6. fejezet - A geotermikus energia

Tartalom

6.1. Hasznosíthatóságának elmélete
6.2. Technológia
6.3. Fejlődéstörténet
6.4. Világpotenciál
6.4.1. Közvetlen hőhasznosítás
6.4.2. Villamosenergia-termelés
6.4.3. Mesterségesen kifejlesztett földhőrendszer (EGS)
6.5. Magyarország geotermikus energia-hasznosítása

Az 54/2008 (III.20) Kormányrendelet definíciója szerint geotermikus energiának nevezzük „a földkéreg belső energiáját, amely energetikai céllal hasznosítható. A geotermikus energia a legalább +30 °C hőmérsékletű folyékony vagy gáz halmazállapotú anyagok (azaz a geotermikus energiahordozók) közvetítésével, ezek közvetlen földkéregből való kitermelésével vagy recirkuláltatásával nyert energia.”

A XVI.–XVII. századra ismertté vált, hogy a felszíntől a Föld belseje felé haladva a hőmérséklet nő. Erre bizonyítékul szolgált többek között a bányajáratokban tapasztalható hőmérsékletemelkedés, a feltörő hévizek, vagy a vulkáni magma magas hőmérséklete. Eredetének magyarázatára azonban a XX. századig, a radioaktív bomlás megértéséig várni kellett. A földhő ugyanis döntő többségében a hosszú felezési idejű radioaktív izotópok bomlásából származik, s csak kis mértékben járulnak hozzá egyéb folyamatok, mint például az asztenoszféra (a Föld felső köpenyének képlékeny része) konvekciós áramlásainak súrlódási hője, vagy a bolygó keletkezésekor csapdába esett hő kiáramlása (Mádlné Szőnyi, 2006).

A geotermikus energia földi eloszlása nem egyenletes. A geotermikus gradiens fejezi ki a hőmérséklet mélységgel történő növekedésének nagyságát, értéke 10 °C/km és 60 °C/km között változik (Mádlné Szőnyi, 2008). A Föld belseje felé haladva a hőmérséklet átlagosan 25–30 °C-kal nő km-enként, ennél magasabb a lemezszegélyeknél – szubdukciós zónáknál, középóceáni hátságoknál –, és azokon a területeken, ahol a földkéreg az átlagosnál vékonyabb. A mélyebb medencékből felszálló felszín alatti vizek is előidézhetnek pozitív geotermikus anomáliát. Lokális hőanomáliák kialakulhatnak gránittestekben dúsuló radioaktív elemek bomlása miatt, melyet a hőszigetelő kőzetekkel való fedettség is elősegít (Mádlné Szőnyi, 2008).

A geotermikus energia számszerűsítésére a hőáramsűrűséget alkalmazhatjuk (6.1. ábra), mely megadja az egységnyi felületen egységnyi idő alatt átáramló hő mennyiségét. A globális átlag 87 mW/m2 (Pollack et al., 1993), az európai átlag 70–90 mW/m2, Magyarországon a jellemző érték 80–120 mW/m2 közötti (Dövényi et al., 2002).

A felszíni hőáramsűrűség térképe. A legmagasabb értékeket a tektonikus lemezszegélyeknél találjuk.

6.1. ábra: Felszíni hőáramsűrűség, mW/m2 (Shapiro és Ritzwoller, 2004)

A geotermikus energia hőtartalmának közvetlen hasznosítása hosszú múltra tekint vissza: balneológiai célokra évezredek, fűtésre évszázadok óta használják. 1904-ben Olaszországban alkalmazták először áramfejlesztésre a geotermikus energiát. Felhasználása a jövőben hosszú távon megbízható alapenergia-ellátást jelenthet, s így az üvegházgázok kibocsátása is csökkenthető (Goldstein et al., 2011). Az éghajlatváltozás várhatóan nem befolyásolja nagymértékben globálisan a geotermikus energia hasznosításának hatékonyságát, azonban széleskörű elterjedése jelentős szerepet játszhat a klímaváltozás enyhítésében. Regionális skálán a csapadékhullás eloszlásának megváltozása hatással lehet a talajvíz-tározók feltöltődésére, és ezen keresztül a geotermikus energiához való hozzáférésre.

6.1. Hasznosíthatóságának elmélete

Bolygónk térfogatának 99%-a 1000 °C-nál magasabb hőmérsékletű, és csupán 0,1%-a, a földkéreg felső része hidegebb 100 °C-nál (6.2. ábra). A Föld belsejében keletkezett hőenergia a felszín felé áramlik. Ez felhasználás nélkül a légkörbe távozik, és így energetikai szempontból elvész. Ha a rendszerbe beiktatunk egy hőnyelőt, az „befogja” a földi hőáramot (6.3. ábra).

A Föld belső szerkezete és hőmérséklete

6.2. ábra: A Föld belső szerkezete és hőmérséklete (Mádlné Szőnyi, 2006)

A Föld belsejében keletkezett hőenergia a felszín felé áramlik. Ez felhasználás nélkül a légkörbe távozik, és így energetikai szempontból elvész. Ha a rendszerbe beiktatunk egy hőnyelőt, az „befogja” a földi hőáramot.

6.3. ábra: A geotermikus hőtermelés elve (Mádlné Szőnyi, 2006)

A kontinentális földkéreg felső 1 km-es rétegének belső hőtartalma a világ energiafogyasztásánál nagyságrendekkel nagyobb, közel egy millió évig lenne elegendő, újratöltődése azonban csak ezer évet venne igénybe. Ezáltal a geotermikus készletek a technikai-társadalmi rendszerek időskáláján megújulónak tekinthetők (Mádlné Szőnyi, 2006).

A természetes utánpótlódásnál kisebb mértékű kitermelés mellett a földhő megújulásra képes. Az egyensúlyt szem előtt tartó mértékű termelés azonban sok esetben nem gazdaságos, s ezért a befektetés megtérülése érdekében a fenntarthatónál nagyobb mértékű kitermelést folytatnak, melynek következményeként a tározó kimerülhet. A leállítást követően természetes folyamatoknak köszönhetően megkezdődik a geotermikus helyreállás. Ennek időtartamát, mértékét szimulálva megtervezhető, milyen időtartamú termelés-leállási szakaszok esetén a leghatékonyabb a mező megújulása (Mádlné Szőnyi, 2006).

A Föld hőenergiája bőséges forrás ugyan, de földrajzilag nem egyenletes eloszlásban, s kis koncentrációban találhatjuk meg. A földi hőáram a Napból érkező hőnél kb. 4 nagyságrenddel kisebb. Másik hátránya, hogy túl nagy mélységben található az ipari alkalmazáshoz (Riva et al., 2012). Előnye más megújuló energiafajtákkal szemben, hogy a napszaktól vagy az időjárástól függetlenül folyamatosan rendelkezésre áll, így hasznosítása pontosan előre tervezhető. További előnyként jelentkezik, hogy megfelelő technológia alkalmazásával gazdaságosan és fenntartható módon kitermelhető. Mindehhez kedvező földtani adottságok, kis mélységben magas hőmérséklet (vagyis nagy geotermikus gradiens), a túlzott mértékű kitermelés elkerüléséhez pedig előrelátó tervezés szükséges.

A geotermikus fluidum összetétele helyspecifikus. A nagy oldott ásványianyag-tartalom a közvetlen felhasználást nehezítheti. Zárt rendszert alkalmazva a károsanyag-kibocsátás minimalizálható. A geotermikus energia globális potenciálját – más megújuló energiaforrásokkal összehasonlítva (6.1. táblázat) – számottevő mértékűre becslik (Mádlné Szőnyi, 2008; IPCC, 2011).

6.1. táblázat: Megújuló energiák globális technikai potenciálja (IPCC, 2011)

Energiaforrás

Globális technikai potenciál (EJ)

Napenergia

1575–49837

Geotermikus energia (elektromosság)

118–1109

Szélenergia

85–580

Biomassza

50–500

Geotermikus energia (hő)

10–312

Óceánból származó energia

7–331

Vízenergia

50–52

A geotermikus energia globális technikai potenciálja összemérhető az éves teljes elsődleges energiafogyasztással. Az energia felhasználásának így vélhetően nem a technikai potenciál elérése fog gátat szabni, hanem az ún. EGS (Enhanced Geothermal System, mesterségesen kifejlesztett földhőrendszer) technológia fejlődésének üteme az egyes régiókban (Goldstein et al., 2011).