Geotermikus rendszer

1.4.2 A geotermikus rendszerek jellemzői és használata

A geotermikus rendszerek három fő összetevőből állnak: egy hőforrásból, egy hőnyelőből és egy hőcserélőből. A hőforrás jellemzően a talaj, míg a hőnyelő egy épített környezet (általában egy építmény). Előfordulhat azonban ennek ellenkezője is, azaz a hőforrás egy épített környezet, míg a hőnyelő a talaj. A hőcserélőt általában egy vagy több olyan folyadékot tartalmazó elem alkotja, amely a hőt a hőforrás és a hőnyelő között továbbítja.

A talaj hőtárolóként, azaz hőforrásként vagy hőnyelőként való alkalmazása hosszú történelmi fejlődés eredménye, amellyel gyakran csak közvetett megfontolások alapján lehet foglalkozni (Cataldi, 1999). Az alábbiakban néhány korai fejlesztési példát sorolunk fel. A korai sumér és akkád időkben a földet hőelnyelőként használták a jég (és az élelmiszer) tárolására a részben vagy teljesen a föld alá épített úgynevezett “jégházakban” (pl. Dalley, 2002), e környezeteknek a felszíni hőviszonyokhoz való korlátozott ragaszkodására alapozva. A paleolitikumban és az ókori római korban a földet hőforrásként használták fürdéshez és helyiségek fűtéséhez (pl. Armstead, 1973), ami a felszín alatti melegvízforrások (pl. termálforrások) jelenlétén alapult. A földet 1904-ben Piero Ginori Conti herceg által Olaszországban megépített első geotermikus erőmű révén elektromos áram termelésére használták hőforrásként (pl. Lungonelli, 2003).

A geotermikus rendszerek egyik legfontosabb jellemzője az, hogy a talajból kinyert hőenergiát hogyan használják fel az ilyen rendszereken keresztül. A sekély geotermikus rendszerekben jellemzően a geotermikus energia közvetett felhasználása történik. Ilyen esetekben olyan gépeket vagy berendezéseket alkalmaznak, amelyek módosítják (növelik vagy csökkentik) a talaj és a célkörnyezet között átadott energiabevitelt, továbbá olyan gépeket vagy berendezéseket, amelyek egy hőhordozó folyadékot kényszerítenek a kettő közötti áramlásra (hőcserére). A mélységi geotermikus rendszerekben a geotermikus energia közvetlen felhasználására akkor kerülhet sor, ha a közvetett felhasználás nem célzott. Az előző esettől eltérően ebben az esetben elkerülhetők a talaj és a célkörnyezet között átadott energiát módosító gépek, és csak olyan gépekre van szükség, amelyek a talaj és a célkörnyezet között hőhordozó folyadékot kényszerítenek áramlásra.

A mélységi geotermikus rendszerek fűtés, hűtés és melegvíz előállítására használhatók, a föld alatt elérhető 25 °C-nál alacsonyabb hőmérséklet felhasználásával. Ezek a rendszerek kisléptékű és háztartási felhasználásra alkalmasak szinte bármilyen földrajzi helyen. A mély geotermikus rendszerek fűtés és melegvíz, valamint elektromos energia előállítására használhatók, a föld alatt elérhető 25°C-nál magasabb, akár 200°C-os hőmérsékletet használva. Ezek a rendszerek közép- és nagyléptékű felhasználásra alkalmasak, de különlegesebb helyeken alkalmazhatók, mint a sekély geotermikus rendszerek.

A geotermikus rendszerek korábban javasolt osztályozásán kívül egy további kritériumot is gyakran alkalmaznak e rendszerek jellemzésére, amely a hőcserélő zárt vagy nyitott hurkának jelenlétéhez kapcsolódik. E kritérium alapján a geotermikus rendszerek a legtöbb esetben zárt vagy nyitott hurkú rendszerekbe sorolhatók. A zárt hurkú rendszerek zárt csöveken keresztül keringő vízalapú keveréket használnak a hőnek a talajból a felépítménybe vagy fordítva történő átvitelére. A nyílt hurkú rendszerek közvetlenül a víztartó rétegekből kinyert vagy kutakon keresztül injektált talajvizet használják a figyelembe vett hőcserefolyamatban.

A zárt és a nyílt hurkú rendszerek közötti döntő különbség az, hogy az utóbbi rendszerekben az előbbiekkel ellentétben tömegcsere történik, és a hőátadás kedvezőbb. A nyílt hurkú rendszerek azonban – bár a legnagyobb energiahozamot biztosítják – nagyobb pénzügyi ráfordítást igényelnek, és technikai kockázatokat rejtenek magukban, például a föld alatti szennyezéssel kapcsolatban (Boënnec, 2008). Mivel nincs tömegcsere a talajjal, a zárt hurkú rendszerek minimalizálják a környezeti kockázatokat és az ásványi csapadékkal kapcsolatos problémákat, és nem kell bányászati engedélyt beszerezni (Narsilio et al., 2014). A sekély geotermikus rendszerek lehetnek nyílt vagy zárt hurkúak. A mély geotermikus rendszerek nyílt hurkúak.

Az 1.11. ábra a sekély és mély geotermikus rendszerek tipikus példáit mutatja be. Tipikus sekély geotermikus rendszerek a vízszintes geotermikus fúrások, a geotermikus kosarak, a talajvízgyűjtő rendszerek, a függőleges geotermikus fúrások és az energetikai geostruktúrák. Tipikus mély geotermikus rendszerek a termálforrások, hidrotermális rendszerek és petrotermális rendszerek.

1.11. ábra. A geotermikus rendszerek osztályozása.

Módosítva a Geothermie Schweiz után.

A vízszintes geotermikus fúrások a geotermikus rendszerek legmélyebben fekvő típusa. Ezek a rendszerek jellemzően zárt polietilén csövekből állnak, amelyeket néhány méter mélységben (z= 2-5 m mélységtől) vízszintesen szántanak vagy ásnak a talajba az épületek mellett. A csövekben keringő hőhordozó folyadék teszi lehetővé a talajban lévő (elsősorban a napsugárzás következtében keletkező) hő cseréjét, különösen fűtési célokra a lakossági, mezőgazdasági vagy akvakultúrás alkalmazásokban. Ugyanakkor tárolási célokat is el lehet érni azokban a helyzetekben, amikor a fúrásokat épületek alatt helyezik el.

A geotermikus kosarak a vízszintes geotermikus fúrásoknál kompaktabb rendszert képviselnek, és hasonló célokra használhatók. Ezeket a rendszereket jellemzően néhány méteres mélységben (z= 2-10 m mélységtől) temetik be a talajba, és spirálgeometriában rögzített zárt polietilén csövekből állnak, amelyekben hőhordozó folyadék áramlik. Lehetségesek olyan alkalmazások is, ahol a spiráltekercseket épületek melletti felszíni víztározókban helyezik el, feltéve, hogy ezek a víztározók elég mélyen vannak ahhoz, hogy elkerüljék a rendszer működése szempontjából problémás körülményeket, például a víztározó vizének és így a csövekben keringő hőhordozó folyadéknak a befagyását.

A talajvízgyűjtő rendszerek olyan nyitott kutakat alkalmaznak, amelyeket sekély mélységben (z= 5-20 m mélységtől) elhelyezkedő talajvíztározók vesznek körül. Ezek a rendszerek akkor alkalmazhatók, ha nincsenek hidrológiai, geológiai és környezeti korlátok. Általában fűtési célokra használják őket a felszín alatti vízben lévő hőenergia kinyerésével. Kisebb építmények esetében egyetlen kút is használható. Nagyobb építményeknél általában kettős kutakra van szükség. Elszívó és injektáló kutak alkalmazhatók a kiegyensúlyozott földalatti hőmező biztosítása érdekében, ami a teljesítmény és bizonyos esetekben a környezetvédelmi szempontok miatt elengedhetetlen.

A függőleges geotermikus fúrások zárt polietilén csövekből állnak, amelyeket az előző alkalmazásoknál mélyebb mélységben (z= 50-300 m mélységtől) függőlegesen a talajba ágyaznak az épületek alá vagy mellé. A talaj és a csövek közötti hőcsere fokozása érdekében általában töltőanyagot (pl. bentonitot) helyeznek a fúrólyukba. A csövekben keringő hőhordozó folyadék lehetővé teszi a hőcserét fűtési, hűtési, tárolási és melegvíz-előállítási célokra a legkülönbözőbb építési típusokban. Az egyes fúrólyukak kis lakóépületek ellátására is alkalmasak. Fúrólyukmezőkre akkor van szükség, ha nagyobb épületek hőenergiával történő ellátása a cél. A sekélyebb geotermikus rendszereknél nagyobb energiabevitel érhető el függőleges geotermikus fúrt kutakkal, mivel a talajra jellemző magasabb hőmérsékleti szintek miatt az adott mélységben magasabb a talajhőmérséklet.

Az energetikai geostruktúrák olyan újszerű geotermikus rendszerek, amelyek (z=10-50 m mélységtől) a talajjal érintkező bármely szerkezet tartószerkezeti szerepét a sekély geotermikus rendszerek hőcserélő szerepével párosítják, a korábban leírt rendszerekhez hasonló, sőt kedvezőbb eredményekkel.

A hőforrások általában a mély geotermikus rendszerek közé sorolhatók, bár a sekély geotermikus rendszerekre jellemző mélységben is előfordulnak. Ezek a rendszerek a felszín alatt viszonylag mélyen (z= 500-1000 m mélységtől) elhelyezkedő, forró talajvíztározókkal körülvett nyitott kutakat alkalmaznak. Ezeket jellemzően fürdőzési és gyógyászati célokra használják a felszín alatti vízben lévő hőenergia kinyerésével.

A hidrotermikus rendszerek a talajvizet nyílt kutakon keresztül olyan mélységből nyerik ki, amely lehetővé teszi, hogy a hőmérséklet és a jelen lévő hőenergia kellően magas legyen a nagyméretű fűtési alkalmazások megvalósításához (z= 1000-4000 m mélységtől). E rendszerek tipikus felhasználási területei a távfűtés, de nagy ipari vagy mezőgazdasági létesítmények fűtése is kényelmesen megvalósítható.

A petrotermikus rendszerek szintén nyílt kutakon keresztül nyerik ki a talajvizet, de a hidrotermikus rendszereknél mélyebb mélységekből (z= 4000-6000 m mélységből). Az ilyen mélységekben a vízben lévő hőmérséklet és hőenergia nagyméretű elektromos energiatermelésre és -ellátásra használható fel.