GEOTERMIKUS SZONDATESZT ÉS FÖLDHŐSZONDÁS RENDSZEREK TERVEZÉSE TÓTH LÁSZLÓ OKL. GEOLÓGUS GEOTHERMAL RESPONSE TEST Kft. 1021 Budapest Hűvösvölgyi út 96. T/F: 06 (1) 200 04 59 E: info@geort.hu W: www.geort.hu
Témakörök 2 BEVEZETÉS SZONDATESZT (GEOTHERMAL RESPONSE TEST) GEORT MÉRŐBERENDEZÉS SZONDAMEZŐ TERVEZÉS ÉS MODELLEZÉS ENGEDÉLYEK MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK MONITORING
Bevetés 3 a geometria (földhő) általában, mint megújuló energiaforrás van elkönyvelve, így együtt emlegetik hivatalos állami kutatási programokban, promóciós anyagokban, stb. a nap-, szél- és biomassza energiával geotermikus készletek megújulónak nevezhetők technológiai/társadalmi rendszerek időskáláján, azazhogy közel sem igényelnek annyi időt, mint a fosszilis energiahordozók (szén, kőolaj, földgáz) emellett, mint környezetkimélő energiaforrásként is kezelik, főleg azért, mert nem jár üvegházhatást keltő gázkibocsátással
A geotermia alapja 4 a kontinentális földkéreg (felülete kb. 2x10 14 m 2 ) legfelsőbb kilométerének hőtartalma 3.9x10 8 EJ. A világ energiaigényéhez viszonyitva (ami jelenleg kb. 400 EJ) ez eltartana kb. egymillió évig ha ez a hőmennyiség teljesen ki lenne aknázva, akkor az újratöltés a földi hőárammal már ezer év alatt megtörténne tehát a készletbázis óriási és mindenütt jelen van
A geotermia alapja 5 a föld 99%-a 1000 C-nál melegebb, csak 0,1%-a van 100 C alatt a földi hőáram globális teljesítménye 40 millió MW!
Fogalmak 6 Geotermikus energia: a Föld belsejének hőtartaléka, ami döntően a földkéregben koncentrálódó hosszú felezési idejű radioaktív elemek bomlási hőjéből ered Hőfejlődés további okai: mechanikai hatás: súrlódás, nyomás, kozmikus becsapódás, tektonika, tömörödés kémiai hatás: exoterm reakciók, oxidációs hő Hőterjedés: hősugárzás: elektromágneses energia emissziója és abszorpciója során történő hőszállítódás hővezetés (konduktív hővezetés): anyagáramlás nélküli hőátadás hőkonvekció (konvektív hővezetés): a hő szállítódása szilárd, folyadék vagy gáznemű anyag elmozdulása révén valósul meg
Neutrális zóna 7 Talajhőmérséklet: napi ingás 50 cm-en <1 C; 1 m-en nem kimutatható felszíni talajhőmérséklet max. július, min. február 200 cm-en max. augusztus, min. március Talajfagy: átlagos mélysége 50 cm, legkeményebb teleken 1 m, enyhe télen 10-30 cm a talaj hőmérséklete kb. 9-12 m-től állandónak mondható (neutrális zóna)
Megújulás/Fenntarthatóság 8 geotermikus készletek kitermelésénél a fenntarthatóság lényegileg a termelési szint hosszútávú fenntartását jelenti minden kiegyensúlyozott fluidum-/hőkitermelés (a kitermelés nem haladja meg a természetes beáramlást) teljesen megújuló a szint az optimált felhasználási technológia és helyi adottságok függvénye
A regeneráció időtartama 9 a fütési módban működő földhőszivattyúknál a regeneráció időtartama megfelel az üzemeltetési időnek: pl. 30 évi müködést követően az további 30 év a fűtési/hűtési módban működő földhőszivattyúknál a megújulás már az évi ciklusok alatt megtörténhet
Kisméretű beruházások (<30kW) 10 kisméretű beruházások (<30 kw) földhőszondás rendszereinek tervezéséhez az ún. fajlagos hőelvonás értékek (W/m) használhatók
Szondateszt (>30kW) 11 egy földhőszondás rendszer tervezésénél, a legfontosabb paraméter a talaj hővezető képessége (λ), ez a paraméter helyspecifikus és nem lehet tapasztalati illetve geológiai adatok alapján meghatározni a termikus kapcsolat a furat falától, a szondában keringő folyadékig a következő paraméterek függvénye: furat átmérő szonda méret szonda anyaga a tömedékelő anyag típusa és a kivitelezési minősége lamináris/turbulens áramlás ezen paraméterek összegzését hívjuk termikus fúrólyuk ellenállás -nak (Rb) talaj nyugalmi hőmérséklete (T0)
Szondateszt (>30kW) 12 A mérőberendezés a következő értékeket határozza meg: talaj hővezető képesség (λ) termikus fúrólyuk ellenállás (Rb) nyugalmi talaj hőmérséklet (T0)
Szondateszt 13 szondatesztet elsőként MOGENSEN ismertette 1983-ban helyileg meghatározható a talaj hővezetőképessége és a termikus ellenállása a földhőszondának hűtött folyadékot keringetett földhőszondában, rögzítette a hőmérséklet változást első mobil tesztelő berendezések 1995-ben jelentek meg Svédországban és az USA-ban, egymástól függetlenül. Mogensennel ellentétben fűtött folyadékot/hőközvetítő közeget használtak, ma is ez az általános első szondatesztek Németországban1999-ben (UBeG, Landtechnik)
Mérőberendezés 14 maximális fűtésterhelés 9 kw fokozatmentes szabályozás számítógéppel vezérelt
Gert-Cal szoftver 15 Kelvin vonalforrás elmélet: automatikus kiértékelés: az adatok közvetlenül a szoftverből kiolvashatóak a végeredmény a lépcsőzetes kiértékelésnek köszönhetően könnyen megállapítható
Lépcsőzetes kiértékelés 16 Talajvíz áramlás nélkül Intenzív talajvíz áramlással 6 5 4 3 2 1 0 40.000 60.000 80.000 Step-wise Evaluation 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000 200.000 220.000 240.000 Time [Seconds] Evaluation Period 35 30 25 20 15 10 50.000 100.000 150.000 Time [Seconds] 200.000 a görbe folyamatos ingadozása intenzív felszín alatti vízáramlásra utal Gert-Cal paraméterbecslés
Paraméter becslés módszere 17 λ eff = 2,52 W/mk R b = 0,052 K(W/m) T 0 = 14,75 C
Hőmérsékletprofil geológiával 18 A hőmérsékletprofil információi: zavartalan talajhőmérséklet meghatározása a hőmérséklet gradiens meghatározása információt nyújt a különböző rétegek hővezető képességéről megmutatja a felszín alatti vizek hatását
Szondamező tervezése és modellezése 19 Szondamezőre jellemző adatok Állandó adatok Hővezető képesség Szondateszt Megváltoztatható adatok, a mérnökök játszótere szonda típusa szonda hossza tömedékelő anyag fúrólyuk mérete termikus fúrólyuk ellenállás szimpla/dupla U koaxiális szonda 20-300m (fűtés-passzív hűtés) termikus tömedékelés (GeoSolid) bentonit/cement/homok (fúrócég függvénye) előzőek függvénye (mért érték)
Szondamező tervezése és modellezése 20 Kiindulási alapadatok a tervező részéről a 25 éves modellezéshez (VDI 4640): fűtési terhelés teljes fűtési terhelés (üzemóra) hőszivattyú fűtési COP/SPF hűtési terhelés teljes hűtési terhelés (üzemóra) hőszivattyú hűtési COP/SPF fűtési és hűtési csúcsterhelés (napi üzemóra) COP = Coefficient of Perfomance SPF = Sesonal Performance Factor
Folyadék hőmérséklet [ C] Folyadék hőmérséklet [ C] Szondatípus 21 Példa: 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége Dupla U szonda (Ø32mm) Szimpla U szonda (Ø40mm) 25 20 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 30 25 20 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 15 15 10 10 5 5 0 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25
Szondatípus 22 Példa: 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége Dupla U szonda (Ø32mm) Szimpla U szonda (Ø40mm) teljes szondahossz 2300 m teljes szondahossz 2500 m a dupla U-szonda 8-10%-kal hatékonyabb mint a szimpla U-szonda
Folyadék hőmérséklet [ C] Folyadék hőmérséklet [ C] Szondahossz 23 Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül Fűtés (hűtés nélkül) Fűtés+hűtés 3400 m 2500 m 8 7 6 5 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 30 25 20 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 4 3 2 15 10 1 0 5 0 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. AUG. OKT. DEC. Év 25 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25
Szondahossz 24 Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül Fűtés (hűtés nélkül) Fűtés+hűtés teljes szondahossz 3400 m teljes szondahossz 2500 m Fűtési/hűtési célból létesült szondamező esetén kevesebb szondahossz szükséges
Folyadék hőmérséklet [ C] Folyadék hőmérséklet [ C] Szondamélység 25 Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül Mély szondák 24x120m (2880m) Sekély szondák 36x80m (2880m) 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25
Szondamélység 26 Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül Mély szondák 24x120m (2880m) Sekély szondák 36x80m (2880m) csak fűtési célból mélyebb szondák hatékonyabbak mint a sekélyebb szondák
Éves min-max folyadék hőmérséklet [ C] Éves min-max folyadék hőmérséklet [ C] Szondák távolsága 27 Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül 4,0m-es szondatávolság 7,0m-es szondatávolság 16 14 12 10 8 Csúcsterhelés minimuma Csúcsterhelés maximuma Alapterhelés minimuma Alapterhelés maximuma 16 14 12 10 Csúcsterhelés minimuma Csúcsterhelés maximuma Alapterhelés minimuma Alapterhelés maximuma 6 4 2 0 8 6 4-2 2-4 2 4 6 8 10 12 14 Év 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 Év 16 18 20 22 24
Szondák távolsága 28 Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kw fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül 4,0m-es szondatávolság 7,0m-es szondatávolság csak fűtési célból a nagyobb szondatávolság kedvezőbb
Folyadék hőmérséklet [ C] Folyadék hőmérséklet [ C] Fúrólyuk átmérő 29 Példa: 150 KW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége Kis fúrólyuk Nagy fúrólyuk 152 mm átmérő 180 mm átmérő 30 25 20 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 30 25 20 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 15 15 10 10 5 5 0 0 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25
Fúrólyuk átmérő 30 Példa: 150 KW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége Kis fúrólyuk Nagy fúrólyuk 152 mm átmérő 180 mm átmérő teljes szondahossz 2500 m teljes szondahossz 2700 m a kisebb fúrólyuk átmérő nagyobb hatékonyságú
Folyadék hőmérséklet [ C] Tömedékelő anyag 31 Példa: 150 KW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége Hagyományos bentonit Termikusan javított 30 25 20 15 10 5 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 20 15 10 5 Folyadék hőmérséklet [ C]25 Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés 0 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25 0 JAN. FEB. ÁPR. JÚN. JÚL. SZE. NOV. Év 25
Tömedékelő anyag 32 Példa: 150 KW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége Hagyományos bentonitos Termikusan javított teljes szondahossz 3100 m teljes szondahossz 2500 m a termikus tömedékelés 15-20%-al hatékonyabb
Felvett λ [W/(m,K)] Összegzés 33 1/4 alulméretezett 2/3 túlméretezett 45%-ban az eltérés nagyobb 0,5 W/(m x K) Mért λ [W/(m,K)]
Felvett λ [W/(m,K)] Összegzés 34 Példa: 60 kw fűtés 1800 h/év 30 kw hűtés (passzív) 800 h/év λ=2,3 W/(m,K) tervezéskor felvett 10 x 100 m szonda Mért λ [W/(m,K)] Energia költség: áram: 178 EUR/MWh hőszivattyú: 130 EUR/MWh Éves költségek amit az alulméretezés okoz (EUR) λ SPF Éves többlet kiadás 15 éves költség 2,3 3,8 0 0 2,1 3,3 570 8500 1,9 2,9 1150 17250 1,7 2,6 1700 25500
35 Összegzés
Engedélyezés 36 zárt földhőszondás rendszer Bányakapitánysági engedély létesítési engedély használatbavételi engedély hatástanulmány (?)
Érintett szakhatóságok 37 Fő engedélyező hatóság: Magyar Bányászati és Földtani Hivatal (MBFH) akiket mindenképpen meg kell(ett) keresni Illetékes Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség (KTVF) Tűzoltóság Kulturális Örökségvédelmi Hivatal (?) Helyi Önkormányzat (?) ÁNTSZ Országos Gyógyfürdő Igazgatóság (?) A fentieken kívül még 11 hatóság lehet illetékes, a fontosabbak: Nemzeti Közlekedési Hatóság Körzeti Földhivatal Katasztrófavédelmi (Fő)igazgatóság Honvédség
96/2005 (XI.4.) GKM rendelet: a bányafelügyelet hatáskörébe tartozó sajátos építményekre vonatkozó egyes építésügyi hatósági eljárások szabályairól: a geotermikus energia felszín alatti víz kitermelését nem igénylő kinyerésének és energetikai célú hasznosításának létesítményei az épületgépészeti berendezések kivételével Bt. 22/B. (8) bek. A természetes felszíntől mért 20 méteres mélységet el nem érő földkéreg részből történő geotermikus energia kinyerés és hasznosítás nem engedélyköteles. E rendelkezés nem mentesíti a tevékenységet végzőt a más jogszabályban előírt engedély megszerzése alól.
39 MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Pécs-Science Building fűtési igény: 781,8 kw hűtési igény: 715 kw λ eff = 2,77 W/mk R b = 0,056 K(W/m) T 0 = 14,53 C A kalkulációt 3 esetre végeztük el: fűtés (hűtés nélkül) 300 db szonda fűtés + passzív hűtés 190 db szonda fűtés + aktív hűtés 160 db szonda
40 MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Szlovákia, Rozsutec fűtési igény: 103 kw λ eff = 2,98W/mk R b = 0,099 K(W/m) T 0 = 8,57 C tervezett szondaszám: 13db szükséges szondaszám: 21db
41 MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Edelény, L Hullier-Coburg kastély fűtési igény: 505 kw hűtési igény: - λ eff = 1,73 W/mK R b = 0,063 K(W/m) T 0 = 13,26 C A kalkulációt az alábbi esetre végeztük el: fűtés 130 db szonda (víz!!!)
MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Szlovákia, Liptovsky Mikulas 42 Fűtési igény: 200 kw (560MWh) Hűtési igény: 140 kw (70MWh) λ eff = 2,09W/mK R b = 0,116 K(W/m) T 0 = 9,45 C tervezett szondaszám: 40db szükséges szondaszám: 76db Szükséges szondaszám (125m-es szondák esetén): 56db
MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK 43 Balmazújváros fűtési igény: 120 kw hűtési igény: 90 kw λ eff = 1,94 W/mK R b = 0,066 K(W/m) T 0 = 15,97 C (?passzív hűtés?)
44 MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Ausztria, Mödling fűtési igény: 12,4 kw hűtési igény: 5 kw λ eff = 1,67 W/mk R b = 0,084 K(W/m) T 0 = 12,03 C
45 MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Montenegro, Budva fűtési igény: 250 kw hűtési igény: 400 kw λ eff = 2,02 W/mk R b = 0,054 K(W/m) T 0 = 17,26 C
46 Monitoring Cél: adatgyűjtés, amely révén adott rendszer energiahatékonysága és a környezetre gyakorolt hatása értékelhető Pályázati előírás (KEOP COP-re és SPF-re) European Heat Pump Association (EHPA)
47 Monitoring Mért adatok Villamos energia fogyasztás (hőszivattyú, primer kör szivattyúi) Tömegáram Előremenő-visszatérő hőmérséklet Külső hőmérséklet Talaj hőmérséklet Monitoring rendszerek - Telenor Ház, Törökbálint - Coca-Cola, Zalaszentgrót - Dunaújvárosi Főiskola
48 Monitoring felület
Terepi kialakítás 49 2 db, 150 m mélységű hőmérsékletmérő vezeték, melyekből az egyik egy aktív szonda közvetlen közelében (az egyik pár talajszondában), míg a másik attól kb 20 m-re a semleges területen kap helyet. A mérőszondákban azonos felbontású kábelek kerülnek. A felbontás az első 20 méteren méterenkénti, míg a 21.-től a 150 es mélységig 10 m-enkénti. Ezenkívűl az aktív szondától távolodva a semleges zóna felé, de az aktív szondától mérve 1, 3, 5 m távolságra kerül elhelyezésre 3 db 20 m mélységű hőmérsékletmérő vezeték. A mérőszondákban azonos felbontású mérőkábel kerül telepítésre. A felbontás 1 m/szenzor. A szenzorok egyedileg címezhető digitális hőmérsékletmérő szenzorok. A szenzorcsoport vízhatlan kialakítású. A késöbbi karbantartás és bővíthetőség érdekében a szondafejeknél egy-egy akna kialakítása szükséges. A hőmérsékletmérő szenzorcsoportok egy BiiOS Multi I/O egység thermo moduljához kapcsolódnak.
50 Köszönöm a figyelmet! toth@geort.hu www.geort.hu