Geotermikus Energia. Dr. Tóth Anikó PhD Kőolaj és Földgáz Intézet

Átírás

1 Geotermikus Energia Dr. Tóth Anikó PhD Kőolaj és Földgáz Intézet

2 ALAPFOGALMAK Az energia a tágabb értelemben vett anyag egyik lehetséges megjelenési formája, objektív fizikai realitás. Univerzális skalár mennyiség, amely egy zárt anyagi rendszer bármilyen állapotváltozásánál időben állandó marad. Bármely zárt anyagi rendszerhez hozzárendelhető egy energiafüggvény. A fizika egyik alaptörvénye az energia megmaradásának törvénye: energia nem keletkezhet, és nem semmisülhet meg, csak átalakulhat egyik formából a másikba. Minden természeti vagy műszaki folyamat energiaátadással jár. A rendszer határán a kölcsönhatás során átvitt energiamennyiség a munka. A munka nem az energia egyik megjelenési formája, csupán egy energiaátviteli forma. Az energia a rendszer állapotát, a munka a kölcsönhatás folyamatát jellemzi.

3 A klasszikus definíció szerint a mechanikai munka az erő és az erő irányába eső elmozdulás szorzata. Ez a munka és az energia azonos mértékegységének alábbi definícióját teszi lehetővé: 1N erő 1m úton 1Joule munkát végez. Entalpia (jele H, mértékegysége J) egy zárt rendszer összes energiatartalmát jelenti. Tartalmazza a rendszert alkotó részecskék egyenesvonalú mozgási energiáját, rezgési és forgási energiáját az atomok és a molekulák elektronjainak energiáját és az atommagokon belüli kötési energiákat. Entrópia - (jele S, mértékegysége J) az anyagi rendszerek rendezetlenségének mértékét jelenti. Minél stabilabb termodinamikailag egy rendszer, annál nagyobb a belső rendezetlensége, entrópiája.

4 I. főtétel Energiamegmaradás törvénye Egy termodinamikai rendszer belső energiáját kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. A rendszer ΔU belső energiájának megváltozása tehát a vele közölt Q hőmennyiség és a rajta végzett W (bármilyen) munka összege: Áramló közegre a hő, és technikai munka összege így számolható: ahol q a hő, w(t 12 ) a technikai munka, h az entalpia, c a közegáramlás sebessége, g a gravitációs állandó, és z a vizsgált pont magassága (helyzete). Differenciális alakban: Következménye: Nincs olyan periódikusan működő gép, ú.n. elsőfajú perpetuum mobile (örökmozgó), mely hőfelvétel nélkül képes lenne munkát végezni.

5 II. főtétel Clausius-féle megfogalmazás (1850.): A természetben nincs és egyetlen géppel sem hozható létre olyan folyamat, amelyben hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át. Kelvin-Planck-féle megfogalmazás (1851., 1903.): A természetben nincs és egyetlen géppel sem hozható létre olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszítéseza hő egyéb változások nélkül teljes egészében, 100%-os hatásfokkal munkává alakulna át.

6 Az energetikában általában a Joule sokszorosát használják, ezekhez a nagyobb egységekhez a következő többszörösöket és prefixumokat használják. 1 J 1 KJ (kilojoule) 1 MJ (megajoule) 1 GJ (gigajoule) 1 TJ (terajoule) 1 PJ (petajoule) 1 EJ (exajoule) = = = = = = = 1Nm 10 3 J 10 6 J 10 9 J J J J A szemléletesség kedvéért gyakran használják az 1 tonna olaj egyenértékét, főleg a gazdasági és a politikai szférában. 1 Toe = 41,85GJ

7 A teljesítmény az egységi idő alatt végzett munka, vagy az egységi idő alatt közölt hő. W P =, vagy P = t Q t Mértékegysége a watt. 1 watt = 1 J/s. A wattnak a joule-lal azonos prefixumú többszörösei vannak, kw, MW, GW, TW stb. A villamosiparban viszont a teljesítményből számított munka, illetve energia-egység honosodott meg. 1kilowattóra=1kilowatt teljesítménnyel végzett munka 1 órán keresztül. 1 kwh = 3600 KJ 1 MWh = 3600 MJ

8 A céljainknak megfelelően hasznosuló energiamennyiséget az összes átvitt energia mennyiségével összehasonlítva kapjuk a hatásfokot. η = W W hasznos összes, vagy η = P hasznos P összes A hatásfok érték mindig kisebb egynél, vagy mindig kisebb, mint 100%.

9 Az egyes energiafajták rendszerint valamilyen hordozó közeghez, az ún. energiahordozóhoz kötöttek. Egy 100 m magasságban lévő 1 kg tömegű test helyzeti energiája a gravitációs térben 981 J, tehát alig 1 KJ. Ha 100 m/s sebességgel mozog u.ez a test, mozgási energiája 5 KJ 1 kg 100 o C forró víz hasznosítható belső energiája a 15 o C-os környezethez képest 355,9 KJ 1 kg kőszén tökéletes elégésekor KJ. 1 kg kőolaj égésekor KJ. 1 kg földgáz elégésekor KJ 1 kg 235-ös U izotóp meghasadásakor 8*10 10 KJ energia keletkezik.

10 Nem alárendelt jelentőségű a helyzeti energia sem. Kínában a Jangce folyón épült erőmű 180 m-rel duzzasztja fel a folyó vizét, azaz 1 kg víz helyzeti energiája 1,8 KJ. A Jangce vízhozama itt átlagosan 20 millió kg/s, s az erőmű teljesítménye 18,2 GW, tehát MW. Összehasonlításul a Paksi atomerőmű MW teljesítményű. Az ipari társadalom energiaszükségletének túlnyomó részét a kőszén, a kőolaj és a földgáz elégetésekor végbemenő kémiai reakcióban felszabaduló energiából fedezi. Ezek a tüzelőanyagok a földtörténeti múltban sokmillió évvel ezelőtt keletkeztek, az akkori szerves anyagból létrejött kövületek azaz fossziliák. Ezért szokás ezeket fosszilis tüzelőanyagoknak nevezni.

11 A fosszilis tüzelőanyagokat tehát a földkéregből bányászati módszerekkel hozzák felszínre. A világ fosszilis energiahordozóinak termelése 2002-ben: Kőszén Mt Kőszén 150 év Kőolaj Mt Kőolaj 40 év Földgáz Tm 3 Földgáz 60 év A ma ismert készletek A fosszilis energiahordozók elégetésének egy igen kedvezőtlen következménye a légkör szennyezése a keletkező égéstermékekkel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkező égéstermékek fajlagos mennyiségét 1 TJ = 109 KJ felszabaduló hőre vonatkoztatva: SO 2 NO x CO CO 2 Kőszén Olaj Földgáz

12 A fosszilis tüzelőanyagokat tehát a földkéregből bányászati módszerekkel hozzák felszínre. A világ fosszilis energiahordozóinak termelése 2002-ben: Kőszén Mt Kőszén 150 év Kőolaj Mt Kőolaj 40 év Földgáz Tm 3 Földgáz 60 év A ma ismert készletek A fosszilis energiahordozók elégetésének egy igen kedvezőtlen következménye a légkör szennyezése a keletkező égéstermékekkel. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkező égéstermékek fajlagos mennyiségét 1 TJ = 109 KJ felszabaduló hőre vonatkoztatva: SO 2 NO x CO CO 2 Kőszén Olaj Földgáz

13 A nukleáris erőművek sem jelenthetnek mindenre megoldást. Egyfelől a hasadóanyag-készletek is végesek, másrészt a Csernobil óta tudatosodott balesetveszély, a radioaktív hulladékok hosszú ideig tartó biztonságos tárolása, a kiöregedett atomerőművek lebontása, anyagának biztonságos tárolása nem teljesen megnyugtatóan rendezett. A fenntartható fejlődés igénye olyan további, új energiaforrások felhasználását igényli, amelyek történelmileg belátható idő alatt sem merülnek ki, hanem szakadatlanul megújulnak. A megújuló energiaforrások között legjelentősebb a napenergia. A megújuló energiaforrások között legjelentősebb a napenergia. Közvetve a napenergia a forrása a víz és a szélenergia sőt a biomassza energiájának is.

14 A geotermikus energia a Föld belső nagy hőmérsékletű tartományainak belső energiája. Kitermelésének módszerei eszközei a kőolajiparban kidolgozottak, az olajkészletek kimerülése a geotermikus energiatermelésre predesztinálja a szakmát. A megújuló energiaforrások közül ez az egyetlen amely bányászati módszerekkel hasznosítható.

15 q terr 2500 C 6000 C A föld 99 %-a 1000 C-nál melegebb. Csak 0.1 %-a van 100 C alatt. A földi hőáram globális teljesitménye 40 millió MW.

16 40*10 6 MW Hőkitermelés Földi hőáram Hőnyelő Izotermák A földi hőáram kilép a világürbe (= elveszik ) A hőnyelő befogja a földi hőáramot

17 Jövőbeli kilátások (AAPG 1997) } Megújulók Oilshale

18 A megújuló energiák potenciálja (WEA 2000) Energiaforrás Teljesítmény (EJ/év)* Geotermikus energia 5000 Napenergia 1575 Szélenergia 640 Biomassza 276 Vízenergia 50 Összesen 7541 * 1 EJ = J

19 Áramfejlesztés megújuló energiaforrásokból 2005-ben (WEC 2007 Survey of Energy Resources) Beépített teljesítmény Éves termelés Energiabázis GWe % TWh/év % Kapacitás faktor (%) Víz , Biomassza Szél Geotermia Nap Összesen: , * * súlyozott átlag

20 Összehasonlítás egyéb megújuló energia felhasználásával A földhőre az jellemző, hogy állandóan rendelkezésre áll; ezzel szemben a nap nem süt és a szél nem fúj mindig. Ennek megfelelően a geotermikus erőművek használhatósági aránya (termelt áram / teljesítmény = 72%) a legmagasabb. Azáltal, hogy a geotermikus energia független a meteorológiai körülményektől (ami viszont nem jellemző a víz-, szél-, napenergiára), flexibilis formában alkalmazható, alapteljesítményre ugyanúgy, mint az igények maximumának idején csúcsteljesítményre. A geotermia aránylag magas részesedése (a termelt áram 1,8%-át szolgáltatja a teljesítmény 1,0%-ával) a földhő megbízhatóságát bizonyítja; sokhelyütt már 90%-os használhatósági arány realizálódik.

21 A földhőhasználat célja a termelt közeg hőmérsélkletétől függ.

22 Az első geotermikus erőmü Ginori Conti herceg a 10 kw-os dinamójával (1904)

23 A geotermikus áramfejlesztés fejlődése világszerte (Bertani, 2008)

24 Geotermikus áramfejlesztés A geotermikus áramfejlesztés több mint amikor száz éve indult Olaszországban. Ma huszonnégy ország állít elő áramot földhő-forrásokból; ezek közül jó néhányban jelentős részlege van (15 22 %) a geotermikus áramnak az ország (Costa Rica, El Salvador, Izland, Kenya, Fülöp-szigetek) áramellátásában ben világszerte 8,9 GWe kapacitás termelt 57 TWh árammennyiséget; a 2007-re szóló becslés 9,7 GWe teljesítményt és 60 TWh áramot ad (Bertani, 2005, 2007). A geotermikus erőművek világszerte működnek, jelenleg leginkább a geológiailag előnyös területeken mint pl. vulkanikus környezetben.

25 Geotermikus erőművek - lemezhatárok Lithospheric plates, oceanic ridges, oceanic trenches, subduction zones, and geothermal fields. Arrows: direction of plate movement. 1- geothermal fields producing electricity and country name; 2- midoceanic ridges; 3- subduction zones (from Dickson and Fanelli, 2004).

26

27 Geotermikus erőművek - világszerte Németo 3 MW Ausztria 1 MW USA 2687 MW Izland 421 MW Franciao 15 MW Olaszo 811 MW Töröko 38 MW Kína 28 MW Thaiföld 0,3 MW Oroszo 79 MW Portugália 23 MW Japán Mexikó 953 MW 535 MW Guatemala 53 MW Etiópia 7 MW Fülöp-szigetek 1970 MW El Salvador 204 MW Costa Rica 163 MW Nicaragua 87 MW Kenya 129 MW Indonézia 992 MW Pápua Új-Guinea 56 MW Ausztrália 0,2 MW TELJES BEÉPÍTETT KAPACITÁS, 2007 = 9.7 GW Új- Zéland 472 MW

28 A geotermikus áram-fejlesztésben élenjáró országok ( top fifteen, Bertani 2007) Geotermikus áramfejlesztés Ország GWh/év USA Fülöp-szigetek 9253 Mexikó 6282 Indonézia 6085 Olaszország 5340 Japán 3467 Új-Zéland 2774 Izland 1483 Costa Rica 1145 Kenya 1088 El Salvador 967 Nicaragua 271 Guatemala 212 Törökország 105 Guadeloupe (Fr.o.) 102 Jelenleg 24 országban müködik geotermikus erőmű.

29

30 7 plants 73 MWe By MWe 12 MWe (3x4) st stage 50 MWe (2x25) Separators 50 MWe Severe weather - unmanned and remote controlled planned 15 m snow Turbines 50 MWe Mutnovsky power plant, Kamchatka, Russia

31 Ems Leine Elbe Földhőfejlesztés Németországban Rhei n N O 50 Bellheim M osel R D S E E Emden Prometheus Aachen Speyer Landau Köln Dortmund Germersheim Bremen Genesys Hürth Lahn Ruhr Wiesbaden Frankfurt Flensburg Wese r Kassel Hannover Kehl Main Al ler Kiel Hamburg Werra Lübeck Clausthal- Zellerfeld FZK Bruchsal Rheinstetten Würzburg Erfurt Saale Halle O S Havel T S Rostock Gera E E Stettin Groß Schönebeck Staßfurt Leipzig Stralsund Eger Berlin Elbe Freiberg Dresden Legende Spree Oder Cottbus Praha Neisse Störungen mit einer wahrscheinlichen Reichweite bis in 7km Tiefe Enhanced Geothermal Systems HDR Tiefe Sonde Hydrothermal R&D projects 48 Saarbrücken Soultz sous Forets Saar Freiburg Rhein Neckar Stuttgart Bad Urach Neuried Ulm Iller Donau Lech Altmühl Nürnberg München München Riem Regen Unterhaching Pullach etc. Isar Inn Salzburg Passau Moldau Donau 48 Σ150 nagyobb projekt Σ 4 milliárd Basel Aare Basel Salzach Enns 14

32 A Landau-i geotermikus erőmű Németország, 2.5 MWe, 2007 november óta működik

33 Elektromos erőmü 3.4 MWe Unterhaching /D

34 Unterhaching /D Hőerőmü - távvezeték 38 MWth novembertől

35 Közvetlen hőhasznosítás A közvetlen hőhasznosítás sok alkalmazási területen érvényesül: fűtés, ipari és mezőgazdasági felhasználások, hévízfürdők ben hetvenkét országban folyt közvetlen geotermikus hasznosítás 28 GWth kapacitással és 270 TJ/év hőtermeléssel; készletek világszerte kilencven országban vannak kimutatva. A közvetlen hasznosítás globális megoszlása a következő: épületfűtés 52% (ebből 32% földhőszivattyúk), fürdés (gyógyfürdők, üdülés) 30%, mezőgazdaság (üvegházak, talajfűtés) 8%, ipari alkalmazás 4%, haltenyésztés 4% (Lund et al., 2005).

36 A földhőhasználat célja a termelt közeg hőmérsélkletétől függ.

37 Közvetlen hőhasznosítás Ország TJ/év Kína 45,378 Svédország 36,000 USA 31,241 Törökország 24,840 Izland 24,502 Japán 10,303 Magyarország 7942 Olaszország 2098 Új-Zéland 7553 Brazília 6624 Grúzia 6307 Oroszország 6145 Franciaország 5195 Dánia 4399 Svájc 4230 A közvetlen földhőhasználatban élenjáró országok. ( top fifteen ; Fridleifsson, 2008) Jelenleg 72 országban folyikközvetlen hőhasznosítás.

38 Industry Residential Backup Heat exchanger Reinjection well Production well Termálvizes távfütés vázlata

39 Reykjavik / Izland Izland : Az épületek 88 % -át Párizsi medence : > lakásegységet geotermikus távfütés látja el.

40 1980s today Reykjavik 1933 távfütés

41 Földhőszivattyúk A követlen felhasználásban az utóbbi évtizedben a földhőszivattyúk elterjedése a legszembetűnőbb; egyben a megújuló energiaforrások egyik leggyorsabban növekvő kategóriáját képviselik. Ezek a rendszerek a mindenütt jelenlévő, sekély, óriási geotermikus készletek (a talaj, vagy a talajvíz hőtartalma) kihasználásán alapulnak. Ez a készlettartomány maximum 400 méter mélységig terjed (ez csak definíció kérdése, termikus határa ennek a tartománynak nincs). A már kiforrott technológia a készlettartomány relatív konstans hőmérsékletét (4 30 C) használja fel sokféle alkalmazásra (épületfűtés, -hűtés, melegvíz szolgáltatás lakások, iskolák, ipari, nyilvános és kereskedelmi létesítmények számára).

42 Földhőszivattyús rendszerek a leggyakoribb száraz talajvizes

43 Ground Coupled Heat Pumps (GCHP) a.k.a. closed loop heat pumps vertical horizontal slinky Groundwater Heat Pumps (GWHP) a.k.a. open loop heat pumps Disposal to lake, pond, river, creek, etc. Hot water tank Heat pump two well single well Low-temperature underfloor heating Surface Water Heat Pumps (SWHP) a.k.a. lake or pond loop heat pumps Borehole heat exchanger indirect direct pond pond

44 Földhőszivattyú (FHSz) FHCs-vel (FHCs) m mély FHCs fúrás és beépités

45 Prominens példa Svájcból Terminal E, Zurich airport m 3 construction space m 2 energy supply area 2120 MWh/a heating, 1240 MWh/a cooling load 300 energy piles à 30 m

46 Földhőszivattyúk Németország (Baden-Württemberg)

47 0 5 km Földhőszivattyúk Svédországban (Göteborg)

48 Aföldhőszivattyús rendszerek rohamosan fejlődnek. Az EU-ban egyes országok már régóta, míg mások csak nemrég kezdtek felcsatlakozni ban több mint berendezés működött, 7,2 GWh teljesítménnyel. Ország Svédország Németország Franciaország Ausztria Finnország Észtország n.a Csehország n.a Belgium n.a. n.a Lengyelország n.a. n.a Szlovénia n.a Magyarország n.a. n.a Összesen: Svájc

49 A jövő zenéje : az EGS rendszer Az EGS (Enhanced Geothermal System) rendszer lényege elvben egyszerű: nagyobb, néhány kilométeres mélységben, ahol a kőzethőmérséklet eléri a 200 C-t, egy repedésrendszert kell kialakítani hőcserélőnek. A kiemelt hőenergia közvetlenül (pl. távfűtésre) és/vagy áramfejlesztésre használható. Annak ellenére, hogy még sok részletkérdés tisztázandó, Ausztráliában egy igazi EGS láz tört ki. Ott 33, részben már a tőzsdén szereplő társulat dolgozik 150 koncessziós területen, 650 millió US $-t meghaladó tőkebevetéssel (Beardsmore, 2007). Erőművek egész sora van tervbe véve, beindulásuk egy-két éven belül várható. Németországban és Franciaországban is épülnek jelenleg EGS-alapú erőművek.

50 EGS rendszer váza, kapcsolt áram- / hőtermelésre ~200 C A fő komponens: egy elágazó, áteresztőképes repedésrendszer, több km mélységben, elegendő hőcserélő felülettel

51 Ausztrál geotermikus viszonyok C 5km mélyen Temperature Resource Map of M. Somerville, D. Wyborn, P Chpora, S. Rahman, D. Estrella and T. Van der Meulen from Geotherm93 database.

52 EGS fejlesztés Ausztráli liában Geothermal Licences Geothermal Licence Applications Planned Acreage release for bids

53 Köszönöm m a figyelmet!