Geotermikus energia Monoki Ákos
Fogalma Geotermikus energia, geotermális energia: Tágabb értelemben a Föld belsejében keletkező, a földi hő-áramban meghatározott szintig feljutó és ott a kőzetekben, illetve a pórusvízben tárolódó termikus energiamennyiség. Szűkebb értelemben a felszín alatti víz hőtartalmában rejlő energia ui. a geotermikus energia jelenleg gazdaságosan csak hévízközvetítésével hasznosítható, amit a víz nagy hő-kapacitása tesz lehetővé. A hazai hévíz kutak évente közel 6,5 x 1015 J hőmennyiséget hoznak a felszínre (ez az ország energiamérlegében kevesebb mint 1%). A geotermikus energia gazdaságos kinyerését az után-pótlódó víz, az alkalmas víztartó, valamint a geotermikus gradiens (gg) határozza meg. A gg azt jelenti, hogy a Fö1d középpontja felé 100 m-enként hány °C -kal nő a hőmérséklet. A köznapi életben ennek a reciprokát szokás használni, mértékegysége a m/°C. A geotermikus grádiens térbeli eloszlását geotermikus térképeken ábrázolják. Ha egy kisebb terület geotermikus grádiense eltér a tágabb környezet átlagától, geotermikus anomáliáról beszélünk. Az eltérés oka lehet a földkéreg kivékonyodása (pl. Kárpát-medence), közeli vulkáni tevékenység (pl. Izland) vagy vízszintes hévízmozgás. A geotermális energia kinyerése helyileg jelentős és gazdaságos lehet ott, ahol kedvezőek a földtani adottságok, viszonylag kis mélységben magas hőmérséklet és jó vízadó képződmények találhatók. A geotermikus energia hasznosításának a fenti feltételek megléte esetén is gátja lehet a hévíz gyakran nagy oldott só tartalma, valamint az, hogy a lehűlt kezeletlen víz súlyosan károsíthatja a környezetet. Felszíni elhelyezése legtöbbször csak sótalanítás után lehetséges. Ezért elterjedt a gyakorlatban a felhasznált hévizek visszasajtolása az eredeti víztartóba. A geotermális energia jelenleg elsősorban helyi energiaszükségletek kielégítésében játszik nagyobb szerepet pl. Izlandon, Új - Zélandon, Japánban, Kamcsatkán és É-Amerika Ny-i területein. A hasznosítása elsősorban a felszínre érkező hévíz hőmérsékletétől függ, ami meghatározza a lehetséges hőfoklépcső (a hasznosítható rendszerbe belépő és onnan kilépő víz hőmérséklet-különbsége) nagyságát. A 100 °C feletti hőmérsékletű hévíz alkalmas lehet elektromosenergia-termelésre is. A 100 °C alatti hőmérsékletű hévizek hőcserélőn keresztül történő közvetlen hő-hasznosítása a leggyakoribb (pl. épület, növényház fűtése), majd a 35-20 °C -ra lehűlt vizet balneológiai célokra használják fel. Bár a hévíztermelésre alkalmas kút létesítése költséges, a geotermikus energia á1talában gazdaságos és környezetkímélő energiaforrás. A geotermális energia legjobban a lépcsős hő-kinyeréssel oldható meg: pl. 90 - 60 °C -os vízzel lakást fűtenek, 60 - 35 °C -os vízzel növényházat, majd gyógyvízként használják fel. Az első geotermikus erőművet 1904 -ben Olaszországban építették, ma is üzemel. Izlandon 1930 óta fűtenek lakóházakat geotermikus energiával. A hazai hévíz kutak által felszínre hozott hőmennyiség mintegy 40% -át fürdők, strandok hasznosítják, és közel 30%-át pedig üvegházak fűtésére használják. Ipari, kommunális célra még alig van felhasználás, de már van egy-két jó példa: Szentesen a 79 °C -os vízzel első lépcsőben a kórházat, majd a második 1épcsőben az üvegházakat fűtik, illetve a régi strandfürdőben hasznosítják a meleg vizet. Szegeden 3000 lakás főtését oldották meg ezzel a módszerrel. Környezetvédelmi Lexikon
Története A "geotermikus" kifejezés görög eredetű, jelentése: földi hő. A geotermikus források felfedezése egészen a római időkig nyúlik vissza. Legelőször a termálvizet alkalmazták, elsősorban gyógyászati, háztartási és pihenési célokra. Egykoron a Britt római fürdővárosok a hévízforrásokat csőhálózat segítségével közvetlenül hasznosították. A rómaiak a hévizet a szem és bőrbetegségek kezelésére, míg Pompeiben az épületek fűtésére használták. Új-Zélandon az első polinéziai betelepülők akik az európai hatástól zavartalanul éltek ezer éven keresztül a 18. századig, a geotermikus hőforrások gőzét a főzésben, a termálvizet pedig a fürdésben, mosásban és a gyógyításban hasznosították. A hévizek fűtésben és gyógyászatban való alkalmazása a modern világban ismét aktuálissá vált. A 19. században a technika fejlődésével lehetővé vált a felszín alatt rejlő termikus erőforrások felfedezése és feltárása. Toscanaban a természetes geotermikus energiát a bór és az ammónium vegyületek feldolgozására használták. Itt a geotermikus folyadékok voltak a legfontosabb bór források, míg a hőenergia mellékes volt. Az elektromos energia termelése 1904-ben indult meg Piero Ginori Conti herceg munkássága által és 1913-ban a larderelloi erőműben 250 kW energiát állítottak elő. A larderelloi erőmű komplex jelenlegi teljesítménye meghaladja a 400 MW-ot és ezt egy fejlesztési program segítségével 880 MW-ra szeretnék növelni.
Másodjára Új-Zélandon, a Wairakei térséget fejlesztették az 1950-es évek elején, az észak-kaliforniai "Gejzír-mező" után, ahol 1960-ban indult meg a termelés. A világon ez utóbbi térséget fejlesztik a leginkább napjainkban, hiszen teljesítménye 2800 MW!
Franciaországban 1960 óta több, mint 200.000 lakás fűtését oldják meg termálvíz segítségével. Olaszország és Izland a vulkánikusan legaktívabb két európai ország, a Közép-Atlantikum vulkáni hátságán fekszenek ennek ellenére a legfőbb, geotermikus energiát hasznosító nemzetek a Csendesóceáni lemezszegély mentén csoportosulnak. Japán, a Fülöp-szigetek és Mexikó a jelenlegi technológia fejlesztésén dolgoznak.
Időközben tervek készültek a geotermikus hő közvetlen felhasználásának lehetőségére, a távfűtésben és a mezőgazdaságban. E téren Japán, Kína, a volt Szovjetunió utód államai, Magyarország valamint Izland a fontosabb termelők. A legelkápráztatóbb új technológiákat Franciaországban és más nyugat-európai országokban dolgozták ki.
Napjainkban a geotermikus energiát számos területen alkalmazzák:
A mezőgazdaságban az üvegházak fűtésére A haltenyésztésben Lakások fűtésére Elektromos áram termelésére Az utak téli jégmentesítésére
Elméleti háttere A Földünk felszínén az asztenoszféra felől átáramló hőmennyiség 1021Joule/év. Ez összevetve a Napból származó hővel - ami 5,4×1024 Joule/év - kevésnek tűnik. A hő azért áramlik az asztenoszféra felől a litoszféra irányába, mert közöttük jelentős hőmérséklet különbség van. A Föld magban kb. 7000 °C hőmérséklet uralkodik. Ez az óriási hőmennyiség két módon keletkezik:
- Úgy 4600 millió éve, bolygónk anyagainak kondenzálódása idején a belső részek rendkívül gyorsan felmelegedtek, mivel a sűrűsödő anyagok kinetikus energiája hőenergiává alakult.
- a Föld belsejében hosszú bomlási idejű radioaktív izotópok találhatóak, mint a thórium 232, uránium 238, kálium 40. Ezek bomlása során hő szabadul fel, megközelítőleg 5×1020 Joule/év. Mivel a radioaktív bomlás mértéke exponenciálisan csökken, a Föld megalakulása után közvetlenül, a bomlásból származó hő ötszöröse lehetett a mainak. Ez a hő a hőáramlás útján halad a felszín felé. A felszín közelében, úgy 100 km mélyen a föld anyagai hűvösebbek és túl kemények ahhoz, hogy létrejöjjön a hőáramlás, így a hő hővezetés által halad tovább. A világon számos olyan hely található, ahol a vékony kőzetrétegen át kellő mennyiségű hő áramlik fel 150-200 °C-os gőz formájában, hogy elektromos áram termelésére tudják hasznosítani. ezek az ún. magas entalpiájú források.
1990-ben a világ geotermikus forrásokból történt elektromos áram termelése majdnem egészen 6 GigaWatt volt és újabb 4 GW-t pedig közvetlen felhasználás útján hasznosították a fűtésben, mezőgazdaságban, iparban.
Az 1-es táblázat az 1990-es évek elején kitermelt geotermikus energiát ábrázolja, országonként. Ország USA Mexikó
Elektromos áram termelésére (MWe) 2800
Közvetlen felhasználásra (MWt) 160
680
8
El Salvador
95
-
Nicaragua
35
-
Japán
228
970
Kína
11
610
3
10
Fülöp-szigetek
894
-
Indonézia
140
-
Új-Zéland
280
200
A volt Szovjetunió tagországai
11
340
Izland
39
480
4
270
545
210
Magyarország
-
375
Törökország
21
70
Kenya
45
-
Taiwan
Franciaország Olaszország
Összesen:
5831
3703
Ezen felhasználások közül néhány a magas entalpiájú areákon kívül esik, ahol a geológiai állapotok lehetővé teszik, hogy meleg vizet juttassanak a felszínre - ezek az alacsony entalpiájú területek. Az ilyen jellegű területeken esetenként gyorsabban termelik ki a hőt - a termálvizet - mint ahogy az meg tud újulni, így itt érdemesebb "hőbányászatról" beszélni. A litoszféra lemezekből áll, amelyek az olvadt asztenoszférán "úsznak" és évente egy pár cm-t mozdulnak el. 2 A hőfeláramlás a lemezek határainál éri el maximumát, ahol akár 300 milliWatt/m is lehet. 100 W hőenergiát nagyjából egy teniszpálya nagyságú területen lehetne nyerni. Ha elektromos energiát szeretnénk előállítani még rosszabb a helyzet. Gőzből 30% hatásfokkal lehet elektromos áramot termelni, de a 10-15 % a jellemző, így legalább 1000 m2 -es területen lehetne 100W-ot előállítani.
A lemezszegélyeknél a hő sokkal nagyobb mennyiségben jut a felszínre, az olvadt kőzetanyag által, látványos vulkáni tevékenységet eredményezve. A felszín alatt néhány km-rel az olvadt, vagy részlegesen olvadt kőzetanyag hőmérséklete kb.1000 °C. Ezeken a helyeken a hőmérsékleti grádiens gyorsabban nő lefelé haladva, ez pedig a magasentalpiájú területeket jelzi. Fizikája A geotermikus energiaforrásoknak három fontos jellemzője van: 1. Az aquiferek/víztározó rétegek: A természetes aquiferek általában porózus kőzetek, amelyek vizet tárolnak illetve rajtuk a víz átjuthat. A kőzetekben tárolt víz fúrással könnyen feltárható. Ezen kőzetek fontos tulajdonsága a porozitás. Nagyon fontos, hogy a geotermikus folyadék tárolására alkalmas legyen az aquifer, ez pedig csak a nagy porozitású kőzetekben lehetséges. Adott kőzet peremeabilitásának mértékegysége a hidraulikus konduktivitás: Kw Darcy törvénye kimondja, hogy a porózus közegen áthaladó folyadék sebessége (v) arányos az áramlást okozó nyomás grádienssel.
v = Kw×H×L-1
ahol "H" az áramlást hajtó hatásos víz mennyisége, mértékegysége köbméter.
A nyomás, vagy hidraulikus grádiens (H/L) a folyásirány mentén megjelenő, L távolságban lévő víz, méterben. Adott "A"m2-es keresztmetszeten átfolyó víz térfogata (V), a sebesség (v) és a keresztmetszet (A) szorzatából számítható.
V = v×A Így Darcy törvénye leírható, mint:
V = Kw×A×H/L Ebből Kw interpretálható úgy, mint egységes idő alatt, egységes hidraulikus grádienssel jellemezhető, egy m2-en átfolyó térfogat. 2. A zárókőzet A zárókőzet akadályozza meg, hogy a geotermikus folyadék az aquiferből elszökjön. A vulkanikus kőzetek, a mészkő és homokkő jó víztározó kőzetek, nagy permeabilitással rendelkeznek.
Természetesen a zárt víztározó rétegekben a folyadéknyomás nagy az extrakciós pont alatt, mivel felül egy viszonylag átjárhatalan záró kőzetréteg található. A záróréteg fontosságát Olaszországban fedezték fel az 1980-as évek elején, amikor geotermikus források után kutattak a Vezúv környékén. Itt azonban csak kevés és kis nyomású geotermikus folyadékot találtak a sok vulkáni hamu miatt - hiszen teljesen permeábilis - ami a környéket borította. A víztározó kőzet fölött a forró gőz vagy víz, agyag, esetleg só réteget hoz létre a pórusok helyén, kialakítva a vízzáró réteget. Vagyis a Föld mélyén rejlő termálvizek saját maguk hozzák létre vízzáró rétegüket. Így érthető, hogy a fiatal vulkanikus területek kevés geotermikus folyadékot tároznak. 3. Hőforrás A magas entalpiájú területeken bőven van vulkanikus hő, azonban az alacsony entalpiájú régiókban a hőforrások két típusát különböztetjük meg: - Az üledékes medencékben a víztározó rétegek vizet szállítanak a mélybe, ami ott felmelegszik és hasznosíthatóvá válik. - Léteznek forró, száraz kőzetek, ahol a természetes hőtermelés nagy ugyan, de ezekhez mesterségesen kell aquifert építeni, hogy az energiát hasznosítani tudjuk. Vulkánnal kapcsolatos hőforrások A hő a kristályosodó magmatömegből származik. Bizonyos esetekben a vulkánban fölfelé haladó magma nem tör ki, hanem egy bizonyos nagyságú felhajtó erő hatására sűrűsége olyan lesz, mint a magmát körülvevő kőzeteké. Az USA-ban kísérleteket végeztek, amelyek során a mélyen lévő magma közelébe fúrtak le, ahol a hőmérséklet elérheti az 1800°C-ot, és ezen a furaton át vizet cirkuláltatnak a geotermikus energia hasznosítására. A magma és a talajvíz között ritkán jön létre közvetlen interakció. A hő a közöttük lévő nagy geotermikus grádiensű kőzeten át közvetítődik. A világ legfejlettebb geotermikus régiói kialudt vulkáni területen találhatók (Észak-Olaszország, Nyugat-USA). Ezek a területek különösen alkalmasak a hasznosításra, hiszen a felszíni kőzetek jó hőszigetelőek és a felszín alatt rejlő magmatikus intrúziók csak igen lassan, úgy tíz millió év alatt fognak kihűlni. A magas entalpiájú területek feloszthatók gőz- és folyadék domináltakra, a rezervoár fő nyomásszabályozó fázisától függően. Azokat a rezervoárokat éri meg leginkább hasznosítani, amelyek gőzt tároznak, hiszen a folyékony víztől mentes száraz gőz igen produktív.
A gőzképződést elősegíti, ha a víztározó kőzetei hidrosztatikai nyomás alatt állnak (2km mélyen a nyomás elérheti a 3-3,5 MPa-t) és ha beszivárgott talajvíz határolja. Larderello és a Gejzír mező ebbe a típusba sorolhatók. A folyadék dominált területek esetében a hidrosztatikus nyomás 1km-nél mélyebben már meghaladja a 10 MPa-t. Az elektromos áram folyadék dominált helyekről történő termelésének előnye, hogy a folyadék nagy hidrosztatikus nyomású, és az alacsonyabb nyomású felszín felé haladva a víz rögtön gőzzé alakul, amint eléri forráspontját. A híres Wairakei mező Új-Zélandon folyadék-dominált terület, de két fázisú folyadék-gőz területek is előfordulnak, mivel a hasznosítás során lecsökkent a nyomás és a gőz egy része folyadékká alakult. Szerencsére a talajvízzóna kis permeabilitású, így meggátolja a gőz kipárolgását. Hőforrás üledékes medencékben A geotermikus források megismerését nagyban segíti a hővezetési egyenlet:
q = Kt×dT/z
ami Darcy törvényével analóg, de itt a q az egy dimenziós vertikális (függőleges) hőáramlás W/m2ben megadva. dT a hőmérsékletkülönbség egy függőleges z távolságon és így dT/z a geotermikus grádiens. Kt a kőzet termális konduktivitása W/m/°C-ban megadva és a Kt állandó ezekre a mennyiségekre vonatkozva. Kt egyenlő a percenként 1m2-en átáramló hő mennyiségével, ha a geotermikus grádiens 1 °C/m, az áramlás iránya mentén. Így, ha az átlagos hő áramlás 60mW/m2, el lehet érni a 60°C-os hőmérsékletet 2 km mélységig a földkéregben. A legtöbb kőzet geotermikus grádiense közel azonos 2,5-3,5 W/m/°C tartományban található, mint a homokkőnek, mészkőnek és a legtöbb kristályos kőzetnek általában. Az agyag és agyag palák kivételével az 1-2 W/m/°C értékkel és ezek a legimpermeábilisabb kőzetek is egyben. Így az agyag hozzájárul a geotermikus források két fontos tulajdonságához, egyrészt impermeábilis rétegként működnek, másrészt növelik a geotermikus grádienst a víztározó rétegek fölött. Az üledékes medencék hasznosításának előnyei: 1. A geotermikus energia nem elektromos áram termelésre történő hasznosítására is alkalmas, ahol a háttér hősugárzás nagyobb az átlagosnál. A vastag üledékréteg alatt elhelyezkedő kőzetréteget alulról az olvadt kőzetanyag cirkulációi vékonyítják. A Dél-Magyar Alföld alatt a geotermikus grádiens több, mint 0,15 °C/m és 1 km mélyen már 120°C-os termálvizet lehet találni.
2. Más területeken vastagabb üledékes réteget találhatunk. A mexikói Golf-öbölnél, Dél Texasban és Luisianában 3-5 km mélyen 160-200 °C-os hévizet találhatunk. Mivel itt a víztározó rétegek mélyen találhatóak és fölöttük vastag impermeábilis kőzet található, az itt uralkodó nyomás helyenként meghaladja a 100 MPa-t.
A tárolt víz magas sótartalmú és metán gáz nyomásos. Ezek a "nagy hidrosztatikai nyomású sós vizek" különösen fontosak az energia termelésben hiszen háromféle energiát szolgáltatnak: - geotermikus hőt - hidraulikus energiát a nagy nyomás miatt - nagy mennyiségű metánt, ami a vízben oldott állapotban található Forró száraz kőzetek A forró száraz kőzet elnevezés a víztározó rétegek felett elhelyezkedő impermeábilis, vagy csak igen kis mértékben permeábilis kőzetrétegekben tárolt hőre utal. Ezen energia források hasznosítása a tározott hő kinyerésére irányul. Fontos hogy legyen egy mesterséges furat a megfelelően magas hőmérsékletű kőzetben, hogy rajta vizet tudjanak cirkuláltatni. A levezetett víz gőzzé alakul ami a felszínre áramoltatva elektromos áram termelésére hasznosítható. Ez a technológia azonban még csak elméletben létezik. A kép forrása:http.www://nrel.gov/data/pix Legalább 6 km mélyre kellene fúrni a földkéregben, ami egy igen költséges eljárás. A jelenlegi technológiával és gazdasági korlátozások között minimum 0,025°C/m-es geotermikus grádiens, 3W/m/°C-os termikus konduktivitás és 75 mW/m2-es hőáramlás szükséges a gazdaságos hasznosításhoz. Az UK-ban, Franciaországban, Japánban és az USA-ban végzett kísérletek alapján a gránittömbök bizonyultak a legalkalmasabbnak az ilyen célú hasznosításra. Ezek a kőzetek nagy területeket foglalnak el a földkéregben, magmából kristályosodnak és természetesen nagy koncentrációban tartalmaznak kémiai elemeket, hosszú bomlási idejű radioaktív izotópokat uránt, thóriumot, káliumot. Jelentős kutatások folynak még a franciaországi Alsace vidéken Soultzban, a német Rajna-vidéken Urachban, az új-mexikói Fenton Hillben a Los Alamos National Laboratory (LANL) által. E három területen a geotermikus grádiens 0,05-0,07°C/m között van. Fenton Hill és Soultz területén a kristályos kőzet felett vastag üledékes réteg található. A geotermikus grádiens az üledékes rétegben 0,08-0,1 °C/m míg a kristályos kőzetben mindössze 0,028-0,05°C/m.
Fenton Hill közvetlenül a Valles vulkáni kalderakülső oldalán található és a világ egyik legjobban fejlesztett geotermikus rendszere működik itt. Az itt folytatott kutatások eredményeiből tudjuk, hogy az ilyen aktív vulkanikus területen a geotermikus erőforrások 95%-a a forró száraz kőzetekből fakad, nem pedig a forró vízből.
Felhasználási lehetőségek Száraz gőz erőmű
Ez a típusú rendszer a gőz-dominált területek esetén alkalmazható, amikor a gőz hasznosítást semmilyen folyadék nem zavarja. A túlhevített 180-200°C-os, 0,8-0,9 MPa nyomású gőz néhány száz km/h-ás sebességgel érheti el a felszínt. 300-350°C-os hőmérsékleten és megfelelően nagy nyomáson jobb hatékonyságú áramtermelés érhető el. A turbinán áthaladó gőz kitágul és meghajtja a turbina lapátjait ami a tengelyt forgatja meg és így elektromos áramot termel.
Az USA-ban és Olaszországban Indonéziában, Japánban és Mexikóban kiterjedt száraz gőz források találhatóak. Az utóbbi három területen a folyadék dominált mezők sokkal elterjedtebbek. A legtöbb helyen bevált gyakorlat a hasznosított víz reinjektálása, azonban az amerikai Gejzír mezőn ezt nem csinálták meg, bár a csökkenő folyadéknyomásból arra lehet következtetni, hogy a terület kezd túlzottan kiaknázottá válni, így itt is tervbe vették egy reinjektáló rendszer telepítését, a fenntartható hasznosítás érdekében.
Egyszerű gőz kiáramlásos erőmű Az aknában fölfelé lövelt víz vagy nagy nyomású forró víz illetve nedves gőz formájában érheti el a felszínt. Első elemként egy szeparátor van beiktatva, hogy a turbinát nagy mennyiségű víz beömlésétől megvédje.
A termálvízben számos ásványi só van oldva, amelyek az aknában való haladás során ott lerakódhatnak és elzárhatják azt, ezért az aknát rendszerint nyomás alatt tartják. A forró, nagy nyomású vízzel való munka számos komplex felszerelést igényel. A hagyományos gőz turbina az erőmű központjában található. Előfordulnak olyan esetek, amikor alacsonyabb nyomású és hőmérsékletű gőz (0,5-0,6 MPa, 155-165°C) tör fel, ilyenkor több gőzt igényel az erőmű, kb. 8 kg/kWh. Kettős ciklusú erőmű Az erőművek ezen fajtája egy a víznél alacsonyabb forráspontú másodlagos folyadékot (mint a pentán vagy bután) gőzzé alakít, ami meghajtja a turbinát. Legnagyobb előnye, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű források is hasznosíthatóvá válnak. Ezen felül a kémiailag nem tiszta geotermikus folyadékok is hozzáférhetővé lesznek, főleg, ha nyomás alatt tartják. A geotermikus sós vizet a reservoár nyomásával szivattyúzzák át egy hőcserélőn,ahol ideális esetben a termikus energia túlhevíti a másodlagos folyadékot, majd reinjektálják. Noha így magasabb teljesítmény érhető el, mint az alacsony hőmérsékletű gőz kiáramlású erőművekben, jelenleg hatvan ilyen berendezés üzemel, mivel rendkívül költséges a beruházásuk. A geotermikus folyadék nyomás alatt tartása és a másodlagos folyadék visszanyomása, a rendszer teljes teljesítményének 30%-át emészti fel, mivel ehhez nagy szivattyúk szükségesek. Ezek az erőművek nagy mennyiségű folyadékot igényelnek, pl. Kaliforniában a Mammoth Geotermikus erőmű 700 kg/s-ot igényel, 30 MW termeléséhez. Kettős gőz kiáramlású erőmű Jelenleg különböző kísérletek folynak a gőz kiáramlású technológia fejlesztésére, különösen azért, hogy kiküszöböljék a kettős ciklusú erőmű magas beruházási költségeit. Ez a fajta rendszer jól alkalmazható azokon a helyeken, ahol a geotermikus folyadék kis mennyiségű szennyező anyagot tartalmaz, így a vízkő leválás és a nem kondenzálható gázok - amelyek a hasznosíthatóságot befolyásolják - az itt alkalmazott módszer segítségével a minimumra szoríthatók. A kezdeti nagynyomású befecskendezés után visszamaradt folyadék egy alacsonyabb nyomású tartályba áramlik, ahol egy újabb nyomás csökkentés hatására addícionális gőzzé alakul. Az így keletkezett gőz keveredik a nagy nyomású turbinát elhagyó gőzzel és a kettő együtt egy újabb turbinát is képes meghajtani. Ezzel a módszerrel ideális esetben 20-25 %-kal növelhető a teljesítmény és mindössze 5%-kal növeli az erőmű üzemi költségeit. Így azonban rendkívül nagy mennyiségű folyadék szükséges a rendszer működtetéséhez. Például az 1988-ban megnyitott East-Mesa erőmű Dél-Kaliforniában 1000kg/s sósvizet hasznosít 16 aknából és 37 MW-ot termel. Ez tízszer nagyobb folyadék mennyiség, mint a száraz gőz erőmű esetében.
Közvetlen felhasználásra alkalmas források Az 1. számú táblázatban felsorolt országok nagy része a geotermikus erőforrásokat elsősorban nem elektromos áram termelésére hasznosítja, hanem közvetlen felhasználásra. Japánban, Új-Zélandon, Izlandon és Olaszországban a nedves gőz vagy meleg víz egy bizonyos hőmérséklet tartományban alkalmas háztartási, szabadidei és ipari felhasználásra. Ezeken a helyeken az üledékes medencékben alacsonyabb hőmérsékletű és nyomású energia források találhatóak, mint a forró gőz mezőkön és általában szivattyúkat kell alkalmazni a folyadék felszínre juttatásához. Gyakran a forró víz túl sós és korrózív ahhoz, hogy közvetlenül fel lehessen használni, ezért korrózió mentes hőcserélőket alkalmaznak. Ezután a nyert hőt hatalmas üvegház komplexekben hasznosítják lég vagy talajfűtés által. Háztartási alkalmazás esetén hagyományos radiátoros vagy padlófűtésre alkalmas. Párizsban a többemeletes épületek fűtésére a helyi forrásokat hasznosítják. A párizsi-medencében az elmúlt 30 évben nem kevesebb, mint 55 fűtési tervezetet fejlesztettek ki, az alacsony entalpiájú források hasznosítására és még jó néhányat Dél-Nyugat Franciaországban. A geotermikus energia közvetlen felhasználása hőmérséklet szerint az alábbiak szerint oszlik meg: 20°C Haltenyésztés 30°C Uszodafűtés, biolebontás, erjesztés 40°C Talaj melegítés 50°C Gombatermesztés, balneológia 60°C Állattenyésztés, üvegházak lég és melegágyfűtése 70°C Alacsony hőmérsékletű hűtés 80°C Fűtés, üvegházak légfűtése 90°C Intenzív jégtelenítés, raktározott hal szárítása 100°C Szerves anyagok szárítása, tengeri moszatok, zöldségek, széna szárítás, gyapjú mosás és szárítás 110°C Hűtés, cementlapok szárítása 120°C Desztillálás, összetett párologtatás 130°C Bepárlás a cukorfinomításban, sók extrakciója, sűrítés, kristályosítás 140°C Mezőgazdasági termékek szárítása, konzerválás 150°C Timföld gyártás Bayer módszerrel 160°C Halhús és fűrészáru szárítás 180°C Magas koncentrációjú vegyületek bepárlása, ammónia abszorpcióval történő hűtés, diatómaföld szárítás
Geotermikus hőpumpák (GHP)
Egyes állatfajok (például az ürge, vagy a mezei pocok) a talajba vájt üregeikbe bújnak vissza a téli hideg, vagy éppen a nagy nyári meleg elől, mivel a föld hőmérséklete sokkal stabilabb a levegőéhez képest. Őseink is barlangokba húzódtak az időjárás viszontagságai elől. A geotermikus hő pumpák (a továbbiakban az egyszerűség kedvéért az angol elnevezése - geothermal heat pump - után GHP-nek jelölöm) segítségével lakásunk belső hőmérsékletét tehetjük komfortosabbá. A GHP rendszerek csöveiben víz vagy esetleg más folyadék kering. Ez a keringtető rendszer pedig az épület közelében mélyre le van ásva. E rendszer segítségével az időjárástól függően fűthetjük vagy hűthetjük a lakást. Fűtés: A lakást elhagyó csövek mélyen a földfelszín alá futnak. A bennük lévő folyadék felmelegszik a Föld belső hőjétől és ezt vissza vezetik a lakásba. Hűtés: A csövekben lévő folyadék átveszi a lakás hőjét, majd azt elvezeti a talajba, ahol a felvett hőt leadja. A rendszer előnye, hogy kevés elektromos áramot fogyaszt és környezetbarát. Az USA-ban 300.000 családi házat és iskolát fűtenek ezzel a technológiával. Hosszútávon a hőpumpák lehetővé tehetik a felszínhez közelebb fekvő, alacsonyabb hőmérsékletű aquiferek hasznosítását. Svájcban 4000 lakásban használtak ilyen berendezést, a 100 m mélyen lévő termálvíz fűtési célokra való hasznosítására, több, mint tíz éven át. 1992-ben a svájci GHP-k száma 9000-re nőtt, beleértve azokat is, amelyek a hőt hővezetés útján nyerik az altalajból. Az utóbbi időben az altalajból nyert energiát nem geotermikus, hanem a napenergia egyik fajtájának tekintik. A forró száraz kőzeteket hasznosító technológia E technológia alkalmazása során egy kiaknázó és egy reinjektáló furatot készítenek, ami esetenként meglehetősen nehéz feladat a kemény gránit kőzetben. A megfelelő hőcserélő felszínek alkalmazásával beépíthető egy nyitott elő-leválasztó ami teljesítmény növelést eredményez. A víz a befecskendező aknában lefelé halad, keresztül a HDR rezervoáron, ahol felmelegszik és a kitermelési aknán keresztül szivattyúzzák a felszínre, ahol a nyert hőt elektromos áram termelésére fordítják.
A fő költségek elsődlegesen a kristályos kőzetben való fúrás és a hőcserélő létrehozásánál adódnak. Az első ilyen rendszer Fenton Hill alatt létesült 1977-ben. 3000 m mélyre fúrtak le és 1979-ben sikeresen tesztelték egy 60 kWe kettős ciklusú erőművel, 140 °C-os vízzel. Kiépítettek egy 5km mély aknát is ilyen mélyen a kőzetek hőmérséklete 320°C volt. A vízveszteséget 10% alatt kell tartani, hogy gazdaságos legyen a hasznosítás. Környezeti hatások -
A fúrás során jelentős zaj szennyezés keletkezik. Az elhasznált fúrófolyadékokat ülepítő medencékben tárolják.
Amíg a gőz kiszökhet, a magas entalpiájú területeken is nagy mértékű zaj jön létre, miután azonban hasznosítás alá vonják őket, a zaj szennyezés itt sem nagyobb, mint bármely más erőműben. A balesetek szerencsére ritkák. 1991-ben egy rosszul fúrt akna a Zumil geotermikus erőműnél a Santiaguito vulkánnál Guatemalában föld csuszamlás miatt felrobbant. A detonáció hatására több tonna kő, sár és gőz repült a levegőbe. A geotermikus energia hasznosításának számos hosszútávú hatása van, mint például a talaj lesüppedése és előidézhet földrengést is. A száraz gőz mezőkön (pl. Gejzír mező, Larderello), ahol a rezervoárban a nyomás viszonylag alacsony és a kőzetek szilárdsági tulajdonsága jelentős, a talajbesüppedés ritka. A folyadék dominált területeken, például a nem megfelelően végzett reinjektálás okozhat földrengést, a mm-estől egészen a cm-es nagyságrendig. Sokat vitatott kérdés, hogy a geotermikus területeken indukálódhatnak-e földrengések és megállapították, hogy a gőzmezők olyan területeken találhatóak, ahol a földrengések természetes jelenségnek számítanak. A folyadék beinjektálás egyes helyeken "beolajozza" a törésvonalakat és ez a nyomás összpontosítását eredményezi, ami mikroföldrengésekhez vezethet, különösképpen ott, ahol a reinjektálás nem abban a rétegben történik, mint a kitermelés. A geotermikus folyadékok a víz és a kőzet kölcsönhatásától függően gyakran tartalmazhatnak szennyező gázokat, mint a szén-dioxid, kén-hidrogén, kén-dioxid, metán, nitrogén, hidrogén ezen kívül Na- és K- kloridokat illetve karbonátokat, nehézfémeket és szilícium-dioxidot. A felhasznált vizet a folyamat végén reinjektálják abba a mélységbe, ahonnan kitermelték. A vízből felszabaduló kén-hidrogén a légkörbe távozik. Érdekes, hogy a Gejzír mező erőmű megépítése előtt, míg a hőforrásokból és gejzírekből szabadon távozott a H2S, légköri szintje sokkal magasabb volt, mint ma. Ezt főleg a gáz extrakcióval (eltávolítással), vagy kémiai átalakítással érték el beleértve a nem kívánt nagy mennyiségű kén vegyületek keletkezését. A hagyományos energiatermelő rendszerekkel szemben ezeknek a rendszereknek sokkal kisebb a szennyező anyag kibocsájtása. Egy geotermikus erőmű a legtisztább fosszilis energiahordozót hasznosító erőművel összehasonlítva 0,2%-kal kevesebb CO2-t bocsájt ki. A savas esőt okozó SO2-re nézve 1%-kal kevesebb.
A fúrás biztonságos, mivel nem áll fenn közvetlen tűzveszély, mint az olaj és földgáz kutak esetében. Időnként előfordul ugyan gőz kitörés, de ez sokkal kisebb mértékben okoz környezeti károsodást, a fúrás közben bekövetkező esetleges balesetek alkalmával. A geotermikus energia közvetlen hasznosítása esetén a rendszer leegyszerűsítve egy körből áll, többnyire minimálisra csökkentett korrózióval és vízkőképződéssel valamint emisszióval. Nemzetközi viszonylatban a geotermikus energia a legjelentősebb megújuló energia forrás. Az 1970-es évek elején az olajembargót követően 14%-kal nőtt évente a geotermikus energia hasznosítás. Az olaj árának stabilitásával a növekedés 8% / évre csökkent, így az 1990-es évek eleji 6 GW-os termelésnek 2000-re meg kellene duplázódnia. Jelenleg a fejlett országokban az elektromos áram ára átlagosan 10-15 cent/kWh. 2000-re azt tervezik, hogy az előállítási költségek 4.8 cent/kWh-ra csökkennek, bár még nem lehet tudni, hogy a reinjektálási eljárás mennyire fogja növelni a költségeket. Egyes területeken a geotermikusan előállított gőz olcsó 2.50$/tonna, mint pl. Izlandon. Összehasonlítva egy tonna kőolaj égetéséből származó gőz árával, ami 15.00$. Az alacsonyabb rangú geotermikus források hasznosítása a helyi politikai és gazdasági helyzettől, a fosszilis energiahordozók elérhetőségétől és árától, a kormány hozzáállásától, a környezettudatosság fokától és az adórendszertől függ. Ami megszabja a költségeket: - A fúrás költségeit a geotermikus grádiens, a mélység és a kőzet keménysége szabja meg. - Az áramtermelés költségei, amely a rezervoár tulajdonságaitól: nyomás, hőmérséklet, sókoncentráció, nem - kondenzálható gázok koncentrációjától függ. - Az erőmű fő kiadásai. - Működtetés és karbantartás költségei. A geotermikus energia magyarországi hasznosítási lehetőségei Magyarország geotermikus energiavagyonát a felszín alatti kőzeteknek a geológiai korok idején kialakult hőtartalma adja. Hazánk a kedvező geotermikus adottságokkal rendelkező országok csoportjába tartozik. A világátlagnál jobb geotermikus grádiens, nagy vízvezető kőzettömeg és nagy tárolt hévízmennyiség egyszerre van jelen. A földi hőáram nálunk átlagosan 100 mW/m2 - a világátlagnak csaknem másfélszerese. A geotermikus gradiens értéke a medenceüledék rossz hővezető képessége miatt is nagy értékű. Az átlagos geotermikus gradiens 20 m/oC, a Dél- Dunántúlon és az Alföldön nagyobb értékű 1000 m mélységben 70 oC, 2000 m mély- ségben 120 °C kőzethőmérséklet uralkodik.
A geotermikus energia felszíni értelmezéséhez hordozó közeg szükséges, amelynek segítségével az a felszínre hozható. A hő bányászati tevékenységet három fontos tényező egy időbeni megléte határozza meg:
- kedvező geotermikus gradiens, - nagy mennyiségű hévízkészletek, - megfelelő mélységi nyomásviszonyok. Ezen feltételek mellett mesterséges mélyfúrási technológiával hévízkút létesíthető, amely hidraulikai összeköttetést létesít a mélységi vízadó rétegek és a földfclszín között. A geotermikus energia a felszíni hőhasznosítás szempontjából elsősorban hőmérsékletszintjével jellemezhető. Hőmérsékletszintek szerint két nagy csoport: - 100 °C alatti hévizek, - 100 °C feletti ( ún. nagy entalpiájú) fluidumok. Az alsó hőmérséklethatár definíció szcrint 30 °C. Geotermikus telep az az összefügő kőzettest, amelyből vízzel hőenergiát juttatunk a felszínre. A kőzetben felhalmozott entalpia csakolyan kőzettérfogatból emelhető a felszínre, amely vízáteresztő. A geotermikus telep horizontális kiterjedését az a felület határolja, amelyen kívül a vízkivétel már nem okoz nyomáscsökkenést. A geotermikus energia az ország területének mintegy a felén gazdaságosan kitermelhető. A mélyben tárolt hévízkészlet becslések szerint 2500 km . A hévízkihozatal jelenleg kereken 500,000 m3/d, amit a kutak időszakos mérése és az időnkénti statisztikai adatfelvétel igazol. Ezt a vízmennyiséget 1106 db hévízkút adja, illetve néhány természetes hévízelőfordulás. Az eddigi összes hévízkihozatal 2,6 km3-re becsülhető, ennek fele a zárt készletekből származott. A készletfogyasztás miatti telepnyomás csökkenés 1-5 bar értékű. Az eddigi összes hévíztermelés a teljes vízkészletnek egy ezreléke, a zárt tárolók hévízkészletének fél ezreléke. A Központi Statisztikai Hivatal legutóbbi felmérése (1985) alapján a felmért hazai hévizeink hasznosítása mennyiségi megoszlás szerint a táblázat alapján áttekinthető. Az adatok a 30 °C-os és annál nagyobb hőmérséklettel felszínre érkező hévízkincs felhasználását mutatják.
A levonható következtetések: a) Az ivóvízellátás jelenleg is a legszélesebb hasznosítási terület. Ez azért haszos, mert a legkisebb hőmérsékletű hévizek (30-35 °C) esetében állandó éves kihasználást jelent. b) A fürdők és gyógyfürdők vízfelhasználása jelentős mértékű, ez a jövőben leginkább hasznosan kibővítendő terület. c) Aránylag csekély az épületfűtési célú hasznosítás (lakás-kommunális hőellátás). d) A mezőgazdaság területén igen széleskörű a felhasználás azért is, mert a hévízkutak legtöbbje mezőgazdasági területen lett lemélyítve. A mezőgazdasági hévízhasznosítás részterületei: -
Növénytermesztő telepeken többlépcsős növényházfűtés, fóliasátor fűtés, (légtér-, talaj-, vegetációs fűtés). Állattartó telepeken épületfűtés: konvekciós, légtérfűtés és kishőmérsékletű sugárzó fűtés, illetve szellőztetés. Haltenyésztés, algatelepek vízellátása. Termény, takarmány, gyümölcs szárítás. Öntözővíz előmelegítés, technológiai vízigények kielégítése. Komplex rendszerek épületfűtése, kiegészítő használati melegvízellátása. (ENERGIAFELHASZNÁLÓI KÉZIKÖNYV)
Felhasznált irodalom Open University - Renewable Energy dr. Göőz Lajos: A természeti erőforrásokról, Nyíregyháza, 1999. Energiafelhasználói kézikönyv - Szerkesztette:dr. Barótfi István Geothermal Education Office http://geothermal.marin.org/geomap_1.html http://www.nrel.gov/data/pix http://www.energy.ca.gov/links/geothermal.html http://www2.wku.edu/www/geoweb/geyser/location.htm http://www.ch-non-food.com/power.htm http://mioruilt.lanl.gov/fho/Images/caldera http://www.heat.trace.ltd.uk/english/applic/roadramp.htm
Forrás: www.nyf.hu
