FÖLDALATTI BÁNYATÉRSÉGEK, ALAGUTAK GEOTERMIKUS HASZNOSÍTHATÓSÁGÁNAK LEHETŐSÉGEI

Átírás

1 FÖLDALATTI BÁNYATÉRSÉGEK, ALAGUTAK GEOTERMIKUS HASZNOSÍTHATÓSÁGÁNAK LEHETŐSÉGEI Prof. Dr. Bobok Elemér Dr. Tóth Anikó Nóra PhD Magyar Mérnöki Kamara Szilárdásvány Bányászati Tagozat Miskolc, október

2 BEVEZETÉS A megújuló energiák alkalmazásának szélesebb körben való elterjesztése a Nemzeti Energiastratégiai Tervben meghirdetett cél. Ehhez a programhoz szervesen illeszkedik a geotermikus energia termelésének és hasznosításának fejlesztése. A geotermia a múltban is sok szállal kötődött a magyar bányászathoz. A középkori tudósok a Föld belsejét hidegnek vélték, Dante Isteni Színjátékában a jeges pokolban fejjel lefelé szenvednek a hazaárulók. A selmeci nagy mélységű bányák meleg kőzeteit megtapasztalták az ott dolgozók, s ezt leírta a bányászat iránt élénken érdeklődő és Selmecre 1620-ban ellátogató J.B. Morin francia matematikus és csillagász. R. Boyle munkatársa J. Browne 1670-ben elutazott Selmecre a bányabeli hőmérsékletet megmérni, de nem járt sikerrel ben Lord Kelvin a hővezetés differenciál-egyenletét gömbi koordinátarendszerben megoldva vizsgálta a Föld, mint termodinamikai test életkorát. A megoldáshoz peremfeltételként walesi, kanadai, délafrikai és indiai bányák hőmérséklet-adatait vette. Ezek geotermikus szempontból passzív, kis földi hőárammal és kis geotermikus gradienssel jellemezhető területek, de jól egyező adataik csaknem egy évszázadra bebetonozták a Föld gömbszimmetrikus és statikus termodinamikai állapotának gondolatát. Egyébként Kelvin 25 millió éves kor-becslését a geológusok rétegtani és őslénytani érvekkel azonnal hevesen vitatták, de a radioaktivitás ismeretének hiányában nem tudták magyarázni a mért egyébként szerény földi hőáram-értékek eredetét. A Föld Kelvin-féle statikus termodinamikai modelljét egy magyar bányamérnök, az akkor húszas éveiben járó Boldizsár Tibor ingatta meg először, amikor bányaszellőztetést tervezve 1942-ben felfedezte a Mecsek anomálisan magas, 0,132 W/m 2 teljesítménysűrűségű földi hőáramát. Boldizsár Tibor később, mint a Miskolci Egyetem professzora világszerte elismerést szerzett a Kárpát-medence regionális geotermikus anomáliájának feltárásáért, a termelő kutak hőmérséklet-viszonyainak meghatározásáért és mint 2

3 eredményes lobbista, a magyar mezőgazdaság termálvíz-hasznosításának előmozdításáért. Az USA-ban ma is a geotermia atyja -ként emlegetik. A tudományos eredmények számba vétele mellett nem szabad megfeledkeznünk a legendás hírű magyar bányamérnök Zsigmondy Vilmos munkásságáról ban fúrta a 970 m mély városligeti hévízkutat, amely mélységével, 1200 m 3 /nap hozamával, 74 o C-os hőmérsékletével kiváltotta a szakma csodálatát. Az USA-ban ma is hitetlenkednek a 970 m-es mélységen, hiszen náluk abban az időben m-es olajkutak működtek. A Magyar Tudományos Akadémia tagjává, s a Magyar Mérnök és Építész Egylet bányászati szakosztályának alapító elnökévé választották. Ezek a momentumok egyértelművé teszik a magyar geotermia bányászati gyökereit. 3

4 MAGYARORSZÁG ENERGETIKAI HELYZETKÉPE Magyarország primer energia szükségletét az 1950-es évekig döntően a szén, kisebb részben a kőolaj és a tűzifa elégítette ki. Ez napjainkra gyökeresen megváltozott. Az elmúlt húsz évben az energia-intenzív iparágak leépülése az anyag- és energia-felhasználást az 1970-es évek szintjére vetette vissza. Primer energia fogyasztásunk 2010-ben 1088 PJ volt, ennek az egyes energiahordozók közötti megoszlása is figyelemre méltó. Energiahordozó Fogyasztás (PJ) %-os arány Földgáz Kőolaj Atomenergia Kőszén Biomassza Geotermikus Vízienergia Egyéb 472,2 297,0 146,9 112,1 41,3 7,6 1,1 9,8 43,4 27,3 13,5 10,3 3,8 0,7 0,1 0,8 Összesen: % Primerenergia-fogyasztásunk az ipar szerkezetváltása óta nem nőtt. Energiahatékonyságunk az egységnyi GDP előállításához felhasznált energia viszont kedvezőtlen képet mutat. A fejlett ipari országokhoz képest háromszoros energia-ráfordítással termelünk egységnyi GDP-t. Végenergia-fogyasztásunk a nem kielégítő hatásfokú energiaátalakítás és szállítás miatt csupán 720 PJ. A veszteség óriási, 368 PJ, ez az energiamennyiség a paksi atomerőműben megtermelt villamosenergia 2,5-szerese! A fejlett országok 60%-os hatásfokot is elérő erőmű-hatásfokai mellett a mi villamos erőműveink átlag-hatásfoka elszomorító, mindössze 33,6%. A fosszilis energiahordozók aránya is magas 81,9%. Igen jelentős az import-függőségünk, jelenleg 70%. Földgáz kiszolgáltatottságunk az utóbbi néhány télen nyilvánvalóvá vált, ezt részben enyhíti a kereskedelmi és stratégiai gáztárolóink megléte. 4

5 Néhány fosszilis energiahordozónk kitermelhető készlete és a termelés mértéke is azonnali cselekvésre késztet. Kőolaj készleteink nagysága 18,4 Mt, a termelés 0,8 Mt/év, ez 23 évre elegendő. Földgázkészleteink kitermelhető része 56,6 milliárd m 3, az éves termelés 3,12 milliárd m 3. Az élettartam 21 év. Feketeszén készleteink 1515 Mt, jelenlegi kitermelésünk 0. Barnaszénből 2244 Mt a kitermelhető készlet, a termelés 0,95 Mt. Lignitkészleteink nagysága 4356 Mt, az éves termelés 8,03 Mt. Szénkészleteink meggyőző stratégiai tartalékot képeznek, megjegyzendő, hogy az EU nagy nyomást fejt ki a széntüzelés visszaszorítására, de nem biztos, hogy ennek az irányelvnek a merev alkalmazásához feltétlenül ragaszkodnunk kell. A megújuló energiák alkalmazása egyelőre eléggé kismérvű. A biomassza hasznosításának legnagyobb része ma még a régi, rossz hatásfokú erőművekben folyó fatüzelés. Geotermikus energia-hasznosításunk is elmarad a kedvező természeti adottságok mögött. Vízienergia-lehetőségeink a folyóink kis esése miatt korlátozottak, de a Duna vízienergia-hasznosításának elmaradása nem szakmai, hanem politikai döntés következménye. Szélturbina-parkunk örvendetesen gyarapszik, de rossz kihasználtsági tényezővel üzemel. A napenergia egyelőre marginális szerepet tölt be. A megújuló forrásból termelt villamos energia az országos termelés 6,6%-a. 5

6 MAGYARORSZÁG ENERGETIKAI RENDSZERÉNEK FEJLESZTÉSE Az előbb bemutatott vázlatos helyzetkép alapján logikusan rajzolódnak ki azok a tennivalók, amelyek a jövő energiapolitikájának kialakításához szükségesek. A fenntartható, biztonságos, versenyképes energetikai szerkezet-átalakítás megoldandó feladatait a Nemzeti Energiastratégia 2030-c. szakmai dokumentum tartalmazza. A fenti három fő cél eléréséhez öt eszköz alkalmazása révén juthatunk el. Ezek: az energiatakarékosság, a megújuló energiaforrások nagyarányú igénybevétele, a biztonságos atomenergiára épülő villamosenergiatermelés, az ipar és a közlekedés minél nagyobb arányú villamosítása, multifunkciós mezőgazdaság létrehozása és az európai energetikai infrastruktúrához való kapcsolódás. Teljes energiafüggetlenségről ábrándozni irreális gondolat, de a minél nagyobb mérvű függetlenséget több tényezővel segíthetjük elő. Ezek ismertetésére térünk ki röviden: Az ellátásbiztonság megteremtésének rövid távon is eredményes módja az energiatakarékosság. Ennek két fő területe a primerenergia fogyasztás mérséklése, és az energiahatékonyság javítása. Az a távlati cél, hogy primerenergia-fogyasztásunk 2030-ra ne növekedjen 1150 PJ szint fölé. Várható GDP növekedésünk ezzel az energiahatékonyság javítását teszi lehetővé. Az épület-energetikai fejlesztésekkel rendkívül nagy energiamegtakarítás érhető el. A lakások és középületek energiafogyasztása 435 PJ évente, ez a magyar primerenergia-fogyasztás 40%-a. Ennek mintegy 70%-a a fűtés és klimatizáció. A 4,3 millió lakás több, mint 65%-a nem felel meg a mai hőtechnikai követelményeknek. Energiastratégiai cél a lakások és középületek fűtési energiaszükségletének 30%-os csökkentése. A villamosenergia-termelésben az erőművek hatásfokának javítása, a villamos hálózatok veszteségeinek csökkentése és a közlekedés energiafelhasználásának csökkentése is sürgető feladat. Az épületek fűtési energiaigényének csökkentésével párhuzamosan a megújuló energiának, és itt elsősorban a geotermikus energiának a fokozottabb igénybevétele hat a fosszilis energia import csökkentésének irányába, 6

7 energiafüggetlenségünk erősítésére. A geotermikus energia hasznosításának leghatékonyabb módja a hőtermelés. Legjobb példa erre Hódmezővásárhely, ahol a termálvízre alapozott városi távfűtő rendszer évi 5 millió m 3 földgáz kiváltságát teszi lehetővé, s a lakosság számára a fűtési költségek mintegy 25%-kal csökkennek. A megújulók alkalmazása az üvegház-hatású gázok elsősorban a CO 2 kibocsátásának jelentős csökkenését okozza. Már említettük, hogy 1088 PJ primerenergia-fogyasztásunk mellett a végenergiafelhasználás csupán 720 PJ. Az évi 388 PJ különbség nagyon sok, s ezt főleg gyenge átlaghatásfokú erőműveink és hálózati veszteségek okozzák. Ugyanakkor erőműveink CO 2 kibocsátása is jelentős: 370 gramm/kwh. Ezt a fejlett ipari országot 200 gramm/kwh szintjére kellene csökkenteni. Erre több lehetőség is adódik. A Paksi Atomerőmű bővítésével, a megújuló energiaforrások használatának növelésével a jó hatásfokú gázturbinás erőművek és a szuperkritikus tartományban üzemelő széntüzelésű erőművek üzembe állításával ez az EU által is szorgalmazott cél megvalósítható. A korszerű erőművekben megtermelt villamos energia elsősorban a vasúti közlekedés villamosításával és korszerűsítésével a közlekedés kőolajszármazék igényét csökkenti. A bio-üzemanyagok és a ma még nem alkalmazott hidrogénhajtás a közúti közlekedésben is csökkentheti a benzin és gázolajfelhasználást. A közlekedés energia-hatékonyságát a vasúti személy és áruszállítás mértékének növelésével javíthatjuk. A lakásfűtésekben a megújulók, elsősorban a geotermikus energia alkalmazása elemi érdek. A termálvíz szerepe a távfűtésben, a geotermikus hőszivattyúké elsősorban a kisebb individuális rendszerekben előnyös, de meg kell jegyeznünk, hogy néhány nagy 1 MW-os teljesítményű, hőszivattyús rendszer létesült az utóbbi években (Telenor Törökbálint, Tesco XIV. ker. stb.). A teljes hőfelhasználáson belül a megújulók arányát 2030-ra 25%-ra kívánják növelni. A mezőgazdaság produkálja az összes üvegházhatású gázkibocsátás 13-15%-át. A fosszilis energiára alapozott üvegház- és fóliasátor-fűtés még mindig gyakorlat a 7

8 mezőgazdaságban. A geotermikus energia akár termálvizes, akár hőszivattyús fűtéssel jobb alternatívát jelent a kertészetek számára. Az energiaellátás biztonságának fontos feltétele az egységes európai infrastruktúrába való betagozódás. A magyar energiarendszer infrastruktúrájának (erőmű, cső- és villamos hálózatok) megújítása rendkívül költségigényes vállalkozás, de erre energiahatékonyságunk javítása és földgázimportunk diverzifikálása érdekében feltétlen szükség van. A tervekből kitűnik, hogy a geotermikus energia fontos szerepet kap a magyar energiaszerkezet megújításában. A következőkben megvizsgáljuk, hogy geotermikus energiakészleteink elegendő fedezetet jelentenek-e a vázolt nagyvonalú elképzelésekhez. 8

9 A GEOTERMIKUS ENERGIAKÉSZLETEK MEGHATÁROZÁSA Egy geotermikus energiaforrás feltárása és termelésbe állítása során az egyik legfontosabb kérdés a rendelkezésre álló energia mennyiségének meghatározása. Ez az adat alapvetően befolyásolja a kitermelés módját, ütemét, s az adott előfordulásra telepíthető fogyasztók nagyságát is. A geotermikus energiakészlet-számítások eredményei rendkívül nagy szórást mutatnak itthon és külföldön egyaránt. Születnek becslések a kitermelhető hévíz térfogatára, energiatartalmára, szén, vagy olaj-egyenértékére. A legnagyobb zavart az okozza, hogy a készletszámítással foglalkozó szakemberek gyakran nem ugyanarról a fogalomról beszélnek. Növeli az áttekinthetetlenséget, hogy az eredményeket eltérő mértékegységekben számolják. Csak az lehet egyértelmű, ha valamennyi adatot energia-mértékegységben pl. KJ-ban, vagy annak valamelyik többszörösében (GJ, PJ) fejezzük ki. Először néhány alapfogalmat kell tisztáznunk, s ezeket a definíciókat a geotermikus energiatermelés viszonyaira vonatkoztatnunk. A geotermikusenergia-készletek meghatározásakor a kezdeti földtani készletet csak mint elméleti felső határt értelmezhetjük. A felhasználható készlet, vagy geotermikus energia vagyon (resource) a feltételezések szerint a belátható jövőben gazdaságosan kitermelhetővé válik. Az ennek meghatározására irányuló becsléseknek már fontos szerepe van egy hosszútávú energiastratégiai koncepció kidolgozásában. A gazdaságosan kitermelhető készlet, vagy ipari vagyon (reserve) jelenti azt az energiamennyiséget, amelyet a termelés-technológia jelenlegi szintjén, a fosszilis energiahordozók jelenlegi árával versenyképesen termelhetünk ki. Az egyes készlet-típusok meghatározására különböző módszerek születtek az idő folyamán. 9

10 A legkorábbi geotermikus készlet vizsgálatokra az 1950-es években került sor az először művelésbe vont aktív vulkáni területeken: Izlandon, Új-Zélandon, az USAban és Japánban. Az ott jelentkező rendkívül erős geotermikus anomáliákat szinte kivétel nélkül valamilyen felszín közeli kőzettestbe hatoló, nagyhőmérsékletű magma-intrúzió okozza. A készlet-becslés a magma-intrúzió anyagának energiameghatározására irányult, egy egyszeri fokozatosan csökkenő energia-készlet feltételezésével: BANWELL (1956), CATALDI (1976). Az extrém nagy földi hőárammal jellemzett területen a földi hőáram értékét kiegészítve a hőforrások és geotermikus energiát termelő kutak hőteljesítményével megszorozták egy becsült élettartam-értékkel: E = ( qa + P& ) t, ahol q a földi hőáram teljesítménysűrűsége [W/m 2 ] A a szóban forgó terület [m 2 ] P & a hőforrások és kutak hőteljesítménye [W] t a várható élettartam [s] Már BANWELL (1957) kimutatta, hogy a Wairakei mezőben az 1,55 W/m 2 értékű földi hőáramot a 11 km 2 -es területen a mező becsült éves kora mellett csak mintegy 1000 km 3 magmatömeg táplálhatta volna hőforrásként. Ez nyilvánvalóan lehetetlen, így arra következtetett, hogy magában az olvadt magmatömegben is konvektív áramok alakulnak ki, s az intrúzió tetején mindig friss, forró magma biztosítja a szinte hihetetlen erősségű fűtést. Egy kezdeti, egyszeri energiakészlet meghatározására egy tranziens hővezetési egyenlet megoldásával lehet eljutni. A t k T T T = t ρc x y z differenciálegyenlet megoldása megfelelő kezdeti és peremfeltételeket véve analóg egy forró acélöntvény lehűlésének folyamatát leíró esettel, amelyre numerikus és analitikus megoldások egyaránt ismeretesek. Miután a Kárpát-medence az elvékonyodott kéreg következtében kapja intenzív hővezetéssel a kontinentális átlagnál erősebb fűtést, ez a készletbecslési mód számunkra irreveláns. 10

11 Egy adott kőzettartomány, vagy akár régió belsőenergia-mérlegét alapul véve BOLDIZSÁR (1967), BODVARSSON (1974), CATALDI (1976), valamint RYBACH és MUFFLER (1981) dolgoztak ki készletszámítási eljárásokat. A folyadékkal telített porózus kőzettest egységnyi térfogatú darabjának fajlagos belső energiatartalma ε = ( 1 φ) ρkcktk + φfcftf Ebben φ a kőzet effektív porozitása ρ k és ρ F a kőzet ill. a folyadék sűrűsége [kg/m 2 ] c k és c F a kőzet ill. a folyadék fajhője [J/kg o C] T k és T F a kőzet, ill. a folyadék hőmérséklete [ o C] Mivel a tárolóban a kőzet és a folyadék legtöbbször termikus egyensúlyban van a kőzet és a folyadék hőmérséklete megegyezik T = T k = T F Ismeretes, hogy még ideális esetben is csupán a kőzet és a környezet belsőenergia-szintjének különbsége hasznosítható. Ha a geotermikus energiát hordozó fluidumot a T 0 átlagos évi középhőmérsékletig sikerülne lehűteni ε H = [( 1 φ) c ρ + φρ c ]( T T ) k k F F 0 lenne a hasznosítható fajlagos belső energiatartalom. Ez az egységnyi térfogatú, fluidummal telített kőzettest exergiája. Ez valamely energiaforrásból bizonyos feltételek mellett maximálisan kinyerhető energiát jelenti. A szögletes zárójelben álló mennyiséget helyettesíthetjük a fluidummal telített kőzetmátrix eredő sűrűségével és fajhőjével is. ε ( T ) = ρc H T 0 amelyben ρ = illetve c = ( 1 φ) ρk + φρf ( 1 φ) ρkck + φρf ( 1 φ) ρk + φρf c F Egy adott A nagyságú terület alatt valamely elméletileg kinyerhető belső energia mennyisége z mélység-intervallumban az 11

12 E H = ( A ) z 0 ρc ( T T ) 0 dzda A mélységhatárok kijelölésétől és a mélység mentén vett hőmérsékleteloszlás jellegétől függően különböző E H értékeket kaphatunk. A kezdeti földtani készlet a földkéreg teljes energiája egy meghatározott terület alatt. A kezdeti földtani készlet meghatározásának hibája várhatóan igen nagy. A kéreg vastagsága, sűrűségének, fajhőjének, mélység menti hőmérsékleteloszlásának változása nem ismeretes. A kéregvastagságra az izosztázia feltételéből, a kéreg sűrűségének, fajhőjének értékére laboratóriumi kísérletek extrapolációjából van lehetőség. A hőmérséklet-eloszlást is csak számítani lehet, a kérdés az, hogy milyen peremfeltételekkel oldjuk meg a hővezetés differenciálegyenletét. Ha a kőzetek természetes rádioaktivitását egy mélység mentén változó hőforráseloszlással vesszük figyelembe, s az így adódó T T Hh k 2 H h z + k 1 z q = H 0 e hőmérséklet-eloszlást integráljuk, az E H1 ρc = k 2 δ 2 ( ) + 2 q Hh H h ( H δ ) e δ H eredményhez jutunk egységnyi területre vonatkoztatva BOBOK (1987). Ebben h 0 a hőforrás-erősség a felszínen, míg a z=h mélységben h 0 h =. A h hőforrás- e eloszlás földkéregbeli heterogenitását nem csupán a kőzettani heterogenitás okozza, az a mélység szerint is változik, s ma még nem tisztázott okból a tapasztalat szerint a mélységgel exponenciálisan csökken: h = h 0 e z H Ez a H mélység kapcsolatban áll bizonyos földtani jellemzőkkel, a terület geotermikus aktivitásával, értéke 7,5-15,0 km között változik. Az egyenletben szereplő q 0 a földi hőáram felszínen jelentkező értéke, k a kőzet hővezetési tényezője. Mivel a felhasználható adatok eleve nagy bizonytalansággal terheltek mind a modell, mind az alapadatok megbízhatósága oldaláról, elegendő átlagos q 0, H, δ, k, h 0 értékekkel dolgoznunk, s az A területtel egyszerűen 12

13 beszorozzuk az E H1 értéket. Szerencsénkre különösebb gyakorlati jelentősége nincs E H1 ismeretének, csupán demonstratív szerepe, mint elméleti felső határnak. Ha Magyarország területére 25 km-es átlagos kéregvastagság mellett képlet, képlet, H = m, képlet, képlet, c = 920 J/kg o C értékeket veszünk alapul, a kezdeti földtani készletre E H1 = érték adódik. 23 J = PJ A hozzáférhető földtani készlet az a geotermikus energiamennyiség, amelyet a földkéregnek fúrással elérhető tartománya tárol. Itt nyilvánvaló, hogy a fúrással elérhető mélység egy, a mélyfúrási iparág pillanatnyi fejlettségi szintjétől függő, eléggé szubjektíven megadható érték. A világ legmélyebb fúrásai Hely Név Mélység Év Szahalin OP m 2011 Katar Al Shaheen Kola Oklahoma Bertha Rogers Németország KTB A 12 km-es mélységet, bár elérték, aligha lenne célszerű a hozzáférhetőséget kijelölő mélységhatárt ennél az értéknél meghúzni. Ezt a mélység-tartományt a Massachuettes Institute of Technology kutatócsoportja 10 km-ben határozta meg az USA geotermikus perspektíváit felvázoló tanulmányában (TESTER et al. 2006). Ugyanezt a mélység-intervallumot vette alapul BOLDIZSÁR a teljes mélységtartományban lineárisan extrapolált hőmérséklet-eloszlással számolva. Eredményül E H = 5,53 10 J = 5,53 10 PJ értéket kapott. A nem-lineáris hőmérséklet-eloszlást alapul véve BOBOK (1987) E H2 = 3, eredményre jutott. J = 3, PJ A teljes hozzáférhető földtani készletnek csupán egy viszonylag kis hányada lesz kitermelhető a belátható jövőben. Magyarországon a Tiszántúlon megismert 13

14 nagyszénási és fábiánsebestyéni túlnyomásos tárolók valamint egy majdani HDRkísérlet számára a DK-Alföldi nagy hőmérsékletű impermeábilis kőzettartományt lehet a felhasználható kategóriában számításba venni. Ebben a mélységintervallumban már megfelelően jó közelítést jelent a mélység mentén lineáris hőmérséklet-eloszlás, amint azt a hazai mélyfúrásokban adódó mért értékek is bizonyítják. A 3. ábrán mutatunk be néhány nagy mélységű fúrásban mért jellemző hőmérsékletet a mélység függvényében. A jövőben gazdaságosan kitermelhető készletet tehát a felszíntől 4 km mélységig terjedő kőzettartomány geotermikus energiatartalma jelenti. Ennek a készlet-kategóriának a meghatározását megbízhatóbbá teszi a viszonylag nagy mennyiségben meglevő mért adatok halmaza. A pannon üledéksorokat mintegy tízezer mélyfúrás tárta fel, s a miocén és ennél idősebb rétegekből is elég sok rétegtani és hőmérséklet-adat ismeretes. Ezekkel jól kalibrálható a modell, amely a felhasználható készletekre E H = 0, J = 0, PJ értéket ad. A gazdaságosan kitermelhető geotermikus készlet (reserve) a felhasználható készletnek (resource) az a hányada, amely a jelenlegi energiaárak mellett más energiafajtákkal versenyképes áron termelhető ki. Ennek a követelménynek Magyarországon csupán a pannon üledéksorok hévíztárolói, a mélykarszt karbonátos tárolói és a felszín közeli, hőcserélő kutakkal és hőszivattyúval kitermelhető rétegek felelnek meg. Legértékesebb és kellően feltárt geotermikus energiakészletünket ezek a laza, homokos, homokköves üledékrétegek rejtik magukban, amelyek az alsópannon homokos-agyagmárgás rétegei és a felsőpannon levantei rétegei közé települtek. Ezek a teljes üledéksor 20-35%-át teszik ki, porozitásuk akár 28-30% permeabilitásuk md is lehet. Ezek a felsőpannon feküjében fekvő rezervoárok mintegy km 2 területen fejlődtek ki a DK-Alföldön, a Kisalföldön és a Dráva-süllyedékben. Vastagságuk m között változik és igen nagy 14

15 számú fúrás harántolja őket. Mért hőmérséklet adataik is nagy számban állnak rendelkezésre T [ºC] Hód-I. Derecske-I. Hunya-I H [m] 6000 Hőmérséklet eloszlás nagymélységű fúrólyukakban A mezozoós - karbonátos tárolók Magyarországon két nagy csoportba sorolhatók. Az egyik típus a hegyvidékeken a felszínen is megjelenik, s az itt beszivárgó csapadékvizet vezeti a neogén üledéksor alá. A csapadékvíz a mélyben áramolva felmelegszik, egy része hőforrások formájában ismét felszínre bukkan. Ezek a tárolók általában nem túl magas hőmérsékletűek a leszálló hideg és a melegebb mélységi komponens keveredése folytán. A DNY-Dunántúl és a Dél-Alföld mezozóos tárolóinak nagy része elszigetelt, nincs kapcsolata a nyílt karsztos területekkel. Víztartalmuk gyakran fosszilis tengervíz. 15

16 Ezek a tárolók lényegesen magasabb hőmérsékletűek. A nagy túlnyomású magas hőmérsékletű Fábiánsebestyén-Nagyszénás tárolót nem számítottuk a jelenleg gazdaságosan kitermelhető készletbe. A DNY-Dunántúl és a Dél-Alföld karbonátos repedezett tárolókról is nagy mennyiségű adatot kapunk elsősorban a szénhidrogénkutató fúrásokból. Összesen 26 karbonátos kifejlődésű tároló-rendszert ismerünk. A felszínközeli 200 m-nél nem mélyebb tartományt az ország teljes területén figyelembe vehetjük a készlettípus számításánál. A tárolókőzetek és a víz együttes belsőenergia-tartalma a 10 o C-os felszíni hőmérséklet belsőenergia-szintjéhez képest PJ gazdaságosan kitermelhető in situ geotermikusenergia-készletet ad. A ténylegesen felszínre hozható mennyiség ennél jóval kisebb. A ténylegesen felszínre hozható mennyiség és az in situ készlet hányadosa az ún. kihozatali tényező. Ennek értékét elsősorban a kitermelés módja határozza meg. A legegyszerűbb technológia egy meghatározott nyomáscsökkenés hatására a víztest rugalmas tágulása révén szabad kifolyással történő hévíztermelés. Az így felszínre hozható víztömeg ( ) M = Vφβρ p 1 p 2 ahol V a szóban forgó tároló térfogata, φ a porozitás, β a víz izotermikus térfogattágulási tényezője, ρ a víz sűrűsége, p 1 a tároló kezdeti nyomása, p 2 a tároló nyomása a termelés befejeztével. A vízzel felszínre hozott energiamennyiség E = Mc ( T ) A tárolóban lévő víz in situ energiatartalma E = Vφρc T 0 ( T ) T o A kettő hányadosa a kihozatali tényező ( ) R = β p 1 p 2 A víz térfogattágulási tényezője β = 4, m N 16

17 A DK-Alföld felsőpannon homokos tárolóban a hőlift és az oldott gáztartalom kiválása révén átlagosan mintegy 3 bar termelési talpnyomás-csökkenés keletkezhet. Ezzel a kihozatali tényező R = 4, = 1, azaz a tárolóból csupán az azt kitöltő víz energia-tartalmának 1,44%-a hozható felszínre a kutat szabad kifolyással termeltetve. Ha a kútba épített búvárszivattyúval 20 bar termelési talpnyomáscsökkenést állítunk elő, a kihozatali tényező R = 4, = 9, vagyis a tároló vizének in situ energiatartalmából 9,36/-ot termelhetünk ki. A lehűlt hévíznek az eredeti tárolórétegbe történő visszasajtolásával nem csupán a rétegvíz, de többszörös folyamatos átöblítéssel a tároló kőzetvázának energiatartalma is megcsapolható. Egy V térfogatú, φ porozitású tároló ρ k és ρ v kőzet és vízsűrűség, valamint c k és c v fajhők esetén E = V [( 1 φ) ρ c +φρ c ]( T T ) k k in situ energiakészlettel rendelkezik. A tárolót átöblítve a hőmérsékletet átlagosan T fh értékig csökkentve E = V [( 1 φ) ρ c +φρ c ]( T T ) k k energiát hozhatunk felszínre. Ezzel a két mennyiséggel a kihozatali tényező T T R = T T b 0 vagyis 110 o C kezdeti tárolóhőmérséklet, 80 o C felhagyási és 10 o C felszíni hőmérséklet mellett R = = 0, érték adódik. v v v v o fh Ezek a számok a nagyságrendek érzékeltetésére alkalmasak, de a valóságban, egy tényleges kétkutas rendszer esetén nem ilyen egyszerűen adódik az eredmény. A besajtoló és a termelő kút között a tárolóban egy a 4. sz. ábrán látható forrás-nyelő áramvonalrendszer alakul ki. Az áramlás és a hőátvitel nem homogén: a sűrűbb áramvonal-hálózat mentén intenzívebb, a peremhez közelítve mérsékeltebb. Amikor a termelő kút talpán már a felhagyási hőmérséklet adódik, a 17

18 tároló távolabbi tartományaiban még nagyobb a hőmérséklet. A fentebb egyszerűen kiszámított kihozatali tényező alig 0,4-0,45-szöröse a tényleges kihozatali tényező. Ezt repedezett tárolóban kialakuló áramlásnál a Hele-Shaw, porózus tárolóban pedig a Darcy-áramláson alapuló szimulációval tudjuk meghatározni BOBOK-TÓTH (2008), TÓTH (2009). A forrás és nyelő áramvonal rendszere Ezek az ún. térfogati módszerek a szimuláció konkrét részleteiben nagyban különbözhetnek, ám kiindulási alapjuk ugyanaz. Az alkalmazott közelítések fokától, a figyelembe vett alapadatok megválasztásától függően a különböző szerzők különböző eredményekre jutnak. Ezek az eredmények lényegesen közelebb állnak egymáshoz, mint a nemzetközi szakirodalomban publikált adatok. A hozzáférhető felhasználható és a gazdaságosan kitermelhető készletekre vonatkozó becsléseket foglaltuk össze a következő táblázatban. 18

19 Hozzáférhető geotermikus készlet Boldizsár 5, PJ Bobok 3, PJ Felhasználható geotermikus készlet Bobok 0, PJ Rezessy, Szanyi, Hámor 1, PJ Gazdaságosan kitermelhető készlet Bobok 4, PJ Liebe* 14, PJ Lorberer 3, PJ Rezessy, Szanyi, Hámor* 46, PJ * a teljes felső pannon üledéksorra számított érték. Magyarország becsült geotermikus készleteinek összehasonlítása A globális készletbecslések eredményei közötti több nagyságrendnyi különbségekkel szemben a jól feltárt Kárpát-medencére adódó értékek között megnyugtató az eredmények egyezése. A geotermikusenergia készletekre kapott eredményeket időről-időre újra kell értékelnünk. A kitermelés módszereinek fejlődése, a világpiaci energiaárak állandó változása szükségessé teszi a gazdaságosan kitermelhető geotermikus energiakészletek meghatározásának folyamatos finomítását, az eredmények korrekcióját. Például az USA geotermikus készleteit NATHENSON és MUFFLER (1976) első felmérése óta több ízben újra értékelték: ROWLEY (1982), SASS (1993), TESTER et al (1994), DUFFIELD és SASS (2003), WILLIAMS (2005) végül TESTER et al (2006) a már említett MIT tanulmányban. 19

20 A GEOTERMIKUS POTENCIÁL A geotermikus potenciál az International Geothermal Association (IGA) ajánlása szerint az egy év alatt megtermelhető geotermikus energiamennyiség. Ez tulajdonképpen egy egyéves idő-intervallumra eső átlagteljesítmény. A különböző szerzők rendkívül széles skálán szóródó értékeket adnak meg. Mérvadónak tekintett szakemberek által az utóbbi években készített néhány adatsort mutatunk be ennek érzékeltetésére. A bemutatott munkákban közös, hogy a villamos energia termelésére és a csak közvetlen hőhasznosításra alkalmas potenciálokat külön vizsgálják. Valamennyi adat globális: a világ összesített geotermikus energiatermelésre rendelkezésre álló készletére illetve a világon összesen megtermelt energiára vonatkozik. FRIDLEIFSSON (1999) a felhasználható készletek alapján TWh/év potenciált ad meg elektromos energiatermelésre. Ez az érték az 1997 évi 44 TWh termeléssel egybevetve még óriási fejlődés lehetőségét prognosztizálja ra 318 TWh éves termelést jósol, 58 GW beépített erőművi kapacitás mellett. A közvetlen hőhasznosításra felhasználható potenciál FRIDLEIFSSON szerint EJ/év. Az 1997-es tényadat 38 TWh, míg a 2020-ra adott prognózis 141 TWh, 37 GW beépített hőteljesítmény-kapacitás mellett. GAWELL (1999) ezzel szemben a jelenlegi technológiával gazdaságosan megtermelhető geotermikus potenciált a 35 és 72 GW intervallumban jelöli meg az elektromos energia termelésére. Az EGS technológiával ez a 66 és 138 GW értékek közötti tartományba eshet. Közvetlen hőhasznosításra nem ad meg adatot. STEFANSSON (2000) az elektromos energia termelésére rendelkezésre álló potenciált TWh/év értékre becsüli. A közvetlen hőhasznosítást két kategóriára bontva prognosztizálja. 20

21 Az alacsony hőmérsékletű < 150 o C készletekből > 1400 EJ/év (> TWh/év) a magasabb hőmérsékletűekből kevesebb 400 EJ/év ( TWh/év) energia termelésére lenne lehetőség. A World Geothermal Congress (2000) adataiból ugyancsak STEFANSSON (2002) állított össze egy naprakész helyzetképet. A villamosenergia termelésére rendelkezésre álló 8 GW erőművi kapacitásból 49 TWh/év az átlagteljesítmény, míg a közvetlen hőhasznosításra 53 TWh/év adódott. Az elektromos energia termelésére és a közvetlen hőhasznosításra alkalmas potenciál 5000 EJ/év. Ha ennek 10%-a a gazdaságosan kitermelhető készlet, 500 EJ/év érték adódik, ennek 1/3-a használható villamosenergia-termelésre, a többi közvetlen hőhasznosításra alkalmazható. CATALDI (1999) a hozzáférhető földtani készletet J-ben adta meg. Ez EJ. A felhasználható hányad ebből 5000 EJ, a gazdaságosan kitermelhető rész 500 EJ. A kontinenseken összesen 370 EJ a gazdaságosan kitermelhető geotermikusenergia-készlet. Ez a világ 1996-os olajtermelésének közel kétszerese. A 370 EJ egyharmadát tekinti villamosenergia-termelésre, míg kétharmadát közvetlen hőhasznosításra alkalmasnak. Tanulságos táblázat állítható össze az ismertetett készletbecslések kerekített adataiból. A következő táblázatban azonos mértékegységekben hasonlítjuk össze a készletbecslések eredményét, s egyúttal feltüntetjük a világ 1996-os energiafogyasztásának és geotermikus energiafelhasználásának tényadatait, valamint a 2020-ra prognosztizált geotermikusenergia-termelés villamos és közvetlen hőfogyasztás kategóriákra bontva. 21