállítja. A termálvíz termelőkútból való kivétele és a hasznosítási rendszer kapcsolata alapján a geotermikus rendszer lehet: - Nyitott, ha a termálvíz a termelő kútból való kinyerés, majd hasznosítás után közvetlenül a víztárolóba, vagy közvetlenül a csatornába kerül. A termálvizet vagy a túlnyomása vagy szivattyú juttatja a fogyasztóhoz, majd lehűtve a befogadó víztárolóba kerül. - Zárt, ha a felhasznált termálvíz visszatápláló furaton visszasajtolással jut az eredeti vízhordó rétegekbe. Egyes szakirodalmak zárt rendszerű hőbányászat alatt azt a technológiát értik, amely szerint a rezervoár energiáját egy zárt rendszerben keringetett fluidum veszi fel, és ez a fluidum juttatja fel a hőenergiát a felszínre. ( szondák)
Fluidum kitermeléssel, közvetlen , nyitott
Izlandi példák
A kormány 2012 januárban döntött arról, hogy a termálenergiát használó gazdák visszasajtolási kötelezettségét 2015. június 30-ig felfüggeszti, és a köztes időszakban a VM a termálvizek mezőgazdasági hasznosításának szabályozását – a gazdasági és fenntarthatósági szempontokat is figyelembe véve – átgondolja. Kormány döntött : 2012 jun. életbe lépett. Meghosszabbított idő!!!!!!
Fluidum kitermeléssel, közvetett, zárt rendszer (visszatáplálással)
Büki 2007
Fluidum kitermelés nélküli, zárt rendszer, hőszivattyús
Büki G.2010
Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 64. k. 4. sz. 2012. p. 29.
télen fűtés
nyáron hűtés
Korszerű hőellátás hőszivattyúval
A geotermikus energiát hasznosító rendszerek kiépítése előtt fontos a lehetőségek és igények alapos ismerete. A geotermikus energia alkalmazhatóságát, a hasznosító rendszerek kialakítását, a rendszerek berendezéseinek típusát, nagyságát, méretét, a geotermikus energiára telepített rendszer üzembiztonságát, a rendszer gazdaságosságát alapvetően befolyásolja: - a termálvíz, a hőhordozó közeg hőmérséklete, - a termálkút vízhozama, - hogy hogyan alakul a kút vízhozama a termelési nyomás függvényében, - a termálvíz fizikai kémiai tulajdonsága (a víz gáztartalma, annak összetétele, a víz sótartalma, vastartalma, a víz homoktartalma a kúthozam függvényében, a vízkőkiválás mértéke a termelési nyomás és hőmérséklet függvényében…stb.), - a fogyasztói igények fajtái, típusai, nagysága, - az igények kielégítéséhez szükséges közeghőmérséklet nagysága, - a fogyasztói igények időbeli változása, - a fogyasztói igények térbeli elhelyezkedése (kis hőmérsékletű nagytávolságra szállított termálvíz hasznosításakor fellépő hőveszteség és nagy szivattyúzási munka megkérdőjelezheti a rendszer gazdaságosságát), hogy csak a legfontosabbakat említsük.
Geotermikus energia hasznosítása a hőellátásban fogyasztó típusok szerint Termálvíz hasznosítási lehetőségei fogyasztók szerinti csoportosításban Lakossági, kommunális fogyasztók Fűtés: légfűtés közvetett radiátoros sugárzó szerkezettemperálás hőszivattyús térfűtés HMV előállítás: közvetlen közvetett Hűtés:abszorpciós hűtőgéppel adszorpcós hűtőgéppel Mezőgazdasági fogyasztók Fűtés: légfűtés radiátoros sugárzó talajfűtés HMV előállítás: közvetlen közvetett Terményszárítás Halastavak fűtése Öntözés Ipari fogyasztók Fűtés: légfűtés radiátoros sugárzó HMV előállítás: közvetett Hűtés: abszorpciós hűtőgéppel adszorpcós hűtőgéppel Fürdők, uszodák Fűtés: légfűtés radiátoros sugárzó hőszivattyúk HMV előállítás: közvetlen közvetett
Medencefeltöltés
Fűtővíz kívánt hőmérséklettartománya ºC 60-90 55-90 40-60 30-50 5-40 25-30 40-50 50-65 80-120 80-90 50-90 55-90 40-60 25-30 40-50 50-65 40-100 25-35 15-35 60-90 55-90 55-90 50-65 80-120 60-90 70-90 55-90 40-60 5-40 40-50 50-65
28-50
Balogh-Völgyes 1986 alapján, annak kiegészítésével készült
A különböző hőigények egy lehetséges változása egy téli nap folyamán
Hűtéstechnikai rendszerek hőigénye
Hűtéstechnikai rendszerek hőigénye
Üzemeltetési adatok értékelése Hasznosított hőmennyiség KWh-ban
A termálvízzel kitermelhető hőáram
T [K] t [°C]
Q m c (T1 T2 )
T1 T2
termálvíz tömegáramára vetített fajlagos hasznosított hőmennyiség:
Q s2
légfűtés 85/65°C
qm= c (T1-T2)
s1 s
radiátoros fűtés 70/55°C
HMV termelés 45/10°C
sugárzófűtés 40/30°C
Szerkezet temperálás 45/10°C
termálvíz 90°C
t
90/75°C
75/60°C
60/45°C
45/35°C
35/25°C
termálvíz 25°C
Termálvíz kitermelés és visszatáplálás. A vízminőségtől függő vízkezelés feltüntetésével
Termálvíz kitermelés és visszatáplálás egy termelő kút két visszasajtoló kúttal
Termálvíz közvetlen és közvetett hasznosítása
Termálvizes hőközpont Állandó primer tömegáramú
Háromjáratú szeleppel ellátott hőcserélő esetében a primer közeg paramétereinek változása
Termálvizes hőközpont Változó primer tömegáramú
Egyutú szeleppel ellátott hőcserélő esetében a primer közeg paramétereinek változása
Termálvizes hőközpont Állandó primer tömegáramú
Fűtés és HMV termelés elő és utófűtővel, állandó tömegáramú rendszer
Termálvizes hőközpont változó primer tömegáramú vegyes kapcsolás
tk HMV
HHV
Fűtés és HMV termelés elő és utófűtővel, változó tömegáramú vegyes kapcsolású rendszer
Meglévő forróvíz távvezetékre kapcsolt hőközpont termálvízellátása
(1) meglévő fűtési hőcserélő, (4) meglévő HMV hőcserélő, (6) meglévő HMV taroló, (7) új fűtési hőcserélő, (10) új HMV hőcserélő, (8), (2), (5), (11) primer oldali szabályozó szerelvények, (9) váltószelep.
te, tv fűtőközeg hőmérséklet o C
90 80
te1
70
tv1
60
te2
50
tv2
40
Fűtési hőenergia hőmérséklet szintje
30 20 10 0 -15
-10
-5
0
5
10
15
20
ta külső hőmérséklet o C
t t t e i a t i t a, N
1 1 m
t t t t e N v N t i 0,5 i a 2 t i t a, N
1 1 m
t e , N t v , N t i
ti ta ti ta t e ,N t v ,N t e ,N t v ,N t i tv t i 0 ,5 2 t i t a ,N t i t a ,N Meglévő rendszer: 85/65 oC Fűtési határhőmérséklet: 12 oC, Fűtési napok száma 195 nap, ebből 0 oC 35 nap, 82 %-ban a 65 oC-os termálvíz megfelelő hőmérsékletű
A névleges állapotbeli igényelt fűtőközeg hőmérséklet fűtési hőigény csökkenésének mértékében fűtési hőigény csökkenésének mértéke %
teN oC
tvN oC
25
70,39
55,39
30
67,4
53,4
35
64,4
51,4
40
61,36
49,36
45
58,3
47,3
Önkormányzati épületek meglévő hőellátó rendszerei és rekonstrukciója
Önkormányzati épületek meglévő hőellátó rendszerei és rekonstrukciója
Önkormányzati épületek meglévő hőellátó rendszerei és rekonstrukciója
Önkormányzati épületek meglévő hőellátó rendszerei és rekonstrukciója
Fürdők hőigénye A fürdők uszodák olyan létesítmények, amelyekben a termálvíz komplex hasznosítása a létesítményen belül megoldható. Az épület szellőztetése, ködtelenítése, légtechnikai rendszere a fűtési és az átmeneti időszakban is folyamatos hőigényt jelentenek. Ezekben az épületekben a lég és a radiátoros fűtés mellett gyakran kerülnek kialakításra a kellemes hőérzet biztosítása érdekében a kis közeghőmérsékletet igénylő sugárzó fűtési rendszerek. A fűtési rendszerek évi periódus szerinti változó fogyasztást jelentenek. Napi periódus szerinti használati melegvíz-fogyasztás egész évben folyamatos ellátást kíván, csakúgy, mint a termálvizet közvetlen felhasználó medencék. A gyógyvízzel feltöltött medencék napi teljes cseréje mellett a folyamatos hőntartás és vízutánpótlásnak folyamatos igénye van. Fűtési idényben a fedett fürdők, uszodák együttes teljesítmény igényét a következő összefüggéssel határozhatjuk meg:
Q össz f E (Qtr Qszell Q p Q v Q HMV ) medence víz párolgásos hővesztesége:
Qp mp r
Fürdők hőigénye A pótvíz felmelegítéséhez szükséges adott idő alatti hőmennyiség (kJ/s):
Qv N mF cv (t MV t HHV ) mF (kg/fő) a friss víz utánpótlás, tMV a medence vízének hőmérséklete, tHHV a friss víz hőmérséklete, N a látogatók száma fő/h. N= Am n/aU,F (fő/h), Am a medence felülete (m2) aU az úszómedence esetén 4,5 m2/fő, aF fürdőmedence esetén 2,7 m2/fő, n 1/h az óránkénti személycsere.
A medence hőáram igénye újratöltés esetén:
Q U m U c v (t MV t HHV )
mU
mM tölt
kg/s) a medence által befogadott víztömeg, és a töltési idő hányadosa.
Fürdők hőmérséklet követelményértékei A medence vízre vonatkozó méretezési (tMV) hőmérsékletek: Úszómedence 28 ºC Hullámmedence 28 ºC Pancsoló és élménymedence 32 ºC Gyógymedence 33-38 ºC Pezsgőfürdő 37 ºC Izzasztó fürdő meleg-medencéje 35 ºC Hideg-medencéje 15 ºC
Kívánt hőmérséklet általában 33-38 oC (Ákoshegyi Gy., Németh I. 2006). Magasabb kúthőmérséklet esetén a termálvizet a medencékbe történő bevezetés előtt le kell hűteni. A hűtés lehetséges módjai: - előhasznosítás, - hidegvízzel történő keverés, - hűtotorony alkalmazása.
Termálvizes medencék vízigénye A termálvizes medencék vízáram-igényét számos tényező befolyásolja: - egy-egy medence térfogata, felületének mérete, - a medencék nyitott, vagy fedett térben vannak,-e - töltő-ürítős, vagy vízforgatásos medence kerül-e kialakításra, - a medencékben egyidejűleg tartózkodók száma, 121/1996. (VII. 24.) Korm. rendelet ,37/1996. (X. 18.) NM rendeletek szerint: -Töltő-ürítő rendszer esetén a bevezetett víz mennyisége a terheléssel arányos, de a megengedett legnagyobb terhelés 30%-ánál kisebb terhelésekor sem lehet kisebb, mint a vízfelületből számított maximális terheléshez tartozó érték 30%-a. -Csak az üzemi vízszintig feltöltött és folyamatos túlfolyással működő medencét szabad használni. -A rendelet értelmében a töltő-ürítő medencénél teljes vízcsere szükséges: - 50 m3-nél kisebb gyógy- és gyermekmedencénél, ha a terhelés a névleges terhelés 30%-ánál nagyobb, naponta kétszer, egyébként naponta egyszer, - 300 m3-nél kisebb medence esetén naponta egyszer, - 300-800 m3-es medence esetén legalább 2 naponta egyszer, - 800-1600 m3-es medence esetén legalább 4 naponta egyszer, - 1600 m3-nél nagyobb medencénél legalább 10 naponta egyszer.
Termálvizes medencék vízigénye A gyógymedence napi terhelése legfeljebb annyi fő lehet, mint ahány m 3 a bevezetett friss víz mennyisége. A folyamatos vízcsere céljából bevezetett víz mennyisége mellett a frissen feltöltött medence térfogatának 50%-a is figyelembe vehető. A gyógymedence fajlagos terhelése a 0,4 fő/m2 értéket nem haladhatja meg. Tételezzük fel, hogy egy létesítményen belül egy-egy termálmedence térfogata 50-300 m3 között van, és a medencék mélysége 1,0 m. Legyen a fürdőben lévő termálvizes medencék összes térfogata 700 m3. Kiszámítva a vonatkozó rendeletekben foglaltak szerint a melegvizű ülőmedence fajlagos terhelése ismeretében (0,4 fő/m2), a medencék egyidejű terhelését, a napi terhelést, a medencék feltöltésekor az időegység alatti vízigényt, és az üzemidő alatt, az időegység alatt bevezetendő frissvíz mennyiséget, a következő eredményeket kapjuk: Thf: napi maximális látogató 800 fő A 50-300 m3-s medencék összes térfogata felülete 700 m3 Medencék összes felülete (1 m mélység esetében) 700 m2 Napi tényleges terhelés feltételezett 800 fő/nap (10 óra üzemidőt feltételezve) A medencék tényleges egyidejű terhelése 80 fő/h Medencék feltöltéséhez szükséges térfogatáram 100 m3/h (7 óra töltési időt feltételezve) Üzemidő alatti frissvíz térfogatárama (80m3/h-350m3/10h) 45 m3/h (A folyamatos vízcsere céljából bevezetett víz mennyisége mellett a frissen feltöltött medence térfogatának 50%-át is figyelembe véve 35.)
Termálmedence feltöltésének egy lehetséges időbeli lefutása
Termálmedence feltöltésének időbeli lefutása, a kút kitermelése kisebb, mint a töltési és nagyobb, mint a üzemi térfogatáram igény (3 óra ürítési, 1 óra tisztítási, 7 óra feltöltési 13 óra üzemidőt feltételezve)
V
Töltő és frissvíz térfogatáramok különböző termálvizes medencénél
2,5 m2/fő,h Thf: üzemidő 13 h Töltési idő:7 h (120m3/2)/13h 48m3/h-60m3/13h
Téli üzemmód, rendelkezésre álló hőteljesítmények
Thf: Δt=5 oC Thf:Δt=2,5 oC Thf:Δt=7,5 oC
Thf: Δt=5 oC Thf:Δt=2,5 oC Thf:Δt=7,5 oC Thf:Δt=7 oC Thf: Δt=5 oC Thf: Δt=5 oC
Téli üzemmód, elő és utóhasznosítás
Téli üzemmód, utóhasznosítás
Nyári üzemmód, előhasznosítás, fűtési hőcserélő adszorpciós hűtőgéphez
Termálvíz hasznosítása hőszivattyúval
Hőszivattyú
Kis hőmérsékletű termálvíz hőforrással működő kompresszoros hőszivattyú
Hőszivattyú
Kis és nagy hőmérsékletű termálvízzel működő abszorpciós hőszivattyú
Hőszivattyús kitermelés nélküli zárt rendszer
Monovalens üzemmód. A rendszerrel az épület fűtése is megoldott, hőszivattyú igénybevétele nélkül. (1) hőszivattyú, (2) puffer tartály, (4) HMV tartály, (3) Hűtési hőcserélő, (5) váltószelep előnykapcsoláshoz, (6) váltószelep üzemátálláshoz, (7) szabályozó szerelvény
Hőszivattyú kitermelés nélküli zárt rendszer
Bivalens rendszer. (1) hőszivattyú, (2) puffer tartály, (3) HMV tartály, (4) HMV hőcserélő, (5) kazán, (6) (7) váltószelep, (8) szabályozó szerelvény
Hőszivattyú Veszteségmentes ideális körfolyamatot feltételezve a hőszivattyú fajlagos teljesítménytényezője: T f ε szo 1 Ta T Ta f 1 T f ahol Tf - a hőhasznosítás hőmérséklete, Ta - a környezet (energiaforrás) hőmérséklete.
A valóságos körfolyamatokban a szükségszerűen meglévő irreverzibilitások miatt a valós teljesítménytényező kisebb, mint az elméleti: ηc - a hőszivattyú veszteségtényezője
sz c szo
COP(Coefficient of Performance)=Hőszivattyúzás energetikai hatékonysága Hasznos fűtőteljesítmény / Előállításához szükséges gépi effektív teljesítményfelvétel Gép teljes (100 %) terhelésén, szabványosított paraméterek mellett A gyártmánykatalógusok a berendezések teljesítményadatait, COP értékét 0 °C primerközeg, és 35 °C fűtési előremenő hőmérsékletek esetére (5°C-os Δt-nél) adják meg. A COP az EN 255 szerint 0/35 °C mellett 10 K-es hőmérsékletkülönbséggel kb.5 – 6 %-kal magasabb, mint az EN 14511 szerint.
Hőszivattyú
Hőszivattyú ε teljesítménytényezője 10 oC átlagos forrásoldali hőmérséklet esetén termodinamikai átlaghőmérséklet: (Tn-Tk)/ln(Tn/Tk)).
Hőszivattyú
Hőszivattyú ε teljesítménytényezője, 35 oC átlagos forrásoldali hőmérséklet esetén Az egy évre vonatkozó éves teljesítménytényező (éves munkaszám, Seasonal Performance Factor (SPF) vagy Jahresarbeitszahl (JAZ)) ad igazán pontos képet a hőszivattyú üzemeltetéséről.
Különböző rendszerek fajlagos földgáz felhasználása Hőtermelés módja
Berendezés ηkhatásfok vagy ε teljesítménytényező
Földgáz tüzelésű kazán hagyományos régi új kondenzációs Termálvíz hasznosítása hőcserélővel ha a kitermeléshez szükséges energia 2%-a a kitermeltnek ha a kitermeléshez szükséges energia 3%-a a kitermeltnek ha a kitermeléshez szükséges energia 5%-a a kitermeltnek
0,7 0,9 1,05
Fajlagos földgáz felhasználás 1/ηK ill. 1/εηE
1,43 1,11 0,95
50,0
0,04-0,057
33,3
0,06-0,086
20
0,1-0,143
Termálvíz hasznosítása hőszivattyúval (veszteségtényezője 0,5) ha a fűtési rendszer 30/40 ºC-os termálvíz 35/20 ºC 20,26 termálvíz 35/0 ºC 8,55 talajvíz 15/10 ºC 6,84 ha a fűtési rendszer 40/60 ºC-os termálvíz 35/20 ºC 7,17 termálvíz 35/0 ºC 4,9 talajvíz 15/10º C 4,3
0,099-0,141 0,234-0,33 0,292-0,418 0,279-0,398 0,408-0,580 0,465-0,664
Különböző hőtermelővel ellátott rendszer energetikai és exergetikai vizsgálata
Exergia
Randt javaslatára 1956-tól használják az exergiát, az energia tényleges munkavégző képességének jellemzésére. Valamely hőhordozó exergiájának (expanziós energiájának) nevezzük azt az energiát, amely kifejezi, hogy mekkora a hőhordozó maximális munkavégző képessége, ha azt mechanikai energiává akarjuk átalakítani. A hőhordozók kihasználhatóságának alsó határa a környezeti hőmérséklet, ugyanis a hőhordozók ebbe az állapotba jutnának, ha azokat magukra hagynánk.
Exergia Korlátozott átalakíthatóság oka: -energiaveszteségek -irreverzibilitás jelensége A valóságban spontán lezajló folyamatok irreverzibilisek, entrópia keletkezik. A keletkezett entrópia az irreverzibilitás mértékét tükrözi, tehát azt a munkamennyiséget, amit a folyamatba minimálisan be kell fektetnünk az eredeti állapot visszaállítása érdekében. Entrópia a klasszikus termodinamikában a reverzibilis hőcsere és hőmérsékletének hányadosa véges mértékű változásokra: dS=dQrev/T. Az entrópia állapotfüggvény, értéke csak a rendszer kezdeti és végállapotától függ, és független az úttól. Bármely reverzibilis körfolyamatban az entrópia változása 0. Bármely irreverzibilis körfolyamatban az entrópia változása nem nulla. Az entrópia a rendezetlenség mértéke.
Exergia Az energiamennyiség felosztható: -átalakulásra képes, exergia (Ex) -átalakulásra nem képes, anergia (EA)
(E
i
x
Ei ) be ( E j E j ) ki A
x
x
A
( Ei ) be ( E j ) ki Eveszt x
x
Exergia Ha a kilépő állapot megegyezik a végállapottal, a maximális teljesítményt kapjuk, és ez az exergia:
W max E x
Tüzelőanyag exergiája közelítéssel E Bx ~ mB.H0 EA~ 0 mB = a tüzelőanyag tömege H0 = a tüzelőanyag égéshője Elektromos, illetve mechanikai munka esetén EA = 0 E elektr.x = W elektr. E mech.x = W mech. EA = 0 Kinetikus és helyzeti energia esetén E kin.x = W kin. = m.c2/2 E hely.x = W hely. =m.g.z
EA = 0 EA = 0
Exergia Hőmennyiség esetén, ha hőmérséklete Tm: E hőm.x =Wmax=Qbe ηc=Qbe (1-T0 /Tm) EA = Qbe T0 /Tm T 2
T2 Tm T1 T0
Qbe 1 Exergia
Qel 4
3 S
Tm =(T2-T1)/ln(T2/T1)
Anergia S
Exergia h
T
T1 T2
T1
T1be a) S1 S2
b) Sirr
S1 S2
T2ki
T1ki
T2be
a
h= áll.
b
T1ki
Pa
T1be
Pb
c) Sirr S1 S2
Sirr S
S irr
Hőcsere okozta entrópianövekedés Fojtás okozta entrópianövekedés [6]Büki G.: Energetika. Műegyetemi kiadó, 1997.
Exergia
Tehát a fentiek alapján levonhatjuk azt a következtetést, hogy a mechanikai és elektromos energia tisztán exergia, és ugyanez érvényes megközelítőleg a kémiai energiára is (H0). A hőmennyiség exergia tartalma pedig annál nagyobb, minél nagyobb a hőmennyiség hőmérséklete.
Exergia Az energetikai hatásfok valamint teljesítménytényező az energiamérleg, illetve az I. főtétel szerint:
hasznosito tt energia energia veszteség (ill . ) 1 felhasznál t energia felhasznál t energia Az exergiamérlegből az exergetikai hatásfok, illetve exergetikai jósági fok:
X , FUN
hasznosított energia exergiája exergiaveszteség 1 felhasznált energia exergiája felhasznált exergia
A. Elektromos fűtés
Erőmű
to
ti
A feladat az épületek fűtése: Hogy a belső hőmérsékletet egy adott intervallumon belül tartsuk 95 %-s biztonsággal.
B. Fűtés hagyományos gázkazánnal
to
ti
C. Fűtés kondenzációs kazánnal
D. Fűtés Kompresszoros levegő víz hőszivattyúval
to
ti
E. Kompresszoros földhőszivattyúval
to
ti
F. Fűtés termálvízzel
to
ti
Nyerőkút
Visszasajtoló kút Minden variációnál az előremenő víz hőmérséklet szabályozott a külső hőmérséklet függvényében.
Eredő hatásfokok Egy bonyolult rendszernél az eredő energetikai hatásfok:
in1i Összetett rendszernél az eredő exergetikai hatásfok:
X , FUN X , FUN ,i n i 1
Az exergetikai hatásfokot alapvetően két részre osztjuk: ηx,mech/el – a mechanikai és elektromos veszteséget tartalmazó és ηx,th – a hőmérséklet csökkenésből származó, irreverzibilitást kifejező veszteséget tartalmazó:
ηx = ηx,mech/el. ηx,th A ηx,th értéket a hőmérsékletekből számítjuk ki, míg a ηx,mech/el. –t a gyakorlati tapasztalatokból származó értékekkel vettünk figyelembe.
Peremfeltételek A számításoknál a következő értékekkel dolgoztunk: -A hagyományos kazán energetikai hatásfokja: 0,9 -A kondenzációs kazán energetikai hatásfoka: 1,09 -Az elektromos energia előállításának hatásfoka: 0,5 -A hőszivattyú veszteségtényezője: 0,6 -A tökéletesen szigetelt hőcserélő vesztesége: 0 -A termálvíz feltételezett állandó közepes hőmérséklete: 75 ºC - A földhőszivattyú primer oldali közeg hőmérséklete:10/7 oC -A termálvíz kitermeléséhez szükséges villamosenergia 5 %-a a kitermelt hőnek (ezzel a feltételezett értékkel a „teljesítménytényező” értéke:20) - Az elektromosenergiát gázból állítjuk elő, 0,5 –s hatásfokkal
Peremfeltételek ti = 20 oC to = -5 oC tfm = 45 oC ti = 20 oC to = 0 oC tfm = 40 oC ti = 20 oC to = 10 oC tfm = 30 oC
C 0 i
T0 T0 ) 0,157 (1 ) 0,0853 C 0 fm (1 T fm Ti
A helyiség Carnot-hatásfoka
C 0 i
T0 T0 (1 ) 0,06826 C 0 fm (1 T ) 0,1278 fm Ti
C 0 i
T0 T0 (1 ) 0,03413 C 0 fm (1 T ) 0,066 fm Ti A radiátor Carnot hatásfoka
Tfm a radiátor be és kilépő közeg közepes hőmérséklete. A számításokat három különböző üzemállapotra végeztük el.
Exergetikai hatásfok a különböző rendszereknél a három különböző üzemállapotban 90
-5 oC
Exergetischer Gütegrad %
80 70
0 oC
60
10 oC
50 40 30 20 10 0 A
B
C
D
E
F
Variation
A legjobb műszaki megoldás a termálvízzel történő fűtés, a legkedvezőtlenebb az elektromos fűtési rendszer. A terhelés változásával járó exergetikai hatásfok változás a legkisebb mértékű a levegős hőszivattyús rendszernél.
Az energetikai hatásfok a különböző rendszereknél
Gesamt-Heizzahl
12 10
-5 oC
8
0 oC
6
10 oC
4 2 0 A
B
C
D
E
F
Variation
A kazán hatásfokokat állandónak feltételeztük, bár tudjuk, hogy a hagyományos és kondenzációs kazánok hatásfoka változik a közeg, illetve a terhelés függvényében.
Összefoglalás 3.
-A tüzelőberendezésbe belépő földgáznak nagy az exergiája. Az égési folyamat során az energia minőségbeli változást szenved, irreverzibilitás következtében munkavégző képességének jelentős részét elveszíti, nagy az exergia veszteség. -Bizonyos folyamatok esetén elkerülhetetlenül szükség van exergiaveszteségre, hogy a rendszereink működését fenntartsuk. Minden exergiaveszteség elkerülése technikailag lehetetlen, minden határon túli csökkentése gazdaságilag kedvezőtlen. Azonban jelenleg rendszereink exergia felhasználása többszöröse a szükségesnek.
Összefoglalás 3. -Kisebb rendszerek esetében nem feltétlenül szükséges exergetikai analízis, műszaki érzék, energetikai analízis is elegendő. Nagyobb, bonyolultabb rendszerek esetében, sok részegység működik, szükség van az exergetikai analízisre, amivel reálisabb képet kapunk a rendszerünk termodinamikai hatékonyságáról. -Fontos, hogy az ellátás és a fogyasztás, energiájának minőségét illesszük egymáshoz, ezáltal csökkentjük a felhasznált fosszilis primer energiahordozók mennyiségét, és a kibocsátott CO2 mennyiségét.
Exergetikai veszteségek csökkentésének lehetőségei -épületek hőveszteségének csökkentése, -hőnyereségek növelése, -hővisszanyerő berendezések alkalmazása, -hőellátó rendszer energiaveszteségének csökkentése -a magas exergiatartalmú primer energiaforrásból magas exergiájú munka, energia előállítása, és az épületek fűtésének ellátása a visszamaradt, kis exergiatartalmú hőhordozóval történjen. -hőszivattyú alkalmazása, az exergiatartalom hatékonyabb kihasználása érdekében, -gazdasági viszonyok kedvezőbbé tétele………
Hűtés hővel
Abszorpción gázok és gőzök folyadékban történő elnyeletését értjük. A munkaközeg ebben az esetben egy többkomponensű keverék-közeg pl. LiBr és H2O. A hűtési feladat által meghatározott alacsony hőmérsékletszinten az elpárologtatóban (6) a víz hűtőközeg megfelelően alacsony nyomáson (0,8 kPa) a lítiumbromid (LiBr) abszorber anyag hatására elpárologva hőt von el a hűtendő alacsony hőmérsékletű közegtől. A víz hűtőközeg gőze az abszorberben (5) elnyelődik, miközben hő szabadul fel. A szegény oldatot a szivattyú (4) a deszorberbe (kiűzőbe (2)) szállítja, ahol az elnyelt közeg ismét gőz halmazállapotba kerül hő hatására, mely ezután a kondenzátorban (1) lekondenzálódik. A kondenzátum a fojtószelepen (7) keresztül ismét az elpárologtatóba jut, míg a gazdag oldat a deszorberből az abszorberbe kerül .A kiűzéshez szükséges fűtőközeg-hőmérsékletét a jó teljesítménytényező elérése érdekében 80 ºC – 140 ºC közötti hőmérséklet-tartományban célszerű megválasztani. Hűtővíz Munka közeg: víz-LiBr NH3-víz
Hőbevitel 80-140 oC
Hűtővíz
Hűtöttvíz
Termálvízzel megtáplált abszorpciós hűtőgép
deszorber
kondenzátor abszorber
elpárologtató
Hűtés hővel, adszorpciós hűtés Adszorpciókor a nagy felületű szilárd anyag a gáz- vagy folyadékelegyből egy vagy több komponenst köt meg. A jelenleg ismert adszorpciós hűtőgépek többsége szilikagél/víz munkaközeg-párossal dolgozik és négy kamrából, illetve hőcserélőből áll. A folyamatos működés érdekében a két, szilikagéllel töltött kamra felváltva elnyelő és kiűzőként működik, a másik két kamra, az elpárologtató, és kondenzátor. Az elpárologtatóban az alacsony nyomású, vákuum alatt álló víz elpárolog, lehűti a hűtött közeget, a vizet, 5…15 ºC-ra. Szelepeken, illetve csappantyúkon keresztül vezetődik el a gőz a közbenső két kamra egyikébe. Ott a gőzt a szilikagél adszorbálja, miközben a felszabaduló adszorpciós hőenergiát a hűtővíz elvezeti. Ezzel egy időben a víz hűtőközeg a második, közbenső kamrában, fűtőközeg (melegvíz, forróvíz) segítségével (külső hőközléssel), mint gőz távozik az adszorberből. A kondenzátorban ezután a vízgőz hőleadás kíséretében kondenzálódik, és ismét az elpárologtatóba kerül. Ez a két folyamat felváltva játszódik le a két közbenső kamrában. Minden ciklus után egy átkapcsolás zajlik le a két kamra között, ami kvázi folyamatos üzemet eredményez Munkaközeg: víz-zeolit kristály víz-szilikagél
Hűtés hővel
A szorpciós hűtőgépek teljesítményét befolyásoló három legfontosabb hőmérséklet: •a rendelkezésre álló fűtővíz (meleg vagy forró víz) hőmérséklete, illetve gőz nyomása, hőfoka, •a hűtőtoronyban visszahűtött hűtővíz hőmérséklete, és •a hűtöttvíz hőmérséklet Egy adott berendezés teljesítményét a hűtő-, a hűtött-, és a fűtőközegek tömegárama is befolyásolja.
Hűtés hővel
hűtővíz
Egy adott típusú abszorpciós hűtőgép energetikai hatékonysága a fűtő- és a hűtő víz hőmérsékletének függvényében (hűtöttvíz 7/12 oC)
Hűtőteljesítmény %-ban a fűtővíz-hőmérséklet függvényében (Hűtővíz belépő hőmérséklete 32 oC, hűtöttvíz kilépő hőmérséklete 9 oC)
Ha a fűtővíz hőmérséklete 88 oC-ról lecsökken 80 oC-ra Az adszorpciós hűtőgép Teljesítménye 90 %, míg az Abszorpciósé 48 % lesz
Viszonyitási alap
Adszorpciós hűtőg. Abszorpciós hűtőg.
Fűtővíz hőmérséklete oC ICOGEN,S.A. www.icogen-sa.com
Termálvízzel megtáplált adszorpciós hűtőgép
Termálvíz távvezetékre kapcsolt hőközpont egyszerűsített kapcsolási sémája
Termálvíz távvezetékre kapcsolt hőközpont egyszerűsített kapcsolási sémája magyarázata Az előző rajz egy termálvíz távvezetékre kapcsolt hőközpont egyszerűsített sémája. A termálvíz hőmérséklete 65-85 oC-nál nem nagyobb. A 3 jelű fogyasztói rendszer, sugárzó fűtő-hűtő rendszer. Az 1 jelű fűtési hőcserélővel állítjuk elő a szekunder kis hőmérsékletű fűtőközeget, amelyet a külső hőmérséklet függvényében a 2 jelű egyutú szelep szabályoz. Az 1 jelű hőcserélővel a 7 jelű előfűtő használati melegvíz-termelő sorba van kötve - a termálvíz nagyobb mértékű lehűtése érdekében-, míg a 4 jelű utófűtő párhuzamosan, egyutú szabályozó szerelvénnyel ellátva. A 6 jelű használati melegvíz tároló, a 25 jelű a cirkulációs szivattyú. A 10 jelű hőcserélőn keresztül történik a 12 jelű adszorpciós hűtőgép fűtővizének előállítása. A 11 jelű berendezés a fűtővíz puffertárolója. A 14 jelű hűtőtorony a 13 jelű hőcserélőn keresztül biztosítja a szükséges hűtővízet. A hűtött víz a 15 jelű puffertárolón, a 17 jelű kétutú motoros szabályozó szerelvényen és 16 jelű motoros váltószelepen keresztül jut a fogyasztóhoz.
Hűtés termálvízzel sorba kapcsolt adszorpciós hűtőgépekkel
A jelenleg gyártott berendezések kis fűtőközeg hőfoklépcsővel (6-10 oC), nagy fűtőközeg tömegáram biztosítása mellett tudják a megadott hűtőteljesítményt. A termálvíz nagyobb mértékű lehűtése érdekében több, 2-3 kisebb teljesítményű adszorpciós hűtőgép sorbakapcsolása egy alkalmazható műszaki megoldás lehet, ami azonban a hidraulikai kör ellenállásának növekedésével jár.
Hűtési energetikai hatékonyság
Hűtés jellege
EER (Energy Efficiency Ratio)
Villamos bázisú
2,0 -6,0 3,5-4,5 jellemzően
Hőbázisú (100 oC-ig), egyfokozatú (abszorberrel, adszorberrel) Hőbázisú (500 oC-ig), egyfokozatú abszorberrel Hőbázisú (200 oC-ig), kétfokozatú abszorberrel
0,4-0,7 0,8-1,5 1,0-1,7
(Forrás:Forrai Gy. 2008)
Hűtés fajlagos teljesítménytényezője Elméleti teljesítménytényező: T h 1 ε hg T T T 0 1 0 h T h
ahol To a környezeti hőmérséklet Th a hűtési hőmérséklet
EER (Energy Efficiency Ratio) = Hűtés energetikai hatékonysága= Hasznos hűtőteljesítmény / Előállításához szükséges gépi effektív teljesítményfelvétel Gép teljes (100 %) terhelésén, szabványosított paraméterek mellett
ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) Mivel a folyadékhűtők és klímaberendezések ritkán üzemelnek teljes terhelésen, az igazi hatékonyságukat a valós működésre vonatkoztatva, vagyis a részterheléseket is figyelembe vevő mutatóra van szükség.
ADCM1-060 tipusú adszorpciós hűtőgép (példa a hő gázzal ) Hűtőteljesítmény: 220 kW Hűtött közeg: 7/12 oC Hűtőközeg: 29,5/35,5 oC Fűtőközeg: 90/83 oC Fűtőteljesítmény igény: 373 kW Katalógusban szereplő hűtési energetikai hatékonyság: 220/373=0,59 AD hűtőgép villamos teljesítmény igénye: Fűtővíz keringtető szivattyú: Hűtővíz keringtető szivattyú: Hűtőtorony ventilátor teljesítmény igénye: Összes járulékos teljesítmény igény:
0.4 kW 3.7 kW 3.7 kW 5.5 kW 13.3 kW
A járulékos igényeket is figyelembe véve a hűtési energetikai hatékonyság: 220/ 386,3 = 0,57 Ha figyelembe vesszük, hogy a hő és a villamosenergia előállítása is gázalapú, a hő előállítása ηhő =0,9 a villamosenergia előállítása ηvill =0,5 hatásfokkal történik, a Hőbázisú hűtés gáz primerenergiára vonatkoztatott energetikai hatékonysága: 0,5 a Villamosbázisú hűtőgép Feltételezve, hogy az EER=4, akkor a hűtőgép gáz primerenergiára vonatkoztatott (ηvill =0,5) energetikai hatékonysága:
2,0
ADCM1-060 tipusú adszorpciós hűtőgép (példa, a hő termálvízzel) Hűtőteljesítmény: 220 kW Hűtött közeg: 7/12 oC Hűtőközeg: 29,5/35,5 oC Fűtőközeg: 90/83 oC Fűtőteljesítmény igény biztosítása termálvízzel: 373 kW AD hűtőgép villamos teljesítmény igénye: Fűtővíz keringtető szivattyú: Hűtővíz keringtető szivattyú: Hűtőtorony ventilátor teljesítmény igénye: Termálvíz kitermelés teljesítmény igénye: Összes járulékos teljesítményigény:
0.4 kW 3.7 kW 3.7 kW 5.5 kW 10.0 kW 23.3 kW
A járulékos igényeket is figyelembe véve a hűtési energetikai hatékonyság: 220/ 23,3 = 9,44 Ha figyelembe vesszük, hogy a villamosenergia gázalapú, és előállítása ηvill =0,5 hatásfokkal történik, a hűtés gáz primerenergiára vonatkoztatott energetikai hatékonysága: 4,72
Meglévő Dél –Magyarországi termálvizes távhőellátó rendszer hidraulikai, energetikai és exergetikai vizsgálatát, a számított és mért értékek összehasonlítását végeztük el. Az üzemeltető által átadott mérési adatok a következők: - A rendszert működtető szivattyúk villamosenergia fogyasztása havi és évi bontásban 2007-2010 közötti időszakban. - A kitermelt termálvíz mennyisége napi és havi bontásba a 2009-es évben. - A kitermelt termálvíz hőmérséklete napi és havi bontásba a 2009-es évben. - A termelő kútfejnél mért nyomás napi és havi bontásba a 2009-es évben. - A visszasajtolt termálvíz mennyisége napi és havi bontásba a 2009-es évben. - A visszasajtolt termálvíz hőmérséklete napi és havi bontásba a 2009-es évben. - A visszasajtoló szivattyú után elhelyezett kútfejnél mért nyomás napi és havi bontásba a 2009-es évben. - A fogyasztók által felhasznált, hőközpontokban mért hőmennyiség, fogyasztóként, havi bontásban 2008-2010-s években.
Termálvizes távhőellátási rendszer, kitermelés és visszasajtolás elemei
búvárszivattyú (1), előgáztalanítóba (2), nyomásfokozó szivattyúk (3), (5), (8), gáztalanító (4) vastalanító (6), pihentető tartályába (7), nyelőkút (9)
Üzemeltetési adatok értékelése
Üzemeltetési adatok értékelése
Üzemeltetési adatok értékelése Hasznosított hőmennyiség KWh-ban
Fajlagos földgázfelhasználás különböző hőtermelés esetében Hőtermelés módja
Berendezés ζ hatásfok;telesítménytényező (ηk;ε)
Fajlagos földgázfelhasználás g
0,7 0,9 1,05
1,43 1,11 0,95
Földgáz tüzelésű kazán: hagyományos új kondenzációs Termálvízes távhőellátó rendszer kinyert/befekte(hasznosítás tett ε1 hőcserélővel) Január 49,96 Február 44,36 Március 60,52 Április 40,99 Május 39,92 Június 81,87 Július 40,17 Augusztus 38,10 Szeptember 29,24 Október 26,86 November 50,37 December 43,02
1/ηk ill. 1/εηE
hasznosított/befekte1/ε2ηE1 1/ε2ηE2 1/ε1ηE1 1/ε1ηE2 tett ε2 30,295 29,385 41,83 18,78 7,298 12,946 5,84 5,826 4,264 23,74 30,87 31,20
0,094 0,097 0,068 0,152 0,391 0,221 0,489 0,490 0,670 0,120 0,093 0,092
0,066 0,068 0,048 0,106 0,274 0,154 0,342 0,343 0,469 0,084 0,065 0,064
0,057 0,064 0,047 0,070 0,072 0,035 0,071 0,075 0,098 0,106 0,057 0,066
0,040 0,045 0,033 0,049 0,050 0,024 0,050 0,052 0,068 0,074 0,040 0,046
Megjegyzés: ha a hőt gázalapú kombinált ciklusú erőműben termeljük meg, akkor a hő fajlagos földgáz felhasználása 0,19-0,52 közé esik, attól függően, hogy az előállított villamosenergia és hő aránya milyen E/Q = 0,8 - 1,2, és a fűtőerőmű hatásfokát 0,85-tel és az erőmű hatásfokát 0,5-tel vettük figyelembe. (Büki 2009)
Összefoglalás 4 1.Mo. jelentős a geotermikus energiával rendelkezik, nagy kiterjedésű de kis entalpiájú. 2. Kishőmérsékletű termálvíz hasznosítása közvetlen villamosenergia- és kapcsolt energiatermelésre még eszményi viszonyokat feltételezve sem hatékony. Előnye azonban, hogy a villamosenergia nagytávolságokra eljuttatható, rezervoárok nem helyezhetők át. Kis entalpiájú közeg felhasználható, a gőzturbina közegének, tápvíznek előmelegítésére, komprimált levegő hűtésére. Előnyösebb a termálvizet hőellátásra felhasználni. 3. Magyarországon a kitermelt termálvizek sótartalma, vegyi alkata a közvetlen hő hasznosítást nem teszi lehetővé. 4.A kizárólag energia hasznosítás céljából kitermelt termálvizet vissza kell táplálni, így a nyitott rendszer nem megfelelő műszaki megoldás. 5. A geotermikus energia hasznosításakor akkor járunk el helyesen, ha az úgynevezett „lépcsős kihasználást” illetve többcélú felhasználást alkalmazzuk. Abban az esetben, ha a fluidum nagy hőmérsékletű, nagy az exergia tartalma akkor célszerű elsőként a nagy exergia igényű villamos energiát előállítani, majd a rendszerből kilépő kis hőmérsékletű, kis exergiájú közeggel kis hőmérséklet igényű fogyasztókat ellátni.
Beruházási költség! Karbantartási költség! Berendezések élettartama! Aktuális Energia árak!
Tulajdonosi érdekek! Szabályozási rendszerek! Támogatási rendszerek!
Köszönöm a figyelmüket!
