A geotermikus energia hasznosítása a mezõgazdaságban Dr. Takács János* Összefoglalás Szlovákiában a megújuló energiák hasznosításának fokozott figyelmet szentelnek a mezõgazdaságban is, így a biomassza, de fõleg a geotermikus energia hasznosításának. A megújuló energiák hatékony hasznosítása csökkenti az elsõsorban Oroszországból importált primer energiahordozók behozatalát, illetve az ebbõl eredõ függõséget. Nagyon fontos az a tény is, hogy a megújuló energiák hasznosításának nemcsak energetikai, de gazdasági, és környezetvédelmi elõnyei is vannak, mivel csökkenti a környezetünk szennyezését is. Ugyanakkor a megújuló energiák hasznosításának fontossága szerepel az Európa Tanács 3/200 számú irányelvében is, amely elõírja az uniós országok számára, hogy a megújuló energiák hasznosítását 20%-ra kell növelni. Abstract The hydraulics of each thermal network of a district heating system is a very important issue, to which not enough attention is often paid. In this paper the author wants to point out some of the important aspects of the design and operation of the thermal network in a district heating systems. The boundary conditions of the design of a heat distribution piping network and the requirements on active pressure pump, i.e. pumping work, which influences the operation costs of the whole centralized district heating system are analyzed in detail. The heat generators and the heat exchange stations are designed on energy demands after thermal insulation and modern boiler units are used for heating.. A termálkút adottságai Szímõ a Csallóköz szélén, a Vág bal oldalán helyezkedik el és 220 lakosa van. A falu az Érsekújvári járáshoz tartozik, 32 kmre Révkomáromtól, a nyitrai közigazgatási területen. A HGZ termálkút 2008. és 2009. között létesült. A termálkút legfontosabb jellemzõit az. táblázatban foglaltam össze. A kútfej kialakítása az. ábrán, a kútfej lefedését szolgáló építmény a 2. ábrán látható. Az. táblázatból kitûnik, hogy ha 64 C-os hévizet lehûtjük a referens hõmérsékletre, ami + C, ekkor a termálkút hasznosítható energetikai potenciálja mintegy 3 077,4 kw.. ábra. A szímei termál kútfej kialakítása 2. ábra. A szímei termál kútfej lefedését szolgáló építmény Szímõn nyitott geotermális energetikai rendszert alkalmaznak, elsõsorban a speciális fóliasátrak energetikai hõellátására. Az távozó, hasznosított hévíz vezetéken a közeli Vág folyóba kerül.. táblázat. A HGZ- termálkút energetikai jellemzõi *Szlovák Mûszaki Egyetem Pozsony, Építõmérnöki Kar, Épületgépészeti Tanszék jan.takacs@stuba.sk Lelõhely Szímõ Zemné A termálkút jelölése Vízhozam [l/s] A hévíz hõmérséklete a kútfejen [ C] A csurgalék hévíz hõmérséklete [ C] Hasznosítható energetikai potenciál [kw] HGZ-,0 64,0,0 3 077,4 0 Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 20/9. szám
2. A fóliasátrak Szímõn a világhírû francia fóliagyártó fóliáit alkalmazzák. Szlovákián kívül más országokban is ezekkel építik a fóliasátrakat, így Spanyolországban, Kínában, Indiában, Hollandiában és Franciaországban. A fóliasátrak termõterületének mérete: hossza 2 x 20 m, szélessége 77 m. A két fóliasátor között betonutat építettek, ahol a megtermelt uborkát gyûjtik és szállítják. A palánták elõnevelése 60 m x 77 m-es termõterületen, azaz 4 620 m 2 -en történik. Ha a 20 x 77 m-es fõ termõterületet kettéosztjuk, akkor négy egyforma, 60 x 77 m-es területet kapunk, vagyis 4 x 4 620 m 2 = 8 480 m 2 -es területet. A fóliasátrak elhelyezése a 3. ábrán látható. 3. Mûszaki adatok A fóliasátrak alapvetõ hõforrása a termálkút. A termálvíz a kútból búvárszivattyú segítségével kerül a felszínre, amely az eváziós pont alatt, 80 m talajszint alatti mélységben helyezkedik el. A kitermelt termálvíz a hõt egy 2000 kw hõteljesítményû lemezes hõcserélõ útján (4. ábra) adja át a fûtési rendszerek hõhordozójának. Hõcserélõ primer oldalán a termálvíz hõlépcsõje 64/2 C, míg a szekunder oldalon 60/20 C. A hõhordozó ilyen mértékû lehûtése úgy lehetséges, hogy a fûtési rendszerek sorba vannak kötve, a következõ módon:. fûtõkör: a legnagyobb hõmérsékletre méretezett, a tervezett hõlépcsõ 70/0 C, a fûtési rendszer a fóliasátor oldalfalain helyezkedik el. 2. fûtõkör: kisebb hõmérsékletre méretezett, a számított hõlépcsõ /4 C, a fûtõrendszer sima csõvezeték, ami egyúttal a termés begyûjtését szolgáló kocsik síne is. 3. fûtõkör: a legkisebb hõmérsékletre méretezett, hõlépcsõ 4/3 C, ezek PVC csõvezetékek. 4. fûtõkör: az öntözõvíz és a növények táplálását biztosító hidroponikus oldat elõmelegítését szolgálja. 3. ábra. A szímei fóliasátrak A fóliasátor belmagassága 6, m, a mûveleti magassága a széleken 4,0 m. Ezek a méretek fontosak a modern mûvelés szempontjából, így a növények számára elégendõ a termõhely és a levegõ mennyisége. Az egész mennyezetbõl a kinyitható rész csak egyharmad. Ez lehetõvé teszi a kielégítõ szellõzést, ami nagyon fontos a termesztett uborka számára. Ugyanakkor a fólia megvédi a termesztett uborkát a rovaroktól és egyéb kártevõktõl, mert a nyílásokon hálófelületek találhatók, ami biztosítja a szellõzést. Maga a fólia kétrétegû, az egymást követõ rétegek, vagyis a két fólia közé levegõt fújnak be. Ez biztosítja a fóliasátor kitûnõ hõszigetelõ tulajdonságait és a fóliasátor elegendõ ellenállást tanúsít az erõs szél káros hatása ellen. A fóliasátor belsõ klímáját egy számítógéppel vezérelt szellõzõberendezés biztosítja, az öntözés és a tápanyag-adagolás a napsugárzás intenzitásától függõen automatikusan beállítja a levegõ hõmérsékletét. Abban az esetben, ha melegebb idõ van, akkor a szellõzés hosszabb ideig van üzemben. A rendszer a levegõ páratartalmat is szabályozza, ami fontos a növényeknek és védelmet biztosít a gombás megbetegedések ellen. A fóliasátrakban a legfõbb feladat, hogy az idõjárási körülményektõl függetlenül optimális feltételeket biztosítsunk a növények termesztéséhez. Az optimális feltételeket számos fizikai mennyiség jellemzi, amelyek növénytermesztésnél a haszonnövény típusának a függvényei. Az alapvetõ befolyásoló tényezõk közé tartozik a megfelelõ fényviszonyok biztosítása, a levegõ CO 2 -koncentrációja, a levegõ áramlási viszonyai, a víz körforgása és nem utolsó sorban a belsõ levegõ és a talaj hõmérséklete vagy a hidroponikus aljzat tulajdonságai. 4. ábra. A lemezes hõcserélõ A hõhordozó forgalmát a keringetõ szivattyúk biztosítják. A hõhordozó közeg hõmérsékletét kétutú szelep állítja be a külsõ levegõhõmérséklet függvényében. A fûtési rendszerek a következõ oldalon bemutatott. és a 6. ábrán láthatóak. A nyári hónapokban és az átmeneti idõszakban szükséges CO 2 - mennyiséget a természetes szellõzés biztosítja. A téli hónapokban a szükséges CO 2 -mennyiség a kazán füstgázának segítségével biztosított. A nyitott geotermális energiarendszert egy speciális csúcskazán egészíti ki, amelynek a hõteljesítménye 700 2 00 kw (7. ábra). A 8. ábrán az a speciális megoldás látható, amely lehetõvé teszi a kazán füstgázainak elvezetését és a növénytermesztés számára való hasznosítását, fõképp a téli viszonyok között, amikor a fóliasátor természetes szellõzése nem lehetséges. A 9. ábrán a nyitott geotermális rendszert bekötési vázlata látható. A hévizet, amelynek a hõmérséklete a kútfejnél 64 C, Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 20/9. szám
. ábra. A fûtési rendszerek látképe 6. ábra. Az oldalfalon lévõ fûtési rendszer 7. ábra. A melegvizes csúcskazán, amelynek a hõteljesítménye 700 2 00 kw búvárszivattyú emeli ki a kútból és továbbítja a VT jelû hõcserélõhez, miközben a hévíz lehûl 63 C fokra. A hõcserélõ primer oldalon 63/44 C hõlépcsõvel dolgozik. Az egész rendszer hátránya, hogy csak egy hõcserélõt alkalmaznak, amelybõl a szekunder fûtõrendszereket üzemeltetik. A gyûjtõbe érkezõ víz hõmérséklete kb. 40 42 C között mozog. 8. ábra. A füstgázok szûrõberendezése 4. Energetikai elemzés Az energetikai elemzésnél a geotermális energia maximális hasznosítására törekszünk. Adott esetben a fûtõközeg fokozatosan, három fûtõrendszeren folyik át és az utolsó fokozatban az öntözõvíz melegítése történik úgy, hogy a lehûtött hévíz 20 C-ot ér el. 2 3 6 7 8 VT 00 kw 9 4 9. ábra. A szímei nyitott geotermális energiarendszer bekötési vázlata búvárszivattyú, 2 termál kútfej, 3 lemezes hõcserélõ VT, 4 csurgalék hévíz, keringetõ szivattyú, 6 közös gyûjtõ és elosztó, 7 csúcskazán, 8 tároló, 400 m 3,9 akazán keringetõ szivattyúja 2 Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 20/9. szám
A megválasztott hõmérsékletesések alapján meghatározzuk energiamérleget, vagyis a hasznos vagy a hulladék energiát: Az energia mennyiségek:. Primer oldali hõveszteség a kútfej és hõcserélõ között: 2. Primer oldali hasznos hõáram a hõcserélõn: 3. Hõveszteség a hõcserélõ és a csurgalék hévíz kívánt lehûlése között: Az energiamérleg: E elmel. = E v, + E h,2 + E CS (kw) (4) A hatásfokot a következõképen határozzuk meg: Az összefüggésekben: m a hévíz tömegárama, kg/s = l/s, c v a héviz fajhõje, kj/(kg K), 0 a hévíz hõmérséklete a kútfejen ( C), r a hévíz kívánt lehûlése: + C, a hévíz hõmérséklete a lemezes hõcserélõ elõtt ( C), a hévíz hõmérséklete a lemezes hõcserélõ után ( C). 2 ( ), (kw) () v, v 0 ( 2), (kw) (2) h,2 v ), (kw) (3) CS ç n v ( 4 r ( Eh ) i 00, % E elmel. A 0. ábra a nyitott geotermális energetikai rendszer pillanatnyi hatásfokát mutatja. Ha a tömegáramot óránként, nap, hét, hónap vagy szezon idõtartamra vesszük figyelembe, akkor a vizsgált idõtartamra vonatkozó hatásfokot kapjuk. () Hõmérséklet [ C] 6 60 0 4 40 3 30 2 20 0 0 2 4 6 8 0 2 4 Térfogatáram [l/s] 2,0% 2 38,8% 3 9,2% 0. ábra. A szímei nyitott geotermális rendszer energetikai elemzése hõveszteség a kútfej és hõcserélõ között, 2 hasznos hõáram a hõcsélõn, 3 hõveszteség a hõcserélõ és a csurgalék hévíz lehûlése között. Javaslatok a hatékonyabb energiahasznosításra A jelenlegi helyzettel nem lehetünk elégedettek, mert a rendszer hatásfoka nagyon alacsony (38,8 %), az energiaveszteség 6,2%. A rendszerbe javasoljuk további hõcserélõk beépítését. A szímei nyitott geotermális energetikai rendszer javasolt bekötési vázlata a. ábrán látható. 8 7 3 4 VT VT2 00kW 200 kw 2 VT3 6 700 kw BEFOGADÓ. ábra. A szímei nyitott geotermális energetikai rendszer javasolt bekötési vázlata búvárszivattyú, 2 termál kútfej, 3 lemezes hõcserélõ VT, 4 lemezes hõcserélõ VT2, lemezes hõcserélõ VT3, 6 öntözõvíz, 7 csúcskazán, 8 tároló, 400 m 3 Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 20/9. szám 3
A javasolt hõcserélõk alkalmazásával az energetikai hatásfok nagyon magas, eléri a 98%-ot, ami szlovákiai viszonyokra egyedülálló példa volna a jól választott fûtési rendszereknek és a öntözõvíz melegítésének köszönhetõen. Az energetikai elemzés grafikus ábrázolása a 2. ábrán látható. Hõmérséklet [ C] 6 60 0 4 40 3 30 2 20 0 0 2 4 6 8 0 2 4 Térfogatáram [l/s] 2,0% 2 38,8% 3 36,7% 4 22, % 2. ábra. A javasolt geotermális rendszer energetikai elemzése hõveszteség a kútfej és a VT hõcserélõ között, 2 hasznos hõáram a VT hõcserélõn, 3 hasznos hõáram a VT2 hõcserélõn, 4 hasznos hõáram a VT3 hõcserélõn 6. Összegzés A bemutatott nyitott geotermális rendszer tervezése és megvalósítása az Európai Unió támogatásával jött létre. Szlovákiában elõször alkalmaztak holland technológiát. A tervezés, kiépítés és a megvalósítás során szorosan együttmûködtek Hollandia, Franciaország és Finnország szakértõi. Az alacsony hõmérsékletû fûtési rendszerek és a megújuló geotermális energiaforrások kombinációja az egyik alternatíva, ebben az esetben a megújuló források biztosítják a teljes hõfogyasztást. Az egész rendszer számítógéppel vezérelt és a technológia öszszes üzemviteli adata rögzítésre kerül egy számítógépes adatbázisba. Az ismertetett példa megerõsíti, hogy Szlovákiában is lehet sikeresen vállalkozni a mezõgazdaságban, de céltudatosan és hatékonyan kell ezt megtenni. A szímei példa mutatja, hogy csak egy lemezes hõcserélõvel (VT) nem lehet hatékonyan hasznosítani a hévíz energiáját, mert csak 44 C-ra tudjuk lehûteni, ilyen esetben a hatásfok kb. 38,8% (62,2% elveszik a csurgalékban). Ha a rendszerbe másik lemezes hõcserélõt (VT2) építünk be, a hévizet már 28 C-ra le tudjuk hûteni, így a hatásfok 7,4%-ra növekszik (a csurgalékban 28,6% távozik). Ha a rendszerbe harmadik lemezhõcserélõt (VT3) is beépítünk, a hévizet C-ra le tudjuk hûteni, így a hatásfok már 98,0%-ra növekszik (a csurgalékban 2,0 % távozik). A VT2 és VT3 lemezes hõcserélõk beépítése komoly számításokkal alátámasztott. Annak érdekében, hogy a várt hatásfokok valóban elérhetõk legyenek és hatékonyan ki tudjuk aknázni a hévízben lévõ energiaforrást érdekében az egész vezérlõközpontot át kell alakítani. 7. Irodalom Petráš, D. a kol.: Obnovite¾né zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. (Megújuló energiaforrások alacsony hõmérsékletû rendszerekre) Jaga, Bratislava 2009, 224 p. ISBN 978-80-8076-07- Lulkovièová, O. Takács, J.: Netradièné zdroje energie - Prednášky. (Megújuló energiaforrások elõadások), Vydavate¾stvo STU, Bratislava 2003, 38 p. ISBN: 80-227-838-6 Popovski, K.: Geothermally Heated Greenhouses in the World, Guideline and Proc. International Workshop on Heating Greenhouses with Geothermal Energy, Ponta Delgda, Azores, 998. p. 42-48. Kontra J.: Hévízhasznosítás. Mûegyetemi Könyvkiadó, Budapest, 2004 Halász Györgyné: A geotermikus energia hasznosításának jelene és jövõje a magyarországi hõellátásban. XV. Nemzetközi Építésztudományi Konferencia, Erdély, Csíksomlyó, 20 4 Magyar Épületgépészet, LXIV. évfolyam, 20/9. szám