Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem AKARÉKOSKODJ A FÖLD ENERGIÁJÁVAL! KÖRNYEZE- és ENERGIAUDAOS ÉPÍÉSZE Budapest, 0. Kontra Jenő PhD.
Magyarországon a rendkívül kedvező geotermális adottságok mellett igen csekély mennyiségű a lakás kommunális hőfelhasználás területén működő hőenergia ellátó rendszer. Fejlett fürdő- és gyógyfürdő létesítmények üzemelnek országszerte, sok mezőgazdasági termesztőtelep alaphőellátása geotermális bázisú. A kistelepülési távhőellátás kifejlesztésre vár. Nem teljeskörű a meglévő hévízkutakból nyert energiahordozók hévíz és kísérőgázok energiahasznosítása. A kishőmérsékletű fűtések még mindig nem terjedtek el a hőforrás oldalnak megfelelő mértékben. A tisztán geotermális bázisú hőellátásokat célszerűen át kell alakítani a vízkészlet gazdálkodás követelményei szerint. A legalább 50 C felszíni hőmérsékletű hévízrendszerek és az épületfűtések összeilleszthetők.
VÁROSOK GEOERMÁLIS ÁVHŐELLÁÁSA (007) VÁROS Összes energiahordozó GJ/év Földgáz GJ/év Geotermális energia GJ/év Csongrád 5 99 3 794 505 Hódmezővásárhely 45 606 76 97 68 634 Nagyatád 9 435 7 0 65 Szigetvár 77 889 7 58 5 37 Szeged 457 94 436 49 0 70 Szentes 04 358 5 063 89 95 Összesen 07 77 = 07,77 J/év Összes kazános távhő felhasználás: 5 75 86 GJ/év ebből földgáz: 4 477 558 GJ/év (80,5%) ávhő összesen: 5 PJ/év (4,5 földgáz)
A.) Meglévő távfűtési rendszer fosszilis energia ellátással geotermális alaphőellátással. Kazántelepi csúcshőellátás- Épületek változatlan épületfizikai állapotban. A/. Meglévő távhőrendszer konvekciós hőleadókkal, a szekunder rendszer meghagyásával: csúcshőtermelő szükséges, nincs épület fogyasztói hőigényváltozás, nagy teljesítményű, a névleges hőigényeket önmagában is kielégítő hévízmű esetében is szükséges a kazántartalék kapacitás. Előnye: a csúcshőtermelő éves energiahordozó felhasználása csekély mennyiségű, az éves energia költség kisebb, mint a tisztán fosszilis energiával üzemelő rendszer esetén.
B.) A meglévő épületek épületfizikai javításával kisebb hőigények, tisztán geotermális hőforrás oldal is elegendő lehet. B/. Épületek felújítása után hőeladók cseréje vagy régi szekunder rendszer, mesterséges szellőzés létesítése, állagvédelem, ha változik a hőmérséklet lépcső f i n t t Q Q t, 60 r vagy kisebb előremenő hőmérséklet: 60 Δ exp 60 Δ exp Δ,, n w n w w f Q Q t Q Q t t t
. Q rel % 90/70 C rendszer Csúcs 80 00 50 t = 80, Q = 50% t cs t = 70, Q = 00% t cs Csúcs 70-5 -0-5 0 5 0 t k z G órai ( C, h/a ) 300 000 5 60 00 000 64 60 00 000 0 000 49 440 0,3 0-5 76-0 84-5 0 3 680 5 0 t =+ h 5 0 t k
Előnye: kevés csúcshőigény, fosszilis energia költségmegtakarítás, környezetvédelmileg kedvezőbb (zárt rendszerrel). A/. A fogyasztói oldal épületfizikailag változatlan szekunder oldalon a hőleadók bővíthetők, szekunder oldali fizikai felújítás, csúcshőtermelő igénybevétele. t 60 55 50 45 40 n=.4 n=.8 n=.3 n=.36 35 30 5 0,,4,6,8,,4,6,8 3 F/F o
A geotermális energia Belső energia áramlása: földkéreg, köpeny és mag tömege által tárolt hő hőáram a felszín felé. Legnagyobb hazai hő- és víztároló kőzet (homokkő) fajhője 0,855 kj/kgk Fluidumbányászat mélyfúrású kutakból. Intenzív földi hőáram az Alföldön: q = 60 mw/m helyett kb. 00-0 mw/m Geotermális gradiens: gg d dz q q n i H i i n o H i = a rétegek vastagsága i = hővezetési tényező Rétegeken belül állandó a hőáram és lineáris a hőmérséklet eloszlás: 3 q o 3 H H H 3
Alföld: Gyorsan süllyedő, üledékes fiatal medence instacioner hővezetés: t U z cz Hőmérsékleteloszlás: cu q o o e cu A geotermális gradiens nem állandó: d dz q o e cu z A földi hőáram a mélységgel nő: q q e o cu z Zárt tároló termikus állapota: hőmérséklet nyomás m dt Vdp állandó termeltetés az időfüggvényében M V p p a rezervoár tárolóképessége úlnyomásos zárt tárolóból rugalmas tágulással p -p nyomáscsökkenés hatására kitermelhető az M folyadéktömeg.
Önnyomású kútból termelve: Kúttalpon a nyomás: v p pkf g H h g, veszteségmagasság: h, H v D g termelőcső Ha p nem elég kis nyomás: Működtető vezeték SZABÁLYOZÁS ÉS VEZÉRLÉS Frekvencia szabályozó "PC" SYSEM -adatgyűjtés -tárolás -vezérlés -szabályozás (irányítás) ÖMBFŰŐMŰ- I. DISZPÉCSER KÖZPON ELEKON rendszer Előnyei: megnövelt térfogatáram, nagyobb kútfejhőmérséklet, szabályozott termelés, biztonságos termelés. Hátrányai: villamos energia igény, korlátozott szabályozhatóság, meghibásodási lehetőségek. Érzékelő (jelző) vezeték rádiófr. jelátvitel rádiófr. jelátvitel ELEKON rendszer ÖMBFŰŐMŰ- II. rádiófr. jelátvitel ELEKON rendszer GEOERMIKUS HŐKÖZPON
Felsőpannon rétegekben: UÁNPÓLÓDÓ ZÁR ÁROLÓ a kitermelt mennyiség függ az utánpótlódás intenzitásától, optimális kitermelést kell elérni, kedvezőtlen, ha lehűlt víz áramlik be a víz-gőz keverékkel töltött tárolóba. A megnyitott tárolóra vonatkozó tömeg mérleg: t p V m m. = porozitás = kompresszibilitás az utánpótlódást adó tárolóra: t p V m. a két tárolót összekötő térben a nyomásesés: m c p p A kitermelhető mennyiség: (t idő alatt) p p S e S c S S S t S S S m M o S cs S S
0,30 P nyomás [ MPa] 0,0 SZENES Városi Szolgáltató KF II.sz. termálkútjának felszini vízhozamgörbéi 990 986 995 0,0 993 0,0 0 500 000 500 000 500 Q vízhozam [ m3/h]
ERMELŐ KÚ ÖNNYOMÁSÚ MESERSÉGES ERMELEÉSŰ VÍZKEZELÉS ÁMENEI ÁROLÓ OVÁBBÍÁS HŐCSERÉLŐ SZEKUNDER KÖR VÍZKEZELÉS FELSZINI VÍZELHELYEZÉS ÁMENEI ÁROLÓ VÍZVISSZASAJOLÁS KÖZVEE RENDSZERŰ NYIO HÉVÍZRENDSZER BLOKKSÉMÁJA
HÉVÍZVISSZASAJOLÁS Konvekciós fűtés Felsőpannon réteg: A hévíz kőzetmátrixban párhuzamos áramlás van. ermelőkút és besajtoló kút azonos térfogatáramú. Koordinátarendszer a síkáramlás sebességével egyező x irányban. l távolságra a két kút. A komplex potenciálok: Nagy hőmérsékletű szakasz max Nagy sebeségű áramlás min Kis hőmérsékletű szakasz Kishőmérsék sugárzó fűtés Q Q W q x z ln z l lnz l Vízadó réteg P max 000 m párhuzamos forrás nyelő áramlás Cél: sebességi mező és áramvonalak y 0 zérus áramvonal (Cassini görbe) A két áramlási tartomány nem keveredik. a a +Q -Q m m = 0 x m = m = const.
Előnyei: - a rezervoárban nincs nyomáscsökkenés, - csekély a kőzet lehűlése, -a kőzetváz hőjét is kitermeli, - nincs a felszínen hévízszennyezés, - azonos vízadó rétegbe jut vissza a lehűlt fluidum. Hidrodinamikailag zárt tároló. ermodinamikailag kvázi zárt tároló. Eltérések lehetnek: - nem azonos termelt és visszasajtolt vízmennyiség, - több kutas rendszer, - időben változó termelés, üzemvitel. Speciális eset: Más rétegbe történő visszasajtolás: (pl. Szentes városi II. hévízkút)
ávhőrendszerek korszerűsítése meglévő kapcsolt energiatermelések bővítésével, hatékonyság növelésével, kapcsolt energiatermelés megújuló energiaforrásokkal, ipari hulladékhő helyett gázmotoros erőtelepek létesítésével. kapcsolt energiatermelés létesítésével, távfűtések létesítésével. Stratégiai cél: megújuló energia termelés bővítése, energia hatékonyság növelése, energia biztonság fokozása, fosszilis energiahordozó felhasználás csökkentése, önkormányzati tulajdonú épületek energia felhasználásának csökkentése.
Előnyei: - a rezervoárban nincs nyomáscsökkenés, - csekély a kőzet lehűlése, -a kőzetváz hőjét is kitermeli, - nincs a felszínen hévízszennyezés, - azonos vízadó rétegbe jut vissza a lehűlt fluidum. Hidrodinamikailag zárt tároló. ermodinamikailag kvázi zárt tároló. Eltérések lehetnek: - nem azonos termelt és visszasajtolt vízmennyiség, - több kutas rendszer, -időben változó termelés, üzemvitel. Speciális eset: Más rétegbe történő visszasajtolás: (pl. Szentes városi II. hévízkút)
Hőhasznosítások 4 ermelő kút Visszasajtoló kút 3 Entrópia szemlélet
p hő bevezetés p 3 p p 4 hő elvezetés s Egyszerüsített körfolyamat
Az entrópia szemlélet hátrányai: Carnot körfolyamattal lehet közelíteni a zárt körfolyamatot az entrópia növekedéseket nehéz pontosan megállapítani nehéz a mennyiségi veszteségeket kimutatni folyamatábra nem rendelhető hozzá a gyakorlat számára nehezen kezelhető Az exergia személet Nem állapotjelző, a közeg tényleges állapotán kívül az értelmezési hőfokszínttől is függ, adott nagyságú hő (belső energia) annál értékesebb, minél nagyobb hőfokszínten áll rendelkezésre.
állandó nyomáson: a közölt hő a közeg entalpiaváltozásával egyenlő Exergia: Anergia: q h s h e s h a
Célunk: a geotermális primer körben minél nagyobb rész exergia álljon rendlelkezésre. Definició szerint az entalpia változás: dh deda de ds k ahol e = fajlagos exergia a = fajlagos anergia k = környezeti hőmérséklet A differenciális exergiaváltozás: de dh k ds
A kaszkád kapcsolásoknál a hőcserélőben lejátszódó folyamat primer közeg exergiaáramának csökkenése: (állandó nyomás) szekunder közeg exergiaáramának növekedése: Exergiaveszteség: Nagyobb hőmérsékleten kisebbek az exergiaveszteségek. Nagyobb hőmérséklet különbségek engedhetők meg. Q d E d K Q d E d K Q d d E d E E d K dq de K
Geotermális fluidum t = 00 C kf I. Mechanikai munkává átalakítható rész ( = 00-90 C között) Kútfojtás ávvezetéki veszteség Hőátadási veszteség a fűtésnél Elfolyó hévíz veszteség (30 C alatt ) II. Hasznos fűtési hőenergia Exergia folyamábra Veszteségek ( hőátadás ) Mechanikai munkává átalakítható (ennek egy része lehet villamos energia)
ávhő csúcsigény: MW 400kW Csúcs 350 kw Alaptermelés 500 kw HMV 50 kw Villamosáram 0kW Kazán =90% 300kW 00kW 50kW Gázmotor =75-80% ~ Földgáz Hőszivattyú 00 kw 00kW Gázmotor =90% CH 4 CH 4 Csurgalékvizek