Ugrás a tartalomhoz

Megújuló energia

Dr. Horváth József (2011)

4.4. Esettanulmányok

4.4. Esettanulmányok

• Geotermikus energiahasznosítás Izlandon [4.21]

A termálvíz használata Izlandon az épületek fűtési igényének kielégítésére 100. éve kezdődött és 1930-tól a legtöbb épület (jelenleg a 89 %-a) rákapcsolódott a geotermikus távhőellátó rendszerre. A 315.000-es lakosságú országban 22 távhőellátó rendszer az önkormányzatok birtokában van és 200 magántulajdonban a vidéki térségben. Ezek a rendszerek évente 24 PJ hőt termelnek 125 millió m3 termálvízből. A termálvíz alacsony ásványi anyagtartalma és korrozivitása révén vegyi kezelés vagy hőcserélő beépítése nélkül is lehetővé teszi a közvetlen felhasználást. A termálvizet használati melegvízként is használják, bár jellegzetes illata van a hidrogénszulfid tartalma miatt.

A felhasznált vizet nem juttatják vissza a víztározóba, (nincs visszasajtolás) hanem a szennyvízrendszerbe jut. Az alkalmazott búvárszivattyúk típusát hosszú idő óta nem változtatták és a hőszigetelt csövek ugyanazok, mint amilyeneket a hagyományos távhőellátó rendszerekben használnak. Az épületek fűtési rendszerei azonosak bármilyen más melegvizes fűtési rendszerrel ugyan úgy, mint az alkalmazott berendezések, csak alacsonyabb hőmérsékleten üzemelnek. Az előre menő hőmérséklet 55-80 oC közötti, míg a visszatérő hőmérséklet 35 oC. Több esetben a termálvíz hőjét még nagyobb mértékben kihasználják, mivel a 35 oC hőmérsékletű vízzel a járdát és az utakat fűtik, ezáltal jégmentesítik ezeket.

A kiváló természeti adottságoknak és a modern, hatékony technológiának köszönhetően ezek a rendszerek gazdaságosak. A termálvizet alacsony áron értékesítik, mennyiségét hagyományos vízórával mérik (60-120 IKR/m3, ami 0.15-0.30 Euro/kWh árnak felel meg). Egy családi házra éves fűtési költsége 500 Euro körül van.

Az, hogy milyen termálkút kialakítást választanak az leginkább az áramlási jellemzőktől/követelményektől függ. A legnagyobb átmérővel rendelkező kutakat Reykjavik és környéke esetében alkalmazzák (300 mm termelési csőátmérők és 90 l/s tömegáram), kisebb városoknak elegendő 250 mm termelési csőátmérő 45 l/s tömegáram mellett, míg a falusi környezetben 10 l/s tömegáramhoz 200 mm csőátmérőt alkalmaznak. Az, hogy a termelő kútban milyen mélyen helyezik el a csövezést, leginkább a felsőbb rétegek hidegebb víztározóinak szigetelésétől függ és attól, hogy milyen mélyre kell elhelyezni a búvárszivattyút (tipikusan 150-800 m). A nagy teljesítményű kutak mélysége minden esetben 700-2500 m között van, míg a kisteljesítményű kutak mélysége 300-1200 m. A kutak többsége függőleges, de az irányított ferde furások egyre népszerűbbek, mivel ezekkel pontosan elérhető a legjobb teljesítményt adó réteg és ennek hasadékai. A ferde furások indulhatnak a felszínről ebben az esetben 10-30 o dőlésszög kivitelezhető, ezért nagyobb szögeknél a kivitelezés úgy történik, hogy függőlegesen lefúrnak 350 m mélységig, ami után a kívánt szöget lépcsőzetesen érik el (2,5 o/30 m) így 30-45 o dőlés érhető el (irányított furások). Ez azt jelenti, hogy a kiindulási ponton keresztül haladó függőlegestől való eltérés vízszintes irányban 500-800 m lehet. Nyilvánvaló, hogy a kútfúró berendezés kötélzeteinek méretében (kötélzet terhelés 50-200 t) és a kútköltségben nagy különbség van (0.1-1.5 M Euro). Csak kettő vagy három drótkötelet használnak és a béléscsöveket mindig összehegesztik, és nem karima toldást alkalmaznak azért, hogy a kialakított kút átmérője a lehető legnagyobb legyen. Minden alacsony hőmérsékletű kutat karima és ellenkarima nélkül zárnak le a kútfejnél. A bazalt kőzet rétegek elég stabilak ahhoz, hogy megtámasztás nélkül stabilan álljanak. A kutak tiszta vizet termelnek és a homok, illetve az agyag bejutása a rendszerbe kizárt.

A víz a leggyakoribb fúrófolyadék, ami tisztítja a kutat a fúrás előrehaladtával. Az öblítőfolyadékhoz bentonitot, illetve polimer tablettákat csak akkor adnak, amikor a vízzel történő kúttisztítás nehézzé válik. Levegővel dúsított vizet, (sűrített levegőt adagolnak a vízhez) inkább csak azért használnak, hogy kialakuljon a nyomásegyensúly, mivel ebben az esetben a fúrási folyamat során eltávolított törmelékek nem tömítik el a természetes hasadékokat, így a kút közvetlen környezetében található rétegek, sértetlenek maradnak.

A termálkutakat a fúrási folyamat végén sűrített levegővel tesztelik. A kialakított termálkutnál az áramlási folyamatok beindításához különböző stimulációs módszereket alkalmaznak. Ilyen pl. a nagy mennyiségű hidegvíz kútba történő sajtolása (60 l/s 100 bar) amelyet igen hatékonynak találtak egyes területeken a kúthozam javítására.

Kezdetben a források és a sekélymélységű kutak túlnyomásúak voltak így szivattyúzás nélkül termelték a vizet a távhőellátó rendszerek számára. Amikor az nem volt elég, néhány éven keresztül sűrített levegőt használtak Reykjavikban néhány évig, egy légkompresszor és egy levegőt szállító cső elhelyezésével a termelő kútban. Ez növelte a tömegáramot, de korróziót okozott a rendszerben a felvett oxigén miatt. 1964-ben helyezték el az első búvárszivattyút Reykjavikban. Volt néhány probléma a működésben, de ezeket úgy kezelték, hogy a tengelymeghajtású szivattyúkat módosították úgy, hogy tefloncsapágyakon üzemeltek, melyeknél vízkenést alkalmaztak. Ezeket a szivattyúkat izlandi geotermikus szivattyúknak is nevezik és 250 m mélyre helyezik el max. 130 oC hőmérsékletű vízben ahhoz, hogy 20, 40, vagy 90 l/s vizet termeljen ki.

A leginkább alkalmazott szivattyú átmérője 190 mm és kitermelt tömegárama 40 l/s. Ennek tervezése abból áll, hogy meg kell határozni az emelési lépcsők számát (többlépcsős szivattyú) ahhoz, hogy a szükséges emelőmagasságot biztosítsuk az élettartam során. A szivattyúk tervezésénél figyelembe kell venni a dilatációkat, amelyek a magas üzemi hőmérsékletek miatt lépnek fel. ezeket axiális támcsapágy beépítésével oldják meg. A szivattyú tengelye tefloncsapágyakon forog, melyeket a kiszivattyúzott víz keni. Ezek a szivattyúk megbízhatóak, az egyes beavatkozások között 6-12 év telik el.

Napjainkban a legtöbb szivattyú fordulatszám szabályozású motorral rendelkezik. A teljesítménygörbe éveken keresztül nem változik egyedül a rezervoár nyomásának csökkenése tolja el görbét lefelé. Ezért amikor egy búvárszivattyút cserélnek, az újat általában egy kicsit mélyebbre helyezik el, ami kompenzálja a vízszintcsökkenést és némileg biztosítja a megfelelő működést kisebb nem várt igényváltozások esetén. Ezeknek a kutaknak egy figyelemre méltó jellemzője az, hogy a tömegáram hosszú éveken keresztül várhatóan állandó marad, és nem történik lerakódás, vagy eltömődés.

Várhatóan a kutaknál több mint 50 évig beavatkozás, vagy karbantartási munka nem szükséges csak a búvárszivattyúk igényelnek periodikus karbantartási munkákat. A kutakat felhagyják abban az esetben, ha az eredeti csövezés nem volt megfelelő vagy ezeknek a csöveknek a korrózió által okozott hibáit nem tudják korrigálni. A korrózió leginkább a földfelszíntől 2-3 m mélységben okoz problémát az oxidáció miatt (a víz dúsabb az oxigénben). Abban az esetben, ha artézi kutak találhatóak a termál kutak közelében, akkor az előzőeknek a vízmennyisége csökken a szivattyúzás miatt (a termálkút szivattyúja elszívja a vizet az artézi kúttól). Általában szivattyúzással a természetes kifolyás 4-10-szeresét termeli ki. Jelenleg kb. 180 alacsony hőmérsékletű kút szolgálja ki a 62 különböző kerület 22 önkormányzati tulajdonban lévő távfűtési rendszerét. Egy kút átlagos térfogatárama 45 l/s a teljesítmény pedig 10 MWt, 2006-ban az összes kitermelt termálvíz 98 millió m3 volt. Az eladott víz 125 millió m3 , ami 24 PJ energiatermeléshez volt elegendő. Az eladott és kitermelt vízmennyiségek különbözőségének oka az, hogy a visszatérő víznek egy részét bekeverik az előremenő vízmennyiségbe ahhoz, hogy 80 o C hőmérsékletű vizet állítsanak elő (egy adott mennyiséget, tehát kétszer adnak el). Ez azt jelenti, hogy egy adott mennyiségű vizet kétszeresen használnak ki és egy kisebb mennyiséget kell csak visszasajtolni a rezervoárba. A felhasznált vízmennyisége legnagyobb része viszont csatornába ömlik 25-40 oC hőmérséklet mellett.

A távhőellátó rendszerek közvetlenül a felhasználóhoz szállítják a termálvizet. A nitrogéngázt a tartályokba leválasztják és a keringető szivattyúk táplálják az elosztóhálózatot. Nagyméretű fővezetéken keresztül jut el a termálvíz a lakott területekre, ahol előreszigetelt csöveken keresztül történik az elosztás hasonlóan hagyományos távfűtőrendszerekhez, kivéve azt az egy eltérést, hogy általában nincs csak előremenő vezeték, visszatérő vezetéket csak sűrűn lakott települések hőellátásánál alkalmaznak. Különböző rendszertípusokat alkalmaznak és az 4.31. ábra mutatja be a legelterjedtebb változatokat. A geotermikus távfűtési rendszerekre vonatkozóan különleges tervezési előírásokat alkalmaznak, s erre vonatkozóan az Izlandi Szabványügyi Hivatal kiadta a tervezési segédletet. Mindegyik épületnél beépítésre kerül egy vízóra, mivel a termálvizet m3 –re vonatkozóan számolják el, illetve az ár tartalmazza a készenléti díjat és a 7 %-os ÁFA-t. A felhasználó dönti el, hogy mennyi energiát használ fel a termálvízből egyes esetekben az utolsó felhasználás a járdák és közlekedési utak jégmentesítése. Reykjavik központjában minden járda és út ilyen rendszerrel van ellátva.

4.31. ábra - Geotermikus távfűtés típusok [4.22]

4.31. ábra. Geotermikus távfűtés típusok [4.22]


Közvetett hasznosítás Közvetlen hasznosítás
a) termálvíz hőmérséklete > 75 oCd) termálvíz hőmérséklete < 100 oC
b) termálvíz hőmérséklete 30-50 oC e) termálvíz hőmérséklete > 100 oC
c) termálvíz hőmérséklete > 75 oCf) termálvíz hőmérséklete 30-50 oC
kaszkád hasznosítás g) termálvíz hőmérséklete < 100 oC

G-gázleválasztó; P-szivattyú; B-kazán; R-radiátoros fűtés; C-fan-coil fűtés; HP-hőszivattyú; HX-hőcserélő

Az épület hőközpontja tartalmaz egy elosztót, a vízórát egy egyszerű elzáró szelepet, szűrőt egy nyomásszabályozó szelepet, ami a radiátorok termosztatikus szelepek miatt szükséges. A hőleadó általában radiátor, de az utóbbi időben egyre több helyen alkalmaznak padlófűtést, illetve légfűtést. Egy átlagos épület hőigénye 18 kW/m3 és az éves energiafogyasztás átlagosan 75 kWh/m3. A hőmérsékletszabályozó rendszer egyszerű termosztatikus szelepekből áll, de alkalmaznak más modern szabályozó rendszereket is. A helyiség hőmérséklet egész nap állandó így a rendszer terhelésének ingadozása alacsony. Egész évben szükséges a fűtés a nyári hőigény közel fele a téli hőigénynek. A használati melegvíz hőmérséklete az érvényben lévő szabvány alapján nem haladhatja meg 60 oC-ot, de sajnos több régi épületben ez a hőmérséklet eléri a 80 oC-ot, így fennáll a veszélye az égési sérüléseknek zuhanyozás során.

A hőellátó rendszerekhez először a nagyvárosok kapcsolódtak. Napjainkban a termálvizet elszállítják akár 60 km-re is a hőforrástól a gyéren lakott területekre flexibilis előszigetelt csövek beépítésével. Nem ritkák az 1 km hosszú csatlakozó vezetékek egyetlenegy felhasználó miatt.

• A 2000-ben üzembe helyezett izlandi husaviki geotermikus erőmű 2 MW teljesítményű fűtőerőmű, amely 90 kg/s 120 oC hőmérsékletű termálvizet használ fel. A kilépő 80 oC hőmérsékletű vízzel lakásokat fűtenek (4.32. ábra).

4.32. ábra - Kalina körfolyamat üzemi paraméterekkel (Izland, Husavik) [4.2]

4.32. ábra. Kalina körfolyamat üzemi paraméterekkel (Izland, Husavik) [4.2]


• Geotermikus villamosenergia termelés Olaszországban. [4.21]. 

2006. december 31-én Olaszországban a geotermikus villamosenergia termelés a következő volt:

- összes beépített geotermikus kapacitás 810,5 MW
- összes nettó termelt energia 2006-ban 5,2 TWh

Az elmúlt néhány évben a villamosenergia termelés és geotermikus kapacitás folyamatosan növekedett az ENEL befektetéseinek köszönhetően (meglévő erőművek felújítása és új erőművek építése). Egy kisebb csökkenést tapasztalhattunk 2005-ben, amikor részlegesen és rövid időre néhány erőművet le kellett állítani. 1999. és 2006. között a beépített kapacitás 64 MWe, ami 8 %-ot jelent, míg a geotermikus jellegű termelés 800 GWh, ami 18 %-ot jelent. Ez a kiváló teljesítmény 12 erőmű felújításának és hatásfok növelésének köszönhető, illetve a visszasajtolási stratégiának és a mélyfúrási technológiák (közel 4000 méter) sikerének néhány termelő kút esetében. Minden idők termelési rekordja (bruttó 5527 GWh 2006-ban) 10 %-át jelenti a világ geotermikus energia termelésének és 25 %-át fedezi Toscana villamosenergia igényének.

Figyelembe kell venni, hogy a beépített kapacitás egyenértékű a gépek névleges kapacitásával, míg a hatékony kapacitás az erőműveket gőzzel ellátó geotermikus területekről kinyerhető tényleges kapacitást jelenti. Ez az érték időben változó, hiszen a geotermikus fluidumok nyomása és az egyes kutak termelése az idők folyamán természetesen csökkenni fog. Ez a csökkenés mérsékelhető:

- ha a hűtőtornyoknál a kondenzált gőzt összegyűjtjük és visszasajtoljuk a rezervoárba,
ha periodikus jelleggel a geotermikus területet karban tartjuk (néhány kút tisztítása esetleg új kutak furása azok helyett, melyekben csökken a nyomás).

A nettó termelt villamosenergia egyenlő a bruttó termelt villamosenergiával (a villamosenergia generátornál) amelyből le kell vonni azt a villamosenergia mennyiséget, melyet magában az erőműben használunk fel (a megtermelt villamosenergiának közel 6 %-a). Más szavakkal a nettó villamosenergia alatt azt a mennyiséget értjük, melyet az országos rendszerbe betáplálunk.

A geotermikus villamosenergia termelés Toscanára koncentrálódik, helyileg Pisa, Siena és Grosseto környékén. Az előbb megadott villamosenergia termelési adatok 32 termelőegység által összesen megtermelt energiára vonatkoznak, melyek egyenként állnak egy turbinából, egy a turbnával meghajtott elektromos generátorból, egy kompresszorból (melynek funkciója, hogy kivonja azokat a gázokat, melyek nem kondenzálódnak) egy kondenzátorból és egy hűtőtoronyból (4.33. ábra). Ebből a 32 egységből 21 működik Larderelloban, 6 Travale-Radicondoliban és 5 Monte Amiataban.

4.33. ábra - Geotermikus erőmű felépítése [4.21]

4.33. ábra. Geotermikus erőmű felépítése [4.21]


Geológiai szempontból a gőz, mely ellátja a termelőegységeket, négy geotermikus területről származik:

- Larderello (Pisa, Grosseto környékén)
- Travale-Radicondoli (Siena és Grosseto környékén)
- Piancastagnaio (Siena és Monte Amiata környékén)
- Bagnore (Grosseto és Monte Amiata környékén).

A Larderelloi terület, mely villamosenergia termelés szempontjából történelmileg az első volt Olaszországban és a világon, továbbra is legnagyobb Olaszországban a hozzátartozó 200 db termelő kúttal és a 4300 t/h hozamú túlhevített gőzzel (150-270 oC, 2-18 bar nyomás) és egy átlagos 3,1 %-os nem kondenzálható gáztartalommal. A Travale-Radicondoli geotermikus terület (2.2 táblázat) 25 kúttal rendelkezik 1300 t/h túlhevített gőztermeléssel (190-250 oC 8-28 bar nyomással és egy átlagos 5 %-os nem kondenzálható gáztartalommal).

Fontos kihangsúlyozni azt, hogy 1970-től (először kísérleti jelleggel, majd később szisztematikusan fejlesztve) alkalmazzák a mélyfúrásos technológiát (4000 méter, vagy annál mélyebb kutakkal).

Ez a technológia lehetővé tette a villamosenergia termelés folyamatos növekedését és azt is bizonyította, hogy a két geotermikus terület (Travale-Radicondoli és Larderelloi) nagy mélységben egy és ugyanazon rezervoárhoz kapcsolódik. Ugyanakkor Larderelloban 1970-től kísérletek folytak a visszasajtolási technológiára vonatkozóan, nem termelő kutakon keresztül visszajuttatva hűtőtornyok, illetve a közeli geotermikus víztározók vízét mélyebb víztározókba. Ez a gyakorlat lehetővé tette a fő víztározó részleges feltöltését, melyben egyébként a folyamatos kitermelés miatt nagymértékű nyomáscsökkenés lépett volna fel.

• Geotermikus energia hasznosítása Kisteleken. 

A Kisteleki termálprogram eredeti tervei 2003-ban készültek el, a végleges megvalósítási tervek 2006-ban születtek meg a termelő és visszasajtoló kút és termálvíz adatainak, és a potenciális fogyasztói igények ismeretében. A rendszert 2008-ban adták át.

A termelő kút hőtechnikai és hidraulikai méretezés szempontjából fontos adatai:

Talpmélység: 2095 m
Talphőmérséklet: 90,6 0C
Buborékpont: -110 m
Maximális kúthozam: 1000 l/perc
A kút ellenállása maximális vizhozamnál: 21 mv.o

A kút hidrodinamikai diagramjából megállapítható, hogy télen, fűtési időszakban búvárszivattyúval működik, a nyári időszakban, kis terhelésnél gravitációsan.

A visszasajtoló kút hőtechnikai és hidraulikai méretezés szempontjából fontos adatai:

Talpmélység: 1678 m
Talphőmérséklet: 71,5 0C
Üzemi vízszint: -11,45 m a sorban megjelölt
Vízhozamnál: 1050 l/min
Maximális kúthozam: 1000 l/perc
Mélységi depresszió (1000 m3/nap) 0,05 MPa .

A potenciális fogyasztók meglévő rendszereinek legfontosabb jellemzői:

  • A potenciális fogyasztók számos önkormányzati épületek (iskola, óvoda, könyvtár, rendelő….) fűtési és használati HMV ellátó rendszerei.

  • A fűtési rendszerek méretezési állapotban 80/60 0C hőmérsékletű melegvízre méretezettek.

  • A hőellátó rendszerek hőtermelői régi tipusú, hagyományos acéllemez gázüzemű kazánok, az Aqua szállót kivéve, ahol modern, kondenzációs kazán került beépítésre.

  • A fűtési rendszerek általában kétcsöves szivattyús radiátoros rendszerek.

  • A rendszerek többsége a külső hőmérséklet függvényében szabályozott fűtőközeggel működik, de van olyan rendszer is, amely szabályozatlan.

  • A HMV termelés általában indirekt fűtésű tárolókban történik, de létezik közvetlen gázfűtésű HMV tárolók is.

  • Nyári hőigény jelentősen csökken, elsősorban a HMV termelésnek van hőigénye. Potenciális hűtési fogyasztó nincs. Az AQUA hotel rendelkezik egy fürdővel, amelynek azonban nem számottevő a termálvizes medence vízigénye (max. 6 m3/h).

A tervezett és megépült termálvizes vezeték rendszer (4.34. ábra), a meglévő hőellátó rendszerekre az épület hőközpontjában, kazánházában illetve kazánhelyiségben csatlakozik. A csatlakozás hőcserélőkön keresztül történik. Indirekt fűtésű, változó termál primer tömegáramú rendszerek kerültek kialakításra. A hőcserélők párhuzamosan vannak kapcsolva, ennek következtében a visszatérő primer termálvíz közeg hőmérsékletnek lehűlése nem kellő mértékű, a visszasajtoló kút, 50 oC hőmérsékletű közeget kap. A hőcserélők elé egyútú motoros szabályozó szelepek kerültek beépítésre, feladatuk fűtésnél a külső hőmérséklet függvényében a szekunder oldali közeg hőmérsékletének szabályozása, míg HMV termelésnél a használati melegvíz hőmérsékletének értéken tartása.

A tervezett rendszer a kitermelő kúttól a visszasajtoló kútig:

  • A kútba beépített búvárszivattyú a kitermelt vizet 10 m3-s üzemi vízszintű gáztalanító tartályba nyomja fel 6 m magasra. A termálvíz tartályban tartózkodásának ideje 1000 l/perc kúttermelésnél 0,16 óra, azaz 10 perc. Ez idő elegendő a víz egyensúlyba kerüléséhez és az elő-gázkiváláshoz.

  • Az előgáztalanító, kiegyenlítő tartályból a termálvíz nyomásfokozó szivattyúk segítségével jut a gáztalanítóba. A szivattyúkat a gáztalanító tartály vízszintjéről történik. A gáztalanítás csak állandó nyomás és kúthozam mellett hatékony.

  • A közeget további nyomásfokozó szivattyú a vastalanítókon keresztül, távvezetéken át szállítja a fogyasztókhoz, leküzdve a lehűlt közeg visszatérő vezetékén az áramlási ellenállást a visszatérő kiegyenlítő tartályig.

  • A visszatérő kiegyenlítő tartályból a közeg szintén egy nyomásfokozó szivattyú csoport segítségével jut a visszasajtoló kútba.

  • A távvezeték anyaga előre szigetelt műanyag csővezeték, míg a hőközpontokban, kazánházakban, gépházban hagyományos acélcső.

4.34. ábra - A kisteleken megépült termálvizes rendszer kapcsolási rajza [4.2]

4.34. ábra. A kisteleken megépült termálvizes rendszer kapcsolási rajza [4.2]