Magyar Bányászati Hivatal Budapest,
KÖRNYEZETVÉDELMI VIZSGÁLATI ELEMZÉS
Készítette: Fodor Zoltán Okl. mg.gépészm., épületgépészm. 5600 Békéscsaba,Szabó D.u.25.
Tartalomjegyzék
1. VERTIKÁLIS ZÁRT HURKÚ HŐSZIVATTYÚS RENDSZER ELŐZETES KÖRNYEZETI TANULMÁNY .............. 3 2.
A VERTIKÁLIS ZÁRT HURKÚ RENDSZER ALKALMAZÁSÁNAK MEGÍTÉLÉSE .............................................. 3 2.1.NYITOTT RENDSZER ............................................................................................................................................................. 4 2.1.1. Két kutas rendszer ....................................................................................................................................................... 4 2.1.2. Egy kutas rendszer ....................................................................................................................................................... 4 2.2. ZÁRT HURKÚ RENDSZER ................................................................................................................................................ 4 2.2.1.Horizontális csőfektetés ................................................................................................................................................ 5 2.2.1.2.Környezetvédelmi szempont: ..................................................................................................................................................... 5
2.2.2.Vertikális csőfektetés .................................................................................................................................................... 5 2.2.2.1. Energetikai szempont................................................................................................................................................................ 6 2.2.2.1.3.Példa az energetikai viszonyokra: ............................................................................................................................................ 6 2.2.2.2. A technológia alkalmazásának környezetvédelmi szempontjai ................................................................................................. 7 2.2.2.2.1.A hőkivétel felszíni, felszínközeli esetleges hőmérsékleti hatásai ........................................................................................... 7 2.2.2.3.A furat előírt technológia szerinti eltömítése, szigetelése ........................................................................................................... 7
2.3.KÖVETKEZTETÉS................................................................................................................................................................. 8 3. A TECHNOLÓGIA VÁLASZTÁSÁNAK KÖRNYEZETVÉDELMI SZEMPONTJAI .................................................... 8 4.A TEVÉKENYSÉG TELEPÍTÉSI ÉS TECHNOLÓGIAI LEHETŐSÉGEI ...................................................................... 9 4.1. A TEVÉKENYSÉG VOLUMENE ............................................................................................................................................... 9 4.2. A TEVÉKENYSÉG MEGKEZDÉSÉNEK VÁRHATÓ IDŐPONTJA..................................................................................................10 4.3. A TEVÉKENYSÉG HELYE ÉS TERÜLETIGÉNYE ......................................................................................................................10 4.4. A TEVÉKENYSÉG MEGVALÓSÍTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES LÉTESÍTMÉNYEK FELSOROLÁSA .........................................................10 5.A TERVEZETT TECHNOLÓGIA ........................................................................................................................................10 5.1.A RENDSZER TECHNIKAI ELEMEI: ........................................................................................................................................10 5.1.1. Geotermikus hőszivattyú .............................................................................................................................................11 5.1.2.Vertikális földkollektor ................................................................................................................................................12 5.1.3. A szükséges műszaki háttér .........................................................................................................................................12 5.1.3.1. Az 1.fázis műszaki háttere: ...................................................................................................................................................... 12 5.1.3.2. A 3.fázis műszaki háttere: ........................................................................................................................................................ 13
5.2. A RENDSZER KIÉPÍTÉSÉNEK TECHNOLÓGIAI HÁTTERE .....................................................................................................13 6. A TERVEZETT TECHNOLÓGIA MEGVALÓSÍTÁSA NÉLKÜL VÁRHATÓ KÖRNYEZETI ÁLLAPOTVÁLTOZÁSOK BECSLÉSE ...........................................19 7. ENGEDÉLYEZÉS ÉS DOKUMENTÁCIÓ ...................................................... HIBA! A KÖNYVJELZŐ NEM LÉTEZIK. 7.1. GEOTERMÁLIS HUROK HELYSZÍNI VIZSGÁLATI MUNKALAP ................. HIBA! A KÖNYVJELZŐ NEM LÉTEZIK. CEEA 7.2. ÜZEMBE ÁLLÍTÁSI JEGYZŐKÖNYV NYITOTT ÉS ZÁRT HURKÚ ALKALMAZÁSOKHOZ TALAJ- ÉS VÍZENERGIÁT HASZNÁLÓ HÕSZIVATTYÚK RÉSZÉRE................................................................................................20 8.ÖSSZEFOGLALÁS ...............................................................................................................................................................22 IRODALOMJEGYZÉK ..............................................................................................................................................................23 MELLÉKLET…………………………………………………………………………………………………………………. 23
2
1. Vertikális zárt hurkú hőszivattyús rendszer előzetes környezeti tanulmány A Geowatt Kft. stratégiai célja a földhő hőszivattyús rendszer magyarországi alkalmazásával kapcsolatban az , hogy egyrészről olyan korszerű ,nagy teljesítménytényezőjű, hosszú élettartamú és emellett kedvező árú technikát szerezzenek be és emellett olyan technológiát alkalmazzunk, amellyel a hazai viszonyaink között elfogadható árszinten és magas COP (coefficcient of performance =hasznos/felvett teljesítmény) tényezővel ,- versenyre kelve a gázkazánokkal ,- tudják a lakóházak, intézmények fűtését, hűtését, használati melegvíz ellátását megoldani úgy, hogy a környezet terhelését , a helyi CO2 kibocsátást a nullára csökkentik. E célnak megfelelően az elmúlt évben szerződést kötöttek a kanadai Maritime Geothermal Ltd.-vel a „Nordic” hőszivattyúk forgalmazására. Az általuk gyártott másodgenerációs geotermikus hőszivattyúk céljaiknak megfelelnek ,- külsőre szerény megjelenésű, belsejét nézve pedig a legkorszerűbb „Copeland” kompresszorral szerelt ,igen magas COP értékű készülékek, elérhető árakon. Az alkalmazandó technológia megválasztásánál az volt a meghatározó, hogy az adottságaikat legjobban kihasználó, legjobb COP értéket biztosító és környezetterhelést nem jelentő hőnyerési móddal kombinálják a „NORDIC” hőszivattyúkat. Mivel hazánk geotermikus adottságai sokkal kedvezőbbek az európai átlagnál, ezért megvizsgálták a lehetőségét a vertikális zárt rendszerű hőnyerési mód alkalmazásának, mind műszaki, mind gazdaságossági és környezetvédelmi oldalát tekintve. A rendszer méretezéséhez beszerezték a kanadai szabványnak (C 445-M92) megfelelő méretező szoftvert, kapcsolódó szakirodalmat. (6*) Elemzéseik eredménye az lett ,hogy hazai viszonyaink között az említett technikát kombinálva a vertikális hőnyerési móddal elérhető az évi átlagos COP=4,5 érték. Ez alapján úgy ítélték meg, hogy a lehetőségek adottak arra, hogy technikailag és szervezetileg felkészüljenek a rendszer magyarországi alkalmazására. Céljaik összhangban vannak a Kyotói egyezmény üvegházhatás csökkentésével kapcsolatos követelményeivel , s a technológia engedélyezése hozzájárul ahhoz, hogy hazánk eleget tegyen a megkötendő egyezmény CO2 kibocsátás csökkentésének előírásainak. 2.
A vertikális zárt hurkú rendszer alkalmazásának megítélése Az USA Energiaügyi Minisztériuma által készített tanulmányban, az újgenerációs geotermikus hőszivattyúk minden más fűtési/hűtési rendszer elé kerültek a tekintetben, ahogy képesek az energiát konzerválni és csökkenteni a CO2 kibocsátást. (Az újgenerációs geotermikus hőszivattyú: 80-as évek második felében erre- a talajból történő hőnyerési módra (közepes/magas) hőfokszint- kifejlesztett scroll kompresszorokkal szerelt hőszivattyúk)
3
A talajból történő hő kivételnek és hő visszajuttatásnak több módja lehetséges: 2.1.Nyitott rendszer 2.1.1. Két kutas rendszer
Az ábrán látható a két kutas nyitott rendszer. 2.1.1.1. Energetikai szempont: a csőkutakból feljövő 12-160C közötti hőmérsékletű víz igen jó (COP 4,5-4,8) közötti teljesítménytényezőt biztosít, de a víz kútból történő felhozatalához, a hőszivattyúkhoz szükséges 200-275 KPa nyomás fenntartásához a csősurlódás legyőzéséhez ,valamint a visszasajtoláshoz viszonylag nagy teljesítményfelvételű búvár illetve centrifugál szivattyúra van szükség, ami a rendszer hatásfokát rontja.
2.1.1.2. Környezetvédelmi szempont: A két kutas rendszer környezetvédelmi szempontból ,megfelelő kivitelezés esetén- semleges ,hiszen a kinyert ivóvíz minőségű vizet a nyelőkút segítségével ugyanabba a rétegbe nyomjuk vissza
1.ábra Költség: költség oldalról vizsgálva a nyitott rendszert- feltételezve a jó minőségű ,megfelelő hozamú és hőmérsékletű kútpárost- egyértelmű ,hogy kis és közepes rendszerek esetén ez a megoldás meglehetősen drága az ilye kutak 2025.000. Ft/m közötti fúrási költségét figyelembe véve.
2.1.2. Egy kutas rendszer 2.1.2.1. Környezetvédelmi szempont: A nyitott rendszer egy kutas megoldásai kifogásolhatók, hiszen a viszonylag nagymennyiségű vízkivétel mindenképpen károsan hat az ivóvízbázisra ,- csökkenti annak mennyiségét ,és a víznyomás csökkenése károsan hat a terület geológiai adottságaira.
2.ábra
2.2.
Zárt hurkú rendszer Sok kereskedelmi épület választ vertikális vagy horizontális hurkot mint talajhőcserélőt ,vagy a rendelkezésre álló talajvíz hiányában vagy a kevesebb fenntartási költségek miatt, melyet a nyitott hurkú rendszerekkel szemben lehet elérni. Gyakran a geotermikus rendszerben előforduló problémák kapcsolatban állnak a kutakkal, szivattyúkkal, vagy közvetlen eredménye annak, hogy gyenge minőségű vizet használnak ,vagy olyan vizet amely homokkal vagy más idegen anyaggal szennyezett. Ilyen szennyeződés a szivattyúk, vízszelepek, hőcserélők és visszavezető kutak idő előtti tönkremeneteléhez vezethet. Ahhoz, hogy ezeket a problémákat a minimális szintre csökkentsük egy zárt másodlagos hőcserélő rendszer van kialakítva SDR11 minőségű polietilén műanyag csővel, amit specifikusan erre a munkára készítenek. 4
2.2.1.Horizontális csőfektetés
A3.ábrán látható a zárt hurkú horizontális rendszer.
2.2.1.1.Energetikai szempont: A horizontális rendszer elsődlegesen napenergia hasznosítás, hiszen a 4.ábrán látható, hogy 10m-es mélységig a külső hőmérséklet függvényében változik a talaj hőmérséklete.
4.ábra 5.ábra A 2 m mélységbe lefektetett kollektor - csöveket körülvevő talajréteg hőmérséklet ingadozása egyrészről a külső hőmérséklet, másrészről a hőszivattyúval kivett hőteljesítmény függvénye. Az 5.ábrából látható, hogy januárban 2m mélyen 6 0C a talaj hőmérséklete. A hőkivétel hatására - jól tervezett rendszer esetén--a talaj -10C-ra hűl le!
3.ábra
Ilyen hőmérséklet szinten a hőszivattyúval elérhető COP érték nem haladja meg az évi átlagos COP= 3,5 értéket! Ahhoz, hogy ezt a COP értéket biztosítani tudjuk egy 10KW-os fűtési teljesítmény igényű rendszerhez az alföldi viszonyok között közelítőleg 430 m hosszú 60 cm széles és egymástól 2,1 m levő árokba 860 m hosszú csővezetéket kell lefektetni! A 10KW-os fűtési teljesítmény igényű rendszerhez ennek megfelelően minimum 1100 m 2 szabad terület szükséges! Ilyen szabad terület a mi beépítettségi viszonyaink között a legtöbb esetben nem áll rendelkezésre.
2.2.1.2.Környezetvédelmi szempont: A horizontális rendszer mint láttuk a talaj felső rétegéből vonja el a hőt. Nem megfelelően méretezett rendszer esetén a hőkivétel akár (-50C)- (-100C)-ig is lehűtheti a talaj felső rétegét. A hővisszapótlás a tavaszi viszonyok között csak nagy késleltetéssel történik meg a napenergia hatására, s így ebben az esetben a becsövezett és a környező terület növényzetének fejlődését károsan befolyásolhatja. Abban az esetben azonban ha megfelelő szabad terület áll rendelkezésre (pl:parkoló) és jól tervezett a rendszer-akkor ezen negatív jelenség minimalizálható!
2.2.2.Vertikális csőfektetés
6.ábra (3*)
5
2.2.2.1. Energetikai szempont 2.2.2.1.1. Magyarország geotermikus adottságai (2*) A vertikális csőfektetésnél egyértelműen a földhő kinyerése történik. / A földhő a bolygónk ősi múltjából származó, annak mélységeibe zárt hasadó anyagok radioaktív bomlása során keletkező és folyamatosan a felszín felé áramló meleg.( 1*)/
A geotermikus gradiens és a földi hőáram Magyarország területén lényegesen jobb mint Európa más területein.( 7.ábra Alföld gradiens térképe) Az Alföldön az átlagos gradiens: 55-60 0C/km ! /Az Európai kontinens területén a kőzettömeg átfűtöttségét jellemző ún. mélységi hőáram átlagosan 62 mW/m2,míg Magyarországon a mért hőáram értékek átlaga ennél jóval nagyobb-90,4 mW/m2 (2*)/
Ezt a geológusok annak az adottságnak tulajdonítják, hogy a földkéreg a Kárpátmedencében csak 24-25 km vastag, ami mintegy 20 kilométerrel kevesebb a Föld felszín legtöbb részén mért értéknél. / gg= (Tz -10)/ z (0C/km) gg= átlagos geotermikus gradiens., T z= "z" mélységben mért hőmérséklet./
Európa legtöbb passzív geotermikus területein a geotermikus gradiens átlag 300C/km. Magyarország területén, mint a Kárpát-medence központjában elterülő országban ezért nagyon kedvezőek a feltételek a napszaktól, évszakoktól független földhő kinyerésére és hasznosítására!
2.2.2.1.2.A teljesítménytényező (COP coefficient of performance) alakulása. Hazánk egyes területein egy 10KW-os rendszerhez vertikálisan 1db 100 m mélységű (Ø 120 mm) fúrást kell elkészíteni, amelybe egy csőhurkot kell leengedni. Ezzel a megoldással elérhető az évi átlagos COP=4,5. Helyigény gyakorlatilag nincs, a szükséges kollektor furatok egy épülő ház alatt is elhelyezhetők!
7.ábra (2*)
2.2.2.1.3.Példa az energetikai viszonyokra: Tételezzünk fel 10000 KWh energia mennyiséggel egyenértékű primer gáz energiahordozót Az elektromos energia előállítás hatásfoka 30%! A hőszivattyú teljesítménytényezője évi átlagban =4.5 ! A 10000KWh energiamennyiséggel egyenértékű energiahordozóból a fenti feltétel mellett 3000 KWh elektromos energiát lehet előállítani
6
Ha a 10000 KWh-t 80%-os évi hatásfokkal (nagyon jó minőségű, karbantartott kazán) elégetjük, kapunk 8000 KWh fűtési energiát. Ha a 3000 KWh elektromos energiát geotermikus hőszivattyúban hasznosítjuk: 3000 KWh x 4,5= 13500 KWh fűtési energiát kapunk! Így összehasonlítva a geotermikus hőszivattyús technológiát egy jó hatásfokú gázkazános rendszerrel: A 10.000.KWh primer energiahordozóból: 13500 KWh-8000 KWh= 5500 KWh megtakarítás!
(1-8000/13500)x100= 40,7% Primer energiamegtakarítás! 2.2.2.2. A technológia alkalmazásának környezetvédelmi szempontjai A vertikális rendszer negatív környezetvédelmi hatásait vizsgálva két elvileg lehetséges következményt kell vizsgálni. 2.2.2.2.1.A hőkivétel felszíni, felszínközeli esetleges hőmérsékleti hatásai Egy 100 m mélységű fúrásban a talpponti hőmérséklet 16-170C között van. 10m-en a hőmérséklet állandó 10 0C. A hő utánpótlást ezen rétegekben nem a külső hőmérséklet és a napenergia biztosítja, hanem a földi hőáram. Mint előzőekben említettük 2m mélységben januárban a talaj hőmérséklete +60C körüli érték. A kollektor hosszának méretezésénél a talaj hővezető képessége és átlagos hőmérséklete mellett kiinduló adat az, hogy a legnagyobb teljesítményű hőkivétel (-150C külső hőm.) milyen értékre engedjük lehűlni a lyuk hőmérsékletét. Ez az érték méretezésnél +50C! Ez azt jelenti, hogy amennyiben a lyuk átlagos hőmérséklete 150C-ról ,50C-ra hűl le, akkor a megnövekedett hőmérséklet különbség hatására az adott kollektor felület a meglevő geológiai viszonyok alapján képes ellátni az épület hőigényét további hőmérséklet csökkenés nélkül! Így egyértelmű, hogy a felső talajrétegben lehűlést ,értékelhető hőmérsékletváltozást ez a módszer nem okoz, függetlenül a területre eső kollektorok számától! Megújuló jellege alatt azt értjük, hogy mint természeti forrásból a Földből újra termelődő energia több, mint amit felhasználunk. Így a tervezett energiafelhasználásunk hosszú időn(több száz éven) keresztül fenntartható. Ennek megfelelően kollektorokkal a földből nem tudunk annyi hőt kivenni, hogy az a talaj mélyebb rétegeiben a hőegyensúly megbomlásához vezessen. A téli viszonylag folyamatos hőkivétel hatására a kollektor körüli 3m -es térségében 10 m mélység alatt- rövid idejű hőmérséklet ingadozások bekövetkeznek /ennél közelebb ezért nem célszerű a kollektorfuratok telepítése/, amelynek azonban érzékelhető felszíni környezeti hatásai nincsenek. 2.2.2.3.A furat előírt technológia szerinti eltömítése, szigetelése A tömítés oka elsődlegesen az elkülönült vízadó rétegek biztonságos elválasztása, másodsorban pedig a cső körüli réteg megfelelő hővezetésének biztosítása.
7
A rendszer kiépítésének – Kanadában és az USA-ban szabványba foglalt- hátterét az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association),- Nemzetközi Földhő Hőszivattyús Szervezet tankönyvei biztosítják.(5*) Az általunk alkalmazni kívánt bentonit és cement előkeverve.
"zagy" összetétel:
víz,
Az általunk alkalmazni kívánt tömítési technika és technológia biztosítja azt, hogy a vízadó rétegek ne keveredhessenek egymással, s így a beavatkozás negatív hatását minimalizálni tudjuk ,az ívóvíz védelme így megoldott.
8.ábra
Zárt kollektoros rendszereknél a földoldali folyadékot -7 C-ig fagyállósítani célszerü. Erre a célra „Kalcidur”-t alkalmazunk,amely környezetvédelmi hatása szemponjából bevizsgált.
0
2.3.Következtetés A fentebb vázolt hőnyerési módok környezetvédelmi, gazdaságossági, technikai összehasonlítása alapján látható, hogy hazánk geotermikus adottságait figyelembe véve olyan hőnyerési mód hozza a legmegfelelőbb eredményt amely ezt az igen kedvező lehetőséget tudja hasznosítani. Így két rendszer jöhet számításba ,- a nyitott 2 kutas rendszer, valamint a vertikális zárt hurkos rendszer . A nyitott -2 kutas- rendszer alkalmazása megfelelő hőmérsékletű, minőségű és tömegáramú víz esetén a hőszivattyú hatásfokában jobb is lehet mint a zárt hurkos rendszer, de a víz kiemeléséhez, visszajuttatásához lényegesen nagyobb szivattyúzási energia szükséges, amely az összhatásfokot rontja. Kis és közepes teljesítményigényű rendszerek ( 10- 250 KW) esetén a költségek kedvezőbbek a zárt hurkos rendszerek alkalmazása esetén. A vertikális zárt hurkos rendszer élettartama min 50év, karbantartási költség nincs ,- ezzel szemben a nyitott kutas rendszereknél a kút élettartama korlátozott, a vízminőségből adódóan a rendszernél karbantartási költségek merülnek fel, a kút vízadó képessége változhat, amely újabb karbantartási költségekkel jár. A fentiek miatt egyértelmű, hogy a mi viszonyaink között a - kis és közepes rendszerek esetén-minden szempontból a vertikális zárt hurkos rendszer adja mind környezetvédelmi, mind pedig energetikai szempontból a legjobb eredményt! 3. A technológia választásának környezetvédelmi szempontjai A geotermikus hőszivattyús technológia magyarországi széleskörű alkalmazásának elsődleges célja- összhangban a Kyotói egyezmény hazánk számára előírt követelményével, a szerződés megkötését követően- az üvegházhatást előidéző gázok ,s elsődlegesen a CO2 kibocsátás jelentős csökkentése! Az olajár robbanása összpontosította a figyelmet erre a technológiára, és ma már világszerte 90 millió hőszivattyús egység 570 TWH/év teljesítménnyel működik. Csupán az épületekben működő hőszivattyúk 9%-al csökkentik a világ jelenlegi 20GT/év CO2 emisszióját! Az USA Energiaügyi Minisztériuma által mostanában készített tanulmányban, az újgenerációs geotermikus hőszivattyúk minden más fűtési/hűtési rendszer elé kerültek a tekintetben ,ahogy képesek az energiát "konzerválni" és csökkenteni a CO2 kibocsátást. (4*)
Magában a hőszivattyús technológia a helyi károsanyag csökkenti!
8
kibocsátási értékeket 0%-ra
Ez önmagában környezetvédelmi szempontból óriási jelentőségű, hiszen a legnehezebben kontrollálható lakossági (elavult gáz és vegyestüzelésű kazánok, karbantartás hiánya) és intézményi felhasználásokat teszi környezetvédelmi szempontból a legoptimálisabbá. Az elektromos erőművek által kibocsátott károsanyag központilag jól kontrollálható, és csökkenthető. Emellett azonban látni kell, hogy a hőszivattyúk lakossági, kisebb intézményi felhasználása(4*) esetén - a rendszert megfelelően pufferolva - megoldható, hogy a hőszivattyúk teljes mértékben csúcskizárással működjenek! Ilyen vezérelt elektromos energia felhasználás esetén azonban a hőszivattyús fűtési rendszerek alkalmazása azt eredményezi, hogy erőművi kapacitás kihasználása javul, s többlet erőművi kapacitás nem szükséges! Ilyen esetben az erőművi károsanyag kibocsátás sem növekszik! Jó példa erre az az elektromos tarifa elgondolás amely a DÉMÁSZ- al folytatott megbeszélésünk eredményeképp a közeljövőben realizálódni látszik. - Ennek lényege, hogy a DÉMÁSZ a hőszivattyúkhoz vezérelten szolgáltatná az elektromos energiát -a következők szerint: - Hétköznap: 0- 0700-ig 11-1600-ig 19-2400-ig A napi szolgáltatási idő 17 h Munkaszüneti nap: 0-2400-ig Az áfás ár 15,5 Ft/KWh!
A fentiek mellett a környezetvédelmi célok maradéktalan megvalósításához szükséges, hogy a lehető legnagyobb energiamegtakarítást és COP értéket tudjuk megvalósítani a hőszivattyús rendszerekkel, (lásd:1.2.2.1.3) hiszen a többlet erőművi kapacitás növelés nélkül rendelkezésre álló villamos energia mennyiség korlátozott, s nem mindegy hogy a meglevő kapacitással volumenében mennyi primer energiahordozót tudunk kiváltani! Ehhez az előzőekben vázolt vertikális zárt hurkú, alacsonyhőmérsékletű geotermikus energia hasznosítás - újgenerációs geotermikus hőszivattyúval - adja a legmegfelelőbb megoldást! (lásd:1.2.2.) 4.A tevékenység telepítési és technológiai lehetőségei 4.1. A tevékenység volumene A kezdeti piaci felmérés alapján a rendszer iránti konkrét érdeklődés jónak minősíthető, annak ellenére, hogy a rendszer üzemeltetésének magyarországi tapasztalatai nincsenek, nem kidolgozott az alkalmazható elektromos tarifa rendszer és az állami támogatás bizonytalan. Abban az esetben, ha az állami akarat is segíteni fogja ezen beruházások megvalósítását ,- akkor biztosított a rendszer felfutása. Megítélésünk szerint lehetséges lenne 5 év alatt felfuttatni a beruházási kapacitást Évi 100.000 KW beépített hőszivattyús fűtési teljesítményre, ( ebben nem szerepel a hőszivattyúk más típusú hasznosítása ,- hulladékhő , fólia fűtés nyitott kutas rendszerekkel, stb)
amely hozzávetőlegesen 5000 db átlagos méretű lakás hőszivattyús ellátásának felel meg.( A szomszédos Ausztriában évenként 8000 db-nál több hőszivattyút építenek be)
Év 2002 2003 2004
Beépített hősziv. DB 50 500 1500
Beépített fűtési Teljesítmény KW 1.000 10.000 30.000
Várható fűtési energia felhaszn. GWh 1,9 19,0 57,0 9
Várható elektromos energia felhaszn. GWh 0,44 4,4 13,2
2005 2006
3000 5000
60.000 100.000
114,0 190,0
26,4 44,0
Össz.
10050
201.000
381,9
88,44
Megj.: A fűtési/hűtési energia felhasználást a magyarországi külső hőmérséklet statisztikai adatai figyelembe vételével határoztuk meg.
Ahhoz, hogy ez a volumen megvalósuljon, a politikai akarat részéről szükséges a lehetséges beruházási támogatások (pályázatok) odaítélését átláthatóbbá tenni, és szerintünk a KAC pályázati lehetőséget ki kellene terjeszteni a lakossági egyedi beruházásokra is, hiszen a levegőtisztaság védelemben a pillanatnyilag leghatékonyabb eszköz ez a technológia. Emellett a beruházások elősegítése végett az áfa-t mérsékelni kellene! Szakmai részről az engedélyezési eljárásokat kellene gyorssá és átláthatóvá tenni , valamint hozzá kellene kezdeni Magyarországon is az IGSHPA( Nemzetközi Földhő Hőszivattyús Szövetség) ajánlása alapján a technológiára vonatkozó tervezési, kivitelezési szabványok előkészítéséhez. Amennyiben a fentebb felsorolt kérdésekben előrelépés érzékelhető, úgy biztosak vagyunk benne, hogy a magyarországi geotermikus hőszivattyú gyártást a Geowatt Kft. hamarosan be tudja indítani, s ezzel a széleskörű elterjesztés technikai hátterét várhatóan kedvezőbb árszinten meg tudják oldani. 4.2. A tevékenység megkezdésének várható időpontja A tevékenység megkezdésének időpontja az engedélyezés függvénye . A Geowatt Kft. mind szakmailag, mind műszakilag felkészült a technológia szakszerű kivitelezésére. 4.3. A tevékenység helye és területigénye A tevékenység helye területileg előre nem meghatározható ,- az egész ország területén, főleg magánterületeken történhet a kollektorfuratok kiépítése. A technológia kiépítésének területigénye csak a kiépítés szakaszában van, amikor a furások között min.3 m-max.7 m távolságot kell tartani. A gerincvezeték kiépítése 1,7-2 m mélyen történik, s ilyen mélységben lép az épületbe a kollektorcső . Ennek megfelelően a munkák befejezésekor (nyomáspróba) az árkok betemetésre kerülnek és az eredeti állapot helyreállítódik. A kollektorokat az építés megkezdése előtt az épület alatt is el lehet helyezni, ami tovább csökkenti az építés közbeni helyigényt. 4.4. A tevékenység megvalósításához szükséges létesítmények felsorolása A kollektorfuratok elhelyezésének helyigénye ,s ennek megfelelően létesítményigénye nincs. A hőszivattyúk elhelyezése optimálisan kazánházat igényel, de elhelyezhető garázsban, mellékhelyiségben, mint bármely más elektromos berendezés. Az elektromos hálózat megfelelő kialakítása (földelés, túláramvédelem, fázisvédelem) szükséges és a szakember feladata. 5.A tervezett technológia 5.1.A rendszer technikai elemei: -.Geotermikus hőszivattyú -. Vertikális földkollektor - Kútfúró berendezés -. Kiegészítő elemek (puffertartály, melegvíztartály, cirkulációs szivattyúk, vezérlés stb.)
10
5.1.1. Geotermikus hőszivattyú Közepes ill. magas hőmérsékletszintre tervezett „Copeland” scroll kompresszorokkal szerelve ,mely pillanatnyilag a legkorszerűbb és legújabb fejlesztés a hőszivattyús technológiában. Ez a fejlesztés ,amely a hagyományos dugattyús kompresszorokhoz képest 20-30%-al megnövelte a teljesítménytényezőt, teszi lehetővé hazai viszonyaink között (rossz hatásfokú elektromos energia előállítás .max.30%) a geotermikus hőszivattyúk gazdaságos alkalmazását! Ezen technikával és vertikális földkollektor alkalmazásával a hazánkban elérhető éves átlagos teljesítmény tényező
11
4.5 !
5.1.2.Vertikális földkollektor A rendszer másik meghatározó eleme, amelynek kivitelezési sémája az alábbi ábrán látható. 5.1.2.1.A földkollektor készítés 1.fázisa: amikor 120 mm átmérőjű, 50-150 m mélységű fúrást eszközlünk a talajba vízöblítéses rotary rendszerű fúró berendezés felhasználásával. A furatba béléscsövet nem alkalmazunk. A furat falának megtámasztását a kollektor és töltőcső lehelyezéséig a fúróiszapból képzett lyukfalstabilizáló iszaplepénnyel biztosítjuk. A kollektorcső SDR11 minőségű polyetilén csőből polyfúziós eljárással készített hurok, az előírt nyomáspróbának alávetve.
5.1.2.2. A 2.fázis: A kollektor-és töltőcső cső furatba helyezése, leengedése. 5.1.2..3. A 3.fázis: A furat előírt technológia szerinti eltömítése, szigetelése. A tömítés oka elsődlegesen az elkülönült vízadó rétegek biztonságos elválasztása, másodsorban pedig a cső körüli réteg megfelelő hővezetésének biztosítása. 9.ábra (3*)
5.1.3. A szükséges műszaki háttér 5.1.3.1. Az 1.fázis műszaki háttere:
10.ábra
11.ábra
- Egy a Bányakapitányság által bevizsgált 100 m- es fúrásra alkalmas kútfúróberendezés a hozzá kapcsolódó fúróiszap tartállyal, fúrószárakkal, valamint fúrólyuk tömítő berendezéssel
12
5.1.3.2. A 3.fázis műszaki háttere: 40 bar dugattyús szivattyúval működtetve biztosítja a tömítőanyag keverését és a furatba történő hézagmentes besajtolását, ill. a fúrólyuk teljes feltöltését a lyuktalptól a felszínig.
12.ábra
- Fúrólyuk tömítő berendezés. 5.2. A rendszer kiépítésének technológiai háttere A rendszer kiépítésének – Kanadában és az USA-ban szabványba foglalt /a kanadai szabvány sz. C 445-M92/hátterét az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association),- Nemzetközi Földhő Hőszivattyús Szervezet számítógépes szoftvere biztosítja, amelyet az Oklahomai egyetemen a magyarországi külső hőmérsékleti viszonyokra adoptáltak. A szerző a NRECA CL/GS hőszivattyús rendszerek felhasználói kézikönyvének (6*) szaknyelvét és tervezői módszereit követi. Mint az alábbi ábrán látható külön könyv foglalkozik a vertikális furatok tömítésének technikájával és technológiájával ,a tömítőanyag megfelelő összetételével, a lyuk rezisztencia alakulásával a lyuk és csőátmérő fügvényében stb. Az alkalmazni kívánt "zagy" összetétel: víz, bentonit és 30% homok és cement előkeverve. Speciális számítógépes szoftver és a hozzá kapcsolódó szakirodalom alapján egzakt módon tudják méretezni a földkollektorok paramétereit mind fűtési, mind hűtési üzemmódban, s a rendszer komplex , dinamikus ,- a külső hőmérséklet változás függvényében bekövetkező - működését fűtési, hűtési és melegvíz termelő üzemmódban. A szoftver segítségével nagy pontossággal megállapítható a hazai éghajlati és geotermikus viszonyaink között évi átlagban kinyerhető ingyenes, a hőszivattyú által bevitt elektromos és az összes fűtési rendszerbe bevitt energia mennyisége. A technológiában alkalmazni kívánt fúrási mélység: átlagban100 m, maximálisan 150 m. Visszautalva az 1.2.2.2.1. pontban megfogalmazott környezetvédelmi kérdésre adott állításokat ,- hogy a folyamatos téli hőkivétel hatására milyen mértékű és milyen időtartamú hőmérséklet változás áll be a talajban,az említett szabványos méretező program alapján elkészített -az adott projektre vonatkoztatott -konkrét méretezésen keresztül bizonyítható.
13
13.ábra A program angolszász mértékegységek alapján dolgozik, s a méretezést 1db „NORDIC” Wec-400-HAC geotermikus hőszivattyúra vezetjük le. A 13.ábra mutatja a programba bevitt fűtési paramétereket. Az egy készülék szükséges teljesítményét 104 KW-ban (355000 Btu/hr ), a szoba belső hőmérséklete 21,10C (70 0F), a fűtés kezdet hőmérséklete 15,00C (590F)./megj.: A szabványos 120C szabványos fűtési határhőmérsékletet megemelve egy jelentős tartalékot képeztünk a rendszerben, amely a HMV ellátást biztosítja./
14.ábra A 14.ábra fentieknek megfelelően mutatja a bevitt hűtési paramétereket. A hűtési teljesítmény szükséglet a WinWatt-program alapján 86,45kW-ra paramétereztük(295000 Btu/hr).
14
A belső hőmérsékletet 240C-ra /szabvány 260C/-ra paramétereztük a 32 0C méretezési külső hőmérsékletnél. A hűtési határhőmérséklet: 22,20C /72F/
15.ábra A 15.ábra a bevitt hőmérsékleti paramétereket mutatja. Az EWTmean (16,10C) a lyuk közepes hőmérséklete, amely a helyi gradiens függvénye. Az EWTmin az a legalacsonyabb hőmérséklet amelyre fűtési üzemmódnál megengedjük, hogy a lyuk lehűljön!/6,660C/. Az EWTmax az a legmagasabb hőmérséklet amelyre hűtési üzemmódnál megengedjük, hogy a lyuk felmelegedjen. A "TA hőmérsékletek a programba installált magyarországi 5 éves átlag külső hőmérsékleti adatok .
16.ábra
15
A 16.ábrán a programban szereplő " NORDIC" Wec-400-HAC típusú /fűtő,hűtő, / geotermikus hőszivattyú paraméterei láthatók. /Megj.: ebből is látható, hogy szonda rendszert csak egy adott típusú és paraméterű hőszivattyúhoz lehet tervezni! –Típustól független tervezés nem létezik!/
17.ábra
18.ábra
16
Az előzőekben bevitt paraméterek valamint a 18.ábrán látható 5.pont kitöltése/földszerkezeti adatok, az alkalmazott műanyag csőhurok anyaga /után a program meghatározza a szükséges összes furathosszt. Jelen esetben ez 1595m (5317feet), s ez mint látható megfelel a hűtés esetén is! Tehát 16 db 100 m-es vertikális szonda szükséges az előzőekben bevitt paraméterek alapján-a hőszükséglet és hőterhelés monovalens kielégítéséhez! Ennek megfelelően a projekt összes furatszáma: 3x16db= 48 db 100m-es vertikális zárt hurkú szonda.
19.ábra
A program a 19.ábrának megfelelően , a külső hőmérsékleti átlagértékek 50F-onkénti emelkedésével (Bin) mutatja az előfordulási átlag órák számát (Hrs), s ezen adatok, valamint a kiszámolt lyukhossz függvényében mutatja a lyuk (feljövő folyadék hőm.) átlagos hőmérséklet értékeit (EWT)! Látható, hogy a tervezett esetben a legalacsonyabb -16,70C átlag hőmérséklet esetén, ahol az előfordulási órák száma 6, a lyuk átlagos hőmérséklete 6,70C (440F) ! Tehát a talaj maximum ilyen hőmérsékletre hűl le a cső környezetében, s az utánpótlás sebessége jól látszik azon, hogy -13,90C-nál a lyuk hőmérséklete már 7,8 0C-ra emelkedik! Egyértelműen látható, hogy a fűtési időszak végére 570F külső hőmérséklet esetén a feljövő víz hőmérséklete már magasabb lesz mint a megadott 630F lyuk átlagos hőmérséklet mert már olyan kicsi lesz a kivett hő teljesítmény (tehát visszaáll a lyuk eredeti hőmérséklete)
A 17. ábra hűtési üzemmód esetén mutatja a talaj hőmérsékleti értékeit!
17
20.ábra A kialakított hőszivattyús rendszer energetikai értékelését jól mutatja a 20.ábra .A tervezett rendszernél az előzőekben bemutatott átlagos külső hőmérsékleti értékekkel számolva a talajból kivett ingyenes energia egy Wec-400-HAC hőszivattyúval(Ground Energy) 104.022 kWh, a hőszivattyú működtetéséhez bevitt elektromos energia 29.565 kWh, (Heat Pump Energy), Energy), s a fűtési rendszerbe bevitt összes energia 133.587 kWh! A projekt évi fűtési energia szükséglete: A projekt évi elektromos energia szükséglete fűtésnél: A projekt évi hűtési energia szükséglete: A projekt évi elektromos energia szükséglete hűtésnél:
400.761 kWh 88.695 kWh 107.624 kWh 15.270 kWh
Évi összes elektromos energia igény:
103.965kWh
kWh
18
6. A tervezett technológia megvalósítása nélkül várható környezeti állapotváltozások becslése 6.1.A fenti épületegyüttesek által- a gázkazános rendszerrel. kibocsátott szennyező-anyagok (C02, Nox ,C0 ) minimális mennyisége.
CO2 sűrűség = 1,9768 kg/m3. Fűtőérték 9,44 kWh/Nm3 Fűtésnél:
Várható fűtési energia felhaszn.
Év
Hatásfokkal növelt fűtési energia felhaszn.
C02 kibocsátás
Nox kibocsátás
GWh =0,8
t
t
MWh
2008
400,7
116,721
C0 kibocsátás t
0,0751 0,1502
500,8
21.ábra 3
3
Megj.:A Co2 kibocsátás meghatározásánál az vehető alapul, hogy 10 m földgáz elégetésekor 11,13 m CO2 keletkezik. Az Nox-t a Din szabvány által megengedett érték (200 mg/KWh)1,5 szeresével, a Co-t szintén a Din szabvány által megengedett érték ( 100 mg/KWh) 1,5 szeresével számoltunk. Hűtésnél:
Elektromos energia felhaszn. Hűtésnél COP=3
Év
MWh
2008
41,718
C02 kibocsátás
Nox C kibocsátás kibocsátás 0 0,93 tCO2/MWh t t t 38,79
A geotermikus hőszivattyús kiváltásával csökkentett szennyezőanyagok (C02, Nox ,C0 ) esetleges mennyisége az erőműnél. Fútés esetén:
Év
A GHP-k működtetéséhez szükséges évi elektromos energia MWh
C02 kibocsátás 0,93 tCO2/MWh
Nox kibocsátá s
C0 kibocsátás t
t
19
2008
88,695
82,48
0,088
0,0443
C02 kibocsátás
Nox kibocsátá s
C0 kibocsátás
Hűtés esetén:
Év
2008
A GHP-k működtetéséhez szükséges évi elektromos energia MWh
0,93 tCO2/MWh
15,27
t
t
14,201
A szennezőanyag kibocsátás min.csökkenése a geotermikus hőszivattyús rendszer alkalmazásakor C02 kibocsátás csökkenés Év
fűtésnél t
200 8
CEEA
34,241
C02 kibocsátás csökkenés Hűtésnél t/év
C02 kibocsátás csökkenés Összesen
Nox kibocsátás csökkenés t/év
t 19,159
53,4
0,062
7.2. ÜZEMBE ÁLLÍTÁSI JEGYZŐKÖNYV NYITOTT ÉS ZÁRT HURKÚ ALKALMAZÁSOKHOZ TALAJ- ÉS VÍZENERGIÁT HASZNÁLÓ HÕSZIVATTYÚK RÉSZÉRE (3*)
Tulajdonos neve_________________________________________________ Dátum____________________ Cím_____________________________________________________________________________________ Tartomány_____________________Irányítószám_______________________Telefon___________________ Dealer neve ______________________________________________________________________________ Cím_____________________________________________________________________________________ Megye
_____________________Irányítószám_______________________Telefon__________________
Szerep # ____________________Üzembe állítás típusa____________________________________________ Az épület hõvesztesége(KW)________________________________ Épület hõnyeresége(KW)_____________ DHW terhelés (l/nap ,amennyiben a hõszivattyú rendszer fogja ellátni)________________________________ Teljes hõterhelés______________________________ Egyensúly pont________________________________ Az üzembe állítás leírása. A használt berendezés mérete és típusa, beleértve az egész csõhálózatot, a hurkok átmérõjét és mélységét és hosszúságát. Olyan rendszer, amelyet a tér fûtésének több mint 70%-ára és a DHW terhelésre terveztek
20
Olyan rendszer, amelyet a tér fûtésének kevesebb mint 70%-ára és a DHW terhelésre terveztek __________________________________________________________________________________________ A hõszállító rendszer típusa A Hõszivattyú márkája___________________________________Modell/széria szám_____________________ Fûtési kapacitás________________________________________Hûtési kapacitás________________________ A CSA Szabvány C446-tal összhangban jelölje a belépõ vízhõmérsékletet 0°C vagy 10°C, amelyik megfelelõ.
0°C
10°C
Tervezett belépõ vízáramlási sebesség______________________________Feszültség____________________ Kiegészítõ hõ típusa_________________________________________________________________________ Kiegészítõ hõforrás gyártmánya_______________________________________________________________ Modell/széria szám_________________________________Hõ teljesítmény____________________________ DHW rendszer típusa_______________________________Gyátmánya________________________________ Modell/széria szám_________________________________Leírása___________________________________ Más segéd berendezések leírása________________________________________________________________ Gyártmány_________________________Modell__________________Kapacitás________________________ A következõket a fûtési módban 1 órás folyamatos mûködés után kell lejegyezni A gyûjtõ rendszer statikus nyomása_____________________________________________________________
A gyûjtõbõl a hõszivattyúba belépõ folyadék hõmérséklete__________________________________________ A hõszivattyúból a gyûjtõbe távozó folyadék hõmérséklete__________________________________________ Speciális üzembe állítási megjegyzések__________________________________________________________ Amennyiben egy nyitott rendszer: Mellékeljen egy kút „nyilvántartó”példányt, vagy kút szivattyú teszt adatait és az tartalmazza a kutak, felvétel és/vagy szivattyúk részletes leírását és számát. Amennyiben zárt hurkú rendszer: Fúrt lyuk és a visszatöltés anyaga(i)____________________________________________________________ Visszatöltési módszer(ek)___________________________________________________________________ Fúrt kutak el lettek tömítve
Igen
Ha igen, jelezze a felhasznált anyagot
Nem
________________________________________________________________________________________ Fagyásgátlók és inhibitorok____________________________________Mennyiség_____________________ Fagyásgátló védelmi szint____________________________________Hurok teszt nyomása______________ _______________________________________________________________________________________ Az aláírás alább igazolja, hogy ez az üzembe állítás a CSA szabvány C445 talaj/vízforrást használó hõszivattyú rendszerek üzembe állításával és tervezésével összhangban van. Név (nyomtassa vagy gépelje)____________________________Aláírás_______________________________ Dátum______________________________ A rajzok csatolva_______________________________________ Garancia__________________________________________________________________________________ Az olyan fúrt lyukakat, amelyek egynél több vízrétegen hatolnak át le kell szigetelni, hogy a vízrétegek keveredését meg lehessen akadályozni !
21
A Magyarországon e technológiára kialakítandó, előírandó adminisztrációhoz adalékul szolgálhatnak a fenti Kanadai Talajenergetikai Egyesület által alkalmazott dokumentumok ,- a magyar nyelvre fordított GEOTERMÁLIS HUROK HELYSZÍNI VIZSGÁLATI MUNKALAP, valamint az ÜZEMBE ÁLLÍTÁSI JEGYZŐKÖNYV NYITOTT ÉS ZÁRT HURKÚ ALKALMAZÁSOKHOZ TALAJ- ÉS VÍZENERGIÁT HASZNÁLÓ HÕSZIVATTYÚK RÉSZÉRE.
8.Összefoglalás Összefoglalásként megállapítható, hogy a vertikális zárt hurkú geotermikus hőszivattyús rendszer alkalmazása esetén semmilyen érzékelhető, illetve rejtett negatív környezetvédelmi hatással nem kell számolni akkor, ha a Nemzetközi Földhő Hőszivattyús Szervezet- IGSHPA- ajánlása alapján történik a rendszer kiépítése. A tanulmány alapján egyértelmű, hogy ez a technológia a talaj hőmérsékletében a téli viszonylag folyamatos hőkivétel hatására - a kollektor körüli 3m - es térségében,10 m mélység alatt- rövid idejű ingadozásokat okoz , amely hőmérséklet a teljesítmény kivétel csökkenés hatására folyamatosan és gyorsan az egyensúly irányába mozdul el, s így a hőkivételnek érzékelhető felszíni és felszín alatti környezeti hatásai nincsenek. A fűtési szezon befejezése előtt ebben a cső körüli 3m-es zónában is helyreáll a hőmérsékleti egyensúly. A tanulmány alapján az is egyértelmű, hogy a 100 m körüli fúrások leírt technológia szerinti kivitelezése esetén a harántolt rétegek lezárása, s így ivóvízkészletünk védelme megfelelően megoldható. Ehhez természetesen a megfelelő technikát és technológiát biztosítani kell azon kivitelezőknek akik engedély birtokában a rendszert telepíteni szeretnék . A fentieken kívül a rendszer telepítésének más elképzelhető negatív környezeti hatása nincs, s így egyértelmű, hogy a rendszer minden szempontból (energiamegtakarítás,környezetvédelem) egy tökéletesen pozitív, támogatható környezetvédelmi technológia, amely jelentősen képes hozzájárulni az üvegházhatást okozó gázok keletkezésének jelentős mértékű csökkentéséhez. (lásd: 3.1.1.)
kedd, 2008. január 8. ………………………………….. Fodor Zoltán okl. mg.gépészm., Épületgépészm. Vez.tervező Megújuló en.szakértő
22
Irodalomjegyzék (1*)
MÉRNÖK ÚJSÁG VIII.évf.10.szám Farkas István Károly okl.gépészmérnök
(2*)
A HAZAI GEOTERMIKUS ENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI MAGYARORSZÁGON ISSN 1419-466 X 3.old.1.bek. ,Energia Központ., készült a Magyar Geotermális Egyesület szakértőinek közreműködésével.
(3*)
GEOTHERMAL HEATPUMPS Installation Practices Canadian Earth Energy Association 1999. 42.old./figure 26./
(4*)
Maritime Geothermal LTD Nordic Direkt Expansion Geothermal System www.nordicghp.com/mg/pdfdxbrochure.PDF
2.old./Renewable Geothermal Energy/
(5*)
Carl Hiller Grouting for Vertical Geothermal Heat Pump Systems Enginering Design and Field Procedures Manual Kiadó: Interational Ground Source Heat Pump Association Oklahoma State University, 2000.
(6*)
Oklahoma State University Division of Engineering Technology 23
Closed-Loop/Ground-Source Heat Pump Systems Installation Guide Kiadó: Interational Ground Source Heat Pump Association Oklahoma State University, 1988. (7*)
James E.Bose Soil and Rock Classification for the Design of Ground-Coupled Heat Pump System Field Manual Kiadó: International Ground Source Heat Pump Association ,1989.
(8*)
Dr.Nagy József Gázellátás I-III. Ybl Miklós Műszaki Főiskola,Debrecen,1993.
(9*)
Gálfi János- Dr.Stegena Lajos IV. Magyarország Geotermikus Viszonyai
(10*) Glenn Kaye Installation Manual /Maritime Geothermal LTD/ www.nordicghp.com/mg/pdfwecmanual.PDF
2000.február 12.old. Design # 3.
24
