A Föld belső hőjének felhasználási lehetőségei

A geotermikus energiaforrások felhasználása a készletek alapos ismeretében tervezhető meg. Valójában a geotermikus energiahasznosítás fejlesztési lehetőségeit is csak akkor tudjuk felvázolni, ha ismerjük a geotermikus energiavagyon nagyságát, földrajzi elhelyezkedését, valamint egyéb adottságait, pl.: a kitermelésének lehetőségeit és módszereit, illetve ha ez fennáll, akkor a jelenlegi kitermelés jellemzőit.

Bevezetés

Fontos megvizsgálnunk továbbá a geotermikus energia sajátosságait is. A geotermikus energia felhasználása során nagyon előnyös tulajdonság, hogy ez az energiaforrás nem okoz sem vegyi, sem nukleáris környezetszennyezést. Jelentősen növeli az energiahasznosítás gazdaságosságát az, hogy a hőmennyiséget felszínre hozó víz sokoldalúan értékesíthető. Viszont azzal is tisztában kell lennünk, hogy helyhez kötött energiáról van szó. Ezért a hasznosítási célokat előre meg kell határozni és a hasznosítást meg kell tervezni a feltárási lehetőségek, valamint a geológiai adottságok függvényében. Ha fennáll a magas hőfokú víz feltárási lehetősége, de az adott területen nincsenek olyan hasznosítók, akik segítségével a gazdaságos felhasználás megoldható, akkor ezen energia feltárása azon felül, hogy nem célszerű, még környezetvédelmi és vízkészlet-gazdálkodási okokból is káros lehet.

A Lindal-diagram a geotermikus energia alkalmazásainak széles skálájú lehetőségeit mutatja be és jól áttekinthetően foglalja össze. A diagram megtekintése alapján jól látható, hogy áramtermelés – segédközeges üzemmódban – már 100°C körüli értéktől lehetséges. A földhőszivattyúkkal való hasznosításra pedig már 0°C-tól lehetőség nyílt. A Lindal-diagram egyes részei folyamatosan bővülnek, annak eredményeként, hogy újabb és újabb alkalmazási területek esetén is sikert arat a geotermikus energia felhasználása.

Lindal-diagram

A Lindal-diagram alapján két fontos következtetést tehetünk:

  •  egyrészt azt, hogy a készlet hőmérséklete korlátozza a lehetséges hasznosítást,
  •  másrészt pedig, hogy legelőnyösebb a kaszkád-, vagy integrált-rendszerű felhasználás.

Ez utóbbi felhasználási változat kombinált energia- és többlépcsős hő-hasznosítást jelent. Ennek alkalmazása révén növelhető a geotermikus energia kihasználtsága és így gazdaságosabb megvalósítás érhető el.

A geotermikus energia felhasználásának számos módja van. Villamos energiát közvetett illetve közvetlen módon is elő lehet állítani, attól függően, hogy használnak e bármiféle segédközeget, vagy csak a feltörő vízgőzt alkalmazzák.

A geotermikus energiahasznosítás legegyszerűbb és legrégebben használt módja a közvetlen hő-hasznosítás. A geotermikus energia hőjének felhasználását gyakorlatilag csak a kitermelt termálvíz hőmérséklete, illetve a kitermelés gazdaságossága korlátozhatja. Bármilyen területen alkalmazható, ahol olyan hőmérsékletű hőenergiára van szükség, amit a geotermikus hőforrás hőmérséklete meghalad. Különösen akkor előnyös, ha kaszkádrendszerű felhasználás valósítható meg, azaz ha a fokozatosan csökkenő hőmérséklet-igényű fogyasztók egymás után kapcsolhatók. Az 1. ábra alapján számos ilyen lehetőséget találhatunk, hiszen 0°C-tól kb. 300°C-ig a geotermikus hőenergia felhasználása igen sokrétű lehet.

A közvetlen fűtési célú felhasználás alkalmas:

  •  belső terek geotermikus energiával történő fűtésére valamint hűtésére,
  •  mezőgazdasági felhasználásra,
  •  víziállatok tenyésztésére,
  •  egyéb ipari alkalmazásokra.

Az alábbiakban – a teljesség igénye nélkül – néhány gyakran használt alkalmazást kívánok bemutatni.

Belső terek geotermikus energiával történő fűtése és hűtése, kommunális fűtés

Ez általában közintézmények és lakások fűtését, illetve hűtését jelenti. A belső terek fűtésére 40-140°C közötti hőmérsékletű termálvíz alkalmazható. A fűtőtestekbe érkező víz általában 65-80°C-os hőmérsékletű.

A 65°C-nál alacsonyabb hőmérsékletű vizek fűtési célra vagy

  • csak hőszivattyú használatával alkalmasak, vagy
  • különleges padlófűtési rendszerek, víz-levegő hőcserélők segítségével van lehetőség a felhasználásukra.

Leggyakoribb megoldás az, amikor a távfűtési rendszerek hőtermelő egységeiben (pl.: kazánházban) a fűtési visszatérő víz felmelegítését a termálvíz végzi egy központi hőcserélőn keresztül. Az esetek nagy részében a fűtési hőteljesítmény igénynek csak egy részét tudja biztosítani a geotermikus energia. Ez esetben a zavartalan működtetéshez a fennmaradó részt csúcskazánokkal kell betáplálni a rendszerbe.

Olyan megoldás is létezik, melynek során a hőcserélőket nem a termelőegységben helyezik el, hanem a termálvizet vezetik közvetlenül a fogyasztókhoz. Ebben az esetben a fogyasztók kazánjaiba telepítik a hőcserélőket és ezekkel az egyes fűtési rendszereknek adják át közvetlenül a termálenergiát.

Elterjedt megoldás az is, hogy hőcserélők beiktatása nélkül az épületek hőleadóiba közvetlenül a termálvizet vezetik. Izlandon ez egy széles körben elterjedt gyakorlat. Jobb hatásfokú hő-hasznosítás érhető el ezzel a módszerrel, de egységes elvek szerint kialakított fűtési rendszer, valamint megfelelő vízminőség szükséges a működéséhez.

Belső terek hűtése geotermikus energiával ott lehet célravezető, ahol abszorpciós hűtő-berendezések működtethetők a föld hőjével. Kétféle folyadék keringetése szükséges: az abszorbens és a hűtőfolyadék. A rendszer működéséhez külső energiaforrás szükséges. A felhasználásnak ezen módja a 105°C fölötti hőmérsékletű termálvizek esetén hatékony. Ha a hűtés igénye 0°C fölötti, akkor abszorbensként lítium-bromidot, hűtő-folyadékként pedig vizet használnak. A generátor felmelegíti a keveréket, a kialakított alacsony nyomás miatt az alacsony hőmérsékleten felforr a víz és nagy része eltávozik, miközben hőt von el a környezetéből. Ezért ismét kondenzálódik a nagy abszorpciós kapacitású, lecsökkent víztartalmú abszorbens oldatban. Ha 0°C alatti hűtési igényeket kell kielégíteni, akkor a vizet abszorbensként használják, hűtőfolyadékként pedig ammónia szolgál.

Az épületek fűtése, valamint hűtése hőszivattyúk használatával is megoldható. A fűtési és hűtési célú felhasználás között a körfolyamat hőmérsékleti határaiban, valamint a felhasználás céljában fedezhető fel az alapvető különbség. A hatékonyság érdekében a hűtésnél az alsó hőmérsékleti szint alacsonyabb szintre csökkentése, a fűtésnél pedig a felső hőfokszint emelése a cél.

Használati meleg víz készítése

Hőcserélő segítségével a hálózati ivóvízből a fűtéshez hasonlóan lehet használati meleg vizet előállítani. A termálvíz akár közvetlenül is felhasználható használati meleg vízként, de ilyenkor a víz kezeléséről (pl. a vastalanításról, stb.) is gondoskodni kell. A tervezésnél ugyancsak figyelembe kell venni a fogyasztási csúcsokat, valamint a cirkulációs hő-veszteség pótlási módját is jól kell megválasztani.

Mezőgazdasági felhasználás

A geotermikus energiát a mezőgazdaságban elsősorban nyílt területek, illetve üvegházak fűtésére használják. Nyílt területeken a termálvíz öntözésre és a talaj fűtésére is felhasználható. Ezeket általában kombinálva használják, de figyelembe kell venni a termálvíz kémiai összetételét, mert a magas sótartalom károsíthatja a növényeket. A használat előnye, hogy megelőzi a váratlan lehűlésből származó károkat, illetve meghosszabbítja a termesztési időt és sterilizálja a talajt.

Mindemellett a közvetlen mezőgazdasági felhasználáson belül üvegházak, fóliasátrak, állattartó telepek fűtése, illetve levegőfúvásos termény-, zöldség-, és gyümölcsszárítás is gyakran történik geotermikus energia alkalmazásával.

Üvegházak és fóliasátrak esetén szinte minden esetben közvetlen termálvizes fűtést alkalmaznak. A gyakorlatban a termálvíz energiáját először konvekció révén hasznosítják, majd talajfűtést alakítanak ki. A kaloriferes légtérfűtés használata is gyakori. Magyarországon a geotermikus hő-hasznosítás 64%-a a mezőgazdasághoz köthető. Üvegházak fűtése terén hazánkban megvalósított 130 hektáros geotermikusan fűtött üvegházkészletét csak az USA előzi meg 183 hektárral.

A gabonafélék, kukorica, napraforgó nedvességtartalmának csökkentése, valamint az alacsonyabb hőmérsékletet igénylő mezőgazdasági folyamatok (mint pl.: a paprikaszárítás geotermikus energiával való megoldása) is alkalmazott gyakorlat.

Bizonyos víziállatfajták tenyésztése esetén fontos tényező az állandó, a környezetinél magasabb hőmérséklet. Erre a célra az alacsonyabb hőmérsékletű termálvizek kitűnően megfelelnek. Megoldható vele a medencék egyenletes, állandó hőmérsékleten való tartása. A geotermikus energiával fűtött medencékben leggyakrabban ponty, harcsa, sügér, osztriga, homár, különböző rákok és kagylók, stb. tenyésztése történik. Nagy előnye a geotermikus energia alkalmazásának a többi megújuló energiafajtához képest, hogy pontos hőmérsékletszabályozás biztosítása lehetséges, ami a tenyésztési technológiák szerves része.

A geotermikus energia számos iparágban kaphat szerepet. Alkalmazása akkor tekinthető gazdaságosnak, ha az egyéb energiaforrásoknál olcsóbb és legalább ugyanolyan minőségű energiát képes az üzem tervezett élettartama során szolgáltatni. Általában a kitermelhető termálvíz hőmérséklete alapján lehet megválasztani, hogy mely ipari folyamatokban alkalmazható. Hőszivattyú alkalmazásával a rendszer hőmérséklete akár emelhető is.

Néhány példa a geotermikus energia iparban történő alkalmazására:

  •  etanol- és bio üzemanyag előállítás (kb. 150-175°C),
  •  cementszárítás (kb. 125-150°C),
  •  faanyag szárítás (100-150°C)
  •  nemesfémbányászat,
  •  só kitermelés tengervízbepárlással,
  •  textilfestés és alapanyagok hőkezelése,
  •  szénhidrogének és egyéb vegyipari termékek desztillációja, stb.

Hulladék hő és integrált rendszerű hő hasznosítása

Mint minden energiatermelő folyamatban, így a geotermikus energia felhasználásakor is keletkezik hőfelesleg. Egyéb energiatermelési eljárásokkal összehasonlítva itt általában nagyobb a keletkező hulladék hő, pl.: 1 MWvill megtermelt hőenergiára vetítve a hagyományos gőzturbinás eljárásnál keletkező mennyiség négy-ötszöröse.

A keletkező hulladék hő hasznosítására az egyik legjobb megoldást a kaszkád-rendszerek jelentik. Ezt úgy valósítják meg, hogy a különböző egységeket egymás után sorba, illetve párhuzamosan kapcsolják csökkenő hőigény szerint. Az ilyen típusú felhasználás során szóba jöhetnek pl.: ipari alkalmazások, belső terek fűtése, termálfürdők ellátása, üvegházak fűtése, jégmentesítés, légkondicionálás, alacsony hőmérsékletű szárítási eljárások, víziállatok tenyésztése és hőszivattyús alkalmazások. A folyamat végén alacsony hőmérsékletű víz kerül ki a környezetbe, hiszen a közeg energiatartalma nagyrészt már hasznosult. A kaszkád-rendszerű megoldásra számos példa ismert a világ különböző részeiről, így Olaszországból és Japánból, illetve hazánkban is. Magyarországon, Mórahalmon valósítottak meg egy jól működő kaszkádrendszert.

Abszorpciós hűtés

A geotermikus energia nyári hasznosítási lehetősége az abszorpciós hűtés. Hasonlóan a villamos energiatermeléshez ez is olyan körfolyamat, amely két hőtartály között valósul meg. A megfelelő hűtési minőséghez magas hőmérsékletű termálvízre van szükség. De már vannak olyan közegpárok, amivel a körfolyamat 100°C alatt is gazdaságosan beindítható. Drága berendezésről lévén szó ez a hasznosítási mód nem nagyon terjedt el, helyette inkább az abszorpciós hőszivattyúkat alkalmazzák.

Hot Dry Rock (továbbiakban HDR) technológia

E technológia lényege, hogy a már meglévő természetes repedésrendszert bővítik, vagy akár hidraulikus rétegrepesztéssel a nagy mélységű fúrásokban új hasadékrendszert hoznak létre. Majd a fúrásokon keresztül energiahordozó közeget sajtolnak (azaz vizet injektálnak) a nagy hőmérsékletű repedésrendszerbe, amely a forró kőzettel érintkezve gőzzé válik. Ez a feltörő gőz alkalmas gőzturbina meghajtására, és ezáltal villamos energia termelésére. A HDR erőművek nagyon költségesek, kicsi hatásfokkal rendelkeznek és alkalmazásuk során gyakran jelentős vízveszteséget jelentkezik.

A hőszivattyú

A hőszivattyú egy nagy teljesítményű klímagép, amely az alacsonyabb hőmérsékletű közegben hőt vesz fel, majd elektromos áram felhasználásával azt magasabb hőmérsékletű közegben adja le. A hőszivattyút elsősorban lakások, közösségi épületek fűtésére, illetve fordított üzemmódban hűtésére is használják. Alkalmas ugyancsak háztartási meleg víz előállítására is. A felhasználás szempontjából ezen gépekkel való termelés használata a leggyakoribb.

Írta: Bánóczy Emese

Forrás:

[1] Mádlné Szőnyi Judit A geotermikus energia: Készletek, kutatás, hasznosítás

You must be logged in to post a comment Login

Megosztás