Termálvizek és geotermia

Doktori kurzuskurzuskód: gggn9224

tárgyfelelős: Mádlné Dr. Szőnyi Judit és Dr. Lenkey László

A geotermikus készletek osztályozása és készletbecslés

1-4. fejezet: Mádlné Szőnyi Judit5. fejezet: Lenkey László

A geotermikus készletek osztályozása és készletbecslésA geotermikus készletek osztályozása és készletbecslés

1. A geotermikus készletek osztályozása1. A geotermikus készletek osztályozása

1.1. A MCKelvey-diagram1.1. A MCKelvey-diagram

2. Készletszámítási módszerek2. Készletszámítási módszerek

2.1. Felszíni h2.1. Felszíni hőőáram módszeráram módszer

2.2. Térfogati módszer2.2. Térfogati módszer

2.3. Kitermelési tényező2.3. Kitermelési tényező

3. Tározó típusokra kifejlesztett térfogati módszer3. Tározó típusokra kifejlesztett térfogati módszer

3.1. Melegvizes víztartók3.1. Melegvizes víztartók

3.2. Töréses szerkezetek3.2. Töréses szerkezetek

3.3. Kristályos kőzetek3.3. Kristályos kőzetek

4. Németország geotermikus potenciálja4. Németország geotermikus potenciálja

5. Magyarország geotermikus potenciálja5. Magyarország geotermikus potenciálja

Magyarországon a készlet szinonimájaként a vagyon kifejezés használatos. (In situ: állam tulajdona, kitermeléssel megy át a bányavállakozó tulajdonába.)A gondolkodás a bányatörvény fogalomrendszerét követi.

A MCKelvey-diagram

Geotermikus energiavagyon: a geotermikus energia számítással vagy becsléssel meghatározott része.

A MCKelvey-diagram

Geotermikus alapkészlet:a teljes hőenergia, mely a földfelszín egy adott területe alatt található

Kinyerhető alapkészlet = Földtani vagyon:a teljes hőenergia, amely a földfelszín egy adott területe alatt a földkéreg felső 7 km-ében található (hazánkban 5 km a számbavételi határ)

Nem kinyerhető alapkészlet:

ami a kinyerhető alapkészlet alatt található

Hasznos kinyerhető alapkészlet = Hasznos

földtani vagyon:az elkövetkezendő 100 évben

gazdaságosan és legálisan kitermelhető készlethányad

Maradék kinyerhető alapkészlet:fokozatosan fejlődő technológiát és

egyre kedvezőbb gazdasági körülményeket feltételezve sem termelhető ki a közeljövőben gazdaságosan

A MCKelvey-diagram

Ismert vagyon:a geotermikus energia azon

jellegzetes koncentrációi, melyeket ismerünk és melyeket fúrás, geokémiai, geofizikai és geológiai vizsgálatok bizonyítanak

Reménybeli vagyon:a geotermikus energia azon nem-

jellegzetes koncentrációi, melyek léte a nagyléptékű geológiai tudáson és elméleteken alapszik, fúrással vagy egyéb módon nem bizonyított

Tartalék vagyon:a hasznos földtani vagyonon belül

az ismert de jelenleg gazdaságosan nem kinyerhető hányadot jelenti

Ipari vagyon:a vagyonnak beazonosított (fúrásos,

geokémiai, geofizikai, geológiai módszerekkel) és gazdaságosan, jogilag is megengedett módon kiaknázható része

2. Készletszámítási módszerek2. Készletszámítási módszerek

felszíni hőáram térfogati sík törésfelület magmás hőmérleg

módszerek

2.1. Felszíni hőáram módszer2.1. Felszíni hőáram módszer

P = P1 + P2

P1 = A ∙ qa

P2 = ∙ Qt ∙ cw ∙ (Tw - T0)

P – felszíni hőteljesítmény [W]

P1 – konduktív hőteljesítmény [W]

P2 – konvektív hőteljesítmény [W]

A – felszín [m2]

qa – átlagos hőáramsűrűség [Wm-2]

ρ ∙ Qt – tömegáram [kg/s]

cw – a víz fajhője [J/kg°C]

Tw – vízhőmérséklet a mélyben [°C]

T0 – felszín hőmérséklete [°C]

i = 1,2,… – kilépési helyek

Twi – az “i” forrás/kút hőmérséklete a mélyben [°C]

To – felszín hőmérséklete [°C]

H = P ∙ Δt

H – a rendszer teljes hőenergiája [J]

Δt – a lehűlés időintervalluma [s]

)(1

owiw

n

ita TTcQAqP

2.2. Térfogati módszer2.2. Térfogati módszer

Hi = cvi ∙ Vi ∙ (Ti – To)

Hi – a kőzettest teljes hőenergiája [J]

i – kőzettest sorszáma

Vi – a kőzet és fluidum térfogata [m3]

Ti – a kőzet és fluidum hőmérséklete a mélyben [°C]

To – a kőzet és fluidum hőmérséklete a felszínen [°C]

cvi – fajhő (kőzetváz és víz fajhője) [Jkg-3 °C-1]

Hi = Hir + Hiw

Hi = (1 – φti) ∙ cri ∙ρri ∙ Vi ∙ (Ti – To) + φti ∙ cwi ∙ρwi ∙ Vi ∙ (Ti – To)

Hir – a kőzet által tárolt hőenergia [J]

Hiw – a folyadék által tárolt hőenergia [J]

ρri – a kőzet átlagos sűrűsége a tározó térfogatában [kgm-3]

ρwi – a folyadék átlagos sűrűsége a tározó térfogatában [kgm-3]

cri – a kőzet fajhője [Jm-3 K-1]

cwi – a víz fajhője[Jm-3 K-1]

φti – teljes porozitás [-]

n

1iiHH

Porozitás

t

v

V

V

2.3. Kitermelési tényező2.3. Kitermelési tényező

A hasznosítható energiát befolyásoló tényezők:tározó hőmérséklete és nyomásakútfejnél elérhető hőmérséklet és nyomáseffektív porozitása kutak térbeli elhelyezkedése és műszaki állapotaa visszasajtolás mértéke . . .

Hr =R1∙H

Hr – hasznos földtani vagyon [J] H – a rendszer teljes hőenergiája (földtani vagyon)[J]

R1 – a kitermelés és a hasznosítás hatékonyságát és a visszasajtolt víz hőmérsékletétőlfüggő konstans

[-]

ot

int1 TT

TT33,0R

Tt – a tározó hőmérséklete [ºC]

Tin – visszasajtolt víz hőmérséklete [ºC]

To – a felszíni átlaghőmérséklet [ºC]

Visszasajtoláskor:

Visszasajtolás nélkül:

R1 = 0,1

Ipari vagyon:

Hrs = R2 ∙ Hr

(pontatlan)

Hrs – ipari vagyon [J]

R2 – második kitermelési tényező [-]

Hr – hasznos földtani vagyon [J]

3. Tározó típusokra kifejlesztett 3. Tározó típusokra kifejlesztett térfogati módszertérfogati módszer

Készletkategóriák Jung és társai (2002) alapján

Ethi = cr ∙ ρr ∙ Vi ∙ (Ti – To)

Ethi – a kőzettest teljes hőenergiája (technikai

potenciálja=földtani vagyon) [J]

i – réteg vagy kőzettest sorszáma[-]

ρr – a kőzet sűrűsége[kgm-3]

Vi – a kőzet térfogata[m3]

Ti – a kőzet hőmérséklete a mélyben[ºC]

To – átlaghőmérséklete a felszínen[ºC]

cr – a kőzet fajhője [Jkg-1K-1]

hőmérsékleti osztály

I 100-130 115

II 130-160 145

III 160-190

190-220

220-250

175

IV 205

V 235

hőmérsékleti tartomány [°C] átlaghőmérséklet [°C]

Hőmérsékleti osztályok a hőenergia meghatározásához (Jung és társai, 2002 alapján)

Ekiny = Eth ∙ R1 Ekiny – a hasznos kinyerhető hőmennyiség [J]

R1 – kitermelési tényező[-]

R1 = RT ∙ RG RT – hőmérsékleti faktor [-]

RG – geometriai faktor[-]

Evill = η ∙ Ekiny

Evill – nettó geotermikus árampotenciál (ipari vagyon)[J]

η – hatásfok[-]

A hatásfok függ:energiaátalakító technikátólhőmérséklettől

nettó és bruttó hatásfok

termelk

ő-út

visszasajtolók

-út

víztartó

vízfogó

1-2 km

Egy termelő- és egy visszasajtoló-kútból álló kétkutas alapmodell (Jung és társai, 2002 alapján)

Qmin = 50 m3/h

R1 = 2,5 – 20%

η100 ºC = 9%

η250 ºC = 14%

3.1. Melegvizes víztartók3.1. Melegvizes víztartók

Észak-német-medence porózus víztartó: Rotliegend

Lavigne (1978)

3.2. Töréses szerkezetek3.2. Töréses szerkezetek

Törés síkjában elhelyezkedő termelő- és visszasajtoló-kút

Felületként kezelik (szélességükről nincs információ)

potenciál alulbecslése

Hidraulikus vezetőképességerősen változó

vízvezetőkvízzárók

agyagos kitöltésmilonitosodás

irányfüggő?

2

1

r )t(32

d

2

d

r

t

– a hűlési zóna nagysága [m]

– a kőzet hődiffuzivitása [m2s-1]

– idő [s]

= 10-6 m2/sr

t = 100 év

d = 340 m

Eth = cr ∙ ρr ∙ L ∙ d ∙ h ∙ (Tr – To)

Eth – a kőzettest teljes hőenergiája (technikai potenciálja) [J]

ρr – a kőzet sűrűsége[kgm-3]

L – a törészóna hossza [m]

h – a törészóna mélysége [m]

d = 340 m

Tr – a kőzet hőmérséklete a mélyben[ºC]

To – átlaghőmérséklete a felszínen[ºC]

cr – a kőzet fajhője [Jkg-1K-1]

A termelő és a visszasajtoló kutak távolsága függvényében az optimális hozam kiszámítható: ezzel egy meghatározott használati idő után beáll a termelő kútnál a minimális hőmérséklet.

Így az adott időtartamon belül a legnagyobb energia nyerhető ki.

Ha Q = 2X:•t = 1/4•Eth = 1/2

Ha Q = 1/2:•t = 4•Eth = 1/2

3.3. Kristályos kőzetek3.3. Kristályos kőzetek

Ethi = cr ∙ ρr ∙ Fi ∙ hi ∙ (Ti – To)

Eth – a kőzettest teljes hőenergiája (technikai potenciálja) [J]

i – a hőmérsékleti osztály

ρr – a kőzet sűrűsége [kgm-3]

Fi – az adott hőmérsékleti osztályhoz tartozó felület [m2]

hi – az adott hőmérsékleti osztályban a rétegvastagság [m]

Ti – az adott hőmérsékleti osztályhoz tartozó hőmérséklet [ºC]

To – átlaghőmérséklete a felszínen [ºC]

cr – a kőzet fajhője [Jkg-1K-1]

Kristályos kőzetek hőtartalmának kiaknázási modellje

Közép- és dél-német kristályos terület Észak-német-medence

Rotliegend vulkanitokRajna-árok

4. Németország geotermikus potenciálja4. Németország geotermikus potenciálja

A geotermikus áramfejlesztés technikai

potenciálja 1100 EJ. Ez 550-szerese

a német éves áramszükségletnek.

[EJ] hőpotenciál árampotenciál

melegvizes víztartók 23 9

mély törések 65 45

kristályos kőzetek 1600 1100

prefix szimbólum 10-es hatványmega- M 106

giga- G 109

tera- T 1012

peta- P 1015

exa- E 1018

évi hőszükséglet: 5 EJévi áramszükséglet: 2 EJ

Áramfejlesztésre alkalmas melegvizes víztartók:

•Észak-Német-medence, Felső-Rajna-árok, Dél-Német molaszmedence

•Egyetlen erőmű: Neustadt-Glewe-ben 1995 óta

Közvetlen hőhasznosítás hosszú évtizedek óta melegvizes víztartókból.

Mély töréses zónák:

•20 000 km-nyi zóna feltérképezve

•ma még egyetlen törést sem használnak hőkinyerésre

•törésekre telepített fúrások kedvező hozama (Malm karszt)

•hasznosításukra a technológia kidolgozott

•fúrás célzott elhajlításával a törések összeköthetők

Kristályos kőzetek:

•áram- és hőpotenciáljuk a legnagyobb

•Közép és Dél-Német kristályos területek (88%), Felső-Rajna-árok és Észak-

Német-medence (6-6%)

•áramfejlesztési célból csak EGS technológia alkalmazható

•árampotenciáljuk 220 ºC-ig lineárisan nő (magasabb értékek csak a Felső-

Rajna-árokban)

5. Magyarország geotermikus energiavagyona

Hasznos földtani vagyon – a termálvíz rezervoárokban (vízben és kőzetvázban) tárolt hő mennyisége, H = 1,49 x 1021 J

Gazdaságos hasznos földtani vagyon – (R0=0,33 x (60-25)/(60-10)=0,23 feltételezésével) Hr=R0xH=343000 PJ

Az ország éves energiafelhasználása 1000 PJ Jelenleg energetikai célra hasznosítunk 3 PJ-t A termálvizekkel összesen kiveszünk kb. 30 PJ-t

Magyarország geotermikus energiavagyona

Magyarország geotermikus energiavagyona

Rezervoár lehűlése termelő-visszasajtoló kútpár alkalmazása esetén.

Rezervoár hőmérsékletének regenerálódási ideje