A geotermikus energia hidrogeológiai vonatkozásai

Átírás

1 A geotermikus energia hidrogeológiai vonatkozásai Szűcs Péter 1 és Szanyi János 2 1 tanszékvezető egyetemi tanár, az MTA doktora Miskolci Egyetem, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék hgszucs@uni-miskolc.hu 2 címzetes egyetemi docens, PhD Szegedi Tudományegyetem, Ásványtani, Geokémiai és Kőzettani Tanszék szanyi@iif.u-szeged.hu Összhangban a természettel és a társadalommal a megújuló energia társadalmi vonatkozásai Magyar Tudomány Ünnepe Budapest, november 9.

2 Tartalom Speciális hidrogeológia viszonyok a Kárpát-medencében Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Készletszámítási, mérési metodikai problémák Visszasajtolás történeti alakulása Magyarországon Cselekvési terv javaslat a fenntartható hévíztermelés érdekében Összefoglalás

3 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében - MTA Köztestületének stratégiai programjai (8) - Magyarország vízgazdálkodása (Somlyódy 2011) - Környezeti jövőkép (Bozó 2010) - Megújuló energiák hasznosítása (Büki és Lovas 2010) - A Duna vízgyűjtő magyarországi része. Vízgyűjtő gazdálkodási terv (VKKI 2010) - Új Széchenyi Terv 2 programja is épít a hévízkészletek hasznosítására - A geotermikus energia helyzete és perspektívái (Bobok és Tóth 2010) - Hévizeink és hasznosításuk (Székely 2010) -A geotermikus energia (Mádlné Szőnyi J. 2010) Liebe Pál (1997)

4 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében A 4-5 PJ/év geotermikus energia termelés növelése PJ/év nagyságúra 2020-ra. Jelenlegi helyzet (Bobok és Tóth 2010): Geotermikus energiára épülő fűtés: MW kapacitás Geotermikus energia mezőgazdasági hasznosítása: 212 MW kapacitás Geotermikus erőművi kapacitás: 0 MW el A hidrogeológia kulcs szerepe a jövőbeli tervek megvalósításában. Hévízkészleteink hasznosítása és védelme, fenntarthatósági kérdések Haas (2001) (Dövényi et al alapján)

5 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Energetikai célú hévíztermelés: kb. 55 millió m3 /év. Kb. 50 millió m 3 /év balneológiai célú hévíztermelés Évi 1.1 millió m 3 ásványvíz a hazai piacra. Teljes FAV elérheti az 5000 km 3 (forrás: VKKI 2011) Közműves ivóvízellátás 96 %-a FAV-ból, kb. 600 millió m 3 /év

6 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Felszín alatti víztestek: 185 Határral osztott: 40 (96) Forrás: UNECE IS Legend : responded to inventory transboundary aquifers transboundary aquifers NO SE Alvízi FI oldal EE RU Felvízi oldal Magyarország IE GB NL DK RU LT LV BY BE DE PL KZ LU CZ FR CH AT SK HU MD UA SI PT HR RO ES IT BA YU GE AZ BG AM MK AL Fajlagosan a legtöbb határral osztott felszín alatti vízbázis Európán belül GR TR

7 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Az országos hévízgazdálkodásban is kiemelt szerepe van a határral osztott hévíztárolók komplex vizsgálatának Kovács et al MÁFI 2011 Buday és Szűcs 2011

8 Elevation a.s.l. (m) Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében -Alul a tektonikai kompresszió által is generált túlnyomásos folyadék áramtér (gyógy és hévíz készletek döntő része) -Felül egy gravitációs folyadék rendszer (ivóvíz, ásványvíz) W H Duna x exagerated elevation (m a.s.l.) land surface H' 1 Szeged Tisza H 2 H'' E ? hydraulic head contour (m a.s.l.) with direction of fluid driving force top of Pre-Neogene basement with fault Distance from western end of cross section (km) (vertical exageration: M h M v = 10 ) Tóth and Almási

9 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Vékony kéreg magas földi hőáram (kb W/m 2 ) Dinamikus hő utánpótlódás az ország teljes területén kb MW Hazai elektromos áramtermelés: 6000 MW Dövényi et al gg: C 0 /km

10 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében OGYFI 195 elismert ásványvíz, 220 elismert gyógyvíz Több mint 1200 hévízkút. 17 nemzetközileg is elismert gyógyfürdő Egyedülálló változatosság a vízminőség tekintetében Budapest 2 nd place, Best Spa Vacation in Europe, TripAdvisor, 2009

11 Speciális hidrogeológiai viszonyok a Kárpát-medencében Az ország területének mintegy 80%-a alkalmas hévíz termelésre (Mádlné Szőnyi Judit 2006) Kb olajipari kutató fúrás - jelentős részük alkalmas lehet hévíz termelésre VITUKI

12 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában - Magyarország a világ élvonalában (Izland, Japán, USA, Franciaország, Olaszország, Kína és Új-Zéland) ásvány-, gyógy- és hévízkészletek tekintetében Új vízgazdálkodási stratégia szükségessége! - Volumetrikus hévízkészlet: 500 km 3 - Gazdaságosan hasznosítható: 50 km 3 - Évenkénti kihozatal mértéke elérheti : km 3???

13 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Alacsony entalpiájú rendszerek (T kisebb mint 30 0 C) W/m Finom homok, I=0.001 Hot water tank Heat pump Low-temperature underfloor heating Borehole heat exchanger Lund J.W Földhőszondás hőszivattyús rendszerek fenntarthatóság, gazdaságosság Reális támogatás 5-7 év megtérülési idő

14 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Közepes entalpiájú rendszerek (T C) Kaszkád rendszerű kommunális rendszerekben fűtésre és melegvíz szolgáltatásra Mezőgazdasági hasznosítás Wellness- és gyógyfürdők elfolyó vizek hőtartalmának hasznosítása Hévízkészletek fenntartható termelése

15 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Szanyi and Kovács A felső pannon összletek alján a számított vízszint süllyedések (Tóth Gy. 2009) - Fenntarthatóság?

16 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Érzékenyebb indikátor és monitoring rendszerek fejlesztése a felszín alatti áramlási rendszereket érintő változások (vízszintek és nyomás viszonyok, vízminőség, hőmérséklet) nyomon követése érdekében

17 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Hasznosítható FAV készletek és vízkivételek területi megoszlása (Somlyódy 2011) Utánpótlódás??? Hasznosítható FAV: 2.5 km 3 /év Az ivóvíz, az ásvány-, gyógy- és hévíz készletek nem kezelhetők egymástól függetlenül.

18 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Visszasajtolási technológia fejlesztése porózus hévíztárolókban. Kedvező hazai példák (Hódmezővásárhely). Kovács and Szanyi 2009 Energetikai célú hévíztermelés: kb. 55 millió m3 /év, visszasajtolás: kb. 1 millió m3 /év.

19 -Fábiánsebestény -Makói-árok -Békési-süllyedék -Derecskei-árok Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Nagy entalpiájú rendszerek (T nagyobb mint C) Geotermikus erőmű, illetve EGS (Enhanced Geothermal Systems) Projektek kivitelezése Magyarországon. A nemzetközi szakmai figyelem középpontjában Magyarország.

20 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Igen érzékeny és komplex hidrodinamikai rendszerek a karszt és vulkáni területen. Nagy felbontású geofizikai módszerek. Tóth Gy, Viszkok, SzőcsT, Szűcs 2009

21 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Innovatív és komplex tudományos és mérnöki megoldások szükségessége extrém természeti körülmények (pl. Fábiánsebestény, 1985) Bobok, Tóth and Szűcs 2008 z [mbf] 500 Kitörési mélység: 3684 m Hőmérséklet: C Pórus nyomás: bar TDS: 29.1 g/l P [MPa] P(z), Rétegnyomás - mélység összefüggés EOV Y: m m EOV X: m m Terület: Fábiánsebestény és környéke Oros-1 Szentes-ÉK-1 Nsz-3 Oros-3 Fáb st MPa/km Hidrosztatikus nyomásállapot Fáb

22 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában Analitikus és numerikus szimulációk szerepe a hidrogeotermikus rendszerek vizsgálatában. Hidrodinamikai és hőtranszport modellezés. Geotermikus védőidom Székely (2007), Szűcs et al. (2006)

23 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában A medence aljzat és a mélyebb hévízadók jobb megismerésének szükségessége (EGS és geotermikus erőmű projektek). EBES

24 Kihívások és lehetőségek a hévizek feltárásában és hasznosításában A vízföldtani eredmények közérthető megjelenítése a döntéshozók és a felhasználók számára. Szabolcs-Szatmár-Bereg (Hu) és Szatmár (Ro) megyék Geotermikus atlasz Kovács et al. 2011

25 Kihívások és lehetőségek a feltárásban és hasznosításban Speciális oktatási és kutatási programok szükségessége. Geotermikus szakmérnöki valamint Hévízgazdálkodási szakirányú továbbképzés. Geothermal Course Curriculum Bobok, Tóth and Szűcs 2008 Course Title I. II. III. IV. Semester Semester Semester Semester Basics Lesson Credit Lesson Credit Lesson Credi t Lesson Credi t Renewable Energy 16 5 Advanced Geology 16 6 Advanced Geophysics 16 6 Fluid Dynamics 16 6 Hydrogeology 12 5 Credit 28 Professional Core Drillng-welldesign 16 6 Geothermal Reservoir 12 5 Geothermal Water Production 16 5 Geoinformatics 16 5 Geothermal Chemistry 12 5 Geothermal Heat-Transfer Systems 12 5 Geothermal Systems 16 5 Geothermal Power Production 16 5 Geothermal Direct Uses 16 5 Geothermal Heat Pump 16 5 Geothermal Environmental Impact 16 5 Energy Management 16 5 Credit 61 Special Lessons Economic Studies 16 2 Tenders in EU 16 2 Legal Knowledge 12 2 Credit 6 Diploma 25 Total Number of Lessons Total Number of Credits

26 Termálvizeink utánpótlódási mechanizmusa Fenntarthatóság elve VGT szerint: a víztermelés tartós vízszintcsökkenést ne eredményezzen

27 Vízkészlet-számítás, mérési metodika kérdései Szeged-Székely sori kút

28 Nyomás 1700m-en (MPa) Nyomás 1700m-en MPa Vízkészlet-számítás, mérési metodika kérdései V/2 VII/1 16,7 16,7 16,6 16,6 16,5 16,5 16,4 16,4 16,3 16,2 16, ,3 16,2 16,1 15, , Q (l/min) 15, Q (l/min) december június január október szeptember augusztus 2-3.

29 Számított vízszintcsökkenés a felső pannonban (m) Felszíni nyomásemelkedés Mélységi nyomásemelkedés

30 Visszasajtolás történeti alakulása 1978-ban az OKGT Nagyalföldi Kőolajfeltáró üzem 3 meddő szénhidrogén kutat perforálással hévízkúttá képzett ki, és a kutakon visszasajtolási kísérletet végzett. A teszt-vizsgálatok szerint, 3 hónap üzemelés után, a visszasajtoló kút nyelőképessége jelentősen lecsökkent, amit jelentős részben a kút homokkal való feltöltődése okozott, de a csökkenésben szerepe volt a pórustorkok lebegőanyaggal való eltömődésének is. Ezt követően több féle kísérlet zajlott, például kettős kiképzésű kúttal (középső cső termel, mellette a gyűrűs térben, a termelt réteg feletti rétegbe visszasajtol), azonban a kezdeti visszasajtolási kísérletek sikertelennek bizonyultak pl.: Szentesen Az első gazdaságosan működő visszasajtoló kút 1998-ban épült meg Hódmezővásárhelyen. Azóta ebbe a kútba több mint 2,4 millió m 3 vizet sajtoltak vissza 2-5 bar nyomáson.

31 Visszasajtoló kutak üzemeltetési tapasztalatai produktív nagy hozamú vízadók szakszerű lyukkiképzés nyelőrétegek szűrővázának szakszerű kialakítása kiemelt jelentőségű a víz felszíni szűrése a szűrővázat kímélő, hidraulikus lengéseket elkerülő üzemeltetési technológia rendkívül fontos a kút és a felszíni berendezések tervszerű és folyamatos karbantartása a visszasajtolási nyomás jelentős növekedése esetén szükséges a kútszerkezet ellenőrzése és a szűrőváz regenerálása adatok lehetőleg online regisztrálása

32 Visszasajtoló kutak üzemeltetési tapasztalatai Kurunczi, 2008

33 Felszíni vízelhelyezés és a visszasajtolás összehasonlítása Térfogat (ezer m 3 /év) Kitermelt termálvíz Visszasajtolt termálvíz Felszíni vízelhelyezés teljes költsége: 50 HUF/m 3 ( 0.18 ) Visszasajtolás teljes költsége: 35 HUF/m 3 ( 0.12 )

34 Homokkőbe való visszasajtolás németországi tapasztalatai J. Bartels, P. Seibt & M. Wolfgramm; Workshop Geothermal energy in Hungary update barriers and solution statements ; Budapest 17. February 2011 Gyakran előfordul, hogy a visszasajtolt fluidum eltérő kémiai összetétellel rendelkezik, mint az in situ rezervoár fluidumok. Ezért Németországban teljesen zárt rendszert alkalmaznak, nem engedik, hogy a kitermelt víz oxigénnel érintkezzen. Sőt a kritikus csatlakozásokat nitrogén gázzal veszik körül. A visszasajtolt víz lebegőanyag tartalmának eltávolítására 1 mikronos szűrőrendszert használnak

35 Megoldandó feladatok a geotermikus energia hasznosítása során Összesen: 26,56 PJ Termálvíz 15,2 PJ Ivóvíz 11,36 PJ 43% 57% Hasznosított hőmennyiség ~ 4 PJ Új kút létesítésénél senki nem foglalkozik van hasznosítatlan geotermikus energia a közelben Üzemelő termálkutak 1/3-a gyógy és fürdővíz hasznosítású, de többségüknél valójában energetikai hasznosítás történik a vízforgató berendezések miatt Termálvízzel együtt felszínre kerülő metán hasznosítás miatt a kutat akkor is üzemeltetik, amikor a vizet nem is tudják hasznosítani, hogy a gázmotoros beruházás mielőbb megtérüljön Több ezer meddő szénhidrogén kút geotermikus energia termeléssel való hasznosításában évek óta nem történt előrelépés monitoring rendszer bővítése

36 Cselekvési terv javaslat a fenntartható hévíztermelés érdekében 1. A visszasajtolásról szóló jogszabályt módosítani, fokozatossá téve a visszasajtolás bevezetését 2020-ig, a következők szerint: - üzemelő termálkutak vízórával való kötelező felszerelése július 31-ig - üzemelő termálkutak tényleges hasznosításának ellenőrzése július 31-ig - a legalább m 3 /év energetikai hasznosítású kitermelt hévízmennyiség után július 31-től 2 évenként 1 db, minimum m 3 /év vízmennyiség visszasajtolására képes visszasajtoló kút építése, a vízkészletjárulék és bányajáradék elengedése mellett - kockázati alap létrehozása a visszasajtoló kút fúrására és üzembe helyezésére + kedvezményes hitel 2. Termálvíztesteket és hidegvizes vízadókat magában foglaló regionális modell készítése, vízkészletgazdálkodás kérdéseinek víztestenkénti meghatározása 2016 július 31-ig, melyben a 2020 utáni szabályozók rögzítésre kerülnek 3. A Na-egyenértékre számított szennyvízbírság 2016 július 31-től évente 20%-os emelése 2020 július 31-ig. ( Ez az 5. év végére 2,5 szeres növekedést jelent.) 4. A 2004 után létesített, vagy újonnan létesítendő energetikai hasznosítású vízkivételek esetén a kivett vízmennyiség legalább 75%-ának kötelező visszasajtolása 5. A visszasajtoló kutak létesítésének és üzemeltetésének szabványosítása, a geológiai és műszaki paraméterek meghatározása 2015 július 31-ig.

37 Összefoglalás Országos FAV (ivóvíz, ásvány-, gyógy- és hévíz) gazdálkodási stratégia szükségessége. Holisztikus szemléletmód alkalmazása. Speciális új oktatási programok szükségessége a hévízgazdálkodás és a geotermikus energia hasznosítás területén a jövőben. Mindezeket keretbe foglalja egy átlátható és kiszámítható jogszabályi környezet megteremtése, beleértve a tervezési, adatgyűjtési, engedélyezési és ellenőrzési jogosultságokat illetve kötelességeket A szakmai szervezetekkel egyeztetett program végrehajtása nem lehet anyagi kérdés! Téves az a felfogás, hogy nem csináljuk, mert nincs pénz. A helyzet fordított, ha nem csináljuk akkor nem lesz pénz, és elveszítjük azt a versenyelőnyünket amit a geotermikus energia hasznosítása révén eddig elértünk!