Felhasználási lehetőségek
-
Száraz
gőz erőmű
-Egyszerű
gőz kiáramlásos erőmű
-
Kettős
ciklusú erőmű
-
Kettős
gőz kiáramlású erőmű
-Közvetlen
felhasználásra alkalmas források
-
Geotermikus hőpumpák (GHP)
-
A forró száraz kőzeteket hasznosító technológia
Környezeti hatások
A geotermikus energia magyarországi
hasznosítási lehetőségei
Felhasznált irodalom
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 ®-> hévíz közvetítésével 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
A "geotermikus" kifejezés görög eredetű, jelentése: földi hő.
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
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!
A kép forrása:http://www.energy.ca.gov/links/geothermal.html
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 Csendes-óceáni lemezszegély
mentén csoportosulnak. Japán, a Fülöp-szigetek és Mexikó a jelenlegi technológia
fejlesztésén dolgoznak.
A
kép forrása:http://www2.wku.edu/www/geoweb/geyser/location.htm
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
kép forrása: http://www.nrel.dov/data/pix
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
- A haltenyésztésben
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
- Lakások fűtésére
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
- Elektromos áram termelésére
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
- Az utak téli jégmentesítésére
A
kép forrása:http://www.heat.trace.ltd.uk/english/applic/roadramp.htm
A
kép forrása:http://www.heat.trace.ltd.uk/english/applic/roadramp.htm
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 |
|
Közvetlen felhasználásra (MWt) |
USA |
|
160 |
Mexikó | 680 | 8 |
El Salvador | 95 | - |
Nicaragua | 35 | - |
Japán | 228 | 970 |
Kína | 11 | 610 |
Taiwan | 3 | 10 |
Fülöp-szigetek | 894 | - |
Indonézia | 140 | - |
Új-Zéland | 280 | 200 |
A volt Szovjetunió tagországai | 11 | 340 |
Izland | 39 | 480 |
Franciaország | 4 | 270 |
Olaszország | 545 | 210 |
Magyarország | - | 375 |
Törökország | 21 | 70 |
Kenya | 45 | - |
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.
A hőfeláramlás a lemezek határainál éri el maximumát,
ahol akár 300 milliWatt/m2 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 magas-entalpiájú területeket jelzi.
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.
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/m2-ben 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
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.
A kép forrása:http://mioruilt.lanl.gov/fho/Images/caldera
A
kép forrása:http://www.nrel.gov/data/pix
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.
A kép forrása:http://www.ch-non-food.com/power.htm
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.
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.
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
A
kép forrása: http://www.nrel.gov/data/pix
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.
- 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 hévíz- mennyiség 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
csak olyan 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:
a) Növénytermesztő telepeken többlépcsős növényházfűtés, fóliasátor fűtés, (légtér-, talaj-, vegetációs fűtés).
b) Állattartó telepeken épületfűtés: konvekciós, légtérfűtés és kishőmérsékletű sugárzó fűtés, illetve szellőztetés.
c) Haltenyésztés, algatelepek vízellátása.
d) Termény, takarmány, gyümölcs szárítás.
e) Öntözővíz előmelegítés, technológiai vízigények kielégítése.
f) Komplex rendszerek épületfűtése,
kiegészítő használati melegvízellátása.
(ENERGIAFELHASZNÁLÓI KÉZIKÖNYV)
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