Bináris geotermikus erőművek technológiai fejlődése 1990 től napjainkig Koncz Ádám Kőolaj és Földgáz Intézet PhD hallgató Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet, Miskolc, Egyetemváros Kulcsszavak: bináris geotermikus erőmű, geotermikus energiatermelés, megújuló villamos energiatermelés Kivonat: A kettős közegű geotermikus erőművek jelentős térnyerése azok első ipari mértékű hasznosítása (1967. Oroszország) óta hosszú időn át váratott magára. Az utóbbi évek tendenciái azonban egyre nyilvánvalóbbá teszik a tényt, hogy áttörés következett be ezen a téren a 2000-es évek közepén. Az egyre kiforrottabb és mára már elérhető technológia, a magas olaj- és energiaárak mind-mind előrevetítik a bináris erőművek széleskörű elterjedését napjaink energiapiacán. A következőkben a bináris erőművek napjainkban is zajló technológiai fejlődését vizsgáljuk négy kiragadott, ám valamilyen szempontból jellemző példa alapján. Számbavesszük a hatásfok-értékek fejlődését, a piacon elérhető legújabb konstrukciókat. Jelen cikk célja rámutatni a geotermikus energiatermelés létjogosultságára, annak gazdaságilag is versenyképes mivoltára, továbbá a geotermikus energia hasznosítására alkalmazott technológiának a hulladékhő-hasznosításban is megvalósítható alkalmazására. 1. Bevezetés A bináris erőművek a legalacsonyabb hőmérsékletű hőforrást hasznosító villamos energiát előállító geotermikus erőművek. Nevük a másodlagos közeg energiájának hasznosításából ered. Első kísérleti megvalósításuk az 1967-ben üzembe helyezett Paratunka geotermális erőmű Oroszországban, ami 81 C-os hőforrást hasznosított. Elsősorban demonstratív, illetve tudományos szempontból volt fontos ennek az erőműnek a megalkotása. Teljesítménye természetesen az alsó kategóriájú erőművek közé predesztinálta, 750 kw-osra tervezték a rendszert, ám az üzemi tesztek alatt 684 kw volt a legnagyobb mért teljesítmény [3]. Az erőmű másodlagos közegként freont alkalmazott, természetesen az alacsony forráspont, mint legfőbb tulajdonság miatt. Az erőmű üzemeltetése során azonban komolyabb, 1
előre nem látott technológiai problémák láttak napvilágot, míg végül az energiatermelés a másodlagos kör kilyukadása miatt leállt, újraindítása pedig nem történt meg. A következő lépcső a bináris erőművek terjedésében a 80-as évek közepe volt, addig nem épült egyetlen újabb erőmű sem az orosz kísérleti berendezés után. A 80-as évek közepén azonban az USA-beli Ormat cég által gyártott 4x2,5 MW [1] egységek üzembe álltak Kaliforniában (az Ormat cég azóta is meghatározó szereplője a bináris geotermikus erőművek gyártói piacának). A kedvező üzemelési tapasztalatok után a 80-as évek végén több egységet helyeztek üzembe szerte a világban. A következő fontos eseményeket a 90-es évek végén tapasztalt nagy geotermikus fellendülés során tapasztalhattuk, 1997-ben a teljes üzembe helyezett kapacitás kb. 35-40%-át adták a bináris erőművek. Az ezredforduló újabb visszaesése után a 2000-es évek végén következett be a bináris erőművek elterjedésében döntőnek tűnő áttörés, 2009-ben az újonnan üzembe helyezett egységek kapacitása meghaladta a korábbi csúcsévét, az 1997-est. A manapság a világon üzemelő bináris geotermikus erőművek átlagos kapacitása 5 MW körül alakul, míg számuk az összes geotermikus erőművek számának kb. 44%-a [1]. A következőkben az újabb fellendülést és a nagyobb mérvű elterjedést lehetővé tevő technológiai fejlődést, azon belül is a hatásfok értékek változását és annak okait vizsgáljuk. 2. A bináris geotermikus erőművek működésének alapkérdései A bináris erőművek egyik alapvető előnye az egyszerűbb felépítésű (száraz gőz; nedves gőz) erőművekhez képest, hogy alacsonyabb entalpiájú források hasznosítására is alkalmasal, továbbá az esetlegesen agresszív termelt fluidum nem kell, hogy végighaladjon az egész technológián. Ez azt jelenti, hogy tulajdonképpen a termelőrendszeren, és egy hőcserélőn keresztül kell csak vezetni a termelt fluidumot, majd már sajtolható is vissza. Az alacsony entalpia miatt a termelt fluidum energiája közvetlenül nem hasznosítható, ezért valamilyen módon ezt az energiát számunkra hasznosítható formába kell átalakítani. Ez az átalakítás, és a tényleges energiatermelés zajlik le a bináris geotermikus erőművekben. A kettősközegű geotermikus erőművek termodinamikai körfolyamat segítségével üzemelő hőerőgépek. Hasonló termodinamikai körfolyamattal találkozhatunk bármely villamos erőműnél, amelynél valamilyen módon fűtött energia-közvetítő közeget vezetünk egy turbinára, ahol annak nyomási- és hőenergiája mechanikai energiává alakul, amit pedig a villamos generátor alakít tovább villamos energiává. A bináris geotermikus erőművek esetében az energia forrásául szolgáló kibányászott hőmennyiséget egy alacsony forráspontú közvetítő közegnek adja át a formációból származó fluidum, majd a közvetítő közeg végzi a tulajdonképpeni munkavégzést. Egy bináris erőmű jellemző felépítése látható az 1-es ábrán. 2
1. ábra Bináris erőmű felépítése (http://www.geothermal-energy.org/314,what_is_geothermal_energy.html alapján) Az ábrán a főbb szerkezeti elemek számmal vannak jelölve. Mivel a forrás oldalon 1: termelő kút; 2: visszasajtoló kút előálló adottságokat elfogadottnak kell tekintenünk (természetesen itt hőmérséklet-értékre, nyomásértékre gondolunk, hiszen a tömegáram a felhasználótól is jelentősen függ a kutak számának módosítása révén), továbbá a villamos energia előállítása szinkron generátorok alkalmazása révén kiforrott technológia, ezért a rendszer összhatásfoka - és a technológiai fejlődés - elsősorban a termodinamikai rendszer hatásfokán, továbbá a termelési módok változtatásában keresendő. A bináris erőművekben lezajló termodinamikai körfolyamat vizsgálatát a 2-es ábrán látható T-S diagramon célszerű elvégezni. Egy termodinamikai körfolyamat során nyerhető energia a diagramon a görbék által bezárt területtel arányos. 2. ábra Chena Hotsprings geotermikus erőmű T-S diagramja (forrás: [4.]) 3
A 2-es ábrán a Chena Hotsprings-i erőmű a gyakorlatban is működő diagramját ábrázoljuk. Az 1-es pontból kiindulva az óramutató járása szerint a következő folyamatok zajlanak le. 1-es és 2-es pont között történik a turbinában a tulajdonképpeni munkavégzés. Látható, hogy a kis mértékben túlhevített gőz hőmérséklete lecsökken, miközben kifejti munkavégző képességét. A 2-3 pontok között a kondenzátorban a még gőz állapotú munkavégző közeg lecsapatása megy végbe, ennél a folyamatnál a hűtővizes kör közege és a munkavégző közeg hőcserélőn keresztül lép egymással kapcsolatba. Látható, hogy miközben lecsökken a munkavégző közeg entrópiája, buborékponti állapotba kerül. A 3-4 pontok között a munkavégző közeg nyomási energiáját növeljük meg a rendszerben található szivattyúval. A 4-1 pontok között a munkavégző közeg párolgása során hőt von el geotermikus forrástól, amit aztán újra a turbinába kerülve ad le mechanikai energia formájában. Az ábrán jelöltük még a hűtővíz és a rétegfluidum állapotának változását a körfolyamat során. A rétegfluidum 73 C-os a körfolyamatba belépéskor, ami a világon a legalacsonyabb hőmérsékletű, villamos energiatermelésre hasznosított geotermikus forrás. A fáradt fluidum a kilépő oldalon 54 C-ra hűl le. A hűtővíz esetében kisebb mértékű a hőmérséklet-változás. A teljes rendszer hatásfoka növelhető ideális munkaközeg kiválasztásával, a turbina előtt- és után előálló minél nagyobb nyomáskülönbséggel, megfelelő kondenzációval, tökéletes hatásfokú hőcserélők alkalmazásával, csökkentett szivattyúzási teljesítménnyel. 3. Néhány üzemelő bináris erőmű 1990 től napjainkig Az alábbi fejezetben négy manapság is üzemelő erőmű tulajdonságait mutatom be röviden. Az erőművek kiválasztásában a magyarországi viszonyokhoz hasonló körülmények között üzemelő egységek felkutatása volt a fő cél. Bekerült a válogatásba egy nagyobb teljesítményű, ám hazai viszonylatban is elképzelhető paraméterekkel rendelkező erőmű is. Mind a négy erőmű más-más technológiai és teljesítményszintet képvisel. Főbb tulajdonságaikat a következő táblázatban foglaltuk össze. Üzemkezdet Termikus körfolyamat T forrás [ C] T vissza [ C] Altheim 2000. ORC 106 70 Heber - 2 1993 kétlépcsős ORC 165 68 Unterhaching 2007. Kalina 122 60 Chena 2006. ORC 73 54 Q 81,7 [kg/s] 6 x 126 [kg/s] 150 [l/s] 2 x 33,4 [l/s] P th [MW] P el [MW] η termikus [%] 16 1 6,36 6 x 51,1 6 x 5,5 10,5 38 3,36 8,73 2x2,58 2x0,2 8,2 4
3.1 Heber 2 geotermikus erőmű (Kalifornia, USA) A geotermikus energiatermelés egyik úttörő területén Kaliforniában - a bináris erőművek nagy múltra tekintenek vissza. Az egyik ilyen első próbálkozás, a még kísérleti jelleggel megépített Heber geotermikus erőmű volt, 1985-ben. Impozáns méretekkel, bináris technológiával, stabil hőforrással rendelkezett. Ez a kísérleti próbálkozás azonban az akkor még gyerekcipőben járó technológia számos hiányosságát felvetette. Megépítették az akkoriban még a világ legnagyobbjának számító szénhidrogén-közegű turbináját, és összességében 46,6 [MW] névleges teljesítményű erőművet készítettek. A berendezéssel hamarabb elkészültek, mint a kutak lefúrásával, és ezzel megkezdődött a problémák véget nem érő sorozata. Az erőmű üzemelésének első 2 évében sorozatos hibák derültek ki (vibráció miatti meghibásodások, rossz szelepek, nem záró szerelvények, stb.). A járulékos hőveszteségeket alulméretezték, pl. a turbina 50%-os terhelése mellett már maximális volt a hűtőkör terhelése. Üzemelése során a maximális teljesítménye egyszer elérte a 21 [MW]-ot, ám két év után a sorozatos hibák miatt az erőművet végleg leállították. A területi adottságok azonban adottak maradtak az energiatermeléshez, a kutak is rendelkezésre álltak. Ezért néhány évvel később, 1993-as indulással elkészült a Heber-2 erőmű. Okulva az első sikertelen próbálkozásból, itt már nem gigászi méretekben, hanem bevált technológiában gondolkodtak. Az erőmű portábilis, az Ormat cég által gyártott egységekből épül fel. Névleges teljesítménye 33 [MW] lett, amit 6 db kétlépcsős ORC egység, összesen 12 turbina biztosít. Egy-egy egység 5,5 [MW] elektromos teljesítménnyel rendelkezik, ahogy a fenti táblázatból is látható. Hatásfoka magasabb a továbbiakban taglalt erőműveknél, ám ennek az oka kézenfekvő: lényegesen magasabb a forrás hőmérséklete, izobután alkalmazható másodlagos közegként. A lényegesen magasabb hőmérséklet miatt a hőelvonás két lépcsőben történik egységenként, míg a további, alacsonyabb hőmérsékletű egységeknél ez a folyamat egy lépcsőben valósul meg, lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten. A Heber-2 esetében az egységeknél az első turbina hasznosítja az egységre eső hőenergia kb. 56,25 %-át, míg a második lépcső a maradék 43,75%-ot. Ha a hatásfok értéket csak az első lépcsőre vonatkoztatjuk, akkor a termikus hatásfok csupán 5,9 %, és ezt az értéket szabad a továbbiakban vizsgáltakkal összehasonlítani. Az elmúlt évek során az erőmű működése stabil volt, működésének első 6 évében a rendelkezésre állási ideje 99%, ami kimagasló a villamos energiát termelő erőművek sorában, mindezt pedig 90% feletti terheltségi értékek mellett. Ebben közrejátszik a portábilis felépítés, az Ormat cég által sorozatban gyártott alapanyagok miatt. A Heber-2 geotermikus erőmű magyar szempontból érdekes lehet, hiszen hasonló adottságokkal rendelkező geotermikus mező hazánkban is található. 5
3.2 Altheim geotermikus erőmű (Ausztria) Altheim Felső-Ausztriában az Inn folyóhoz és a német határhoz közel található. A községben már 1989 óta hasznosítják a geotermikus energiát, eleinte egy termelő kút használatával a település távfűtőrendszerét építették ki. Később a közösség elhatározta, hogy fúrnak még egy visszasajtoló kutat, és a geotermikus energiát villamos energia termelésére is hasznosítani fogják. A visszasajtoló kút fúrása meglehetősen problémásan, de elkészült 1998 augusztusában, majd az erőmű tesztüzeme 2000 decemberében kezdődött ez volt az első bináris üzemű geotermikus erőmű Európában. Az erőmű főbb adatait az 1. táblázat Altheimra vonatkozó része tartalmazza. A táblázatból látható, hogy a forrás hőmérséklete viszonylag alacsony, ám a csupán egy termelő kút ellenére is jelentős tömegáramú forrás 1 [MW] villamos kapacitású erőműegységet hajt meg. A termikus hatásfok nem magas, ám tekintve a projekt úttörő jellegét, és figyelembe véve a remek szerződést, amit a község kötött az energia értékesítésére, már ezzel az értékkel is rentábilis a beruházás. Az erőmű ORC (Organic Rankine Cycle) termikus körfolyamatot alkalmaz. Ez azt jelenti, hogy a munkavégző közeg nagy molekulatömeggel rendelkező szerves vegyület. Legfőbb tulajdonsága az alacsony forráspont. A projekt teljes költségvetése kb. 5 millió EUR volt, amiből maga az erőmű csak kb. 1,5 millió EUR. 3.3 Chena geotermikus erőmű (Alaszka, USA) Chena Alaszka szívében található kisváros, mely gyakorlatilag a külvilágtól elzárva éli mindennapjait. Ez megmutatkozik abban is, hogy nem kapcsolódik országos villamos-energia hálózatra, vagyis ezen a téren önfenntartó a település. Korábban hagyományos tüzelésű erőművel termeltek villamos energiát, ám 2000 körül úgy döntött a közösség, hogy áttérnek a geotermikus forrásra. E téren azonban nem a legkedvezőbbek az adottságai, ugyanis a területén található kutak alacsony hőmérsékletű (73,3 C) fluidumot szolgáltatnak. Korábban ilyen alacsony hőmérsékletű forrást hasznosítva még sehol sem termeltek villamos energiát. A közösség egy amerikai óriáscéggel, a UTC Power-rel kötött szerződést, akik vállalták az erőmű megépítését. A kifejlesztett technológiát azóta is árusítják, az interneten jelentős mennyiségű prospektus érhető el róla. Az erőmű bináris erőmű, két, egyenként 200kW-os egységet foglal magában. A teljes kivitelezés a gyártó üzemében készült, a terepre gyakorlatilag a teljesen összeszerelt, üzemkész egységet telepítették. Maga az erőmű igazi sikertörténet, a korábbi 30 cent/kwh villamos energiaköltséget csökkentette 5 cent/kwh-ra. Ez pedig nem csekély költségmegtakarítást jelent, és jó válasz a projektet végig kétkedve fogadó fanyalgók számára. Az erőmű elkészülése óta a rendelkezésre állási ideje 95 %, ami kimagasló érték. Az erőmű termikus hatásfoka 8,2 %, ami mivel gyakorlatilag prototípusról van szó, jónak 6
mondható, és a növekedés is szembetűnő az előző erőműhöz képest (több mint 20 %). Maga a tény, hogy sikerült ilyen alacsony hőmérsékletű forrást hasznosítani jelentős fegyvertény a gyártó részéről. A technológiát a gyártó komplett egységként képes szállítani, akár bármilyen jellegű hulladékhő hasznosítására is. A projekt bekerülési költsége kb. 2 millió $ volt. 7
3.4 Unterhaching geotermikus erőmű (Németország) Unterhaching Bajorország szívében, München mellett található, 25 000 fő körüli kisváros. A településen több gyár, közületi üzem működik, amik a helyi távfűtőműhöz kapcsolódnak, amit szintén a geotermikus forrás táplál. A villamos erőmű és a távfűtőmű párhuzamosan kapcsolva üzemel, extra hideg téli napokban egy csúcsfűtőmű is rendelkezésre áll. A termelt fluidum-áram irányítható vagy a távfűtés -, vagy a villamos energia-termelés biztosítására, vagy a kettőnek valamilyen arányos kiszolgálására. A geotermikus fúrások 2004-ben kezdődtek, az első kút lefúrása során számos problémával szembesültek (fúrócsőlyukadás, megszorulás miatti kiferdítés), a lyuk lemélyítése után a következőt egy másik vállalkozóval fúratták, épp emiatt csúszott is a kivitelezés. A második kút 2007 januárjában készült el. Az egyik termelő - míg a másik visszasajtoló kútként üzemel, 122 C hőmérsékletű fluidum hasznosítható belőlük 150 [l/s] térfogatáram mellett. Az erőmű másodlagos közegként Kalina-folyadékot alkalmaz, tehát a termodinamikai körfolyamata is a Kalina-körfolyamat. Kalina orosz tudós a 80-as közepén fejlesztette ki saját másodlagos közeg koncepcióját, végül pedig azt javasolta, hogy másodlagos közegként ne vegytiszta folyadékot alkalmazzanak, hanem valamilyen elegyet. Ez az elegy pedig ammónia és víz valamilyen arányú keveréke. A keverék legfőbb tulajdonsága, hogy desztillációval ne lehessen szétválasztani az elemeket, ugyanis ez a körfolyamat folyamán az egyik anyag feldúsulását okozná a hőcserélő után. A keverék előnye a hagyományos közegekhez képest, hogy nem egy adott hőmérsékleten forr el, hanem az adott keverékű elegynek megfelelő hőmérsékleten. A Kalina-ciklus a hagyományos ORC ciklushoz képest 20-25%-nyi hatásfokjavulást eredményez Kalina szerint, ám ez csak a termikus körfolyamat hatásfokára vonatkozik, nem az egész rendszerre. Az Unterhachingban üzemelő egységet a Siemens tervezte és gyártotta, 3,4 [MW] elektromos teljesítménnyel bír. További adatai az 1-es táblázatban. A hatásfoka a legjobb a vizsgált erőművek közül, köszönhetően a Kalinaciklusnak, és a vizsgált kiserőművek közül a legmagasabb forrás hőmérsékletének. Azonban a technológia használhatóságát és elérhetőségét nagyon jól demonstrálja. Az erőmű költségvetése kb. 16 millió EUR, míg a teljes távfűtő-hálózat és a geotermikus projekt 90 millió EUR. 4. Összefoglalás A vizsgált geotermikus erőművek jól reprezentálják az elmúlt 20 év technológiai fejlődését. A termikus hatásfok értékek tendenciózus javulása szembetűnő. Az elmúlt 20 évben a 6% (ORC) körüli értékről sikerült feljavítani az új erőművek hatásfokát 9% (Kalina) körüli értékekre, mindezt úgy, hogy egyre alacsonyabb hőmérsékletű források is hasznosíthatóak. Az IEA (International Energy Agency iea.org) a következő 15 évre további 8
10%-os fejlődést prognosztizál, tehát a cél 2025-re 19-20% hatásfokú erőművek elérése. A cikkben megvizsgált villamosenergia-termelő egységek hazai elterjedéséhez minden adottság rendelkezésre áll, és mint a demonstrált példák is mutatják, érdemes a megújuló energiák irányába lépéseket tenni az energiapolitika terén. 5. Irodalomjegyzék: 1. Ruggero Bertani: Geothermal power generation in the world 2005-2010 update report; World Geothermal Congress 2010., Bali, Indonesia 2. John W. Lund: 100 years of geothermal power production; Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology) 3. L.A. Ogurechnikov, Ju.M.Petin: Experience of development and operation of Paratunka geothermal power plant 4. Chena Power LLC: Final Project Report: 400kW Geothermal Power Plant at Chena Hot Springs, Alaska 5. Gerhard Pernecker, Stephan Uhlig: The Altheim project, Upper Austria 6. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Geothermie- Projekt Unterhaching Projektsbrief 7. Erwin Knapek, Gerlinde Kittl: Unterhaching power plant and overall system 8. https://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_home.html 9. Ronald DiPippo: Geothermal Power Plants - Principles, Applications and Case Studies, Elsevier, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, 2005. 9