Ugrás a tartalomhoz

Megújuló energia

Dr. Horváth József (2011)

4.2. A geotermikus hő-hasznosítás

4.2. A geotermikus hő-hasznosítás

A viszonylag alacsony hőmérsékletű termálvizeket hazánkban nagy mértékben balneológiai célokra használják (fürdők, főleg gyógyfürdők ellátására, valamint gyógyvíz forgalmazásra), kisebb mértékben az ivóvízellátásban (ipari vízként is) hasznosul. Jelentős mértékben használják mezőgazdasági (növényházak, állattartó telepek fűtésére, valamint szárításra) célokra (l. 4.3. táblázat). Kifejezetten energetikai célú hasznosítása (fűtés, használat-melegvíz előállítás, elektromos áramtermelés) jelenleg még nem kielégítő.

A közepes és kis entalpiájú geotermikus energiát kiválóan hasznosíthatjuk a központosított hőellátásban. A hőhasznosítás történhet termálvíz kitermeléssel és kitermelés nélkül. A kis hőmérsékletű kitermelés nélküli rendszerek az 50–150 m mély földszondákkal működő hőszivattyúk. Kis hőmérsékletű termálvíz kitermelése esetén is alkalmazhatunk hőszivattyú berendezéseket csakúgy mind a kitermelt nagy hőmérsékletű termálvíz többcélú hasznosítása esetén, amikor a folyamat végén a 20-30 oC hőmérsékletű termálvíz hőenergiáját is hasznosítani szeretnénk a visszatáplálás előtt.

Hő hasznosítás termálvíz kitermeléssel [4.2]

A központosított hőellátás termálvízzel történhet:

  • Közvetlenül, amikor a termálvíz kedvező fizikai és kémiai tulajdonsággal rendelkezik, nem hajlamos üledékképzésre, nem fejt ki korróziós hatást a csővezetékekre, berendezésekre. A termálvíz ebben az esetben közvetlenül a fogyasztóhoz jut. Ebben az esetben a termálvízzel közvetlenül fűthetjük az épületeket és elláthatjuk a használati melegvizes berendezési tárgyakat.

  • Közvetetten, amikor a termálvíz kedvezőtlen kémiai és fizikai tulajdonsággal rendelkezik. Ebben az esetben termálvíz a hőhasznosításban mint primer közeg szerepel és hőcserélő közbeiktatásával megfelelően kezelt szekunder közeg szállítja a hőt a fogyasztóhoz. Ebben az esetben a fogyasztók alapvetően:

    - fűtési rendszerek,
    - használati melegvíz-termelő rendszerek,
    - abszorpciós hűtőgépek lehetnek.

4.3. táblázat - Hévíz kutak hasznosítás szerinti megoszlása a kifolyóvíz hőmérséklete szerint 2004. január 1-i állapot [4.18]

 Hőfok (oC)30,0-39,940,0-49,950,0-59,960,0-69,970,0-79,980,0-89,990,0-99,9>100ÖsszesenArány (%)
Hasznosítás (kút db) Fürdő731185033924028920,20
Ivóvízellátás2033070000024016,80
Mezőgazdasági73171517172033019213,40
Ipari44131155310825,70
Kommunális12215150171,20
Többcélú617132916501876,10
TERMELŐ KUTAK4001979885523143190763,47
Visszasajtoló00581100151,10
Zárt (lezárt)1194421201064122515,80
Észlelőkút48331034000986,90
Selejt113441013112018412,90
Kutak száma (db)68031814412968394821429100
Százalék (%)47,622,310,19,034,762,733,430,14100100

A termálvíz termelőkútból való kivétele, és a hasznosítási rendszer kapcsolata alapján a geotermikus rendszer lehet:

  • Nyitott, ha a termálvíz a termelő kútból való kivétel majd hasznosítás után közvetlenül a víztárolóba, vagy közvetlenül elvezetőcsatornába kerül. A termálvizet a saját túlnyomása vagy szivattyú juttatja a fogyasztóhoz, és lehűtése után jut a befogadó víztárolóba. Ezekben a rendszerekben a rezervoárok energiáját úgy juttatják a felszínre, hogy a rezervoár víz-, illetőleg gőztartalmát emelik ki. A telep hőtartalmának (hőmérsékletének) csökkenése mellett számolni kell a rétegnyomás csökkenésével, viszonylag jelentős tömörödéssel, az oldott anyagok koncentrációjának változásával is. A hőkinyerés után számolni kell a lehűlt, de gyakran a környezeténél még melegebb, nagy oldottanyag-tartalmú víz elhelyezésének környezeti-gazdasági problémáival. A használt termálvizek felszíni elhelyezése történhet csatornahálózatba, de gyakran a vizet hűtési és elszikkasztási célból felszíni vizekbe (csatornákba, tavakba) juttatják. Ezekben az esetekben környezetterhelési, környezetszennyezési bírságot kötelesek fizetni, hiszen nem csupán a hőszennyezés jelentős, hanem nagy Ca2+ és HCO3- -ion koncentráció esetén mészkiválás, magas Na+ -tartalom esetén pedig a talaj szikesedése következhet be.

  • Zárt, ha a felhasznált termálvíz visszatápláló furaton visszasajtolással jut az eredeti víztartó rétegekbe. Egyes szakirodalmak zárt rendszerű hőbányászat alatt azt a technológiát értik, amely szerint a rezervoár energiáját egy zárt rendszerben keringetett fluidum veszi fel, és ez a fluidum juttatja fel a hőenergiát a felszínre. Így a rétegnyomás alig csökken, a felszín alatti vizek oldottanyag-tartalma nem, vagy minimálisan változik, és nem jut a felszínre, így a kútszerelvényekben, hőcserélőben stb. nincs korrózió és vízkőképződés. Zárt rendszerben termelnek a hőszivattyús rendszerek (horizontális kollektorok és vertikális szondák) jelentős része és néhány egyedi kivitelezésű mélyhőszonda, melyek energiája akár áramtermelésre is alkalmas lehet [4.19].

Magyarországon a kitermelt termálvizek sótartalma, vegyi alkata a közvetlen hő hasznosítást nem teszi lehetővé. A kizárólag energia hasznosítás céljából kitermelt termálvizet –219/2004. (VII.21.) Korm. rendeletben megfogalmazottak szerint – vissza kell táplálni, így a nyitott rendszer sem megfelelő műszaki megoldás.

A 4.12. és a 4.13. ábrákon egy közvetlen nyitott, és egy közvetett nyitott rendszerű fűtés kapcsolási rajza, a 4.14.ábrán pedig egy követett zárt rendszerű fűtés sémája látható.

4.12. ábra - Közvetlen nyitott rendszer, sorba kapcsolt különböző hőmérsékletű fűtési rendszerrel [4.2]>

4.12. ábra. Közvetlen nyitott rendszer, sorba kapcsolt különböző hőmérsékletű fűtési rendszerrel [4.2]


1 - gázleválasztó, 3 - szivattyú, B (4)– tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 5 – hőleadók (izlandi példa)

4.13. ábra - Közvetett nyitott rendszer (1 - gázleválasztó, 2 – hőcserélő,3 - szivattyú, B (4) - tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 5 - hőleadók) [4.2]>

4.13. ábra. Közvetett nyitott rendszer (1 - gázleválasztó, 2 – hőcserélő,3 - szivattyú, B (4) - tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 5 - hőleadók) [4.2]


4.14. ábra - Használati melegvíz előállítására és épület fűtésére szolgáló közvetett zárt rendszer (1-gázleválasztó, 2-hőcserélő, 3-szivattyú, 4-hőleadó, 5-HMV tároló) [4.2]>

4.14. ábra. Használati melegvíz előállítására és épület fűtésére szolgáló közvetett zárt rendszer (1-gázleválasztó, 2-hőcserélő, 3-szivattyú, 4-hőleadó, 5-HMV tároló) [4.2]


Geotermikus energia hasznosítása hőszivattyús rendszerekkel. 

A geotermikus energia hasznosítása hőszivattyúval történhet:

• Termálvíz kitermeléssel (ahogy ezt az 4.15. és 4.16. jelű egyszerű ábrákon látható) kis hőmérsékletű fluidum esetén illetve többcélú termálvíz hasznosításakor.
• Kitermelés nélkül, zárt, indirekt típusú, víz primer közeggel működő.
• Kitermelés nélküli, direkt elpárologtatós, hűtőközeggel működő.

4.15. ábra - Közvetett nyitott rendszer, kis hőmérsékletű termálvíz esetén. [4.2]>

4.15. ábra. Közvetett nyitott rendszer, kis hőmérsékletű termálvíz esetén. [4.2]


(1 - gázleválasztó, 3 - szivattyú, B (4)– tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 5 - hőleadó, 6 – hőszivattyú) (izlandi példa)

4.16. ábra - Közvetlen nyitott rendszer. (1 - gázleválasztó, 2– tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 3 - hőleadó, 4 – hőszivattyú) (izlandi példa) [4.2]>

4.16. ábra. Közvetlen nyitott rendszer. (1 - gázleválasztó, 2– tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 3 - hőleadó, 4 – hőszivattyú) (izlandi példa) [4.2]


Hőszivattyúk működési elve: 

A hőszivattyú olyan berendezés, amely zárt rendszerben áramló munkaközeg segítségével egy tér adott hőmérsékletén hőenergiát vesz fel, és amit mechanikai vagy hőenergia közbeiktatásával, egy nagyobb hőmérséklet szintre emel, és a nagyobb hőmérsékleten lévő energiát egy másik térben leadja (4.17. ábra). A hőszivattyú fűtési üzemmódban működik, ha a nagyobb hőmérséklet szinten lévő leadott energia a hasznos energia, és hűtési üzemmódban akkor, ha a kis hőmérséklet szinten történő hőelvonás a hasznos energia.

A hőszivattyú legfontosabb elemei:

• kompresszor,
• kondenzátor (cseppfolyósító)
• expanziós szelep (adagoló szelep)
• elpárologtató (elgőzölögtető)

4.17. ábra - A hőszivattyú működési sémája. [4.2]>

4.17. ábra. A hőszivattyú működési sémája. [4.2]


A hőszivattyúban végbemenő idealizált Carnot körfolyamat során a következő állapotváltozások zajlanak le, (a 4.18. ábra jelöléseivel):

1-2 izentropikus kompresszió (kompresszor)
2-3 izotermikus hőleadás (kondenzátor)
3-4 izentropikus expanzió (expanziós szelep)
4-1 izotermikus hőfelvétel (elpárologtató)

Az ábrán a a kondenzátorban hasznosított hőáram, az elpárologtatóban felvett hőáram , a Pv a kompresszor működtetéséhez szükséges teljesítményigény. A Tc a fűtési hőmérséklet (kondenzátornál), a T0 a környezeti hőmérséklet (elpárologtatónál).

A hőszivattyú idealizált körfolyamatának teljesítménytényezője az ábra jelöléseivel a következő:

(4.3)

4.3. egyenlet -


Az idealizált körfolyamat teljesítménytényezője annál nagyobb, minél nagyobb a környezeti hőmérséklet és minél kisebb a fűtési hőmérséklet.

4.18. ábra - Ideális Carnot körfolyamat [4.2]>

4.18. ábra. Ideális Carnot körfolyamat [4.2]


A hőszivattyú három üzemmódban dolgozhat: csak fűt, csak hűt és egyszerre hűt és fűt.

A fűtési és hűtési teljesítménytényezőkre az angol nyelvű irodalom általánosan használja a COP („coefficient of performance” kifejezést) jelölést. A fűtési teljesítménytényező a leadott termikus teljesítmény és a felvett elektromos teljesítmény hányadosa. Általánosan megfogalmazva, a leadott hasznos hőteljesítmény hányszorosa a működtetéshez felhasznált hajtási teljesítménynek A hűtési teljesítménytényező a hűtési teljesítmény és a felvett elektromos teljesítmény hányadosa.

EER (Energy Eficiency Ratio) egy adott munkapontban a berendezés leadott teljesítménye és a felvett összes elektromos teljesítmény (beleértve a szivattyúk, ventilátorok stb. is) hányadosa. Megmutatja a berendezés hatékonyságát egy adott terhelésen, jellemzően a maximális teljesítményen.

ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) Mivel a folyadékhűtők és klímaberendezések ritkán üzemelnek teljes terhelésen, az igazi hatékonyságukat a valós működésre vonatkoztatva, vagyis a részterheléseket is figyelembe vevő mutatóra van szükség.

A hőszivattyúk teljesítménytényezője is változhat az év folyamán, a hőforrás (elpárologtató primer oldali) hőmérsékletének változásával, és a kondenzátor szekunder oldali közeg hőmérsékletének változásával, ezért az egy évre vonatkozó energiaszám (éves munkaszám) pontosabb képet ad a hőszivattyúról.

A hőszivattyúkat csak és kizárólag azonos hőmérséklet viszonyok mellett lehet COP szám alapján összehasonlítani. A gyártmánykatalógusok a berendezések teljesítményadatait, COP értékét 0 oC primerközeg, és 35 oC fűtési előremenő hőmérsékletek esetére (5 oC-os Δt-nél) adják meg. A COP az EN 255 szerint 0/35 oC mellett 10 K-es hőmérséklet-különbséggel kb. 5 – 6 %-kal magasabb, mint az EN 14511 szerint.

Hőszivattyúk meghajtási módjai:

A hőszivattyú kompresszorát működtető energia szerint lehet:

- elektromos,
- gázmotoros, vagy
- szorpciós hőszivattyú.

A ma használatos hőszivattyúk többsége kompressziós, tehát egy kompresszor segítségével emeli meg annak a speciális anyagnak, munkaközegnek a hőmérsékletét, mely a hőt szállítja. A hőenergia forrása több helyről is származhat, a hőszivattyú működésének energiaforrása ettől független. A befektetett energia a kompresszor működéséhez szükséges. Amennyiben elektromos hőszivattyúról van szó, akkor a kompresszort elektromos motor hajtja. Elektromos áram forrása lehet napenergia, szélenergia, továbbá egyéb bioenergiák. Az elektromos hőszivattyú leggazdaságosabb formája, amikor a kompresszor működéséhez felhasznált energiát is a környezetből nyerjük, amire a napkollektor lehet egy megfelelő eszköz. Amennyiben a beruházás csak az erőműből érkező elektromos áram felhasználását teszi lehetővé, akkor is lehet gazdaságos a hőszivattyú.

Hőszivattyúk lehetséges hőforrásai: 

• Levegő
• Talajvíz
• Földkollektor
• Földszonda
• Hulladékhő

Termálvíz hasznosítása kitermelés nélkül direkt elpárologtatós rendszerrel . 

Némely országokban kizárólag fűtési céllal, kísérleteznek olyan kialakításokkal amikor a talajban elhelyezett csőrendszer maga az elpárologtató. Ebben az esetben a csővezetékekben nem közvetítő közeget (vízet, sóoldatot, glikolos oldatot) keringtetünk, hanem a hűtőközeget, amelyet a hőszivattyú kompresszora keringtet. A csőhálózatot általában vékony (1 mm) műanyag bevonatos 12-14 mm átmérőjű rézcsőből építik. A műanyag bevonat megvédi a vezetéket a korróziótól.

Kísérleteznek a vízszintes és függőleges csőszonda kialakításokkal is. Ennek a kialakításnak vitathatatlan energetikai előnyei vannak, az alacsony előremenő vízhőmérsékletű jól megtervezett fűtési rendszerek esetében (falfűtés, padlófűtés) a COP>5 is lehet.

Ezek az előnyök a következőkből adódnak:

  • a talaj oldali hőcsere direkt, a keringetett hűtőközeggel történik, kiiktatva egy lépcsőt a víz/talaj és a víz/hűtőközeg kétlépcsős, hagyományos rendszer helyett,

  • nem szükséges a talaj oldali hőcserélőben a közeg keringetésére még egy szivattyút alkalmazni, amely lerontja a rendszer energetikai hatékonyságát, ugyanis a hűtőközeget maga a kompresszor keringeti,

  • a rézcsövek hőátadása sokkal jobb, mint a vizes rendszereknél alkalmazott KPE csöveké, ezért rövidebb szakaszokra van szükség, kevesebb földmunkával kialakíthatóak.

Hogy nem alkalmazzuk tömegesen ezt a rendszert, annak az az oka, hogy nagyon sérülékeny, és rendkívül nehezen javítható. Ha a talajszonda megsérül, elszökik a hűtőközeg (amelynek ára jelenleg kb. 15-szöröse a glikolos oldaténak). A talajban elhelyezett csőhálózat nehezen hozzáférhető és javítható, nehéz a szivárgást megtalálni. Ezen túlmenően rendkívül pontosan kell a direkt elpárologtatós csőrendszert megtervezni és megépíteni, mert egészen kis tévedés is felborítja a hűtőköri egyensúlyt, és pont az ellenkező hatást érjük el, nagyon pazarló lesz a rendszer vagy egyáltalán nem működik. Ezzel szemben a vizes rendszerek könnyen telepíthetőek, könnyebben javíthatóak, és a méretezésnél is nagyobb szabadságunk van.

A direkt elpárologtatós rendszerek képezhetik a jövő energetikailag hatékonyabb megoldását, de egyenlőre nem biztonságos az alkalmazásuk.