Bevezetés

A geotermikus energia a földkéreg, a köpeny és a mag nagy hőmérsékletű tömegei által tárolt belső energia. Mivel a Föld belsejében sokkal magasabb a hőmérséklet, mint a felszínen, a belső energia szakadatlanul áramlik a nagy mélységű forró zónákból a felszín felé. Ez a földi hőáram.

A földkéreg hőmérséklete a hővezetés törvényének megfelelően növekszik a mélységgel, így az egységnyi tömegű anyag energiatartalma is nő a mélységgel. Nyilvánvalóan annál alkalmasabbak a körülmények a geotermikus energia kitermelésére, minél közelebb van a felszínhez a magas hőmérsékletű közeg. Ez az egységnyi mélységre eső hőmérséklet-növekedéssel, a geotermikus gradienssel jellemezhető. A gazdaságosan kitermelhető geotermikusenergia-készlet a természeti, műszaki és gazdasági feltételek által meghatározott, az időben változó mennyiség.

A geotermikus energiáról alkotott értékítéletek sokszor túlzottan derűlátók, vagy túlzottan lebecsülők. Ebben a geotermikus energia kétarcúságának is szerepe van, ha bizonyos tulajdonságait egyoldalúan emeljük ki. A geotermikus energiakészletek szinte elképzelhetetlenül nagyok: a földkéreg felső tíz kilométere több mint ötvenezerszer annyi energiát tartalmaz, mint a ma ismert olaj- és földgázkészletek. Ugyanakkor a fajlagos energiatartalom viszonylag kicsiny. Amíg 1 kg földgáz elégetésekor 50 MJ energia szabadul fel, 1 kg 100 oC-os forró víz hasznosítható belsőenergia-tartalma a 15 oC-os környezeti szint fölött csupán 356 kJ. A földkérget fűtő földi hőáram teljesítménysűrűsége igen kicsiny, átlaga a Pannon-medencében közelítőleg 0,1 W/m2. Ez globálisan jelentős, hiszen Magyarország 93 000 km2 területén 9300 MW a hőutánpótlás teljesítménye. Lokálisan viszont egy adott geotermikus mezőre csak 100 kW/km2 jut. Erről a területről egy átlagos termálkúttal is mintegy 5 MW hőteljesítmény termelhető ki, tehát a geotermikus energia csak részben megújuló. Igazi értéke a hatalmas készletekben, környezetbarát jellegében, évszaktól, napszaktól és a fosszilis energiahordozók áremelkedésétől való függetlenségében rejlik.

A geotermikus energia hasznosításának
nemzetközi helyzete

A geotermikus energia hasznosítása a huszadik század elején kezdődött. 1904-ben, az olaszországi Larderellóban létesült a világ első geotermikus gőzre telepített, villamos energiát termelő berendezése, 1926-ban pedig Reykjavík hévíz-bázisú távfűtő rendszere. 1950-től rohamos volt a fejlődés, viszont az 1990-es években az olcsó olajár egy évtizedes megtorpanást hozott. Azóta újra gyors a fejlődés mind az elektromos energia termelése, mind a közvetlen hőhasznosítás területén. Az elektromos erőművek huszonnégy országban, 2008-ban beépített kapacitása meghaladta a 10 GW-ot. A legjelentősebb termelők: USA (2,96 GW beépített teljesítmény, 19 TWh/év megtermelt energia), Fülöp-szigetek (2 GW, 10 TWh/év), Indonézia (1 GW, 6,5 TWh/év), Mexikó (0,95 GW, 6,3 TWh/év), Olaszország (0,81 GW, 5,3 TWh/év). A közvetlen hőhasznosítás hetvenkét országban összesen 29 GW hőteljesítményű, ami 76 TWh/év energiát jelent, ez 20 millió t olaj energiatartalmával egyenértékű. A legjelentősebb hőhasznosítók: Kína (3,7 GW beépített teljesítmény, 12,6 TWh/év megtermelt energia), Svédország (3,84 GW, 10 TWh/év), USA (9 GW, 9,7 TWh/év), Törökország (1,5 GW, 6,9 TWh/év), Izland (1,85 GW, 6,8 TWh/év).

Ennek eredménye az elektromosenergia-termelésben és a közvetlen hőhasznosításban együttesen évi 41 millió tonna olaj megtakarítása, ez a világ olajtermelésének 1%-a. A CO2-kibocsátást a geotermikus energia használata évente 118 millió tonnával, a kéndioxid-kibocsátást 800 000 tonnával csökkenti. A már befejezés előtt álló erőmű-kapacitás az USA-ban 4 GW, a Fülöp-szigeteken 3,1 GW. Indonézia 10 év alatt 6,9 GW, Kenya 1,6 GW erőmű-kapacitást létesít. Ezek a számok egyértelműen a geotermikus energia hasznosításának gazdaságosságát, életképességét jelzik.

A geotermikus energia termelésének
természeti, műszaki és gazdasági feltételei

A geotermikus energia kitermeléséhez nagy fajlagos energiatartalmú, könnyen felszínre hozható, nagy mennyiségben rendelkezésre álló, a környezetre nem káros, olcsó és jól kezelhető hordozó közeg szükséges. Mindezeket a követelményeket a víz elégíti ki a legjobban. A víz fajhője nagy (4,187 kJ/kgK), ehhez gőz előfordulása esetén a fázisátalakulással járó latens hőnek megfelelő energiatartalom is járul. Ez 1 bar nyomáson 2259 kJ/kg, a mélységgel növekvő nyomással viszont csökken, 200 bar esetén már csak 629 kJ/kg.

A földkéreg anyaga nem homogén. A kőzetek hézagtérfogatát valamilyen fluidum tölti ki: túlnyomórészt víz, de szerencsés esetben gőz, kőolaj vagy földgáz is. A földkéreg erre alkalmas helyein a pórusokban vagy repedésekben forró vizet tároló képződmények, geotermikus rezervoárok alakultak ki. Ritka kivételektől eltekintve ezekben a víz folyadék fázisú, ugyanis az adott mélységben uralkodó nyomáshoz tartozó forráspont sokkal magasabb, mint ugyanott a kőzethőmérséklet.

A természetes geotermikus tároló kellő kiterjedésű, nagy hőmérsékletű, megfelelő porozitású és áteresztőképességű hévíz vagy gőztároló képződmény, amely néhány jellegzetes tulajdonságában különbözik a közönséges talaj- vagy rétegvíztárolóktól. Az alapvető különbség, hogy a geotermikus tárolóból belső energiát termelünk ki, amelynek csupán hordozó közege a forró víz vagy gőz. A lehűlt vizet környezetvédelmi szempontok miatt és a rétegnyomás fenntartása érdekében is vissza kell sajtolni a tárolóba. A legfontosabb, csak hosszú távon jelentkező előny, hogy a visszasajtolt hévizet a tárolóban újra felmelegíti a forró kőzettest, s a termelő és visszasajtoló kutakon át a folyamatos átöblítéssel a tároló kőzetvázának belsőenergia-tartalma is kitermelhető.

A bányászat tehát a víz energiatartalmára irányul, nem magára a vízre. További különbség, hogy az értékes, nagy fajlagos energiatartalmú tárolók porozitása általában töredezett, repedezett kőzettesthez kötődik. Az ebben kialakuló hatékony termokonvekcióhoz szükséges a rendszer kellő függőleges irányú kiterjedése is.

A geotermikus tárolókat szakadatlanul fűti a földi hőáram. Az egyik nagy tárolócsoportba azok a rezervoárok tartoznak, amelyek energia-utánpótlását konduktív, azaz vezetéses hőáram adja. A hővezetés viszonylag kisebb erősségű fűtést jelent. A földi hőáram átlagos értéke alig 60 mW/m², az átlagos geotermikus gradiens pedig 30 ºC/km. Ilyen feltételek mellett nem alakulhatnak ki a mai műszaki körülmények között gazdaságosan kitermelhető tárolók. A földkéreg helyi elvékonyodásai, egyes kőzetfajták eltérő hővezető-képességei szolid anomáliát okozhatnak a földi hőáram értékében. A 80−120 mW/m² teljesítménysűrűségű fűtés, illetve a 45−60 ºC/km-es geotermikus gradiens megfelelő porozitás és áteresztőképesség esetén már gazdaságosan művelhető forró- vagy melegvíztárolók kialakulásához vezethet. Bár a nagyobb mélységben levő üledékrétegek hőmérséklete, energiatartalma nagyobb, az önsúlyterhelés következtében az üledékes kőzeteknek a mélységgel exponenciálisan csökken a porozitásuk és gyengül az áteresztőképességük. Általában 2,5−3 km mélységben már olyan kicsiny a porozitás és az áteresztőképesség, hogy ilyen mélység a kedvező hőmérsékleti viszonyok ellenére sem jöhet szóba hévíztermelés céljából. A konvektív fűtésű tárolók hőmérséklete felülről korlátos, általában kisebb, mint 150ºC, ezért kis entalpiájú tároló elnevezésük is használatos.

A legkiugróbb geotermikus anomáliák egy-egy fiatal magmaintrúzió környezetében olyan nagy földi hőárammal jellemezhetők, amelyet a porózus vagy repedezett kőzetváz vezetéssel már nem képes továbbítani. A belső energia konvektív árama sokkal nagyobb energiaáram-sűrűséget tesz lehetővé, mint a hővezetés. A mélység mentén növekvő hőmérséklet a folyadék sűrűségének csökkenésével jár, a mechanikai egyensúly nem lehet stabil. A nagyobb hőmérsékletű, kitágult folyadéktömegre a sűrűségcsökkenéssel arányos felhajtóerő hat, amely a nehézségi erőre szuperponálódva áramlást kelt a folyadékban. Ez az áramlás nagy mennyiségű belső energia átvitelét teszi lehetővé. A termokonvekció mechanizmusa egy igen jó hővezető-képességű réteggel egyenértékűen viszi át a földi hőáramot. Ehhez mennyiségileg is jól meghatározható feltételeknek kell teljesülniük. Legfontosabb a nagy (200−300 ºC/km) geotermikus gradiens, oka valami felszín közeli (< 3 km) fiatal magmaintrúzió. A 650−1200 ºC hőmérsékletű magma erősen fűti a környezetét, s ez szokatlanul nagy (1 W/m²) földi hőáramot okoz. A konvektív fűtésű tárolókban viszonylag kis mélységben már nagy hőmérsékletű a telepfolyadék, amely kevésbé mély, nagyobb átmérőjű fúrásokkal, kisebb költséggel tárható fel. Energiahasznosítás szempontjából legértékesebbek a túlhevített gőzt tartalmazó rezervoárok (pl. Larderello).

A természetes geotermikus rezervoárok, más néven hidrotermális rendszerek energiatartalma eltörpül a nagy mélységben levő, minimális porozitású és áteresztőképességű, vizet nem tartalmazó, nagy hőmérsékletű kőzettömegeké mellett. A forró, száraz kőzettestben (hot dry rock – HDR) hidraulikus rétegrepesztéssel mesterséges tárolók alakíthatók ki. Ebbe a repedésrendszerbe a felszínről juttatjuk be a vizet, ami ott felmelegszik, és kitermelhető. Az első HDR-rendszeren (Los Alamos) 1978 és 1996 között folytak úttörő kísérletek, s először termeltek elektromos energiát egy mesterséges tároló energiáját megcsapolva. A HDR-technológia kutatása, gyakorlati megvalósítása az ezredfordulóra átkerült Európába. Soultz Sous Forets 1,5 MW és Landau 3 MW teljesítményű kísérleti erőművei megbízhatóan üzemelnek, az európai villamos hálózatra kapcsolva. Ausztrália is nagyléptékű HDR-programon dolgozik. Nevadában (USA), egy hidrotermális rendszer peremén a rendszert lehatároló meddő fúrásokra alapozva rövidesen üzembe helyeznek egy 5 MW-os HDR-erőművet. A Los Alamosban felújított kutatások szuperkritikus állapotú szén-dioxid mint geotermikusenergia-hordozó közeg alkalmazásában hoztak biztató eredményeket.

A mesterséges tárolókhoz képest szélesebb kategória az EGS (Enchanced/Engineered Geothermal System). Minden olyan geotermikus tároló ide sorolható, amely csak rezervoármérnöki módszerekkel beavatkozva tehető alkalmassá az energiatermelésre. Az EGS-kategóriába sorolhatók a víztermelés nélkül, zárt ciklusú üzemmódban működő hőcserélő kutak. Ez esetben nem hozunk létre mesterséges repedésrendszert, a cirkuláltatott fluidum csupán a kút palástfelületén kapja a kőzetből a kút felé irányuló hőfluxust. Mivel a hőátadó felület és a kőzetek hővezető-képessége is kicsiny, a konduktív hőfluxussal közölt energiamennyiség eléggé korlátozott. Egy 2 km mélységű meddő szénhidrogénkútból 300−350 kW hőteljesítményt és 30−40 ºC hőmérsékletű vizet hozhatunk felszínre. Ez csak hőszivattyú alkalmazásával használható fűtésre. A kisebb mélységtartományok (100− 300 m) geotermikus energiájának kitermelésére a sekélyebb hőcserélő kutak (talajszondák) alkalmasak, természetesen hőszivattyúval kiegészítve, hogy felhasználható hőmérsékletű fűtőközeget kapjunk. A leglátványosabb fejlődést Svédország mutatta fel, amely 3840 MW hőteljesítményű hőszivattyús fűtési kapacitásával az egyébként kedvezőtlen geotermikus adottságai ellenére a világ második legnagyobb közvetlen geotermikushő-hasznosítója (10 000 GWh/év). Az eredetileg Svájcból indult technológia amerikai−kanadai alkalmazása is jelentős. Világszerte harminchárom országban 1,5 millió hőszivattyús fűtési rendszer működik, összesen 15 GW hőteljesítménnyel.

A geotermikus energia termelésére alkalmas kőzettartományok tehát a technológia fejlődésével egyre bővülnek, s a gazdaságosan kiaknázható készletek is folyamatosan nőnek, bár a kezdeti földtani készlet állandó.

A geotermikus energiát hordozó folyékony közeget, elsősorban forró vizet mélyfúrású kutakon keresztül hozzák a tárolóból a felszínre. Ennek a technológiának minden eleme (fúrás, kútkiképzés, felszíni és felszín alatti termelő berendezések) ismert, tömegesen és megbízhatóan alkalmazott az olajiparban. Emellett a felhalmozott tudás, infrastruktúra és tőke is a szénhidrogénipart predesztinálja arra, hogy megkérdőjelezhetetlen kompetenciája legyen a geotermikus kutatás-fejlesztésben, az energiatermelésben. A kitermelt fluidum hőmérséklete és mennyisége határozza meg a hasznosítás módját. Elektromosenergia-termelésre nyilvánvalóan a magas hőmérsékletű termelvény alkalmas.

A klasszikus technológia: a tárolóból kitermelt száraz, túlhevített gőzt közvetlenül a generátorokat meghajtó gőzturbinákba vezetni. Ez csak néhány kivételes esetben (Geyser’s, Larderello) lehetséges. A forró (>180 ºC) víz nyomáscsökkentéssel teljes tömegében vízgőzkeverékké alakítható. Ebből szeparátorokban a gőzfázis leválasztható és a turbinákhoz vezethető (Wairakei, Broadlands).

Az ún. bináris rendszerű erőművekben a geotermikus fluidum valamilyen alacsony forráspontú, másodlagos munkavégző közeget melegít fel, s ez végzi a szokásos erőművi körfolyamatot. Ezzel a megoldással a primer közeg hőmérséklethatára nagymértékben csökkenthető, például Alaszkában 80 ºC-os forró víz működtet kettős közegű erőművet. Mivel a körfolyamat felső hőmérséklethatárától függ a termikus hatásfok, a bináris erőművek is magas hőmérsékletű tárolókra telepíthetők gazdaságosan.

A három fő erőműtípus különböző kombinációi ismeretesek, a hatvanas évek óta működők rekonstrukciója napjainkra vált esedékessé, illetve már meg is kezdődött.

A kisebb (<120 ºC) hőmérsékletű előfordulásokat legtöbbször közvetlen hőhasznosítás jellemzi. Ennek fő formái:

• távfűtés, nagyobb egyedi létesítmények, családi házak fűtése, klimatizálása,

• mezőgazdasági alkalmazások: üvegházak fűtése, talajfűtés, terményszárítás,

• ipari hőszolgáltatás: papír-, textil-, élelmiszeripar,

• uszodák, fürdők, gyógyfürdők üzemeltetése,

• utak, repülőterek kifutópályáinak jégtelenítése.

A hőszivattyúval ellátott, kis mélységű geotermikus rendszerek (BHE – Borehole Heat Exchanger) is a közvetlen hőszolgáltatásban hasznosulnak.

A geotermikus erőművek hatásfoka általában 10−16%. Ennek oka, hogy relatíve alacsony a hőközlés és magas a hőelvonás hőmérséklete a fosszilis energiahordozókat hasznosító elektromos erőművekhez képest. Így a geotermikus energia gazdaságos hasznosításának fokozására a környezeti hőmérséklet feletti belsőenergia-tartalom minél nagyobb hányadát kell egymást követő hőmérséklet-lépcsőkben hasznosítani (például: erőmű, távfűtés, üvegházak, talajfűtés, jégtelenítés).

A geotermikus erőművek viszonylag szerény hatásfoka a hőforrás alacsony hőmérsékletéből ered. Az energetikus mérnökök ezért inkább a geotermikus források közvetlen hőhasznosítását javasolják. Bár álláspontjuk pusztán a hatásfokot tekintve ésszerű, de arra is gondolnunk kell, hogy a geotermikus tárolók csak viszonylag ritkán esnek nagyobb, koncentrált hőfogyasztók közelébe. A belső energia szállítása nagy veszteséggel járó folyamat, ezért a geotermikus energiát ott kell felhasználni, ahol a lelőhely kitermelhető. Gazdaságosan csak a termelt elektromos energia szállítható, ez indokolja az óriási készletekkel együtt az alacsony hatásfok ellenére geotermikus villamos erőművek építését.

A geotermikus energia gazdaságosságát vizsgálva nem hagyhatjuk figyelmen kívül, hogy a természeti adottságokhoz képest még nem eléggé elterjedt energiaforrásról van szó, tehát felhasználásának tömegessé válása a költségek csökkenését hozza majd magával. Érdekes összehasonlítanunk a villamos erőművek különböző típusaiban megtermelt energia előállításának fajlagos költségét.

Szembetűnő a geotermikus energia termelésének viszonylag nagy beruházási és rendkívül alacsony üzemeltetési költsége. Megbízhatósága, környezetbarát jellege fontos érték. Az energiaellátás diverzifikálásában játszott szerepét sem becsülhetjük túl. Független a fosszilis energiahordozók, az olaj- és a földgáz importjától. Ára nem követi az olaj- és gázárak hektikus ingadozásait. Elterjedésével árstabilizáló szerepe lehet a hazai energiapiacon. Míg geotermikus energia alkalmazásakor a ráfordítások itthon maradnak, az import üzemanyag ára külföldre vándorol.

A geotermikus iparág új munkahelyeket teremt, új szakmák megjelenésével jár. Az USA-ban 11 500 új munkahelyet hoztak létre a geotermikus fejlesztések. A geotermikus iparág gyorsítja a vidéki gazdaság fejlődését, hátrányos helyzetű régiók felemelkedését indíthatja meg. Nagy megtakarítások jelentkeznek a helyi közösségeknél (Hódmezővásárhely, Kistelek). A balneológiai hasznosítás fejleszti a turizmust, az idegenforgalmat s az ezt kiszolgáló gazdasági ágazatot.

A geotermikus energia hasznosításának van néhány gyenge pontja is. Nagy távolságra nem szállítható, felhasználása a kitermelés helyéhez kötött. Beruházási költségei viszonylag nagyok, s ezekhez kiszámíthatatlan geológiai kockázatok járulhatnak. A víz-visszasajtolás is drágítja a beruházást és az üzemeltetést. Emellett erős energiaipari cégekkel kell versenyezni.

Magyarország természeti adottságai
és a kitermelés jellemzői

A ma legismertebb és legnagyobb kiterjedésű konduktív fűtésű geotermikus tároló az Alföld felső-pannon homokos-homokköves üledéksoraiban

található. Ez mintegy 40 000 km² kiterjedésű, átlagos vastagsága kb. 200 m. Ez az üledéksor természetesen nem homogén képződmény: egy sor, különböző vastagságú homokos-agyagos rétegből áll. A homokos-homokköves rétegek oldalirányban véges kiterjedésűek, de nyomásuk az agyagrétegek szerény áteresztőképessége révén kiegyenlítődik. A tároló pórusvíztömege gyakorlatilag hidrosztatikus egyensúlyi állapotban van, legfeljebb artézi hatás vagy az üledékrétegek tömörödése során kiszoruló víz, valamint a vetők, törésvonalak mentén beszivárgó csapadékvíz változtat valamit ezen az állapoton. Ez egy egységes, 40 000 km²-es tároló létezését sugallhatja, de ezt a váltakozó homokos-agyagos rétegek „nápolyi szeletként” töltik ki. Ha egy vagy több homokos lencsét egy mélyfúrású kúttal megcsapolunk, a lencsék véges méretei következtében gyorsabban fogy a pórusrendszerükben tárolt víz, mint a lencsét körülvevő rossz áteresztőképességű agyagos rétegeken át érkező utánpótlás. Így viszonylag hamar jelentős helyi nyomáscsökkenés alakulhat ki. A felső-pannon homokkő tároló bár egységes rendszerként viselkedik, az egyes feltárt, művelésbe vont tárolórészei végesek, kimerülő jellegűek.

Az üledékes Pannon-medence rétegsorai alatt az alaphegység helyenként repedezett vagy karsztosodott kőzettömegében is találhatók forróvíztárolók. Ezek mélyebben helyezkednek el, mint a még áteresztőképes üledéksorok, de hőmérsékletük nem sokkal magasabb, mert a jobb hővezető-képességű alaphegységi kőzetben a geotermikus gradiens kisebb.

A gyorsan süllyedő és feltöltődő üledékes medencék vastag, túlnyomórészt agyagos összleteinek tömörödését gyakran gátolja, hogy a pórusvíz csak nehezen vagy egyáltalán nem képes kisajtolódni az agyagból. A felső üledékrétegek önsúlyából származó litosztatikus nyomás a pórusvizet is terheli, így rosszul tömörödött hézagtérfogatukban nagy nyomású vizet tartalmazó, túlnyomásos zónák keletkeznek. Az egyensúly még földtörténeti időskálán is lassan áll be. A túlnyomásos zóna szerepét tekintve a szénhidrogén-tárolók át nem eresztő fedőkőzeteivel analóg hidrodinamikai csapdát képez. A vastag agyagrétegek alá jó áteresztőképességű homokrétegek vagy repedezett karbonátos kőzetek is települnek, ezek megtartják porozitásukat, áteresztőképességüket, s a mélyre süllyedt, túlnyomásos, nagy hőmérsékletű tárolókat alkotják. Egy ilyen nagy (3800 m) mélységű, túlnyomásos tárolóból tört ki a gőz-víz keverék a fábiánsebestyéni Fáb-4 szénhidrogén-kutató fúrásból. A dolomitbreccsa tárolóból 202 ºC hőmérsékletű, 760 bar nyomású forró víz áramlott be a fúrólyukba. Ez a gőzkitörés igazolta, hogy a pannon üledéksor alatt az alaphegység repedezett kőzeteiben vannak nagy entalpiájú és szinte korlátlan utánpótlású geotermikus tárolók.

Magyarország természeti adottságai rendkívül kedvezőek a geotermikus energia hasznosítására. Az elvékonyodott kéreg a Kárpát-medencében a kontinentális átlagnál nagyobb földi hőáramot és geotermikus gradienst eredményez. A jelenleg hasznosított hidrotermális rendszerek hőmérséklete általában a közvetlen hőhasznosítást teszi indokolttá. A geotermikus energia mezőgazdasági célú felhasználásában a világ élmezőnyében vagyunk. Ma Magyarországon 193 működő termálkúttal, 67 ha területű üvegház és 232 ha fóliasátor fűtése van megoldva. Az állattartás területén ötvenkét helyszínen hasznosítjuk a geotermikus energiát halastavak, baromfikeltetők, istállók temperálására. A szentesi Árpád-Agrár Zrt. 65 MW kitermelt hőteljesítményével a legnagyobb koncentrált fogyasztónk. A rendelkezésre álló hőlépcső kihasználása jelentősen javítható lenne. A mezőgazdaságban 212 MWt beépített kapacitással 1871 TJ/év geotermikus energia hasznosul.

Magyarországon negyven településen több mint 9000 lakást fűtenek geotermikus energiával. Ennek 118,6 MWt beépített teljesítménye 1162 TJ/év energiát jelent, amelynek 80%-a a távfűtő rendszerekben, 20%-a egyedi fűtőrendszerekben hasznosul. Magyarország legkorszerűbb, 10 MW hőteljesítményű geotermikus távfűtő rendszere Hódmezővásárhelyen üzemel jó hatásfokkal és gazdaságosan. A sikeresen megoldott vízvisszasajtolás költségei ellenére a távfűtés költsége a gáztüzelésű távfűtéséhez képest 40%-kal kisebb.

Magyarországon is építhetők geotermikus villamos erőművek, de nem véletlen, hogy napjainkig erre nem került sor. A nagy (<200 ºC) hőmérsékletű túlnyomásos tárolók termelésbe állításának műszaki feltételei nem minden részletükben megoldottak. Az extrém nagy nyomás és oldottanyag-tartalom egyaránt további alap- és alkalmazott kutatásokat tesz szükségessé. Ezek megoldható problémák, de nem megkerülhetőek.

A 120 ºC-os forróvíztárolókra telepítendő erőműveket illetően a hatásfokjavítás lehetőségeinek kutatásával léphetünk előre, sok kutató-fejlesztő munkával javítva néhány tized százalékot.

Hosszabb távon feltétlenül gondolni kell a DK-alföldi medencealjzat nagy hőmérsékletű zónáinak feltárására. Ezek energiatartalmának hasznosítására csak EGS-módszerek alkalmazásával kerülhet sor. Ahol kisebb mélységben van az alaphegység (például Tótkomlós környéke), bináris erőmű telepíthető. Nagyobb mélységű mesterséges tárolókból akár víz, vagy szuperkritikus állapotú szén-dioxid is lehet a hőt szállító, egyúttal munkavégző közeg. A mélység és ezzel a hőforrás hőmérsékletének növekedése a távolabbi jövő geotermikus erőműveinek hatásfokát javítja majd jelentősen.

Az elmúlt évek pangása után élénkülés tapasztalható a hazai geotermikus fejlesztésekben. Az olajipar elkötelezte magát a geotermikus energiából villamos energiát termelő első kísérleti erőmű megépítésére, s a magántőke is érdeklődést mutat az önkormányzatokkal együttműködve villamos erőművek és városi távfűtő rendszerek létesítésére. A kis mélységű hőszivattyús hőcserélő kutakra alapozott egyedi fűtési rendszerek is túlléptek a családi házak méretein, és az ipari hőfogyasztás felé is nyitnak. Erre a Telenor 1MW teljesítményű hőszivattyús fűtőrendszere jó példa.

Külföldi szakértők is egyetértenek abban, hogy Magyarország a nagymélységű EGS-rendszerek létesítésére egész Európa legalkalmasabb helyszíne. Ez akár EU-s vagy más külföldi tőke számára igen vonzó adottság lehet.

A geotermikus energia termelésének
környezeti hatásai

A fosszilis energiahordozók alkalmazásához képest a geotermikus energia felhasználása nagymértékben csökkenti a környezetszennyezést. Így gazdaságossága mellett egyre erősebb érv a geotermikus energia környezetkímélő jellege is. Természetesen a geotermikus energia alkalmazásával is károsodik a környezet, azonban ez nagyságrendekkel kisebb, mint a fosszilis energiaforrások igénybevételekor. A 2.  táblázat négy veszélyes szennyező: az üvegházhatású szén-dioxid, a savas esőket okozó kén-dioxid, a nitrogénoxidok és a por MWh-ra vonatkozó fajlagos kibocsátását mutatja különböző típusú erőművekre.

A nagy nyomású rétegvizekben jelentős mennyiségű egyéb gáz is lehet oldott állapotban. Ennek legnagyobb része CO₂, CH₄, SO₂, H₂S, N₂, ritkábban NH₃, Ra, He. A hévizekből kiváló gázok közül a legtöbb gondot a kis koncentrációban is mérgező és extrém nagy (5 ppm) hígításban is kellemetlen szagú kénhidrogén okozza. A légkörben egynapos felezési idővel természetes úton kén-dioxiddá alakuló kénhidrogéntől a hévizek vagy a geotermikus gőz nem-kondenzálódó gázait mesterségesen elégetve lehet megszabadulni.

A hévízből egy nagyságrenddel kevesebb CO₂ (üvegházhatású gáz) szabadul fel, mint a fosszilis energiahordozók elégetésekor. Mivel a geotermikus energia hasznosításával fosszilis tüzelőanyagokat váltunk ki, a hévíz CO₂-tartalma mindig egy sokkal nagyobb CO₂-kibocsátást helyettesít, így annak környezetkárosító hatásáról beszélni értelmetlen. A hévizekben oldott szén-dioxid kiválása nagyobb gondot okoz a vízkőképződés folyamatában, illetve a korrózió előidézésében.

A geotermikus energiát termelő kutakból származó víz vagy gőz gyakran tartalmaz hasznosítható mennyiségű metánt. A metán üvegházhatása sokszorosa a szén-dioxidénak, tehát szeparátorral történő leválasztása és elégetése elkerülhetetlen, ám ez egyúttal járulékos energiaforrás is. A hajdúszoboszlói termálkutakból nyert metánt már a két világháború között hasznosították, többek között a MÁV személykocsijainak világítására.

A természetes geotermikus tárolók szilárd oldottanyag-tartalma a hőmérséklettel arányos, tehát az elektromos energia termelésére használt tárolókból származó nagy hőmérsékletű (> 230 oC) telepfolyadék erősebben szennyez. A hévíz vagy a gőz kitermelésekor az oldott komponenseket is felszínre hozzuk, s az energiahasznosítás után elfolyó csurgalékvíz nagy mennyiségű környezetidegen anyaggal szennyezi elsősorban a felszíni vízfolyásokat. Ha ezt az anyagmennyiséget nem a környezetet terhelő ballasztnak, hanem kibányászott nyersanyagnak tekintjük, nagyrészt piacképes értékhez jutunk. Ez lehet a szilárd oldott anyag kérdésének egyik megoldási módja, a gazdaságosan nem értékesíthető komponenseké pedig a visszasajtolás.

A kitermelt hévizek mérgező anyagokat is tartalmazhatnak: higanyt, ólmot, arzént, cinket, sőt uránt is. Ezek a csurgalékvízből biotechnológiai úton hatékonyan eltávolíthatók. Bizonyos mikroorganizmusok 55−60 ºC hőmérsékleten és kissé savas jellegű folyadékban akár mechanikus keverővel ellátott, akár fluidizált ágy formájában működő bioreaktorokban 24 óra alatt a mérgező fémek 75−85 %-át képesek kivonni. A módszer különösen ott előnyös, ahol nincsenek meg a visszasajtolás feltételei.

A hévízkutakban a béléscső törése vagy lyukadása az ivóvízbázist szennyezheti. Szerencsére a vízadó rétegeket harántoló kútszakaszon a kettős béléscsőrakat és a cementpalást megfelelő védelmet nyújt.

A geotermikus projektek megvalósítása során a legnagyobb (85−115 dB) zajterhelést a fúrás, a kútvizsgálat és az esetleges rétegrepesztés munkálatai okozzák. Egy működő geotermikus erőmű általában a 70−83 dB tartományban üzemel. (Egy forgalmas városi utca zajszintje 70−85 dB.) A geotermikus erőmű főbb zajforrásai a transzformátor, a turbina-generátor egység és a hűtőtorony. A léghűtéses rendszerek zajkibocsátása nagyobb, mint a vízhűtésűeké. Hangtompítók beépítése hatásos, de ez az erőmű hatásfokát csökkenti, a beruházási költségeket növeli. Az EU szigorú zajvédelmi előírásainak is megfelelnek a városi, belterületi telepítésű geotermikus erőművek. Ilyen például Ausztriában Altheim (1 MWe és 10 MWt), Németországban Neustadt Glewe (210 kWe és 6 MWt).

A geotermikus energiát termelő rendszerek felszíni területigénye kicsi. Az erőművek mindig a kutak közvetlen közelébe települnek. A gyűjtővezeték-rendszerek hossza nem jelentős. A fúrás és a kútvizsgálatok alkalmával viszonylag nagy (3000–5000 m³-es) ideiglenes felszíni gyűjtőmedence kialakítása válhat szükségessé. A 3. táblázatban különböző erőműtípusok fajlagos területigényét hasonlítjuk össze Ladislaus Rybach (2008) nyomán.

A különösen nagy oldottanyag-tartalmú tárolókra telepített geotermikus erőművek területigénye a termelvény előkészítése miatt mintegy 75%-kal nagyobb a szokásosnál.

Természetes hidrotermális rendszerekben, ha a kitermelés üteme lényegesen meghaladja a tároló vízutánpótlását, a konszolidáció miatt felszíni süllyedések keletkeznek. Ez különösen markánsan jelentkezett az Új-Zélandon működő Wairakei erőmű esetében, amely egy aktív vulkáni tevékenységű területen létesült, ahol a kutak rendkívül kis mélységűek (250−300 m). Itt a felszín évente 45 cm-rel süllyed. A jelenség rokon a felszínközeli bányák fölötti földmozgásokkal. Hazánkban a hévíztermelés éppen csak kimutatható külszíni süllyedéseket okozott Szentes és Hajdúszoboszló térségében.

A természetes hidrotermális rezervoárok művelése során szeizmikus zavarok nem jelentkeznek. Mesterséges HDR-tárolók kialakításakor a hidraulikus rétegrepesztés jelentős csúsztató és húzófeszültségeket ébreszt a kőzettestben, mikroszeizmikus zajokat keltve. Ezek megfigyeléséből a tárolóról fontos információkat nyerhetünk. A nagyfrekvenciájú szeizmikus zajok nem generálnak szeizmikus kockázatot, viszont a kis frekvenciájú zaj erősebb rengések előjele lehet. Ez jellemezte a 2006-ban Baselben keletkezett, a Richter-skála szerint 3,4 fokozatot is elért rengéssorozatot, ami a projekt felfüggesztéséhez vezetett.

Földcsuszamlást legtöbbször csak a rosszul megválasztott helyszín okozhat, ha ilyen területen épül az erőmű. Elsősorban közvetett hatásai jelentkezhetnek, a kútszerkezet vagy a gyűjtővezeték sérülésében. Kis (<1000 m) mélységű visszasajtoló kutak és vetők kölcsönhatása válthatja ki. Természetes hidrotermális tárolókra telepített rendszereknél földcsuszamlás ritkán fordul elő.

A geotermikus energiát termelő kutak fúrása, kútkiképzése, a kútvizsgálatok és rétegkezelések nagy mennyiségű hálózati vizet igényelnek. A hidrotermális tárolók működése vízvisszasajtolást követel meg. Ennek során alapvető a lebegő finom szilárd szemcsék kiszűrése, mert azok csökkentik az áteresztőképességet és növelik a rendszer saját energiafogyasztását. A víztermelés jelentős vízszintsüllyedést okozhat. Hajdúszoboszlón és Szentesen jelentős (>50 m) vízszintsüllyedést okozott a visszasajtolás nélküli, több évtizedes hévíztermelés. A nem kellő körültekintéssel folytatott hévíztermelés megzavarhatja a természetes hidrotermális rendszerek működését. Hévízen, egyes üdülőkben összehangolatlanul fúrt saját hévízkutak bizonyíthatóan csökkentették a világhírű tó-forrás hozamát.

Egy geotermikus erőmű elsősorban létesítésének időszakában terheli a környezetét. Az erőművek kis területigényük miatt nem jelentenek korlátokat a mezőgazdasági termelés számára. Az erőművek általában alacsony építésűek, kis alapterületűek, nincsenek magas tornyok, a környezet fásításával a tájképet megzavaró hatásuk jelentősen csökkenthető.

A geotermikus erőművekben az elvont hő fajlagosan nagyobb, mint a fosszilis és nukleáris erőműveknél, mert a primer hőforrás kisebb hőmérsékletű. Egy geotermikus erőműnél az egységnyi teljesítményre eső hulladékhő 2-3-szor nagyobb a nukleárishoz képest. Egy 100 MW-os geotermikus erőmű hőkibocsátása egy 500 MW-os gázturbinás erőműével egyenlő. Ez a hátrányosnak tűnő tulajdonság előnyre változtatható az elektromos energia és a közvetlen hőhasznosítás egyidejű megvalósításával, a közvetlen hőhasznosítás többlépcsős, a minél teljesebb hőmérséklet-tartományt lefedő megoldásával.

A geotermikus erőmű létesítésekor a fúrás és a kútkiképzés a legveszélyesebb fázis, annak ellenére, hogy a geotermikus tárolóból feltörő gőz nem okozhat tüzet, robbanásveszélyt, mérgezést. A túlnyomásos tárolók feltárása, művelése a legkockázatosabb. Magyarországon a fábiánsebestyéni gőzkitörés volt eddig a legsúlyosabb, halálos balesettel járó káresemény. A kitörésvédelmi eszközök és módszerek állandó fejlődése csökkenti ezt a veszélyt. A geotermikus mezők feltárása során a modern geofizikai eljárások alkalmazása is nagymértékben csökkenti a fúrás során fellépő kockázatot.

Összefoglalás

A fenntartható fejlődés igénye, a fosszilis energiahordozók véges készletei olyan új energiaforrások felhasználását teszik szükségessé, amelyek belátható időn belül nem merülnek ki, s szakadatlanul megújulnak. Ezek közé tartozik a geotermikus energia is, amely csupán részben megújuló energiafajta, de óriási készletei évezredekre elegendőek. Kitermelésének módszerei, eszközei az olajiparban kidolgozottak, az olajkészletek fogyása a geotermikus energia termelésére predesztinálja a szakmát. Ez az energiatermelés lehetőségeihez képest még csak az ígéretes jövő küszöbén áll.

A jelenlegi 10 GW villamosenergia-termelő és a 29 GW közvetlen hőhasznosításra kiépített kapacitás már elegendő megbízható tapasztalatot szolgáltatott a további nagyléptékű fejlődéshez. A tiszta, környezetbarát, versenyképes árú geotermikus energia várhatóan az energetikai fejlesztések fő áramába kerül jelenlegi marginális helyzetéből.

Átgondolt gazdaságpolitikai és adminisztratív intézkedések nyomán Magyarország is természeti adottságainak megfelelő helyet kaphat a világszerte ugrásszerű fejlődés előtt álló geotermikus iparágban. Célszerű lenne Magyarországon is hatékonyabban támogatni a geotermikus kutatást, fejlesztést és beruházásokat.
 

Kulcsszavak: geotermikus gradiens, földi hőáram, geotermikus rezervoár, mesterséges tároló, hőcserélő kút (BHE), forró száraz kőzet (HDR), közvetlen hőhasznosítás, hőszivattyú, környezeti hatások.

IRODALOM

Bobok Elemér −Tóth Anikó (2005): Megújuló energiák. Miskolci Egyetemi, Miskolc

Lund, John W. (1998): Geothermal Direct-Use Engineering and Design. GeoHeat Center, Klamath Falls, Oregon

Rybach, Ladislaus (2008): Geothermal Global and European Perspective. GAI 10th Anniversary Conference, Kilkenny

Tester, Jefferson W. et al. (2006): The Future of Geothermal Energy. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts

Tóth Anikó (2010): Hungary Country Update 2005–2009. In: Proceedings World Geothermal Congress. Bali