FÖLDALATTI BÁNYATÉRSÉGEK, ALAGUTAK GEOTERMIKUS HASZNOSÍTHATÓSÁGÁNAK LEHETŐSÉGEI Prof. Dr. Bobok Elemér Dr. Tóth Anikó Nóra PhD Magyar Mérnöki Kamara Szilárdásvány Bányászati Tagozat Miskolc, 2011. október
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. 1862-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
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. 1878- 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 25-30 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
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: 1088 100% 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
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
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
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
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
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
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 500 000 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 2 2 2 t k T T T = + + 2 2 2 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
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
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 0 0 0 = H 0 e hőmérséklet-eloszlást integráljuk, az E H1 ρc = k 2 δ 2 ( ) + 2 q Hh H h ( H δ ) 0 0 0 1 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
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 = 10000 m, képlet, képlet, c = 920 J/kg o C értékeket veszünk alapul, a kezdeti földtani készletre E H1 = 45 10 érték adódik. 23 J = 45 10 23 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-11 12345 m 2011 Katar Al Shaheen 12289 2008 Kola 12264 1994 Oklahoma Bertha Rogers 9583 1974 Németország KTB 9101 2010 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 H2 23 8 = 5,53 10 J = 5,53 10 PJ értéket kapott. A nem-lineáris hőmérséklet-eloszlást alapul véve BOBOK (1987) E H2 = 3,25 10 23 eredményre jutott. J = 3,25 10 8 PJ A teljes hozzáférhető földtani készletnek csupán egy viszonylag kis hányada lesz kitermelhető a belátható jövőben. Magyarországon a Tiszántúlon megismert 13
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 H3 23 8 = 0,855 10 J = 0,855 10 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 500-1000 md is lehet. Ezek a felsőpannon feküjében fekvő rezervoárok mintegy 40000 km 2 területen fejlődtek ki a DK-Alföldön, a Kisalföldön és a Dráva-süllyedékben. Vastagságuk 100-400 m között változik és igen nagy 14
számú fúrás harántolja őket. Mért hőmérséklet adataik is nagy számban állnak rendelkezésre. 0 0 50 100 150 200 250 300 T [ºC] 1000 2000 3000 Hód-I. Derecske-I. Hunya-I. 4000 5000 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
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 454.000 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 = 4,68 10 8 2 m N 16
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 = 4,68 10 8 3 10 5 = 1,44 10 2 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 = 4,68 10 8 20 10 5 = 9,36 10 2 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 110 80 R = = 0,300 110 10 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
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
Hozzáférhető geotermikus készlet Boldizsár 5,53 10 8 PJ Bobok 3,25 10 8 PJ Felhasználható geotermikus készlet Bobok 0,85 10 8 PJ Rezessy, Szanyi, Hámor 1,02 10 8 PJ Gazdaságosan kitermelhető készlet Bobok 4,54 10 5 PJ Liebe* 14,90 10 5 PJ Lorberer 3,43 10 5 PJ Rezessy, Szanyi, Hámor* 46,60 10 5 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
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 12 000 TWh/év potenciált ad meg elektromos energiatermelésre. Ez az érték az 1997 évi 44 TWh termeléssel egybevetve még óriási fejlődés lehetőségét prognosztizálja. 2020-ra 318 TWh éves termelést jósol, 58 GW beépített erőművi kapacitás mellett. A közvetlen hőhasznosításra felhasználható potenciál FRIDLEIFSSON szerint 600 000 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 22400 TWh/év értékre becsüli. A közvetlen hőhasznosítást két kategóriára bontva prognosztizálja. 20
Az alacsony hőmérsékletű < 150 o C készletekből > 1400 EJ/év (> 392000 TWh/év) a magasabb hőmérsékletűekből kevesebb 400 EJ/év (112000 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 140 10 24 J-ben adta meg. Ez 140 10 6 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