belépés / regisztráció
2021. október 15. péntek
Aktuális lapszám

Geotermikus energia a villamosenergia-termelésben

A 2015-ben Melbourne-ben megrendezett Nemzetközi Geotermikus Konferencián 89 országjelentés adatai alapján készült összegző riport szerint a geotermikus energiára épített villamos energiát termelő erőművek beépített teljesítménye 12,6 GWe, az éves megtermelt villamos energia közel 75000 GWh volt. Ezt mutatja az 1. ábra a 2020-ig történő előrejelzéssel együtt. A geotermikus energiára épült villamos erőművekben alkalmazott különböző technológiák százalékos arányát mutatja a 2. ábra. Magyarországon jelenleg a geotermikus energiát az energiaellátásban kizárólag hőhasznosításra fordítják, villamosenergia-termelés jelenleg még nincs, miközben a világon 2015-re már 12,6 GWe összkapacitással működtek geotermikus erőművi blokkok.

 

Geotermikus energia a villamosenergia-termelésben

Annak, hogy a geotermikus energiát villamosenergia-termelésre használjuk, előfeltétele, hogy a primer energiaforrásként szóba jöhető geotermikus energia megfelelő hőmérsékletű, entalpiájú fluidummal kerüljön felszínre, és kellően koncentráltan és kellő mennyiségben álljon rendelkezésre.

A geotermikus erőművek előnye, hogy képesek folyamatos energiatermelésre, más megújuló erőforrást használó energiatermelési módoktól eltérően nincs a termelésnek napi, évszakos vagy időjárásfüggő ingadozása. Változhat azonban a rétegnyomás, a fluidum időegység alatt kitermelhető mennyisége, geokémiai jellege.

Ismertek azok a körfolyamatok, azok a műszaki megoldások, berendezések, amelyek lehetővé teszik a villamosenergia-termelést, ha a geotermikus energia száraz gőz, nedves gőz, forróvíz, és melegvíz fluidummal jut a felszínre. Az energia átalakító berendezések és rendszerek a különböző hőmérsékletű és entalpiájú közegek esetében eltérőek.

A geotermikus energia villamosenergia-termelési célú hasznosításának főbb technológiái a jelenlegi ismereteink szerint a következők:

  • száraz gőzzel, erőművi körfolyamattal működő (3. ábra),
  • egynyomású vagy kétnyomású közvetlen kigőzölögtetéssel (4. ábra, 5. ábra),
  • egy-, illetve kétnyomású közvetett gőztemeléssel működő körfolyamattal,
  • segédközeges (binaris) erőművi (ORC, Kalina) körfolyamattal megvalósított technológia, és
  • a különböző körfolyamatok kombinációját tartalmazó technológiák, amelyeket az úgynevezett hibrid rendszerekben valósítanak meg.

Hibrid rendszereknek azokat a rendszereket nevezhetjük, amelyekben a geotermikus energiát az előzőekben ismertetett különböző körfolyamatok kombinációiban, a hagyományos fosszilis primer energiahordozóra épülő rendszerekbe illesztve, vagy más megújuló energiaforrással együtt hasznosítják.

Hogy a felsorolt alaptechnológiák közül melyiket valósítják meg, az függ például attól, hogy milyen:

  • a hőforrás hőfokszintje, jellemzői,
  • a hőforrás hőteljesítménye,
  • a hőelvonás hőfokszintje (szintjei),
  • a hőteljesítmény elvárások,
  • a hőszolgáltatás folyamatossága,
  • a villamos teljesítmény elvárás,
  • a villamosenergia-szolgáltatás folyamatossága.

A kis hőmérsékletszintű hő hasznosítása a villamosenergia- termelésben

Abban az esetben, ha a rendelkezésre álló gőz, vagy a forró termálvíz 150 °C-nál kisebb hőmérsékletű, a villamosenergia-termelés a bináris Rankine-ciklusú, vagy Kalina körfolyamat alkalmazásával lehetséges. A bináris körfolyamatok alkalmazása jelentősen kiterjeszti a geotermikus energia villamosenergia-termelési célokra való alkalmazásának lehetőségeit, az esetek túlnyomó többségében ugyanis az adott geológiai, technikai vagy gazdasági feltételek nem teszik lehetővé 150 °C-nál magasabb hőmérsékletű gőz előállítását. Ezekben az erőművi blokkokban a kitermelt fluidum energiáját hőcserélőn keresztül egy, a víznél alacsonyabb forráspontú fluidumnak adják át, így hozva létre a turbinahajtáshoz szükséges gáz halmazállapotot (6. ábra). Azonos tömegáram mellett a kisebb hőmérsékletű, folyékony halmazállapotú víz belső energiája jóval kisebb, mint a fent említett technológiákban szereplő gőzé. Az OECD / IEA statisztikák, ha nincs specifikus adatuk, geotermikus erőműveknél átlagban 10% hatásfokkal számolnak.

A geotermikus energiát hasznosító bináris körfolyamatot megvalósító rendszerek fajlagos beruházási költségei azonban jelentősen meghaladják az előzőekben említett technológiák beruházási költségeit.

A fosszilis primer energiahordozók felhasználásának csökkentése érdekében célszerű olyan hibrid rendszerek kidolgozása, amelyekben a kis hőmérsékletű, kis exergiájú geotermikus energia exergiájának növelésére más, megújuló energiaforrások kerülnek bevonásra, ezáltal alkalmasabbá téve a geotermikus energiát, egy hatékonyabb villamosenergia-termelésre.

A lehetséges műszaki megoldások közül a következőkben néhány kapcsolási sémát mutatunk be, amikor a villamosenergia-előállítása a kis hőmérsékletű és entalpiájú geotermikus energiából a napenergia bevonásával történik.

Nap és geotermikus hibrid rendszerek

Kis entalpiájú termálvizes bináris erőműben célszerűnek mutatkozik a nagy exergiájú napenergia hasznosításának bevonása. A nap és geotermikus hibrid rendszer kialakításánál számos tényezőt kell figyelembe venni, többek között a bináris rendszer munkaközegének tulajdonságát, a termálkút és termálvíz (hőfoka, nyomása) jellemzőit, a rendelkezésre álló napenergia, a napsugárzás intenzitásának változását az idő függvényében, a rendelkezésre álló, alkalmazható napkollektor típusát, jellemzőit, hogy csak néhány tényezőt említsünk.

A 7. ábrán a túlhevítéses nap- és geotermikus superkritikus túlhevítéses hibrid rendszer egyszerű kapcsolási sémája látható.

A termálvíz felmelegíti a munkaközeget (pl.: R134a) a kis hőmérsékletű előfűtő hőcserélőn keresztül (EF) telített folyadék halmazállapotban lép be a nagy hőmérsékletű szoláris (E) hőcserélőbe, ahol a hőmérséklete maximum 180 °C-ra emelkedhet. Az R134a munkaközeg bomlási hőmérséklete 200 °C, ezért ezt a hőmérsékletet nem célszerű elérni. A munkaközeg gőze ezt követően a turbinába lép, ahol a jól ismert energiaátalakító folyamat zajlik le. A turbinából a közeg a kondenzátorba lép, innen a szivattyú visszajuttatja az előfűtő hőcserélőbe. Fontos a munkaközeg optimális tömegáramának beállítása, ami az optimális hasznos teljesítményt eredményezi. Abban az esetben, ha kicsi a munkaközeg tömegárama, túlhevítetté válik, ha nagy a tömegárama, csökken a rendszer maximális hasznos teljesítménye, mert nő az energiaátalakítási folyamat (szivattyúk, léghűtésű kondenzátor ventilátor teljesítményigénye) teljesítményigénye.

Mivel a nap energiája nem áll folyamatosan rendelkezésre (nappaléjszaka, napos-borús idő), és nem mindig azonos intenzitású, tároló beépítése szükséges.

A tároló tartálynak fontos szerepe lehet a rendszer szabályozásában is, például ha a napsugárzás intenzitása nagy, a nap energiáját szállító hőátadó közeg (pl. víz vagy Therminol-VP1) nagy hőfokú, akár a 390 °C-t is elérheti. Azért, hogy a bináris rendszer munkaközege ne érje el a bomlási hőfokot, a hő a tárolóba vezethető a beépített (VCS) váltószelepen keresztül. A nap energiájának hőtárolása olvasztott sótárolással is megoldható.

A 8. ábra a napenergia egy tisztán geotermikus hybrid rendszerre történő csatlakoztatását mutatja. A geotermikus hibrid rendszer egy egyfokozatú közvetlen kigőzölögtetős és bináris rendszer kombinációja. A nap energiája ebben az esetben arra fordítódik, hogy a túlnyomás alatt tartott geotermikus közeg hőmérsékletét a túlnyomáshoz tartozó telítési hőmérsékletig emelje. A telített termálvízből ezt követően a kigőzölögtetőben telített szárazgőz válik, ami a gőzturbinába lép. A kigőzölögtetőből kilépő termálvíz a binaris rendszer munkaközegének utófűtő hőcserélőjét, az elpárologtatót látja el megfelelő hőmennyiséggel, amellyel a közeget kismértékben a kritikus pont fölé emeli (R134a kritikus nyomása 40,6 bar, hőmérséklete 101,2 °C). Ebből a hőcserélőből kilépve hőjét még épületek fűtésére (FH) hasznosíthatjuk, mielőtt visszasajtolnánk.

A vízgőz turbinából kilépő nedves gőz a bináris rendszer munkaközegének előfűtő hőcserélőjében (EF) kondenzálódik, majd távozik a rendszerből.

Ennél a megoldásnál szükség van arra, hogy ha a napenergia nem áll rendelkezésre, a termálvíz a H1 és S jelű berendezéseket kikerülve közvetlenül a bináris rendszer utófűtő hőcserélőjébe (E), az elpárologtatóba lépjen be, és a munkaközeg mennyiségének változtatásával és a termálvíz tömegáramának változtatásával illesszük a rendszert a megváltozott körülményekhez. Ekkor a gőzturbina működése leáll.

A 9. ábrán feltüntetett rendszer abban tér el a 8. ábráétól, hogy a termálvíz minősége nem teszi lehetővé a közvetlen kigőzölögtetést, így közvetett módon, hőcserélőn keresztül történik a gőzturbina számára a vízgőz előállítása, miután a napenergia a H1 hőcserélőben a termálvíz hőmérsékletét megemeli. Az energiaátalakítási folyamat irreverzibilitása nagyobb, mint az előző rendszerben a H1 és H2 hőcserélő közbeiktatásával.

Abban az esetben, ha a napenergia nem biztosított, a termálvíz az E hőcserélőbe lép be az átkötő vezetéken keresztül, megkerülve a H1 és H2 hőcserélőt. Ekkor a segédközeges ST turbina működik, hiszen az nem célszerű megoldás, hogy leállítjuk, elzárjuk a berendezést megtápláló termikus kutakat, ha a nap nem süt.

A bemutatott rendszerekben a fűtésre és használati melegvíz termelésre kialakított kis hőmérsékletű síkkollektorok alkalmazása helyett a nagy hőmérsékletű (150–300 °C-os) vizes, vagy a (350–391 °C-os) termoolaj hőhordozó közeggel működő parabolikus kollektorokat célszerű alkalmazni.

Összefoglalás

Magyarország ugyan világszerte közismerten jelentős geotermikus energiával rendelkezik, magas a hőáram és a geotermikus gradiens értéke, azonban nincsenek nagy entalpiájú geotermikus mezőink. Mivel a geotermikus energia felhasználhatóságát alapvetően meghatározza a kitermelt fluidum hőmérséklete, entalpiája, és a közeg vegyi jellege, összetétele, minősége, a villamosenergia-termelésnél Magyarországon elsősorban a segédközeges (bináris) erőművi (ORC, Kalina) körfolyamattal megvalósított technológia alkalmazható. Ennek a technológiának az alkalmazásával 1 kJ termál hőenergiából 0,1-0,2 kJ-nak (0,1 kJ=2,778x10-5kWh) megfelelő villamos energia állítható elő. Azonban a Nap energiájával a kis hőmérsékletű termálvíz hőfokát megemelve lehetővé válik egy hatékonyabb villamosenergia-termelés, amelynél a termálvíz hőenergiáját teljes egészében hasznosíthatjuk az év egy jelentős részében.

A kivitelezett, illetve a még csak megtervezett, vagy megtervezendő erőművi folyamatok változatainak nagy száma azt mutatja, hogy az energiagazdálkodás különböző elvárásaival szemben való megfelelés érdekében sokféle megoldásra van szükség. Minden használható megoldásnak viszont termodinamikai értelemben hatékonynak kell lenni. A jó hatékonyság követelménye független a gazdasági és társadalmi peremfeltételek változásaitól, amelyek között az energia berendezésnek üzemelnie kell, a hatásfok önmagában egy érték.

A geotermikus energia alkalmazhatóságát, a geotermikus energiára telepített rendszer gazdaságosságát a termodinamikai hatásfokon túl számos más tényező is befolyásolja.


Irodalomjegyzék

[1] Franke, U.; Sponholz, H.-J.: Die Gasturbinenkühlung bei Einsatz unterschiedlicher Kühlmedien. BWK 45 (1993) Nr. 7/8
[2] Franke, U.: Thermodynamische Prozessanalyse. Shaker Verlag, Aachen 2004 (1993) Nr. 2
[3] Franke, U.: Gasturbinenkonzepte mit Wassereinsatz. VGB Kraftwerkstechnik 73
[4] Franke, U.: Zur thermodynamischen Prozessoptimierung. BWK 50 (1998) Nr. 1/2
[5] Tuschy, I.: Thermische Hybridkraftwerke zur Krafterzeugung aus Niedertemperaturwärme.
[6] Franke U.: Dampfinduzierter GuDProzess mit Einkopplung von Niedertemperaturwärme. (2005)
[7] Ruggero Bertani: Geothermal Power Generation in the World - 2010–2015 Melbourne) (2015)
[8] Veszely K.: Különleges kiserőművek ea. (2008)
[9] R. DiPippo.: Geothermal Power Plants (2007)
[10] Büki G.: Energetika Műegyetem Kiadó, Budapest (1997)
[11] Büki G.: Kapcsolt energiatermelés, Műegyetem Kiadó, Budapest (2007)

***

1. ábra. A beépített kapacitás (MWe) és elektromos energiatermelés (GWh) 1950-2015 és előrejelzések 2020-ig (Ruggero Bertani, 2015)
2. ábra. A geotermikus energiára épült villamos erőművekben alkalmazott különböző technológiák %-os aránya (Ruggero Bertani, 2015)
3. ábra. Szárazgőzös rendszer egyszerű sémája
4. ábra. Egynyomású közvetlen kigőzölögtetős rendszer egyszerű sémája
5. ábra. Kétnyomású közvetlen kigőzölögtetős rendszer egyszerű sémája
6. ábra. Segédközeges, bináris rendszer
7. ábra. Túlhevítéses nap- és geotermikus szuperkritikus túlhevítéses hibrid rendszer egyszerű kapcsolási sémája látható (Andrew D. Greenhut 2010)
8. ábra. Nap - és geotermikus közvetlen kigőzölögtetős hibrid rendszer (Andrew D. Greenhut 2010)
9. ábra. Nap - és geotermikus közvetett kigőzölögtetős hibrid rendszer





Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam