Mesterséges földhőrendszerek

Átírás

1 Energetika II. BMEGEENAEE4 Budapest, április 26. Készítette: Király András II. éves energetika mérnök hallgató

2 Geotermikus energia A geotermikus energia azt a hőenergiát jelenti, mely a Föld belsejéből származik. Keletkezése nem köthető olyan mértékben a Nap Földre gyakorolt hatásaihoz, mint ahogyan az a szél, a biomassza vagy a vízmozgások esetében megtehető. Döntően a földkéregben koncentrálódó hosszú felezési idejű radioaktív elemek bomlási hőjéből táplálkozik. A felszín és a mélyebb zónák közötti hőmérséklet-különbség hatására a hő a felszín felé áramlik és kilép a légkörbe. Itt a hőáram mintegy 40 millió MW teljesítménnyel adódik át az atmoszférának [1]. A földi hőáramsűrűség (hőfluxus), mely az egységnyi földfelületen egységnyi idő alatt átáramló hőmennyiséget adja meg, egyenetlenül oszlik meg a felszínen. Globális átlagértéke 87 mw/m 2. A geotermikus gradiens a hőmérséklet mélységgel történő emelkedését mutatja meg. Értéke 10 és 60 C/km között változik [1]. A geotermikus energia a többi megújulóhoz képest számos előnnyel bír. Ezek közé tartozik, hogy állandóan rendelkezésre áll - használhatósági aránya a megújulók között a legmagasabb. Független a meteorológiai körülményektől, így kedvező feltételekkel alkalmazható alapteljesítmények kiszolgálására, de rugalmassága miatt a csúcsteljesítmények kielégítésére is megfelelő. A geotermikus energia kétféle formában hasznosítható: fűtési célra és áramtermelésre. Utóbbi módon 2010-ben 24 ország hasznosította forrásait. A teljes beépített kapacitás elérte a MW-ot [2]. Magyarország kedvező adottságai két tényezőben nyilvánulnak meg. Egyrészt magas a geotermikus gradiens értéke, mintegy 45 C/km, másrészt a felszín alatt vízzel telített, jó vízvezető képességű kőzetek találhatók. Az említett magas geotermikus gradiens oka, hogy a középső-miocén idején lejátszódó litoszféra elvékonyodás következtében az asztenoszféra közelebb került a felszínhez. A medence területén a kéreg km vastag, 10 km-rel vékonyabb, mint a szomszédos területeken [1]. Ennek eredményeként a kontinentális átlag másfélszeresét elérő hőáram jellemzi hazánkat (100 mw/m 2 ). EGS a mesterséges földhőrendszer A geotermikus rendszerek 3 fő elemből épülnek fel: szükség van hőforrásra, a hő tározására alkalmas kőzetre és valamilyen hőhordozó fluidumra. Utóbbi kettő akár mesterségesen is létrehozható, így még nagyobb lehetőségek nyílnak meg a geotermikus energia hasznosítása előtt. A mesterséges földhőrendszer (angolul Enhanced Geothermal System EGS) minden geotermikus forrást magába foglal a nagy és közepes vízhozamú hidrotermális rendszerek kivételével. A jelenlévő fluidum mennyisége és a kőzetek permeabilitása alapján megkülönböztethetünk ún. HDR (Hot Dry Rock) és HWR (Hot Wet Rock) rendszereket [3]. Az EGS-technológia lényege, hogy néhány kilométeres mélységben megközelítőleg a 200 C-os kőzethőmérséklet szintjén repedésrendszert alakítanak ki hőcserélőnek többnyire a meglévő repedésrendszer bővítésével. Cirkulációs rendszert alkotva, betápláló kutakon a felszínről valamilyen fluidumot (főként vizet) juttatnak ide a környezet többlet hőjének felvételére, majd kitermelő kutakkal a felszínre emelik és felszíni hasznosító egységekben nyerik ki energiáját [4]. Az EGS rendszer minőségét döntő mértékben a megfelelő hőmérsékletű izoterma mélysége, tényleges térfogatát a hidraulikus repedésrendszer - 1 -

3 kialakítására szánt idő határozza meg. Az injektáló és termelő kutak között számtalan összeköttetés hozható létre. A cirkulációt felszíni nagy nyomású szivattyúk segítségével biztosítják [5]. Egy sikeres EGS-hez több feltételnek kell egyidejűleg teljesülnie: 1 millió m 2 hőcserélő-felület, néhány km 3 rezervoár térfogat, legfeljebb néhány MPa/l/s áramlási ellenállás és 10%-nál kisebb vízveszteség [2]. A technológia tanulmányozása az 1970-es évek elején kezdődött [6]. Az első HDRtechnológia Fenton Hillben valósult meg. Itt a hőmérséklet 3000 m mélységben mintegy 185 C. Az 1992 és 1995 közötti termelési időszak bizonyította, hogy jelentős mennyiségű energia nyerhető ki a rendszer segítségével [5]. Mára egyes becslések világszerte 1000 GWnyi villamosenergia-potenciált jeleznek [2]. A közelmúltban EGS-erőművek egész sorát vették tervbe, néhányuk meg is épült. Napjainkban közel egy tucat projekt fut, 2 üzemel is a legismertebb a francia-német határ közelében fekvő Soultz-sous-Forêts-ben működik. A mesterségesen kifejlesztett földhőrendszer-technológia alkalmazását tekintve Magyarország az egyik legbiztatóbb terület egész Európában [1] m mélységben az átlaghőmérséklet C, a melegebb területeken 70 C is mérhető, míg 2000 m-nél már C közötti átlagos érték tapasztalható. A földhőrendszert tekintve a legígéretesebb hely a délkeleti régió, ahol a 200 C-os izoterma 3500 m-nél kisebb mélységben található és az aljzatot kristályos kőzetek alkotják. Mivel a technológia ipari méretekben még sehol sem alkalmazott, befektetési költségei 100 millió USD nagyságrendűek (5 MW mellett). Ezért hazánk legfeljebb arra számíthat, hogy a közeljövőben befektetési célpontként szerepel az EU megújuló villamosáram-termelési céljai teljesítéséhez. Az EGS hátrányai közé tartozik, hogy mesterségesen kell bővíteni a repedésrendszert, mivel általában olyan kis permeabilitású a kőzet a kutak környékén, hogy a hőkinyerés gazdaságtalan [4]. Számos esetben nem elhanyagolható vízveszteségről számoltak be. Ennek oka, hogy a mikropórusok és a perifériaterületek a nyomás hatására felveszik a víz egy részét, amíg telítetté nem válnak. Az idővel ez a fogyás csökken [5]. Viszonylag nagy szivattyúzási munka igényeltetik, bár Fenton Hill példája alapján 2-3-szor nagyobb mennyiségű energiát szolgáltathat az erőmű, mint amennyit a működéséhez igényel - a felszíni egységek fogyasztását is figyelembe véve [7]. A működés közben számos eset számol be mikroszeizmicitásról [8]. Előnye, hogy minimális környezeti hatással jár és alkalmas terheléskövető üzemre is. A tapasztalatok különösen megbízható teljesítményekről árulkodnak [5]. A fluidum kémiailag stabilnak mutatkozik a ph, az összes oldott anyag tartalom és egyéb geokémiai paraméterek közel konstans értéket vettek fel. Fenton Hill tapasztalatai azt mutatják, hogy megfelelően kontrollált körülmények között hosszú élettartam érhető el magas termelékenységgel [7], a hő viszonylag hosszú időn át minimális hőmérsékletcsökkenéssel termelhető ki a kőzetekből [8]. Az energiatermelés lehetőségei Az EGS alapú villamosenergia-termelés többféle módon történhet. Az alkalmazott körfolyamat és a környező kőzetek hőmérséklete (a fluidum hőmérsékletén keresztül) együttesen határozzák meg az energiaátalakítás hatásfokát. Az erőművek legalább 30 évre épülnek. Kiválasztásukkor elsődleges szempont a fluidum hőmérséklete, a nyomás másodlagos változó [9]

4 A szakirodalom gyakran az EGS rendszerek közé sorolja azokat az eseteket is, amikor olajés gázkitermelés alkalmával jutunk forró vízhez. Ezekre a többnyire alacsony- és közepes entalpiájú forrásokra kettős közegű erőművek (1. ábra) kiépítése képzelhető el szerves Rankine (ORC) vagy Kalina-körfolyamattal [2],[9]. Termikus hatásfokuk a fluidum hőmérsékletének függvényében 6-14% között várható hasonló erőművek adatai alapján. 1. ábra Kettős közegű erőmű egyszerűsített sémája [9] A kettős közegű erőművek egyébként nagyon fontos szerepet játszhatnak a geotermikus energiahasznosításban, ugyanakkor csupán 1,1 GW-ot termeltek ily módon 2010-ben [2]. A tényleges EGS rendszerek magas hőmérséklettel ( C) jellemezhető nagy mélységből nyerik ki a fluidumot. A kitermelt víz hőmérséklete 200 C-tól akár szuperkritikus hőmérsékletéig (374 C) is emelkedhet. Szubkritikus esetekben, C-os hőmérsékleten egyszeri kigőzölögtetős típusú erőművet (2. ábra), 250 C felett kétszeres típusút alkalmazhatnak (ekkor egy második szeparátor is beépítésre kerül a visszasajtolás előtt). 2. ábra Egyszeres kigőzölögtetős erőmű sémája [9] Energetikai és gépészeti szempontból meghatározó kérdés, hogy sikerül-e folyadék fázisban tartani a fluidumot, vagy az esetleg kétfázisú tartományba kerül. Az exergetikai hatásfokok egyszeri kigőzölögtetéses típus esetén 31%, kétszeres típusú esetben 46% körül alakulnak. A 200 C-os rendszer esetében már kg/s tömegáramú közeggel elérhető 1 MW teljesítmény, magasabb hőmérsékleten (250 C) ezzel a mennyiséggel kb. 2,5 MJ energia termelhető másodpercenként [9]. Ha a geotermikus fluidum szuperkritikus állapotban (p > 22 MPa, t > 374 C) érkezik az erőműbe, több admissziós nyomású turbinával rendelkező szuperkritikus gőzkörfolyamatban - 3 -

5 hasznosítható (3. ábra). Ekkor egy nagy- (HPT) és kisnyomású (LPT) rávezetés mellé beépítésre kerül egy harmadik is (SPT). Ezen expandál a szupernyomású közeg. A gőz minősége határozza meg, meddig maradhat a turbinán (lapáterózió elkerülése). 3. ábra Több admissziós nyomású turbinával rendelkező szuperkritikus gőzkörfolyamat [9] Utóbbi technológia nagyon jó hatásfokú módja a villamosenergia-termelésnek. A folyamat exergetikai hatásfoka 67%, a termikus hatásfok pedig 31%. Ebben az esetben 1,5 kg/s tömegáramú 400 C-os fluidum elegendő 1 MW teljesítmény előállításához [9]. Nagyobb nyomáson más megoldásokat kell találni. Ilyen lehet például, hogy az SPT helyett gőzszeparátort alkalmaznak, ahol lecsökkentik a fluidum nyomását. Egy része kigőzölög, ezt gőzturbinára vezetik, a leválasztott folyadékot kettős közegű folyamatban hasznosítják (kigőzölögtetéses-segédközeges erőmű). Az első szeparáció után következhet egy újabb kigőzölögtetéses folyamat (~kétszeri kigőzölögtetős erőmű), de a közeg akár vissza is sajtolható a rezervoárba (egyszerű szuperkritikus gőzkörfolyamat). Utóbbi megoldás kevesebb energiát állít elő időegység alatt, viszont egyszerűbb felépítése miatt olcsóbb üzemeltetni és létrehozni. Ekkor a körfolyamat termikus hatásfoka 24% körüli, az exergetikai hatásfok 44% körül alakul. Csupán 2-3 kg/s-os tömegáram elegendő 1 MW teljesítmény eléréséhez. A szuperkritikus közeg alkalmazása jelenleg még komoly gépészeti problémákat vet fel (megfelelő falvastagságú csövek, speciális berendezések), melyek megkérdőjelezhetik a technológia gazdaságosságát [9]. Kogenerációs üzemben hő és villamos energia egyaránt származhat az erőműből. A maradék hő elvonása a hatásfok növelése mellett a visszasajtolás szempontjából is kedvező, hiszen így a gravitáció mint természetes hajtóerő nagyobb mértékben segíti az áramlást a visszasajtoló kútban, a rendszer önfogyasztása csökken. Ha egy EGS-erőmű kapcsolt hő- és áramfejlesztési módon üzemeltethető, akkor az ilyen rendszerek gazdaságossága ugrásszerűen megnő. Az eladhatóságot kedvezően befolyásolja, hogy EGS-rendszereket lakott területeken is lehet létesíteni (pl. Basel) [1]. Jelenleg az egyik legfontosabb tisztázandó kérdés a rendszer kapacitásának növelése több tíz megawattos erőműegységekre. Ehhez az említett projektek esetében a fúrásokkal a 4,5-5 km-es mélységet próbálják elérni. További cél, hogy a kitermelést maximalizálják, a cirkulációs kör energiaigényét minimalizálják, valamint hogy a kitermelt fluidum hőmérsékletét a lehető legstabilabb szinten tartsák. Előrejelzések 2015-re a 25 MW-os kapacitások elérését prognosztizálják [4]

6 Szuperkritikus szén-dioxid mint hőhordozó közeg Az EGS rendszerekben a korábbi kísérletek kizárólag vizet alkalmaztak hőhordozó közegként. Számos előnye mellett azonban néhány hátránya is akad. Különösen magas hőmérsékleten viszonylag jól oldja a kőzeteket. A folytonos oldódás-kiválás hatására megváltozik a terület permeabilitása, mely megnehezíti a stabil üzem biztosítását. Ráadásul a víz néhány potenciális helyen túl ritka és értékes ahhoz, hogy a cirkuláció során elveszítsük. Ezek alapján merült fel az igény egy új közeg iránt. Az EGS-ek tipikus hőmérsékletén (200 C) és nyomásán (néhány száz bar) a CO 2 szuperkritikus állapotban van, a folyadékokra jellemző sűrűséggel és a gázokra jellemző viszkozitással. A CO 2 számos kedvező tulajdonsággal rendelkezik, mely termodinamikailag a víznél kedvezőbbé teszi. Nagy a hőtágulási együtthatója, melynek következtében nagy sűrűségkülönbség lép fel a hideg és a felmelegedett fluidum között. Ez növeli a felhajtóerőt a termelőkút és az injektáló kút között, melynek hatására csökken a keringetés energiaigénye. Viszonylag kicsi a viszkozitása ez adott nyomásgradiens mellett nagyobb térfogatáramot eredményez, mely kompenzálhatja egyik fő hátrányát, a kisebb hőkapacitást. További előnye, hogy kevésbé lép reakcióba a kőzetekkel [10]. Adott hajtóerő hatására egy fluidum tömegáramát a sűrűség és viszkozitás aránya szabja meg, mely CO 2 esetén jóval nagyobb, mint víz esetén. Nagy nyomás mellett, 50 C alatt (injektálási hőmérséklet) 4-10-szer, 200 C-on (kitermelő kútban) kb. 2-szer. Azonban nagy nyomáson a CO 2 fajlagos entalpiája mintegy fele a vízének, ennek megfelelően nagyobb tömegáram szükséges belőle ugyanakkora hő kihozatalához. Az előzetes vizsgálatok alapján úgy tűnik, hogy a szén-dioxidos rendszer által kitermelhető hő, mintegy 50%-kal nagyobb, mint a vizes rendszerek esetén, mely rendkívül nagy lökést adhat az effajta energiakinyerésnek. Emellett az sem elhanyagolható, hogy a keringetés költsége is csökkenhet a CO 2 nagyobb sűrűségkülönbsége következtében. Az eredmények azt mutatják, hogy alacsonyabb hőmérsékleten még nagyobb mértékben nő a kitermelhető hő mennyisége, így nemcsak áramtermelő erőművekben (magas hőmérsékletű kőzettömegek), hanem közvetlen hőhasznosítás esetén is (alacsonyabb hőmérsékletű kőzetek) megfontolandó lehet a szuperkritikus CO 2 használata. Ráadásul, amíg a víznél a cirkuláció során jelentkező vízveszteség (7-12%) hátrányos, addig itt inkább előnyt jelent. 5%-os CO 2 veszteséggel számolva 1000 MW e teljesítményű CO 2 -EGS erőmű 3000 MW e teljesítményű széntüzelésű erőmű által kibocsátott CO 2 geológiai tárolásáról gondoskodhat [10]. A gyakorlati alkalmazástól még távol áll a szuperkritikus szén-dioxidos technológia, ugyanakkor láthatjuk, hogy energetikai és környezetvédelmi oldalról igen kedvező tulajdonságokkal bír. Összegzés A mesterséges geotermikus rendszerek minimális környezeti hatással képesek működni, akárcsak a megújuló energiaforrások nagy része, ugyanakkor többükkel ellentétben alaperőműként is megállhatják helyüket. A hagyományos geotermikus energiahasznosításhoz képest is számos előnnyel járnak. Mivel az EGS-fluidumok a felszínről - 5 -

7 kerülnek beinjektálásra, sokkal kevésbé agresszívek, mint a termálvizek, ebből következően kisebb mértékű csapadékképződéssel, korrózióval, nem kondenzálódó gázzal kell számolni az üzemeltetés során. A tényleges ipari felhasználásig azonban még számos kutatási és fejlesztési feladat áll az emberiség előtt (fúrási műveletek tökéletesítése, permeabilitás növelése, energiaátalakító rendszerek (ki)fejlesztése). Bár a technológia még csak kísérleti jelleggel működik (néhány MW-os telephelyeken), jelentősége vitathatatlan, ha figyelembe vesszük kedvező energetikai és környezeti tulajdonságait. Irodalomjegyzék [1] Mádlné S. J., Rybach L., Lenkey L., Hámor T. és Zsemle F. (2008). A geotermikus energiahasznosítás nemzetközi és hazai helyzete, jövőbeni lehetőségei Magyarországon. Háttértanulmány, Magyar Tudományos Akadémia, Budapest [2] Bertani R. (2012). Geothermal power generation in the world updates report. Geothermics, 41, [3] McLarty L. és Entingh D. (2000). Satus Report: Foreign Research on Enhanced Geothermal Systems. Jelentés, Princeton Energy Resources International, Rockville [4] Gérard A., Genter A., Kohl T., Lutz P., Rose P és Rummel F. (2006). The deep EGS (Enhanced Geothermal System) project at Soultz-sous-Forêts (Alsace, France). Geothermics, 35, [5] Duchane D. V. (1996). Geothermal energy from Hot Dry Rock: A renewable energy technology moving towards practical implementation. World Renewable Energy Congress 1996 [6] Gallup D. L. (2009). Production engineering in geothermal technology: A review. Geothermics, 38, [7] Brown D. W. és Duchane D. V. (1999). Scientific progress on the Fenton Hill HDR project since Geothermics, 28, [8] Majer E. L., Baria R., Stark M., Oates S., Bommer J., Smith B. és Asanuma H. (2007). Induced seismicity associated with Enhanced Geothermal Systems. Geothermics, 36, [9] Tester J. W. (2006). The Future of Geothermal Energy Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21 st Century. Értékelés. Massachusetss Institute of Technology, Massachusetts [10] Pruess K. (2006). Enhanced geothermal systems (EGS) using CO 2 as working fluid A novel approach for generating renewable energy with simultaneous sequestration of carbon. Geothermics, 35, Rövidítések az 1-3. ábrákról BCV: golyós visszacsapószelep, C: kondenzátor, CP: kondenzátum szivattyú, CS: ciklon szeparátor, CSV: szabályozó, elzáró szelep, CT: hűtőtorony, CW: hűtővíz, CWP: hűtővíz-szivattyú, E: elgőzölögtető, F: kondenzedény, FF: végszűrő, HPP: nagy nyomású szivattyú, HPT: nagy nyomású turbina, IP: injektáló szivattyú, IW: injektáló kút, M: pótvíz, MR: nedvesség eltávolító, P: szivattyú, PH: előmelegítő, PW: termelő kút, S: lefúvató, SE/C: gőz leválasztó/kondenzátor, SP: gőzvezeték, SPT: szupernyomású turbina, SR: homokfogó, T/G: turbina/generátor, TV: fojtószelep, WP: vízvezeték, WV: kútfej szelep - 6 -