A geotermikus energia hasznosítási módjai és alkalmazási területei

• Száraz gőzerőmű

• Egyszerű gőz-kiáramlásos erőmű

• Kettős ciklusú erőmű

• Kettős gőz-kiáramlásos erőmű

• Közvetlen felhasználásra alkalmas források

• Geotermikus hőszivattyú

   Száraz gőzerőmű

Ez a típusú rendszer a gőz-dominált területek esetén alkalmazható, amikor a gőzhasznosítást semmilyen folyadék nem zavarja. A túlhevített 180-200 C^o-os, 0,8-0,9 MPa nyomású gőz néhány száz km/h-ás sebességgel érheti el a felszínt. 300-350 C^o os hőmérsékleten és megfelelően nagy nyomáson jobb hatékonyságú áramtermelés érhető el. A turbinán áthaladó gőz kitágul, és meghajtja a turbina lapátjait, ami a tengelyt forgatja meg, és így elektromos áramot termel. Az USA-ban és Olaszországban, Indonéziában, Japánban és Mexikóban kiterjedt száraz gőz-források találhatók. Az utóbbi három területen a folyadék-dominált mezők sokkal elterjedtebbek. A legtöbb helyen bevált gyakorlat a hasznosított víz reinjektálása, azonban az amerikai Gejzírmezőn ezt nem csinálták meg, bár a csökkenő folyadéknyomásból arra lehet következtetni, hogy a terület kezd túlzottan kiaknázottá válni, így itt is tervbe vették egy reinjektáló rendszer telepítését, a fenntartható hasznosítás érdekében.

   Egyszerű gőz-kiáramlásos erőmű

Az aknából felfelé lövellt víz vagy nagy nyomású forró víz, vagy nedves gőz formájában érheti el a felszínt. Első elemként egy szeparátor van beiktatva, ami a turbinát nagy mennyiségű víz beömlésétől védi. A termálvízben számos ásványi só van oldva, amelyek az aknában való haladás során ott lerakódhatnak és elzárhatják azt, ezért az aknát rendszerint nyomás alatt tartják. A forró, nagy nyomású vízzel való munka számos komplex felszerelést igényel. A hagyományos gőzturbina az erőmű központjában található. Előfordulnak olyan esetek, amikor alacsonyabb nyomású és hőmérsékletű gőz (0,5-0,6 MPa, 155-165 C^o) tör fel, ilyenkor több gőzt igényel az erőmű, kb. 8 kg/kWh.

   Kettős ciklusú erőmű

Az erőművek ezen fajtája egy, a víznél alacsonyabb forráspontú, másodlagos folyadékot (mint a pentán vagy bután) gőzzé alakít, ami meghajtja a turbinát. Legnagyobb előnye, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű források is hasznosíthatóvá válnak. Ezen felül a kémiailag nem tiszta geotermikus folyadékok is hozzáférhetővé lesznek, főleg, ha nyomás alatt tartják azokat. A geotermikus sós vizet a reservoár nyomásával szivattyúzzák át egy hőcserélőn, ahol ideális esetben a termikus energia túlhevíti a másodlagos folyadékot, majd reinjektálják. Noha így magasabb teljesítmény érhető el, mint az alacsony hőmérsékletű gőz-kiáramlású erőművekben, jelenleg hatvan ilyen berendezés üzemel, mivel rendkívül költséges a beruházásuk. A geotermikus folyadék nyomás alatt tartása és a másodlagos folyadék visszanyomása a rendszer teljes teljesítményének 30%-át emészti fel, mivel ehhez nagy szivattyúk szükségesek. Ezek az erőművek nagy mennyiségű folyadékot igényelnek, pl. Kaliforniában a Mammoth Geotermikus erőmű 700 kg/s-ot igényel, 30 MW termeléséhez.

   Kettős gőz-kiáramlású erőmű

Jelenleg különböző kísérletek folynak a gőz-kiáramlású technológia fejlesztésére, különösen azért, hogy kiküszöböljék a kettős ciklusú erőmű magas beruházási költségeit. Ez a fajta rendszer jól alkalmazható azokon a helyeken, ahol a geotermikus folyadék kis mennyiségű szennyező anyagot tartalmaz, így a vízkő-leválás és a nem kondenzálható gázok – amelyek a hasznosíthatóságot befolyásolják – az itt alkalmazott módszer segítségével a minimumra szoríthatók. A kezdeti nagy nyomású befecskendezés után visszamaradt folyadék egy alacsonyabb nyomású tartályba áramlik, ahol egy újabb nyomáscsökkentés hatására addícionális gőzzé alakul. Az így keletkezett gőz keveredik a nagy nyomású turbinát elhagyó gőzzel, és a kettő együtt egy újabb turbinát is képes meghajtani. Ezzel a módszerrel ideális esetben 20-25 %-kal növelhető a teljesítmény, és mindössze 5%-kal növeli az erőmű üzemi költségeit. Így azonban rendkívül nagy mennyiségű folyadék szükséges a rendszer működtetéséhez. Például az 1988-ban megnyitott East-Mesa erőmű Dél-Kaliforniában 1000 kg/s sósvizet hasznosít 16 aknából és 37 MW-ot termel. Ez tízszer nagyobb folyadékmennyiség, mint a száraz gőz erőmű esetében.

   Közvetlen felhasználásra alkalmas források

Az alábbi táblázatban felsorolt országok nagy része a geotermikus erőforrásokat elsősorban nem elektromos áram termelésére hasznosítja, hanem közvetlen felhasználásra. Japánban, Új-Zélandon, Izlandon és Olaszországban a nedves gőz vagy meleg víz egy bizonyos hőmérséklet-tartományban alkalmas háztartási, üdülési és ipari felhasználásra. Ezeken a helyeken az üledékes medencékben alacsonyabb hőmérsékletű és nyomású energiaforrások találhatók, mint a forró gőz-mezőkön és általában szivattyúkat kell alkalmazni a folyadék felszínre juttatásához. Gyakran a forró víz túl sós és korrozív ahhoz, hogy közvetlenül fel lehessen használni, ezért korróziómentes hőcserélőket alkalmaznak. Ezután a nyert hőt hatalmas üvegház komplexekben hasznosítják lég vagy talajfűtés által. Háztartási alkalmazás esetén hagyományos radiátoros vagy padlófűtésre alkalmas. Párizsban a többemeletes épületek fűtésére a helyi forrásokat hasznosítják. A párizsi-medencében az elmúlt 30 évben nem kevesebb, mint 55 fűtési tervezetet fejlesztettek ki, az alacsony entalpiájú források hasznosítására, és még jó néhányat Délnyugat-Franciaországban. A geotermikus energia közvetlen felhasználását hőmérséklet alapján az alábbi táblázat tartalmazza:

Hőmérséklet	Felhasználás
20 Co	Haltenyésztés
30 Co	Uszodafűtés, biolebontás, erjesztés
40 Co	Talajmelegítés
50 Co	Gombatermesztés, balneológia
60 Co	Állattenyésztés, üvegházak lég- és melegágyfűtése
70 Co	Alacsony hőmérsékletű hűtés
80 Co	Fűtés, üvegházak légfűtése
90 Co	Intenzív jégtelenítés, raktározott hal szárítása
100 Co	Szerves anyagok szárítása, tengeri moszatok, zöldségek, szénaszárítás, gyapjúmosás és szárítás
110 Co	Közép-hőmérsékletű hűtés, cementlapok szárítása
120 Co	Desztillálás, összetett párologtatás
130 Co	Bepárlás a cukorfinomításban, sók extrakciója, sűrítés, kristályosítás
140 Co	Mezőgazdasági termékek szárítása, konzerválás
150 Co	Timföldgyártás Bayer módszerrel
160 Co	Halhús és fűrészáru szárítás
180 Co	Magas koncentrációjú vegyületek bepárlása, ammónia abszorpcióval történő hűtés, diatómaföld szárítás

   Geotermikus hőszivattyú

Az utóbbi időben az altalajból nyert energiát nem geotermikus, hanem a napenergia egyik fajtájának tekinti a szakirodalom.

Energia és hőszivattyú

A megújuló energiaforrások hasznosításának korszerű eszközei a legújabb generációs hőszivattyús rendszerek. A hőszivattyúval kis hőmérsékletű hőforrások hőenergiája nagyobb hőmérsékletszintre hozható. Ezzel a technikai lehetőséggel különböző természetű hőenergiaforrások és a hulladék energiák válnak hasznosíthatóvá. Hőszivattyú alkalmazásakor több energiát kapunk a felső hőfokszinten, mint amennyit mechanikai munka formájában (W) befektetünk: Qf = W + Qo. Természetesen ez az egyenlet nem mond ellent az energiamegmaradás elvének, hiszen Qo energiatöbblet nem a semmiből származik. A hőszivattyú általában a természetben korlátlan mennyiségben, de alacsony, számunkra értéktelen hőmérsékleten rendelkezésre álló (megújuló típusú) hő hasznosítását végzi úgy, hogy energiabefektetéssel a hőenergiát alacsonyabb hőmérsékletről magasabb, számunkra értékes hőmérsékletre „szivattyúzza”.

Működése gyakorlatilag megegyezik a hűtőgépével. A két berendezés közötti különbség a körfolyamat hőmérséklet-határaiban és a felhasználás céljában van. Ha a kondenzátor oldalán termelt hő hasznosítása a cél, és a hűtést nem használjuk, akkor egycélú, míg a hűtésre és fűtésre is használható berendezés esetében többcélú hőszivattyúról beszélhetünk.

Kedvező körülmények között – például, ha nincs túl nagy hőmérséklet-különbség a környezeti hőforrás és a hasznosítás szintje között – a hasznosított hőnek csak mintegy negyede a bevezetett energia, a többi a környezetből jön, amelynek 75 %-a a hőszivattyú nélkül nem hasznosulna. Lényeges tehát, hogy milyen hőforrásokat találunk a környezetben: a talajban, a vízben vagy a levegőben, és milyen igényünk van a hasznosításban (fűtés, melegvíz-készítés). A bevezetett energia hányada annál kisebb, minél kisebb ez a hőmérséklet-különbség.

A mechanikai munkához szükséges energia is származhat megújuló energiaforrásból, így például épülhet napelemre, illetve fotovillamos elemre, amely a Nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja villamos energiává, és ez a szekunder energia működteti a kompresszor villanymotorját. De épülhet szél-, illetve vízturbinára, amely szintén villamos energiát állít elő, esetleg biomasszára (energetikai hasznosításúra), amely a kompresszor belső égésű motorjának az üzemanyaga (biogáz, biodízel).

Az energiabefektetés lehet elektromos energia (szekunder energiával működő villamos hőszivattyú), vagy földgáz, tekintettel arra, hogy az ország jelentős területén vezetékes földgáz áll rendelkezésre, így nagy szerepet kaphatnak a földgázmotor-hajtású hőszivattyúk. Az abszorpciós hőszivattyús berendezéseknek kisebb a karbantartási igényük, munkaközegük biztonságosabb, a bevezetett energia (hajtóenergia) hőenergia, amely például gázégővel vagy hulladék hővel (például gőzzel) biztosítható, ezért nagy jövőjük van. A hő szivattyú működése-Fűtés: Ha egy gázt összepréselünk, a molekulái közelebb kerülnek egymáshoz,és egyre gyakrabban összeütköznek. A sok karamboltól a gáz felmelegszik! Amikor a biciklipumpával összesűrítjük a levegőt, hogy a kerekünkbe bepumpálva, az jó kemény legyen, akkor a pumpa bizony jó forró lesz! A hőszivattyúban pontosan a fenti egyszerű fizikai folyamatok játszódnak le. Egy csőben olyan különleges anyag kering a nyilak irányában, amelyik nyomásváltozás hatására könnyedén változtatja halmazállapotát.

1. Hirtelen összesűrítjük a gáz halmazállapotú anyagot, egy kompresszor segítségével. A gáz ettől erősen felmelegszik.

2. A meleget - egy hőcserélőn keresztül - lakásunk fűtésére, melegvíz készítésre használjuk fel, közben a gáz kihűl, lecsapódik, folyadékká válik.

3. A folyékony közeget - egy úgynevezett expanziós szelep segítségével - egy szempillantás alatt, nagyobb keresztmetszetű csőbe, tehát tágasabb helyre engedjük,. A lecsökkent nyomás hatására anyagunk újra gáz halmazállapotúvá válik kiterjed, és ettől erősen lehűl.

4. Mivel a külső környezetünk még a leghidegebb téli napokon is melegebb, mint most a gázunk, ezért – egy második hőcserélőn keresztül – a környezetünkből hőt vonunk el. Így „lopunk” energiát a természettől! …És körfolyamatunk újra az 1. ponthoz ér! Hűtés: Nem kell mást tennünk, mint, - egy viszonylag egyszerű kiegészítő szerelvény segítségével -megfordítjuk a fenti körfolyamatot! Az összesűrített – ezért forró – gázt a természettel lehűtetjük, és a kiterjedt – ezért hideg – közeget otthonunk hűtésére használjuk! Építmény és hőszivattyú

A hőszivattyús rendszerek alkalmazhatók lakásoknál és más szállásépületeknél, középületeknél, ipari és nem utolsósorban mezőgazdasági épületeknél (például növényházak, állattartási épületek), vagy akár veszélyes útszakaszok, kocsibehajtók, repterek jégmentesítésére. A hőszivattyú alacsony hőmérsékletű rendszerekhez kapcsolható gazdaságosan, ezért célszerű a rendszert padlófűtés, fal- és mennyezetfűtés (illetve hűtés), esetleg nagy felületű radiátoros fűtés keretében megvalósítani. Olyan helyen érdemes alkalmazni, ahol hulladék hő képződik (természetes meleg vizek, termálvizek, szennyvizek, egyenletes ütemben kibocsátott levegő, hűtőrendszerek, transzformátorok hulladék hője), vagy ahol a természetes energiaforrások hőhordozói olyan hőmérsékleten állnak rendelkezésre, hogy kis hőmérséklet-emeléssel már hasznosíthatók. Ezeknek a javaslatoknak az alkalmazása esetén magas teljesítménytényezőt és megfelelő gazdaságosságot érhetünk el. Ember és hőszivattyú

A szubjektív hőérzet függ az emberi test és környezete között fennálló hőegyensúlytól. A hőkomfort érzetét hat paraméter határozza meg:

• A belső levegő hőmérséklete, annak térbeli, időbeli eloszlása, változása
• A határoló felületek közepes sugárzási hőmérséklete és térbeli eloszlása
• A levegő relatív nedvességtartalma, illetve a levegőben lévő vízgőz parciális nyomása
• A levegő mozgásának sebessége (huzat)
• A ruházat szigetelőképessége
• A végzett tevékenység függvényében az emberi testben keletkező metabolikus hő

A hőkomfort biztosítására és energiatakarékossági okból is egyaránt célszerű, ha az emberi test legnagyobb arányú hőleadását, a sugárzással leadott hőt csökkentjük (illetve növeljük), úgy, hogy a határoló felületek közepes sugárzási hőmérsékletét megemeljük (illetve csökkentjük) – attól függően, hogy fűtünk vagy hűtünk a határoló felülettel. A komfortérzet biztosítása miatt padlófelülettel csak fűteni lehet, az oldalfallal és a mennyezettel viszont fűteni és hűteni egyaránt megengedett. A falfűtések és a mennyezetfűtések sugárzó fűtések, melyek alkalmazásakor a helyiségben a fűtésből, illetve hűtésből származó légmozgás minimális, és az ember számára kedvező a vízszintes és függőleges irányú hőmérséklet-eloszlás. Általában a hőmérséklet térbeli egyenlőtlensége kisebb, ha a fűtőtest, illetve a hűtőtest nagyobb részben sugárzással adja le a teljesítményt, és nagyobb, ha a fűtőtest leadása vagy a hűtőtest hőelnyelése főleg konvekciós (hőáramlásos) úton történik.

Napjainkban a leggyakoribb fűtés a víz hőhordozó közeggel üzemelő megoldás. A kis hőmérsékletű fűtések esetében a fűtőfelületek és a fűtőközegek hőmérséklete 30-40 °C. Kis hőmérsékleten működtethető például a kondenzációs gázkazán, vagy megújuló energiát felhasználó, ma már egyre elterjedtebb elektromos vagy gáz hőszivattyú. A hőszivattyú energiafelhasználása a kapilláriscsöves regiszternél a legkedvezőbb. A kapilláriscső mérete és a sűrű csőosztás hatásaként kialakuló hőmérsékletgörbe amplitúdója kicsi. Ezért alacsonyabb fűtővíz előremenő hőmérsékletet igényel fűtéskor, hűtéskor pedig magasabbat (kevésbé hideget) a szokványos belső csőátmérőhöz és csőosztáshoz viszonyítva.

A hőszivattyú energiatakarékos és környezetbarát gép, beépítése megteremti az építés és környezet harmóniáját, csökkenti a káros légszennyezést, és alkalmazásával emberbarát fűtési és hűtési rendszerek valósíthatók meg. A hő szivattyúk típusai

Attól függően, hogy honnan vonjuk el a környezetünk hőenergiáját, különböző típusú (Földes, Vizes, Levegős) hőszivattyúkat különböztetünk meg. A különböző típusok eltérő hatásfokkal (COP) tudnak dolgozni, mivel a víznek, a földnek és a levegőnek más és más a hőátadó képessége és a hőmérséklete. A COP érték azt fejezi ki, hogy 1 kW elektromos áram felhasználásával, hány kilowatt fűtési energiát tud előállítani a hőszivattyú. Egy hagyományos elektromos kandalló maximális COP értéke „1”, ha minden – a hálózatból felvett – elektromos energiát fűtésre használ. (Tehát nem világít, nincs benne ventilátor…stb.) A hőszivattyúk COP értéke viszont magasabb 1-nél, hiszen a fűtéshez szükséges energia nagyobbik részét nem az elektromos hálózatból, hanem a természetből nyerik!

A hőszivattyúk típusai
Víz-víz hőszivattyú
A talajvízből, vagy a felszíni vizekből (folyó, tó) vonjuk el a szükséges hőenergiát. A talajvíz felhasználásához legalább két kút szükséges; az egyikből kiszivattyúzzuk, a másikba pedig visszaeresztjük a vizet.
Előnyei	Hátrányai
·1 A legmagasabb COP (5-7) ·2 Az év egészében állandó COP ·3 Önállóan megoldja az épület fűtését-hűtését	·1 Nagy mennyiségű víz szükséges hozzá ·2 Jelentős előkészítést igényel ·3 Ha elapad a vízforrás, nem tud működni
Föld-víz hőszivattyú - Földkollektoros (vízszintes) rendszerek
A talajból a hőt, 1,5-2 méter mélyre (több, keskeny árokba, vagy egy nagy alapterületű „gödörbe”), vízszintesen lefektetett, műanyagcsövek segítségével vonjuk el. A csőkígyóban fagyálló folyadék kering.
Előnyei	Hátrányai
·1 Magas COP (4,5-5) ·2 Az év egészében állandó COP ·3 Önállóan megoldja az épület fűtését-hűtését ·4 Teljesen biztosított a jövőbeni működés	·1 Jelentősebb földmunkával jár ·2 Hűtheti a kert fáinak gyökereit ·3 Nagy földterület szükséges hozzá.
Föld-víz hőszivattyú - Földszondás (függőleges) rendszerek
A talajból a hőt, 30-100 méter mély furatokba, függőlegesen elhelyezett műanyagcsövek segítségével vonjuk el. A speciális csövekben különleges fagyálló kering.
Előnyei	Hátrányai
·1 Magas COP (4,5-5) ·2 Az év egészében állandó COP ·3 Önállóan megoldja az épület fűtését-hűtését ·4 Teljesen biztosított a jövőbeni működés ·5 Kicsi területigény ·6 Szinte bárhová telepíthető	·7 Nagyon drága lehet a fúrás ·8 Nagy felfordulással jár az előkészítés
Levegő-víz hőszivattyú
A környezet levegőjéből vonjuk el a fűtéshez szükséges hőenergiát. A készülékek telepíthetők beltérbe, kültérbe. Felszerelhetők a tetőre, vagy a ház falára is. Amennyiben az épület már rendelkezik jól működő gázkazánnal (meglévő ház fűtéskorszerűsítése), akkor a leggazdaságosabb megoldás, ha a levegős hőszivattyú kb. -5 - -8°C-ig fűt, utána átadja a feladatot a kazánnak. Így a levegős hőszivattyú végig takarékosan üzemel (jó COP értékkel), és egy átlagos télen maximum 5-10 napig megy a kazán.
Előnyei	Hátrányai
·1 Nem igényel jelentős előkészületeket ·2 Bárhová szerelhető ·3 Egyszerű, olcsó telepítés ·4 A leggazdaságosabb megoldás meglévő fűtési rendszer esetén ·5 Kisebb beruházást igényel, mint a földes, vagy vizes típusok	·6 Alacsonyabb (3,5-4,1) COP ·7 Külső hőmérséklettől függő COP ·8 Alternatív fűtési rendszert igényelhet

talajkollektor	talajszonda	talajvíz-kút  (www.foek.hu)