Környezeti hő
Európai Parlament és a Tanács 2009/28/EK IRÁNYELVE 2. cikk geotermikus energia: a szilárd talaj felszíne alatt hő formájában található energia; Sekély mélységű (20-400 m) Nagy mélységű hidrotermikus energia: a felszíni vizekben hő formájában tárolt energia; légtermikus energia: hő formájában a környezeti levegőben tárolt energia;
Geotermia
Földhő eredetű energia hasznosításával kapcsolatos szakkifejezések Természetes felszín alatti vízkészlet: A hézagokat kitöltő víz a mozgásállapottól függetlenül; dinamikus vízkészlet: A természetes felszína alatti vízkészlet azon része amelyik a hidrológiai körfolyamatban részt vesz; statikus vízkészlet: A természetes felszín alatti vízkészlet azon része amelyik a hidrológiai körfolyamatban nem vesz részt; Gazdaságosan hasznosítható készlet: az a vízhozam amelynek kitermelése következtében a hatásterületen fellépő károk kisebbek, mint a vízhasznosítás anyagi előnye.
Elméleti alapok 1. - hőáram A geotermikus energia a Föld belsejének hőenergiája, amelynek forrása a radioaktív izotópok bomlása: a mag melegebb 4000 C-nál; a földbelső 99%-a melegebb 1000 C-nál; a hő a felszín felé áramlik hőáram[sűrűség]: 1 m 2 -en jelentkező hőteljesítmény = 70-90 mw/m 2 ez olyan csekély mennyiség, amit nem érdemes hasznosítani még szerencse, hogy a NAP is melegít, így alakulhatott ki a hőszivattyúzás, ami ezért sokkal inkább tartozik a napenergia-hasznosításhoz. Időjárástól függetlenül rendelkezésre áll;
93 000 km 2 felszínen a hőáram 8370 MW hőteljesítményt jelent. Így e hőáram által szállított éves hőmennyiség 264 PJ.
Elméleti alapok 2.- mélyben tárolt hő Geotermikus gradiens 3 C/100 m (Magyarország alatt 4,5-5 C/100 m) Kőzethőmérsékletünk 1000 m-en 60 C, 2000 m-en 110 C A mélységgel a nyomás is növekszik: pórusok, repedések Ø Természetes geotermikus rezervoár: A mélyben természetesen előforduló meleg víz Mesterséges földhő-rendszer (Enhanced Geothermal System EGS): hidegvíz-besajtolással megnövelik a repedésrendszert, így a vízvezető-képességet egyik típusa a Forró Száraz Kőzet (Hot Dry Rock) technológia
Hot Dry Rock Igen nagy mélységben (2-5 km); 150 C visszatérő vízhőmérséklet fölött gazdaságos, amikor lehetőség van kogenerációra; 20 éves élettartam során a közeli kőzetrétegek visszahűlnek és csak 100 éves pihentetés után használhatók megint;
Hatásfok (%) Éves növekedési ütem (%/év) A technológia várható maximális költségcsökkenése (%) Víz -20-70 2 20 Geotermia 45-90 3 20 Szél 20-40 30 30 PV 8-20 30 80-85 Kombinált termálelektromos 20-35 5 60 Ár-apály 20-30 0 0 Biomassza 25-80 3 30
A geotermikus energia ajánlott felhasználási területei, ill. komplex hasznosítása Lindaldiagramm Az eddig feltárt legnagyobb hőmérsékletű területek: Milos (Görögo) 310 C, Salton Sea (AEÁ) 360 C, Cerro Prieto (Mex.) 388 C.
Geotermikus közvetlen hőhasznosítás
Geotermikus távfűtés Európában - rendszerek száma 216 rendszer - 4900 MW th
Geotermikus távfűtési rendszerek beépített kapacitása európai országokban 2014-ben (MW th ) (ANGELINO, L. et al. 2014)
Geotermikus fűtés esetén nincsen szükség a környezetterhelő sózásra
Visszasajtolás = fenntarthatóság avagy ténylegesen megújuló-e? Jogszabály: EU Víz Keretirányelv: csak a zárt rendszerben használt vizeket engedi visszasajtolni fürdővizeknél például tilos. Előnyei: Fenntartja a rétegenergiát Nem károsítja a talaj és a vizek minőségét és az ökoszisztémát (Nincs szennyvízbírság és vízkészlet járulék) Hátrányai: Beruházási, üzemeltetési költségek Kihívások: Törmelékes (porózus) kőzetekbe (pl. homokkő) nehézkes, kevés a referencia
A Magyar Geotermális Egyesület (MGtE) szervezett szakmai konferenciát 2011. május 3- án, amelynek témája a termálvíz kötelező visszasajtolása elleni tiltakozás volt. Megoldhatatlan feladat visszasajtolni a földbe a többek közt fóliasátrak, üvegházak fűtésére felhasznált és lehűlt termálvizet - írta szentesi gazdálkodókra és szakemberekre hivatkozva a Magyar Nemzet. (2011. 05. 05.)
A Nemzeti Fejlesztési Minisztérium álláspontja
2013.03.27. A Kormány döntött arról, hogy 2025-ig meghosszabbítja az energiahasznosítás céljából kitermelt termálvíz visszasajtolási kötelezettségének felfüggesztését, és a javaslatot az Országgyűlés elé terjeszti.
Közvetett hasznosítás: Villamos energia 7-8 C/100 m geotermikus gradiens - főleg vulkáni területek (átlag: 3 C) A) Közvetlenül (ha magas a hőmérséklet és kedvező a gőz összetétele, pl. Larderello) B) Kétkörös (biner) rendszerben Elgőzöltetéses áramtermelés alacsony nyomáson gőzzé alakítják a feltörő forró vizet Segédközeges áramtermelés alacsony forráspontú anyagot (pl. izobután, ammónia-víz keverék) melegítenek
Nyomáscsökkentő tartály Forró víz (nagy nyomás okán Dry steam station Flash steam station
Kétkörös rendszer
Larderello Az áram termelése 1904-ben indult meg a világon elsőként; 1913-ban induló üzemszerű használat: 250 kw p teljesítmény; Vízhőmérséklet 200 C! Kiaknázott terület: 250 km 2 Jelenlegi teljesítménye 600 MW, de 880 MW-ra szeretnék növelni.
(MW) (GWh)
2014. évi növekmény
Geotermia az áramtermelésben
Wairakei 2 km 2 -en 64 kút 30 km 2 -es területen 1 cm vízszintcsökkenés évente
Wairakei Új-Zéland Indítás: 1958 (világon első FLASH STEAM rendszer) Lezárás: 2013-tól fokozatosan Típus: Flash steam + binary cycle (2005 óta a kilépő alacsonyabb hőmérsékletű gőz hasznosítására) Kutak: 55 production; 6 reinjection; 50 monitoring Átlagos kútmélység: 300 m; max. kútmélység: 660 m Névleges teljesítmény: 175 MW Capacity factor: 89.0% Természetes hidrotermális rendszer. A kitermelés üteme lényegesen meghaladja a tároló vízutánpótlását, ezért a konszolidáció miatt felszíni süllyedések keletkeztek. Itt a felszín süllyedésének sebessége évente 0,45m.
Áramtermelés (2000-2010)
Izland (2011) 661 MW e 4,600 GWh 24.5% of the country's total electricity production. 90% households are heated with geothermal energy.
Nesjavellir PowerPlant 120 MWp + 1,1 m3/sec forró víz (82-85 C) space heating and hot water for the Capital Region, Greater Reykjavík.
Magyarországon a megújuló primer energia 10%-át adta (2004) 85% biomassza (tűzifa) ~10% geotermia A bányatörvény (1993. évi XLVIII. tv.) szerint a geotermikus energiát energetikai céllal kitermelőknek bányajáradék fizetési kötelezettségük van. A bányajáradék összege a kitermelt geotermális energia 2%-a. A bányatörvény végrehajtásáról szóló 203/1998. (XII. 19.) Korm. rendelet szerint nem kell bányajáradékot fizetnie annak, aki vízjogi engedély alapján a geotermális energiát gyógyászati, balneológiai vagy vízellátási alkalmazás mellett energetikai célra is hasznosítja.
Hazai hasznosítás 30% ivóvíz 35% fürdővíz 35% hőenergia Mindez összesen 3,6 PJ/év (2006) viszont 26-38 PJ a kitermelés, vagyis 90%-a elveszik!!!!! a 3,6 PJ a hazai primer energiafelhasználás mindössze 0,3%-a ; A 3,6 PJ a megújulón belül 6,6%; A teljes potenciál minimum 60 PJ
Szita K. 2009, Energoexpo Bólyi példa
Hévízkutak talpmélysége
Hőmérséklet 1000 méteres mélységben
5000 méteres mélység
Hévízkutak megoszlása a kifolyó víz hőmérséklete szerint Magyarországon (2000) Hőfok ( o C) Kutak száma Százalék (%) 30-39,9 581 42 40-49,9 283 20 50-59,9 132 11 60-69,9 121 10 70-79,9 70 7 80-89,9 50 5 90-99,9 48 5 100 < 3 0,4 Összesen 1289 100
A mértéktelen kitermelés (az egyre szaporodó fürdők) miatt: - csökken a felszín alatti vízkészlet, - az elengedett vizek szennyezik élővizeinket, - az elfolyások ki nem használt energiatartalmát elpazaroljuk.
Mezőgazdasági hasznosítás A szektorban működő termálkutak száma: ~200!! Kapacitás: 210 MW Energiafelhasználás: 1,9 PJ/év Növénytermesztésben 67 ha üvegház, 232 ha fóliasátor Állatartásban 52 helyszín (istálló, baromfikeltető, halastó)
Szentes- Árpád-Agrár Zrt a világ legnagyobb mezőgazdasági célú termálhő-hasznosítója!! - 65 MW Termálvízre alapozott kertészet (zöldségtermesztés, dísznövénytermesztés) két típusa alakult ki: üvegházi (30 ha) fóliasátras (30 ha). + 35.000 m2-en baromfitelepet, pulykaólakat, keltetőket is fűtenek, + Gabonaszárítást végeznek
Az energiaköltség 70%-kal csökkent
Magyarországon 17 geotermikus távfűtéses rendszer kapacitás: 120 MW Szita K. 2009; Bobok Tóth A. 2010 Kistelek Bóly
85-87 C SZEGED, FELSŐVÁROS II. GEOTERMIKUS ENERGIAELLÁTÁS HŐSÉMA
A legsikeresebb hazai projekt: HÓDMEZŐVÁSÁRHELY A sikeresen megoldott vízvisszasajtolás költségei ellenére a távfűtés költsége a gáztüzelésű távfűtéséhez képest 40%-kal kisebb.
Kistelek 2008. november Önkormányzati intézmények fűtésére 50-60 millió Ft/év helyett 15-20 millió Ft/év Beruházás: 500 millió Ft, ebből 300 m. pályázatból 1550 liter/perc 85 fokos víz 2095 méter mélyről érkezik a rendszerbe. A vizet tisztítják és gáztalanítják, így kerül a rendszerbe, és végül így sajtolják vissza a felső rétegekbe. A visszasajtoló 2,5 kilométerre van a településtől. A fűtött intézményekben teljesen tetszőleges hőmérsékletet választhatnak a fogyasztók, általában 22 fokot igényelnek.
Miskolc 2013. május Közép-Európa legnagyobb geotermikus fűtőművének átadása fűtési energiafelhasználás forrásoldalának változása
Problémák, nehézségek, kihívások
Nagyszerű adottságok a felhasználókhoz közel (Margit-sziget, Városliget [Széchenyi-fürdő])
Kiindulási probléma: Esettanulmány (Széchenyi fürdő) 6300 m 3 /nap, 32-42 C hőmérsékletű elfolyó (csurgalék-) víz - Ebből 5040 m3/nap 76 C + 14 db alacsonyabb hőmérsékletű kút - Legrosszabb esetben is 22 C-kal lehetne visszahűteni (10 C-ra) - Ez 6,8 MW hőteljesítmény! - 222,9 TJ/év (0,2 PJ/év) hő volna kinyerhető ebből az egyetlen rendszerből! - Ez jelenleg nem előnyként, de súlyos hőterhelésként jelentkezik! Megoldási javaslat: 1000 m távolságban minimum 8 nagyfogyasztó: BVSC uszoda; Éttermek (Gundel, Robinson); Múzeumok, Irodaházak (minimum 2 db)
A termálvíz minősége, kémiai összetétele a kút helyének, mélységének függvénye - de: egymáshoz közel mélyített kutak esetén is jelentősen eltérhetnek. ez határozza meg a termálvíz vízkőkiválási és korróziós tulajdonságait: az összes oldott sótartalom (kalcium- és magnézium sók - vízkő), a kationok, anionok mennyisége, minősége, a gáztartalom (metán, szén-dioxid), az egyensúlyi ph érték A lerakodások vegyszeradagolással előzhetők meg, utólag pedig savazással eltávolíthatók. A lerakodás mennyiségének, növekedési sebességének, helyének pontos ismerete lényeges a zavartalan üzemeltetéshez.
Üzemeltetés nehézségei A nagy CO 2 -tartalmú vizek (szénsav) megtámadják a fémeket, a kút csövezését, az egyéb szerelvényeket, a továbbító csöveket. Agresszív vizekkel érintkező szerelvényeknél lényeges azok anyagának helyes megválasztása. A metán-tartalom szeparálása a robbanásveszély elkerülése érdekében lényeges. Egyes vizek olyan sok metánt tartalmaznak, hogy az a termálvíz mellett további gazdaságos energiaforrást jelenthet.
A legnagyobb probléma az elhasznált víz elhelyezése Esetenként mérgező hatása is lehet. mérgező anyagok (pl. arzén) akár a vízi élőlények tömeges pusztulását is okozhatják; Még viszonylag kis koncentrációjú oldott anyagtól is lehet kellemetlen szag, elváltozhat a szín; ha a lehűtött termálvízzel halastavakat töltenek fel, már csekély fenol tartalom is kellemetlen ízűvé teszi a halak húsát. A talajban szikesedést idézhet elő; Hőszennyezés.
Hazai gondok a gyakorlatban egylépcsős a hasznosítás; a hasznosítás szezonális, gyakran nincs mérés alacsony hatásfok; gyakorlatilag nincs visszasajtolás
Jövő (?)
Reálisan elképzelhető fejlesztési lehetőségek a közeljövőre vonatkozóan: fókuszban az áramtermelés
Környezeti terhelés - összefoglalás A létesítés időszakában: fúrási zaj; rétegrepesztés szeizmikus hatása (Bázel, 2006); Természetes hidrotermális rendszerekben, ha a kitermelés üteme lényegesen meghaladja a tároló vízutánpótlását, a konszolidáció miatt felszíni süllyedések keletkeznek. Az erőművek kevéssé zavaróak tájképi szempontból: kis területigény, alacsony építés, nem szükségesek magas tornyok. Egy geotermikus erőműnél az egységnyi teljesítményre eső hulladékhő 2-3-szor nagyobb a nukleárishoz képest. A hévíz vagy a gőz kitermelésekor az oldott komponenseket is felszínre hozzák, s az energiahasznosítás után elfolyó csurgalékvíz nagy mennyiségű környezetidegen anyaggal szennyezi elsősorban a felszíni vízfolyásokat. Célszerű ezen anyagok hasznosítására törekedni. A víztermelés jelentős vízszintsüllyedést okozhat. Hajdúszoboszlón és Szentesen jelentős (>50 m) vízszintsüllyedést okozott a visszasajtolás nélküli, több évtizedes hévíztermelés.
Sekély mélységű geotermikus hőenergia és egyéb környezeti hőforrások hasznosítása
Talajhő komponensei (W/m 2 ) 30 25 10 20 15 10 5 0 20 napenergia eredetű 0,1 földhő eredetű
Áramfogyasztása ~6000 kwh/év egy átlagos háztartást feltételezve - kérdés, hogy milyen forrásból származik a villamos áram...
Elméleti hatásfok (Jóságfok) (COP = Coefficient of Performance) COP 3-4 (-5) A hőszivattyú leadott fűtőteljesítményének és teljesítményfelvételének az aránya. Egységnyi villamos energia felhasználásával mennyi (hányszoros mennyiségű) hőenergia állítható elő. a névleges COP értéket általában +7 C -os hőleadó közegre számítják - magyar éghajlati körülményeknek jobban megfelel a +2 C -nál mért COP érték Adott hőmérsékletű külső hőforráshoz tartozó elméleti mutató, pillanatny értéket jelent: vásárlási döntésre ez önmagában nem elegendő.
Gyakorlati hatásfok A hőszivattyús rendszerek gazdaságosságát az adott rendszerrel elérhető szezonális teljesítmény-faktor SPF [kwh/kwh] értéke határozza meg; SPF: Seasonal Performance Factor; Pontos értékét mérésekkel lehet meghatározni;
Nyitott és zárt rendszerű hőszivattyús megoldások Talajszonda Talajkollektor
Kisebb, olcsóbb változat: 0 C alatt rohamosan romló hatásfok, COP = 1. Nagyobb, nehezebb, drágább változat: -20-25 C-ig képes +65 C-os vizet előállítani
Csak olyan műszaki megoldásoknál támogatható a hőszivattyúzás, ahol az alábbiak együttesen érvényesülnek: a) a) alacsony hőmérsékletű fűtés esetleg fan-coil van (nem radiátorok a hőleadók); b) b) automatikusan üzemelő hűtő-fűtő rendszert szükséges létesíteni; c) c) az épület hőszigeteltsége minimum megfelel a jelenleg érvényes épületenergetikai előírásoknak.
Nagy mennyiségű alacsony hőmérsékletű közeg hőenergiájának egy részét elvonjuk és tartalmát átadjuk egy kisebb mennyiségű közegnek. Alapelv: ha a gázt összenyomjuk, annak a hőmérséklete nő (pumpálás), ha a molekulákat egymástól eltávolítjuk komprimáljuk a gáz lehűl (szódásszifon).
Development of heat pumps sales in 21 European countries: growth rates 2011-12 and 2012-13
Éves hőszivattyú-értékesítés Németországban
Gazdaságosság osztrák árak alapján
Megítélése nem egyértelmű o Energetikai kiszolgáltatottság háztartási szinten; o Függ a meglévő energiarendszer környezeti teljesítményétől; o A villanyautók mellett a legnagyobb áramfogyasztó lehet Ugyanakkor o Hulladékhő alapon komoly erőforrásmegtakarítást eredményez o a rendszer rugalmasságát fokozó technológia (DSM) a jövőben fontos lehet! o Vízerőművekre alapozott rendszerhez illesztve ideálisan működhet (Heller László, 1948 Zürich városháza)