Figyeljünk a földhőre!*

Homola Viktor

Cikk a szerzonek a Magyar Energetikai Társaság 10 éves Jubileumi Ülésén, 2001. december 7-én elhangzott eloadása alapján készült. Áttekinti a földho hasznosításának különbözo lehetoségeit a kimerülo és megújuló energiaforrásokkal összevetve. A nemzetközi helyzetkép mellett megállapításokat és javaslatokat tesz a viszonylag kedvezo hazai lehetoségek kihasználására is.

The article is based on the author’s presentation at the 10th anniversary session of the Hungarian Energy Society. The article summarises the different ways of utilising the geothermal energy by comparing these to the renewable and non-renewable sources of energy. Beyond the international review the article presents statements and gives proposals for the utilisation of the comparatively favourable Hungarian resources.

A szakmai és politikai sajtó napjainkban széles körben foglalkozik a megújuló energiaforrások kérdésével, elsosorban környezetvédelmi indítékból. Viszonylag közismertek e téren a vízeromuvek, újabban a széleromuvek, és sokszor lehet találkozni a napenergiával is. A Föld belsejébol fakadó földho, mint energiaforrás, idehaza nem került még kelloen az érdeklodés középpontjába.

A téma tudományos, oktatási és kulturális kérdéseivel foglalkozik a Nemzetközi Geotermikus Egyesület (International Geothermal Association, IGA), amelyet 1988-ban alapítottak Aucklandon (Új-Zéland), jelenleg több mint 2000 tagja van. Nem foglalkozik politikával, kormányzati kérdésekkel, és nem nyereségérdekelt.

IGA 5 évente hívja össze a Geotermikus Világkonferenciát (World Geothermal Congress, WGC). Így került sor a WGC2000 rendezvény szervezésére Japánban, Rybach László Svájcban élo magyar származású professzor (ETH) vezetésével. A WGC2000-en majdnem 2000 személy vett részt, összesen 670 dolgozatot nyújtottak be. Külön öröm, hogy ezek között magyar résztvevok és szerzok is szerepeltek. A dolgozatokat számos jelentés foglalta össze, mint pl. országriport, jog és szabályozás, gazdaság, finanszírozás, kutatás, fejlesztés, muszaki kialakítás és üzemeltetési tapasztalat szempontjából.

Ugyancsak a témával foglalkozott a U.N. Sustainable Energy Conference, amely 2001. év áprilisában ülésezett New-Yorkban. Ismertek az idevonatkozó nemzetközi programok. A Világbank és az IEA (International Energy Agency, OECD) jelenleg is dolgozik ezek gyorsításán.

A téma vizsgálatánál eloször a tényadatok alapján meg kell keressük a földho reális helyét a világ primerenergia mérlegében, mégpedig a mai fogyasztáson túlmenoen a jövobe tekintve.


1. A primerenergia-fogyasztás

A világ primerenergia-fogyasztásának prognózisával mértékadóan foglalkoztak a Energia Világkonferenciákon Madridban 1992-ben és Houstonban 1998-ban [2], továbbá az ezekhez csatlakozó WEC/IIASA állásfoglalások [3]. A prognózis rendkívül nehéz, hiszen az eredmények erosen függenek a globális politikai és gazdasági fejlodés ütemétol. Abban azonban elég egységes a vélemény, hogy

• a fogyasztás növekedésének jelenleg az elso számú serkento tényezoje az emberiség létszámának növekedése (az 1 fore eso globális fogyasztás viszonylag lassan no);
• a vizsgálódást több forgatókönyv alapján kell végezni (lassú, közepes és gyors fejlodési ütemmel);
• a primerenergia-fogyasztás növekedését fékezni kell, a közepes fejlodési ütem esetében 2020-ban legfeljebb 30%, illetve 2050-ben legfeljebb 50% legyen a növekmény 2000-hez képest.

A jelen gondolatvezetésben szereplo adatok a közepes ütemu fejlodésre vonatkoznak. Az prognózis teljesülésének alapveto feltétele annak elérése, hogy a Föld lakóinak száma csökkeno ütemben nojön és még távlatilag (az évszázad végére) se haladja meg a jelenlegi kétszeresét (1. kép).

A közelmúlt tényadatait és a XXI. évszázad közepéig tartó idoszak prognózisát a 2. kép mutatja be. Az igények ellátásának fo pilléreit (~80%) a fosszilis források és a nukleáris energia fogja képezni. Ezen belül csökken az olaj, szinten marad a földgáz+szén, és no a nukleáris hányad, de ez utóbbi továbbra sem lesz meghatározó tényezo. Látható, hogy a megújuló energia felhasználása no, az évszázad közepére meg fogja haladni az olaj részesedését az összes primer fogyasztásból.

A primer fosszilis energiaforrások kiapadásától még nem kell tartani. Évtizedeken keresztül elegendo földgázra lehet számítani, bár bizonytalan annak ára. A Föld szén tartalékát évszázadokban jelölik meg, ennek árát viszont stabilnak tekintik a jövokutatók. A megújuló források jelentosége nem a források csökkenése, hanem a közismert környezeti gondok miatt fog noni. Mind sürgetobb a CO₂ kibocsátás növekedésének korlátozása.

Irodalmi adatok alapján érdekes, és talán túl optimistának tuno prognózist közöl Szebényi óvatosságra into kritikával, amely szerint 2050-ben a folyékony tüzeloanyag 80%-a már megújuló forrásokból fog származni [4].

Figyelembe kell venni az energiaellátás biztonságával összefüggo globális társadalmi problémákat is. A világ jelenlegi képe az energiafogyasztásban ugyanis szélsoséges helyi értékeket mutat. Ez abban fejezodik ki, hogy a Föld lakosságának alig 25%-a használja fel az energia több, mint 75%-át, ami hosszú távon nyilvánvalóan tarthatatlan állapot [3]. A prognózisok mindezt figyelembe véve készültek, azaz amíg az OECD országokban csak mintegy 1% körüli éves fogyasztásnövekedést irányoznak elo 2020-ig, addig a fejlodo és elmaradt országok növekedési rátája el fogja érni a 3,5%-ot. Kína maga az 1996. évi 10% részesedését a világ energia fogyasztásából mintegy 15%-ra fogja növelni 2020-ig. 2050-ben a jelenlegi fejlodo országok energia felhasználása meg fogja haladni a világ összes fogyasztásának 50%-át.

Mindez robbanásszeru átrendezodést fog eredményezni a globális adatokban, amely – ha nem megyünk elébe – katasztrofális társadalmi feszültségekbe torkolhat.


2. A megújuló energiaforrások a világmérlegben

A különbözo energiaforrások értékelését, nevezetesen a megújuló forrásokat, és ezen belül a földhot, a fentiekben vázolt képbe kell beleillesszük.

Bár a megújuló energia eloirányzott fejlodése – amint láttuk – jelentos (2020-ig 43%, 2050-ig 70% 1990-re vonatkoztatva), a világ energiaellátásában vitt szerepe továbbra sem lesz meghatározó (2020-ban 17%, 2050-ben 22%). Ugyanakkor azonban elég nagy tételt jelent a világmérlegben ahhoz, hogy felértékelodjön elonyös környezetvédelmi tulajdonságai miatt.

Megújuló forrásnak tekintjük a következoket: víz, biomassza, földho, szél, napsugárzás, ár-apály. Ezek hasznosítása egyrészt villamosenergia-, másrészt hotermeléssel történik. Az 1998. évi globális termelési adatokat villamos energiára a 3. kép, hoenergiára a 4. kép tünteti fel (a táblázatok költségre vonatkozó részére a késobbiekben visszatérünk).

A 3. képbol láthatóan a villamos energia dönto részét a vízeromuvek szolgáltatják. A biomassza és a földho+szél+nap együttesen a vízenergiához képest elenyészoen kis csoport (5. kép), bár azért meg kell jegyezni, hogy ez a kis érték is majdnem kétszerese a magyar fogyasztásnak.

3. A földho a világ megújuló forrás mérlegében

A földho+szél+nap csoportot vizsgálva szembetuno, hogy a mostanában sokat támogatott széleromuvek termelése még a felét sem éri el a földho eromuvekének (6. kép).

A földho hasznosításának földrészek közötti eloszlását a 7. kép mutatja be az 1997. évi termelés adatai alapján. Az egyes területek között jelentos az eltérés. A termelés 2/3-át a villamos energiában Észak-Amerika és Ázsia, a hoenergiában Európa és Ázsia teljesítette. Természetesen itt nagy szerepe van a természeti adottságoknak.


4. Mi a helyzet az Európai Unióban?

A természeti adottságok meghatározó jellegét látjuk az EU esetében, ahol a villamosenergia termelés terén igen jelentos eltérés tapasztalható az egyes országok között, elsosorban a vízeromu kapacitások és a fakitermelés egyenlotlen területi eloszlása miatt. Az 1997. évi termelési adatok sorában az átlag feletti részesedési hányad található a latin országokban, Skandináviában és Ausztriában [7]. Mindez arra utal, hogy hazánkban az átlagosnál nehezebb feltételek között kell eredményt elérni a megújuló energiaforrások felhasználásánál.

Az EU primer energia fogyasztásában a megújuló energia 1997-ben 5,4% (villamos energiában 13,9%) volt. Ebben az idoben a tervezett érték 2020-ra 6,2% és 2030-ra 7,0% volt.

Ezt a növekedést korábban szinte kizárólag az energia termelo szektorra várták, a többi szektorban (közlekedés, háztartás, stb.) azzal számoltak, hogy a megújuló energia nem fogja növelni a piaci részesedését %-ban (de természetesen abszolút értékben noni fog). Ma már 2020-ra 12%-ot tuznek ki célul a gyorsuló fejlodés hatására.


5. A földho-hasznosítás módozatai

A Földbol kiáramló energia hatalmas hofluxust jelent, amely alapvetoen a szilárd kéreg alatt végbemeno magfizikai, kozetkristályosodási és anyagáramlási hatások eredoje. Rybach és társai számítása szerint [8]a kiáramló energiafluxus kb. 40.10⁶ MW_t. Ennek töredéke már hatalmas energiaforrást jelent az emberiség részére.

A földbol kiáramló energia hasznosításának sokféle és nagyon változatos módozata van. Ezeknek – bizonyos mértékig önkényes – csoportosítását mutatja be a 8. kép. A földho „szállítója” a folyékony fluidum (ez lehet víz, vagy goz), vagy a felszínrol mesterségesen lejuttatott víz.

Valamennyi olyan módban, ahol a felszínre vezetjük a fluidumot, annak visszatáplálása van eloirányozva. A fluidumok felszíni elvezetése ugyanis káros a környezetre, csökkenti a forrás kapacitását és gyorsítja annak kimerülését.

A villamosenergia-termelés kisnyomású gozturbinával történik. Ennek egy japán példája látható a 9. képen.

A kútból nyert 1000 t/h fluidumáram 130oC homérsékletu. A kigozölgéssel nyert goz 0,65 bar(a) nyomású, a tömegárama 73,75 t/h, amely a 10. képen látható kisnyomású gozturbinában 3500 kW villamos teljesítményt termel. A turbina kilépo fokozatának lapáthossza 467 mm.

A nedves hutotoronyban 20oC-ra lehutött víz vonja el a hot a kevero kondenzátorban (kondenzátornyomás 0,11 bar(a)). A hutotoronyból páraként távozó vízáram tömege, majdnem megegyezik a turbinába belépo gozáraméval, így csak viszonylag kevés (6,9 t/h) a lebocsátás.

A kigozölgobol távozó 926,25 t/h tömegu vízáramot a hutotorony lebocsátással együtt visszanyomják a földbe. A nagy tömegáramok miatt jelentos az önfogyasztás, amely 250 kW a 3500 kW termelt teljesítménybol.

A Mélykút-Pusztamérges kísérleti telep villamosenergiát termelo részét zárt köru goz-víz rendszerre tervezik (11. kép). A terv kombinált földho felhasználásra készült, amennyiben a gozciklusból elvont ho mellett a kutakból kitermelt fluidum egy része is részt vesz a 95/70 és 70/30oC homérsékletu futési rendszerek táplálásában. A fluidum visszasajtolására külön kút áll rendelkezésre.

Ezt a projektet, amely MOL szénhidrogén kutató kutakra van kidolgozva, az Árpási-Kovács-Szabó szerzocsoport mutatta be a WGC2000 konferencián a Magyarországról készített jelentésben [10].

Külföldön nagy fejlodést lehet tapasztalni az egykutas hoszivattyús rendszereknél. Elsosorban kis fogyasztók futési és melegvíz igényének kielégítésére használják A kutak mélysége néhány tíztol 400 m, a legtöbb 50 és 200 m között van. A fém védocsobe U alakban muanyag csövet vezetnek, majd kiöntik jó hovezetésu anyaggal, pl. bentonittal. Az U csoben a felszínen elhelyezett szivattyúval vizet keringtetnek. A kútban felmelegedett vizet hoszivattyúba vezetik, innen kapja a hoenergiát a fogyasztó. A kút létesítési költsége átlagosan 40 USD/m. Eugster és Rybach közlése szerint [11] egyedül Svájcban 20.000 ilyen rendszer muködik. A fúrt kutak együttes hossza 4.000 km. Egy családi ház építése a kút fúrásával kezdodik. Az éves növekmény napjainkban 20%.



A földbol kúttal helyileg kivont energia hovezetéssel kap utánpótlást. Ennek természetes következménye a kút homérsékletének bizonyos mértéku csökkenése az üzemelés során. Rybach és társai részletesen elemezték a kérdést és arra a megállapításra jutottak, hogy a forrás megújulásának tekintélyes az idoszükséglete. Az eredeti, érintetlen hofokviszonyok eléréséhez elméletileg végtelen ido tartozik, de a gyakorlati értéku (pl. 95%-os) megújuláshoz az alábbi idotartamok tartoznak:

A jellemzo példaként bemutatott számítás szerint 10 l/s keringtetett vízmennyiség esetén, 100 m kúttávolságnál, az üzemeltetési stratégiától függoen a termelt közeg homérséklete az érintetlen állapothoz (62oC) képest néhány tizedtol max. 3oC értékkel csökken a vizsgált 160 éves idotartam alatt [8]. Mindez azt mutatja, hogy a földho hasznosítására hosszú távú gazdasági tervek készíthetok, mert a források állapotváltozása igen lassú.


6. Mibe kerül a földho?

A költségek természetesen erosen függenek a helyi adottságoktól, ennek megfeleloen azokról tájékoztató jelleggel, és csak sávokban lehet beszélni. A villamos energiára vonatkozó adatok a 3. képen láthatók. Ezek alapján készültek a 12. és 13. képek, amelyek egyrészrol a létesítési, másrészrol a termelési költségekrol adnak összehasonlító grafikus tájékoztatást. Az energiatermelési költségeknél a jelenlegi adatok mellett a prognosztizált távlati értékek is szerepelnek. Figyelemre méltó az optimizmus a földhobol termelt villamosenergia jövobeli árát illetoen, miszerint ez kedvezobb lesz a vízeromuveknél. Hasonló a helyzet a hoenergia termelési költséget illetoen is, amint az a 4. képen látható.


7. A földho hasznosítás prognózisa

A fenti adatok ismeretében nem meglepo, hogy a WGC2000 konferencián jelentos fejlodést jeleztek a következo évtizedekre. A 14. képen látható értékek Friedleifssontól származnak [12].

14. kép
Prognózis a világ földho felhasználására [12]

Az elkövetkezo két évtizedben a földhobol termelt villamos energia esetében majdnem hatszoros, a hoenergiánál több mint háromszoros fejlodést várnak! Ezt a prognózist természetesen jelentosen befolyásolhatja a fosszilis energiahordozók jövobeni ára. Egy tartósan alacsony szénhidrogén árszint erosen mérsékelheti a földho felhasználást. A prognózis ennek ellenére meglehetosen optimista és az elkövetkezo 5–10 évben szignifikáns fejlodést jósolnak [13].

A másik oldalról nézve viszont hatásos támogatást kaphat majd ez a szektor a környezetvédelmi célú állami támogatásoktól (lásd a Kyoto egyezményt). Mindenesetre egy esetleges kisebb léptéku fejlodés is figyelemre méltó eredményekre vezethet.


8. Magyar lehetoségek és tervek

Régóta ismert tény, hogy Magyarország nagy értéku földho potenciállal rendelkezik. A szilárd földkéreg nálunk vékonyabb, mint a világátlag, e miatt a homérséklet gradiens lényegesen nagyobb az Európában általában mérheto értékeknél. Számunkra különösen fontos ez a lehetséges energiaforrás, hiszen a fosszilis készleteink rossz minoséguek (szén és lignit), vagy hamarosan kimerülnek (szénhidrogén).

A több, mint fél évszázados múltra visszatekinto olajkutatás kapcsán nagy számú mély fúrású kút van az országban, a legtöbbjük lezárt állapotban. Ezek adatállománya az ország kituno feltérképezésére ad lehetoséget a földho tekintetében. Mindezt idoben jóval megelozoen folyt már a hévíz kutak feltárása, ezek eredménye többek között az ismert gyógyfürdo Harkányban (1866), Budapesten a Margitszigeten (1867) és a Városligetben (1878) [1].

A 15. kép a MOL Rt. által feltárt néhány hazai hoforrás adatát tünteti fel [10]. Ezek között található a már említett Mélykút-Pusztamérges terv is.

Hazánk a közvetlen hofelhasználás tekintetében már eddig is jelentos eredményeket mutatott fel, de sajnos sok jelenleg még megoldatlan környezetvédelmi feladat áll elottünk, mivel a visszatáplálás még megoldatlan.

Az 1999. évben Magyarországon hasznosított fodho a 16. képen látható. A felhasználók nagyobbik csoportja a mezogazdaságban tevékenykedik [10].

16. kép

A földho hasznosítás Magyarországon 1999. évben [10]

A WGC2000 konferencián bemutatásra került egy olyan terv, amely Szarvas területén futési és melegvíz szolgáltatási feladatokat hivatott ellátni mintegy 6150 kW hoteljesítménnyel. Ez a rendszer mindeddig földgázzal, illetve koolajjal futött fogyasztókat látna el földhovel [14].

A Svájcban szélesköruen elterjedt hoszivattyús futési rendszer sajnos hazánkban még nem terjedt el.


Összefoglalás

A fentiekben közölt adatokból az alábbi következtetések vonhatók le:

• A földho tekintélyes megújuló energiaforrás. A világ primerenergia mérlegében jelenleg jelentosebb, mint a szél- vagy a napenergia.
• Független az évszakoktól, az idojárástól, a napszakoktól. Mindig és mindenütt (bár nem azonos mértékben) rendelkezésre áll. A kiépített kapacitás éves kihasználása elérheti a 90%-ot.
• Kb. 130oC kútfej homérséklet felett muszakilag megoldott a kihasználása villamosenergia-termelésre.
• A villamosenergia-termelés fajlagos beruházási költsége esetenként versenyképes a vízeromuvekkel és a széleromuvekkel. A termelt villamos energia költsége hasonló a vízeromuvekével és olcsóbb, mint a széleromuveké.
• Környezetbarát, a korszeru kitermelése (fluidum visszanyomással) nem károsítja a környezetet. Ugyanakkor megjegyzendo, hogy esetenként gondot okozhat a fluidummal a felszínre töro gáz.
• Valószínusítheto, hogy Magyarországon a közeljövoben elsosorban a futési hoigények ellátásában lesz szerepe. Villamosenergia-termelés a földgáz árának emelkedése után lesz versenyképes hazánkban.

Javaslatok

Hazai vonatkozásban rövid távon elsosorban a kis teljesítményu hoszivattyús rendszer látszik bíztatónak. A jelenleg felfutó házépítési lendületet jól egészíti ki ez a hoellátási mód. Igaza van Rybach Lászlónak: a házépítés azzal kezdodjék, hogy fúrjunk egy lyukat a telken!

Magyarország a szénhidrogén kutatás kapcsán sok mélységi fúrás eredményével rendelkezik, és nagy számú az üzemen kívüli kút. Ezekre támaszkodva országos szinten fel kell kutatni a lehetoségeket a villamosenergia-termelés szempontjából.

A földho felhasználás sikeréhez olyan kormányzati-politikai támogatásra van szükség, mint napjainkban a szélenergiánál.

Figyeljünk a földhore, érdemes!


Hivatkozások

Az alábbiakban „WGC 2000 Proceeding” jelzésu hivatkozások megjelentek a Proceedings World Geothermal Congress 2000, Kyushu–Tohoku, Japan, May 28 – Jun 10 , 2000 kiadványban.

[1] Farkas I. K.: Tiszta, megújuló és helyi energiaforrásunk: a földho, Mérnök Újság 2001. Október.

[2] Homola V.: Gondolatok az energetika jövojérol. Magyar Energetika, 1999/2.

[3] World Energy Council (Világ Energia Bizottság) és International Institute of Applied System Analysis (Alkalmazott Rendszerelemzés Nemzetközi Intézete) adata, átvéve RWE AG Opportunities and Risks of Future World Energy Supply 2000, Nov. 2000.

[4] Szebényi I.: Környezetkárosítás és a védekezés lehetoségei, Magyar Tudomány, 2001. 11.

[5] World Energy Assessment Report (WEA, 2000), modified from Table 7.25 of Turkenburg, 2000, közölve: IGA News Newsletter of the International Geothermal Association Jan.–Mar. 2001.

[6] I. B. Fridleifson: Prospects for Geothermal Energy Worlwide in the New Century, WGC 2000 Proceeding, p 789–794.

[7] Homola V.: A megújuló energia szerepe egy nagyvállalat stratégiájában, Magyar Energetika, 2001/6.

[8] L. Rybach, T. Mégel, W.J. Eugster: At what Time Scale arer Geothermal Resources Renewable? WGC 2000 Proceeding, p 867–872.

[9] Sh. Yamada: Flash Cycle for Low Temperature Geothermal Resources, Very Low Pressure (VLP) Flash CycleWGC 2000 Proceeding, p 3345–3348.

[10] M. Árpási, L. Kovács, Gy. Szabó: Geothermal Development in Hungary, Country Update Report 1995–2000, WGC 2000 Proceeding, p 59–69.

[11] W. J. Eugster, L. Rybach: Sustainable Production from Borehole Heat Exchanger Systems WGC 2000 Proceeding, p 825–830.

[12] I. B. Friedleifsson: Prospects for Geothermal Energy Worldwide in the New Century, WGC 2000 Proceeding p. 789–794.

[13] G. W. Huttrer: The Status of World Geothermal Power Generation 1995–2000, WGC 2000 Proceeding, p 23–34.

[14] G. Szita, E. Kocsis: How to do Geothermal Projects in Hungary? Dreams and Realities. WGC 2000 Proceeding, p 3573–3578