A GEOTERMIKUS ENERGIA GLOBÁLIS HELYZETE ÉS KILÁTÁSAI Geothermal energy global status and prospects Rybach László/Ladislaus Institute of Geophysics ETHZ, CH-8092 Zurich, Switzerland; rybach@ig.erdw.ethz.ch Abstract Geothermal energy is one of the contributors to any future energy mix. The advantages of geothermal energy are numerous: great, still only marginally developed potential, available around the clock (=provides base-load power), ubiquitous, indigenous, environmentally friendly, economically rewarding energy. Its two main utilization categories -power generation and direct use- are already introduced in many countries around the globe; further, expanding distribution is possible and should be increasingly enforced. Direct use is now mainly based on shallow (<400 m) resources and is realized by geothermal heat pump systems. They exhibit global growth of 20% per year. Although geothermal energy is well positioned within the renewables (in 2008 geothermal power production exceeded more than three times that of solar photovoltaics), current growth is only steady but rather slow. While wind and solar PV show nearly exponential growth (several 10% annually), geothermal power develops only by a few % per year, so far provided by hydrothermal resources, located in special geological settings. The universally deployable Enhanced Geothermal Systems (EGS) technology could speed up geothermal growth, although substantial R&D efforts are needed to solve still open problems. Possible approaches are outlined. Kulcsszavak: áramfejlesztés, növekedési tendenciák, földhőszivattyuk, mesterséges rendszerek, kilátások Keywords: power generation, growth trends, geothermal heat pumps, EGS, future prospects Bevezetés A geotermikus energia alapja a Föld belsejének hőtartalma; hasznosítása két főformában érvényesül: áramfejlesztés és direkt hőfelhasználás. Az utóbbinak több változata van, pl. távfütés, vagy ipari és mezőgazdasági alkalmazások. Mindezek már világszerte folynak, s ennek megfelelően van elég tapasztalat. A geotermia előnyei sokfélék: igen jelentős, de még csak kezdetileg kiaknázott potenciállal rendelkezik, időben állandóan szolgáltat, elvileg mindütt előfordul, környezetbarát, sokhelyen már gazdaságos. Egy nivós forrás szerint (World Energy Assessment WEA a joint effort of UNDP, UNDESA and World Energy Council WEC) a geotermia rendelkezik a legnagyobb megújuló potenciállal (1. táblázat):
1. táblázat: Megújuló energia potenciálok (WEA 2000) Table 1. Potential of renewable energy sources (WEA 2000) Energy source Geothermal 5000 Solar 1575 Wind 640 Biomass 276 Hydro 50 Total 7541 Capacity (EJ/yr) A számadatok dimenziója teljesitmény, azazhogy időegységnyi energia. Nyilvánvaló, hogy a geotermikus potenciál a legnagyobb, amely eddig még alig lett kiaknázva. Növekedési tendenciák Az 1. ábra a globális geotermikus áramfejlesztés fejlődését ábrázolja, a 2. ábra pedig egy összehasonlítást napelemekkel. 2013-ban a geotermikus áramfejlesztés világszerte 76 TWh volt (REN21 2014). 1. ábra: A világszerte beépitett geotermikus erőmű-teljesitmény fejlődése 2000 és 2014 között. Forrás: Geothermal Energy Association (2014). Figure 1. Growth of world-wide geothermal power capacity from 2000 to 2014. Source: Geothermal Energy Association (2014).
2. ábra: a napelemek fejlődése (beépitett teljesitmény) 2008 óta egyre inkább leelőzi a geotermikus fejlődèst. A geotermia szaggatott vonala az 1. ábra alapján. A napelemadatok forrása: REN21 (2014). Figure 2. Global growth of photovoltaicpower overtakes geothermal power growth since 2008. The geothermal red dashed line is from Figure 1, the PV data are from REN21 (2014). Nyilvánvaló, hogy a geotermikus áramfejlesztés egyre inkább lemarad. Ugyanez a helyzet a szélenergiával összehasonlitva is. 2013-ban a világszerte beépitett szélenergia teljesítmény elért 320 GWe-t. Bár a geotermikus erőművek évente (világviszonylatban) sokkal több óránkint termelnek áramot mint a szél- és napelem-erőművek, 2011 óta már a világszerti napelemek is többet termelnek évente, a szélerőművekről nem is beszélve. Tehát valamiképpen fel kellene gyorsitani a geotermikus áramfejlesztést. De hogyan? Ez az alábbiakban lesz részletezve. Hogyan lehetne a geotermikus áramfejlesztés kiépitését felgyorsítani? Manapságig a geoelektromos erőművek 99.99%-a az ú.n. hydrotermális készletekre alapszik. Egy hydrotermális készlet azt jelenti, hogy egy adott területen a mélyben geotermális fuidumok (termálvíz, gőz vagy viz/gőz kerevék) vannak jelen, gazdaságilag érdekes mennyiségben. Az ilyen előfordulásokhoz különleges, aránylag csak ritkán található geológiai adottságok szükségesek, mint pl. vulkánikus területek permeabilis kőzetei, üledékes medencék termálviz-tartói, stb. Azazhogy ezek aligha fognak nagyságrendi növekedést hozni a geotermikus erőművek kiépitésében. Viszont az ú.n. petrotermális készletek, melyek magas hőmérsékletü (>100 C), majdnem mindenütt valamilyen mélységben jelenlevő alapkőzeteket jenetenek, amik voltaképpen mindenütt megtalálhatók, óriási mennyiségben. Ezek szerint csak azt kell kidolgozni, hogy
hogyan lehet a mély földhőt a mély, forró kőzetekböl kitermelni. Ezt célozza az ú.n. EGS technológia (EGS= Enhanced Geothermal System), ami mesterséges hidrotermális viszonyokat próbál létrehozni. Ehhhez a mélybeni kőzet áteresztőképességét kell alaposan megnövelni. Ez hirdaulikus viznyomás-növeléssel mély furólyukakon keresztül történik, amiken a működtetés folyamán hidegviz lesz besajtolva, ami felmelegedve -a kőzet 150-200 fokos hőtartalmát kiaknázva- további termelőkutak által kerül a felszinre. Ezzel ott olyan erőművek meghajthatók, amik hidrotermális készleteknél már régóta eredményesen működnek. Tehát voltaképpen egy repedésrendszert kell helyenkint kialakitani jónéhány km mélységben (= stimuláció ), ami mint egy nagy hőcserélő működik. Mindez részletesen le van irva a világszerte ismert M.I.T. The Future of Geothermal Energy (2006) cimü tanulmány-kötetében. A tanulmány eredménye arra utal, hogy csak magában az USA-ban >200.000 EJ EGS hőenergia termelhető ki, ami az USA primérenergia-szükségletének 2.000-szerese. Mindez papiron szépen müködik. Eddig realiter azonban csak alig néhány szál EGS erőmű létezett, s eddig mindegyiknél volt valami probléma. Tehát van tennivaló! Az alábbi, 2. táblázat egy technikailag működésképes és gazdaságilag kielégitő EGS hőcserélő rendszer paramétereit mutatja. 2. táblázat: EGS höcserélö rezervoár szükséges paraméterei. Forrás: EGEC (2012) Table 2. Required properties for an EGS reservoir (from EGEC 2012) Fluid production rate 75 kg/s Fluid temperature at wellhead 200 C Total effective heat exchange surface 10 10 6 m 2 Rock volume 3 10 8 m 3 Flow impedance Thermal drawdown 10% Water loss <10% Capital interest rate 5% <0,1 MPa (kg/s) A fenti táblázat adatai egy kb. 5 MWe teljesitményü EGS létesitmény jellemzői. Ezek nemzetközileg elfogadott tényezők; a döntő kérdés az, hogy hogyan lehetne ezeket minden kivánt helyen realizálni, a helyi földalatti adottságoktól függetlenül. Vagyis a fő feladat egy olyan technológia kifejlesztése, amivel bárhol lehetne egy standard EGS hőcserélőt bármilyen altalajban létrehozni.
A megoldandó EGS kérdések A szükséges technológia kifejlesztéséhez még jónéhány feladat vár a kutatás/fejlesztés szakembereire: A több km mélységben kiépitendö EGS hőcserélő fent emlitett stimulációjánál több kőzetmechanikai kérdést kell tisztázni: a feszültségtér anizotrópiájának hatása és a feszültségváltozás terjedésének módja (gyors/ száraz, vagy lassu/ nedves különféle helyi viszonyok között) még ismeretlen; A stimuláció által létrejöhetö (de az erőmű-működés alatt is előállható) szeizmicitás korlátozása még megoldatlan, pedig a gerjesztett rezgések komoly ellenállást hivhatnak ki az érintett lakósságban az EGS technológiával szemben; A hőcserélő repedésrendszer nem csak néhány nagy, kiterjedt repedésböl álljon, hanem sok finoman elosztottból hogy ez hogyan elérhető mindenütt, az még tisztázatlan; Az egész tervezett hőcserélőn belüli folyadékmozgás egyöntetüsége még nem kialakitható; Eddig semilyen tapasztalat nincs még arról, hogy hogyan működik egy EGS hőcserélőhosszutávon. A hőkiemelés döntő jellemzője a ú.n. kinyerési tényező (a kiemelhető/ jelenlévő hőmennyiség hányadosa). Ez a tényező alaposan változhat egy EGS létesitmény működésének folyamán: egyrészt a vizáteresztőképesség megnőhet (pl. uj repedések állnak elő a kőzet lehüléséből vagy egyes ásványok feloldódásábol kifolyólag), másrészt lecsökkenhet (ásványlerakódások vagy hidraulikus rövidzárlatok miatt). Az EGS rendszerek kiépítésénél már megvan a kivánt telephely, azazhogy nem kell alkalmas furóhelyket kereseni. Ezzel szemben fel kell deriteni a helyi viszonyokat: a mélybeli alapkőzettipus (mészkő? gránit? gneissz? pala?...), a feszültégtér komponesei, a hőméseklet-tér mérvadói, a már létező repedésrendszer mivolta, a természetes helyi szeizmicitás - mind meghatározandók. Többéves tapasztalat híján az EGS rendszerek gazdaságossága még teljesen tisztázatlan. Az elökészités (beleértve a helyi mélybeli viszonyok kideritését és a stimulációt), az eröműépités, és az üzemeltetés költségeiröl eddig mért adat nincs. Mindenesetre a gazdaságosság sokkal előnyösebb ha az erőművek hulladékhője helyileg alkalmazható, pl. távfütésre.
Az EGS erőmürendszerek felnagyitása középtávon elengedhetetlen (eddig csak néhány elektromos Megawatt teljesitény van megcélozva). Enélkül az EGS nem tesz nagy piaci benyomást. Legalább töb tiz megawattos erőművekre lenne szükég. Ilyen elképzelések már vannak, pl. Vörös et al. (2007) kidolgozott egy elméleti megoldást 24 besajtoló és 19 termelőkuttal, ami 200 MWe összteljesitményhez vezetne. De ezt persze jó lenne kipróbálni. Jelenleg az eddig legnagyobb geotermikus erőmű (hidrotermális készletre támadkozva) 140 MWe nagyságu (Taonga, Ujzéland). Ezek szerint az EGS jelenleg még csak a proof of concept stádiumban van.az EGS helyzet és problematika részletes leirása Rybach (2010)-ben található. Direkt hőfelhasználás A földből kinyert és globálisan alkamazott geotermikus hő 2013- ban 300 PJ volt (REN21 2014). Mint fent emlitve a felhasználás különféle módon és célra létesül. A magyar geotermikus viszonyok igencsak kedvezőek. Az ország világszerte élenjár a termálkutak felületi sürüségével: kb. 1,1termelő kút van 10 x10 kilométerenkint.a kiemelt vizmennyiség is jelentős, összesen kb. 70 millió köbméter évente. Jó lenne tudni, hogy ez a tempó meddig lesz fenntartható visszasajtolás nélkül. Ugyanis legtöbb helyen csak termelő kutak vannak. Egy másik, a geotermikus hő direkt felhasználásának jelentős varációja, a távfűtés. Ilyen rendszerek több országban működnek sikeresen; Izlandban pl. az épületek több mint 90%-a geotermikus fűtésü. A Párizsi medencében (magában a fővárosban is) több ú.n. dublett rendszer (=termelő és visszasajtoló kútpár) működik évtizedek óta, mindegyik többezer lakást ellátva. Az utóbbi időben több európiai országban tapasztalható fellendülés a geotermikus távfűtés területén (EGEC 2013). Pl. a Bajor Molasse Medencében különösen München térségében tucatnyi geotermikus telep épült vagy épül, gyakran kombinálva fűtésre és/ vagy áramfejlesztésre. A fejlesztő általában a helyi önkormányzat. Máshol is vannak ilyenirányú megmozdulások, mint pl. Dániában. Magyarországon is épültek mélyfurásosokra alapuló fütőrendszerek, egyrészt meződazgasági célokra (üvegházak), másrészt távfűtésre. Az utóbbiaknál eddig nem alkalmaztak gyakran visszasajtolást. Ujabban a PANNERGY cég (www.pannergy.com/geotermia/) fejleszt és épit sikeresen dublett rendszereket, pl. Szentlőrincen, Miskolcon és Győrött. Az utóbbit az AUDI Hungaria Motor Ltd. cég számára.
A globális direkt hőhasználás legnagyobb részét (>50%) a földhőszivattyus rendszerek alkotják. Ez egy aránylag új technológia, amely mindenféle épületek hűtését és fűtését biztositja. Sőt még a háztartási melegvizet is. Erről részletek, a rendszerek hosszútávon fenntartható működésének elemzése, stb. a Rybach and Eugster (2010) cikkben olvashatók. A földhőszivattyus rendszer világszerte a leggyorsabban fejlődő megújuló technológiák közé tartozik; növekedése világszerte kb. 20% évente (3. ábra). Földhőszivattyus rendszerek létesithetők a geologiai adottságoktol majdnem függentlenül, mert energia-alapjuk (és tártolójuk) a földkéreg legteteje. Várható, hogy fejlődésük és elterjedésük továbbra is jelentős marad; sok ország csak most kezdi ezt a technológiát bevezetni. 3.ábra: a földhőszivattyuk globális teljesitménye exponenciálisan növekszik, évi 20%-al. Figure 3: the global thermal power of geothermal heat pump systems increases exponentially, with 20% per year. Data from Lund et al. (2010).
Összefoglalás, kitekintés A geotermia előnyei sokfélék: igen jelentős, de még csak kezdetileg kiaknázott potenciállal rendelkezik, időben állandóan szolgáltat, elvileg mindütt előfordul, környezetbarát, sokhelyen már gazdaságos. A geotermikus energiaforrások is részesedni fognak minden jövőbeli energiaellátásban. A geotermikus áramfejlesztés jódarabig jelentős volt a megújolók mezőnyében; 2011 óta a nepelemek azonban már több áramot termelnek világszerte mint a geotermika. Az EGS rendszerekkel fel lehetne gyorsitani a geotermikus erőművek terjedését, de ehhez még jelentős kutatási/fejlesztési erőfeszitések szükségesek. A direkt hőhasználat fő komponense a földhőszivattyukra alapszik; ez a technológia nemzetközileg terjed, jelenleg évi 20% növekedéssel. A geotermikus távfűtés egy további jövőbeli kilátásos technológia, amihez szükséges a visszasajtolás, hogy az üzemeltetés fenntarthatósága biztositva legyen. Ha globálisan (egyenlőre) nem is, lokálisan viszont igéretes lehet a mély geotermia. A magyar földtani adottságok majdnem hogy elkötelezően kedvezőek a geotermia hazai tovább-fejlesztésére. Irodalom EGEC 2012: Strategic Research Priorities for Geothermal Technology, 65 p., RHC-Platform, Brussels EGEC 2013: EGEC Geothermal Market Report 2013/2014, 69 p, Brussels GEA 2014: 2014 Annual U.S & Global Geothermal Power Production Report, Geothermal Energy Association, 25 p., Washington D.C. Lund, J.W., Freeston, D.H., Boyd, T.L. 2010: Direct Utilization of Geothermal Energy 2010 Worldwide Review. In: Proceedings World Geothermal Congress 2010, Nusa Dua/Bali, Indonesia M.I.T. 2006: Tester et al.: The Future of Geothermal Energy Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century, MIT Massachusetts Institute of Technology, 358 p., Cambridge, MA. REN21 2014: Renewables 2014 Global Status Report, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century, 215 p., Paris Rybach, L. 2010: The Future of Geothermal Energy and its challenges. In: Proceedings World Geothermal Congress 2010, Nusa Dua/Bali, Indonesia Rybach, L., Eugster, W.J. 2010: Sustainability aspects of geothermal heat
pump operation, with experience from Switzerland.Geothermics, 39, 365-369. Vörös, R., Weidler, R., de Graaf, L. and Wyborn, D. 2007: Thermal modelling of long term circulation of multi-well development at the Cooper basin hot fractured rock (HFR) project and current proposed scale-up program, Thirty-Second Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, CA. WEA 2000: World Energy Assessment Report: Energy and the Challenge of Sustainability. United Nations Development Programme, 502 p. New York, NY.