6.2. Technológia

A geotermikus energia felhasználásához szükség van hőforrásra, tározókőzetre, valamint hőközvetítő folyadékra. A hőforrásnak mindenképpen természetesnek kell lennie, de a rendszer további két eleme lehet mesterséges is. Amennyiben ezek természetes eredetűek, akkor természetes, egyébként pedig mesterséges rendszerről beszélünk.

A geotermikus energia hasznosítási módja elsősorban a felszínre érkező víz/gőz hőmérsékletétől függ. A 100 °C feletti hőmérsékletű fluidum energiatermelésre alkalmas, alacsonyabb hőmérsékletű folyadék esetén inkább a közvetlen hőhasznosítás jellemző. Hatékonysági szempontból fontos megoldás a kaszkád rendszerű hasznosítás: ekkor a fogyasztókat hőigény szerint csökkenő sorrendbe állítva a lehetőség szerinti legtöbb energiát hasznosíthatjuk.

Amennyiben a természetes visszapótlás mennyiségénél nem vesznek ki többet a termelés során, úgy a folyamat hosszú távon fenntartható marad, mint ahogy ezt igazolják egyes, évszázadok óta hozamcsökkenés nélkül működő természetes hőforrások példái is. A termelés azonban így többnyire nem gazdaságos. A mai technológiai színvonalon a geotermikus erőművek 100 °C feletti hőmérsékletű és 4 km-nél kisebb mélységből származó energiaforrásokból képesek gazdaságos áramtermelésre (Riva et al., 2012).

Az erőműveknek két fő változata létezik: a visszatáplálás nélküli (egykutas) és a visszatáplálásos (kétkutas) rendszer. Kétkutas rendszer alkalmazása esetén a folyadékot energetikai hasznosítás után az eredeti tároló közegbe visszasajtolják, annak nyomásának fenntartása céljából.

A geotermikus energiát hőmérsékletétől függően alkalmazhatjuk többek között energiatermelésre, ipari célokra, távfűtésre, üvegházak fűtésére, balneológiai célra, jégtelenítésre, szárításra (6.4. ábra). Ez történhet nyitott vagy zárt rendszerben attól függően, hogy a geotermikus folyadékot közvetlenül, vagy hőcserélők és közvetítő közeg alkalmazásával áramoltatjuk a rendszerben.

Lindal-diagram: a geotermikus energia hőmérséklettől függő felhasználási területei. A 100 °C feletti hőmérsékletű folyadék energiatermelésre alkalmas, alacsonyabb hőmérsékletű folyadék esetén inkább a közvetlen hőhasznosítás jellemző. A geotermikus energiát hőmérsékletétől függően alkalmazhatjuk többek között energiatermelésre, ipari célokra, távfűtésre, üvegházak fűtésére, balneológiai célra, jégtelenítésre, szárításra.

6.4. ábra: Lindal-diagram: a geotermikus energia hőmérséklettől függő felhasználási területei (Mádlné Szőnyi, 2006)

A geotermikus források felhasználhatóságának skálája igen széles: a nagy, kontinentális méretű villamosenergia-hálózatokba betáplálható, de a kis, izolált települések, önálló épületek, tanyák helyben történő energiaellátása is megoldható segítségükkel (Goldstein et al., 2011). A fejlesztési és építési költségek igen magasak, de ezt ellensúlyozza a viszonylag alacsony üzemeltetési költség.

A geotermikus energiát hasznosító üzemek életciklus-elemzésével kimutatható, hogy üvegházgáz-kibocsátásuk más megújuló energiaforrásokéhoz és az atomerőművekhez hasonló (Goldstein et al., 2011).

Geotermikus alapú villamosenergia-termelésre a gőzüzemű erőműveket nagyjából 150 °C-os folyadék hőmérsékletig működtetik. Ennél alacsonyabb hőmérsékletnél többnyire segédközeges erőműveket alkalmaznak.

A szabad gőzkibocsátó technológia alkalmazásakor a gőzt – amennyiben száraz gőzről van szó – közvetlenül a turbinára vezetik, mely annak meghajtását követően a légkörbe kerül. Nedves gőz kitermelése esetén először eltávolítják a keverék víztartalmát, majd a – már száraz – gőzt a turbinára vezetik. A szabad gőzkibocsátó üzemek (6.5. ábra) könnyen, gyorsan felszerelhetők, kapacitásuk jellemzően 2,5–25 MWvill közötti, s az egyik legnagyobb ilyen típusú üzem az amerikai Kalifornia államban található (Mádlné Szőnyi, 2006).

Szabad gőzkibocsátó üzem sematikus ábrája.

6.5. ábra: Szabad gőzkibocsátó üzem sematikus ábrája (Forrás: Szebik, 2009)

A kondenzációs üzemekben (6.6. ábra) forró, túlnyomásos vizet nyernek ki, melyet nyomáscsökkentéssel a turbinára vezetnek. Itt az addig folyékony víz térfogata megnő és hirtelen gőzzé alakul, ami meghajtja a turbinalapátokat. Ezek ugyan a szabad gőzkibocsátó üzemeknél nagyobb kapacitásúak (50–60 MWvill), de építésük is költségesebb (Mádlné Szőnyi, 2006).

Kondenzációs üzem sematikus ábrája.

6.6. ábra: Kondenzációs üzem sematikus ábrája (Forrás: Szebik, 2009)

A segédközeges üzemek (6.7. ábra) a kondenzációs üzemeknél összetettebbek, így telepítésük is drágább. Itt a víz, a gőz, vagy ezek együttese hőcserélőn keresztülhaladva egy másodlagos munkafolyadékot melegít fel. Ez a munkafolyadék (többnyire alacsony forráspontú szerves vegyület) gőzzé alakulva meghajt egy turbinát, és így áramot termel (Goldstein et al., 2011). Használat után a folyadékot a ciklus elejére visszavezetik. Ez a technológia lehetővé teszi a 100–150 °C hőmérsékletű geotermikus fluidumok áramtermelési célú felhasználását (Mádlné Szőnyi, 2006). A segédközeges üzemek általában néhányszor 10 MWvill kapacitásúak, mely sorba kapcsolt modulok segítségével áll elő (Mádlné Szőnyi, 2006).

Segédközeges üzem sematikus ábrája.

6.7. ábra: Segédközeges üzem sematikus ábrája (Forrás: Szebik, 2009)

Léteznek továbbá kombinált vagy hibrid üzemek, melyek az itt felsorolt alaptípusokat ötvözik (Goldstein et al., 2011). A kogenerációs, más néven kombinálthő- és áramtermelő erőművek (CHP) a villamos energia termelésekor keletkező hulladékhőt is hasznosítják (ezáltal növelve a hatékonyságot), melyre az egyik legjobb megoldást a kaszkád-rendszerek nyújtják. A hő szállítása az elektromos áram szállításánál sokkal kevésbé hatékony, így körültekintően, a potenciális felhasználók közelében kell az üzemeket telepíteni.

A legutóbbi évtizedekig a geotermikus energia használata azokra a területekre korlátozódott, ahol a földtani viszonyok lehetővé tették, hogy a hő és a geotermikus készletek a felszín közelében rendelkezésre álljanak (Mádlné Szőnyi, 2006). A legújabb technológiák segítségével azonban a kevésbé kedvező adottságú helyeken is lehetővé válhat a geotermikus energia kitermelése. Ezen technológiák közé tartozik a mesterségesen kifejlesztett földhőrendszer (Enhanced Geothermal System, EGS). Ennek lényege, hogy néhány (4–6) km-es mélységbe lefúrva a Föld (szinte) bármely pontján elérhető az a hőmérséklet, mely már lehetővé teszi a geotermikus felhasználást. A tározókőzetbe nagy nyomáson vizet sajtolva a kőzet porozitása megnő, a folyadék felmelegszik, s hőcserélőként viselkedik. Egy másik kúton keresztül a vizet felszínre hozzák, melynek hőenergiáját aztán a korábban bemutatott módon nyerik ki (6.8. ábra). A világ számos országában zajló EGS-projektek jelenleg még kísérleti fázisban vannak. Napjainkban a tervezők legfontosabb feladata, hogy hosszú távon is fenntartható, ugyanakkor elfogadható áron üzemeltethető erőműveket hozzanak létre. Eközben ügyelniük kell arra is, hogy minimalizálják a vízveszteséget és csökkentsék a technológia által esetlegesen indukált földrengések kockázatát (Tester et al., 2006).

Mesterségesen kifejlesztett földhőrendszer sematikus ábrája.

6.8. ábra: Mesterségesen kifejlesztett földhőrendszer (Mádlné Szőnyi, 2006)

Érdemes az alkalmazott technológiák között megemlíteni a hőszivattyúkat, noha ezek idesorolása vitatott, ugyanis míg a hőszivattyúk egy része a geotermikus energiát, más része azonban csak a felszínközeli réteg hőtartalmát nyeri ki, mely nem a Föld mélyében lezajló folyamatok, hanem a Nap sugárzása által termelődik újjá.

A földhőszivattyúk (Ground Heat Pump, GHP) a viszonylag állandó hőmérsékletű talaj, illetve talajvíz hőjét használják az épületek fűtésére (és hűtésére), valamint kommunális melegvíz előállítására. Segítségükkel a környezet közvetlenül nem hasznosítható hőenergiáját vonjuk el, amelyet – külső energia alkalmazásával – nagyobb hőmérsékletű, hasznosítható hővé alakítunk. A GHP rendszerek többféleképpen csoportosíthatók (6.9. ábra). Léteznek zárt és nyílt rendszerek. A nyílt rendszerekben maga a hőforrás a munkaközeg, zárt rendszerekben annak hőjét egy hőcserélő segítségével nyerik ki, ezáltal a geotermikus folyadék kémiai összetétele nem befolyásolja a felhasználást. Lehetséges a hőforrás jellege alapján elkülöníteni levegő-, talaj-, talajvíz-, felszíni víz-, vagy hulladékhő alapú hőszivattyúkat. A rendszer elhelyezése alapján megkülönböztethetünk vízszintes, 1–2 m mélységben elhelyezett talajkollektorokat, 10–100 m mélyen függőlegesen lefúrt földhőszondákat, illetve fúrólyuk-hőcserélőket.

Földhőszivattyúk típusainak sematikus vázlata.

6.9. ábra: Földhőszivattyúk típusainak sematikus vázlata (Mádlné Szőnyi, 2006)

A hőszivattyúk lényegében nem mások, mint fordított céllal működő hűtőegységek, melyekkel nem a párologtatóval elvont, hanem a kondenzátorban leadott hőmennyiséget hasznosítjuk. A berendezések működését villamos energia felhasználásával biztosítjuk.

A hőszivattyúk működését a 6.10. ábra összegzi: (1) Az eredetileg folyékony munkaközeg a környezet hőjének hatására az elpárologtatóban gáz halmazállapotúvá válik. Ehhez szükséges, hogy a hőforrás hőmérséklete a munkaközeg adott nyomásra vonatkozó forráspontjánál nagyobb legyen. (2) A kompresszor – melyet villamos energia működtet – összenyomja a munkaközeget. A kompresszor működtetéséhez szükséges energia származhat fosszilis energiahordozók felhasználásából, de megújuló energiaforrásból vagy hulladékhőből is. (3) A kondenzátorban a munkaközeg nagy nyomású gőze átadja hőjét a hőfelvevő közegnek, eközben lecsapódik. (4) Végezetül a munkaközeg az expanziós szelepen keresztül visszakerül az elpárologtatóba, ahol a folyamat újra elkezdődhet (Mádlné Szőnyi, 2006).

Kompresszoros hőszivattyús rendszer elvi vázlata.

6.10. ábra: Kompresszoros hőszivattyús rendszer elvi vázlata (Mádlné Szőnyi, 2006)

A hőszivattyúban lezajló folyamatot többek között a teljesítmény-tényezővel (Coefficient of Performance, COP) jellemezhetjük, mely a kinyert hasznos energia és a befektetett (kompresszorban felhasznált) energia hányadosaként definiálható. Jellemző értéke napjainkban 3 és 6 közötti (Mádlné Szőnyi, 2006). A földhőszivattyúk alkalmazásához nem szükséges kedvező geotermikus adottság, de a kedvező adottságok segítik a hatékonyabb energiatermelést. Ráadásul alkalmazásukkal az antropogén tevékenységek káros környezeti hatásai csökkenthetők (pl. hűtővíz hőenergiájának kinyerésével a felszíni vizek hőszennyezése mérsékelhető, miközben az épület fűtése is megoldhatóvá válik).

A tenger- és óceánfelszínek alatt elterülő geotermikus források hasznosítására jelenleg még nem létezik megfelelő technológia, bár az ebben rejlő potenciál igen magas. Fejlesztések zajlanak a világ több országában, a kísérletek, ötletek közül megemlíthetjük a felhagyott tengeri olajkutakon keresztül történő hőkinyerést, illetve a tengerfelszín alatt elhelyezkedő vulkánok és óceánközépi hátságok fekete füstölgőinek hőfelhasználását (Hiriart et al., 2010). Fekete füstölgőknek (6.11. ábra) nevezzük a tenger alatti vulkanikus központokat, ahol forró vulkáni anyagok törnek fel a mélyből, főleg ún. utóvulkáni tevékenység keretében. Ezek már nem láva formájában jelennek meg, hanem 300–400 °C-os forróvizes oldatokként, amelyekből a hideg tengervízbe érve sok anyag kiválik. Emiatt jön létre az általában vas-szulfid ásványoktól sötét, kavargó füstre emlékeztető jelenség, mely általában több méter magas kürtőt alkot. Az eddig megfigyelt legnagyobb fekete füstölgő 150 m átmérőjű, és 50 m magas volt. Egy-egy fekete füstölgő akár 100 ezer évig is aktív maradhat (Kereszturi, 2008).

Egy tenger alatti fekete füstölgő fotója

6.11. ábra: Egy fekete füstölgő (NOAA)

A mélységi fúrásokból, azaz közvetlenül a kb. 900–1300 °C hőmérsékletű magmából nyert geotermikus energia hasznosításának ötlete is felmerült (Northrup et al., 1978), de még napjainkban sem valósult meg részben kockázati, részben finanszírozási okokból. 2009-ben egy 2,1 km mélységű feltáró jellegű geotermikus kút fúrásakor váratlanul magma beáramlást észleltek (Elders et al., 2011), mely egyedülálló lehetőséget biztosít az ilyen irányú kutatások számára.

Perspektivikus jövőbeli fejlesztési irányok az erőművek hatékonyságának és kapacitásának növelése. A földhőszivattyúk alkalmazásának további elterjesztése, illetve az EGS technológia ipari méretűvé válásához szükséges részletek kidolgozása (mint például nagy mélységben megfelelő méretű hőcserélő-rendszer kiépítése) is fontos a geotermikus energia kinyerésének szempontjából.