AMIT A FÖLD MÉLYE REJT - 2. CIKK

2.

Előző írásunkból megismerkedhettetek a Föld belső szerkezetével, valamint a belső folyamatokat hajtó hőenergia forrásával. Ebben a részben bemutatjuk, hogy társadalmunk számára milyen közvetett és közvetlen haszna van ennek hőnek.

Bár a földi légkör hőmérsékletének jelentős része a Napból származik, a Föld felszínének és felszínközeli hőmérsékletének összetételében mégis fontosabb szerepe van a belső hőnek.

Ha megnézzük kontinensünk földfelszínének hőmérsékleti térképét, láthatjuk, hogy a hőáramsűrűség igen változó. Vannak olyan országok (pl. Magyarország), ahol a mélyből a felszín irányába áramló hő mennyisége magas, ezek a sötétebb színnel jelölt területek, máshol viszont jóval kisebb a felszíni hőáramsűrűség, ezek a területek halványabb színekkel vannak jelölve.


Európa hőáramsűrűség térképe

Ez a hőmérséklet a mélységgel arányosan növekszik, ezt az arányt nevezzük geotermikus gradiensnek. Ennek értéke világviszonylatban átlagosan 25-30 ˚C/km, azaz ha a felszíntől a Föld belseje fele haladunk, minden egyes kilométer után a hőmérséklet kb. 25-30 ˚C-kal emelkedik. A Pannon-medence ebből a szempontból is kivételes helynek számít, hiszen ez az érték az átlag duplája is lehet, azaz 50-70 ˚C/km.

Tudtad? Magyarország kedvező geotermikus adottságainak köszönhetően hazánkban a geotermikus energia hasznosítása már több évtizedes múltra tekint vissza. Az országban számos helyen alkalmaznak akár több ezer méter mélyről kitermelt meleg vizet városrészek, ipari létesítmények fűtésére. Például Csongrádon és Makón is működik ilyen rendszer, ugyanakkor már a Győri Audi gyár is használ geotermikus energiát. Budapest gyógyfürdői, illetve az ország számos további pontján fellelhető hévizek mind a Föld belső hőjének köszönhetik balneológiai célokra kiváló meleg gyógyvizüket.


A budapesti Széchenyi Gyógyfürdő

A felszín közeli magas hőmérséklet több szempontból is kedvező. A földkéregben fellelhető számos hasznosítható ásványi nyersanyag kialakulásában volt fontos szerepe a hőmérsékletnek. Például az évmilliók során a tengerfenéken felhalmozódó szerves anyag a már említett geológiai folyamatok hatására mélyen eltemetődött, és a hőmérséklet hatására a szerves vegyületek átalakultak kőolajjá és földgázzá. A különböző színesfémek, amelyek fontos szerepet játszanak társadalmunk technológiai fejlődésében, olyan vulkáni területeken alakultak ki, ahol a földkéreg kőzeteit átjárták a fémeket szállító forróvizes oldatok, ezáltal feldúsítva a nemesfémek koncentrációját a földkéreg felső részeiben.


Felszínalatti bányavágat

A hő közvetlen hasznosításáról, azaz a geotermikus energiáról szinte mindenki hallott. Azonban talán kevésbé ismert, hogy a geotermikus energia felhasználásának számos módja van, a háztartásokban is alkalmazható földhőszivattyúktól egészen a nagymélységben található forró kőzetek által fűtött EGS technológiával kivitelezett rendszerekig.


Hőcserélő vezeték

A geotermikus energia mennyiségét a rendszerből kinyert hőmérséklettel jellemezhetjük. Nagy általánosságban elmondhatjuk, hogy a 90 ˚C-nál magasabb hőmérsékletű készleteket használhatjuk elektromos áram előállítására, az ennél alacsonyabb hőmérsékletű rendszerek a termikus hő hasznosítására alkalmazhatóak. Ezen belül a közvetlen hőhasznosításnak számos lehetősége van, a melegvíz előállítása, lakossági és ipari fűtésrendszerek, a járdák jégmentesítése, stb.

A lakosság számára a legelérhetőbb geotermikus energiát hasznosító módszer a hőszivattyús rendszer, amelynek lényege, hogy a néhány métertől pár száz méter mélységig lefektetett hőcserélő vezeték összegyűjti a felszín irányába terjedő hőt. A földhőszivattyúk hőcserélője a környezet hőjét használja fel külső energiabefektetés segítségével (a rendszer működtetéséhez szükség van villamos energiára) arra, hogy az alacsony hőmérsékletű környezeti hőből magasabb hőmérsékletű, már hasznosításra alkalmas hőt tudjanak előállítani. Az így biztosított hő alkalmas lehet melegvíz-előállításra és fűtésre. A néhány száz méter mélységig terjedő geotermikus készleteket hasznosító földhőszivattyúk alkalmazásához még kedvező geotermikus adottságok sem szükségesek. Tehát amennyiben a feltételek adottak, mindenki a saját területe alatt a rendszer segítségével energiát tud termelni. Mivel a technológia lehetővé teszi a hő felvételt és -leadást is, a rendszer hűtésre is alkalmas. Ezzel a módszerrel magánházak, társasházak, illetve kisebb ipari létesítmények meleg víz, fűtés, valamint hűtési igényei is kielégíthetőek.

Komolyabb ipari beruházást, és körültekintőbb előkészítő folyamatokat igényelnek a nagyobb mélységbe lefúrt kutak által meleg vízzel ellátott geotermális technológiák.

Egy ilyen rendszernek három fontos eleme van. Az első a hőforrás, ami gyakorlatilag a Föld belső hője által felmelegített kőzettest, a második egy olyan kőzetréteg, ami kifejezetten alkalmas a hővezetésre szolgáló folyadék tárolására, amíg az kellőképpen felmelegszik. A harmadik pedig maga a hőközvetítő folyadék. A rendszerek működése során gyakorlatilag a felforrósodott közvetítő folyadékot vagy az ebből származó gőzt hasznosítjuk.

Az úgynevezett kétkutas technológiát használják a szakemberek abban az esetben, ha nincs természetes folyadék-utánpótlása a rendszernek. Amíg az egyik kúttal kitermelik a forró vizet, a másik kút segítségével visszasajtolják a már lehűlt folyadékot, ezáltal biztosítva a rendszer fenntarthatóságát.

A Hot Dry Rock (HDR) azaz forró száraz kőzet esetén csak egy komponens – a hőforrás – tekinthető természetesnek, a tározókőzetet mesterségesen alakítják ki, és a hőt közvetítő folyadékot is mesterségesen juttattatják a rendszerbe. A HDR esetén injektáló kutak segítségével nagy nyomáson a kőzetbe préselt víz a rétegrepesztés révén kialakítja a mesterséges rezervoárt. A folyamatosan beinjektált hideg víz a forró kőzet repedésrendszerében felmelegedik, majd egy termelő kút segítségével a felszínre kerül.

A tároló kőzet minősége kulcsfontosságú a hatékony hőcseréhez, ennek érdekében napjainkban is fontos technológiai fejlesztéseket végeznek. Egy ilyen innovatív technológia az EGS (Enhanced Geothermal System), mely lehetővé teszi, hogy a kompakt nagyszilárdságú kőzetekben is kialakítható legyen a megfelelő rezervoár, ezáltal szélesebb körben alkalmazhatóvá válik a geotermikus energia felhasználása

A kitermelt melegvíz hasznosításánál fontos megemlíteni az úgynevezett kaszkád rendszereket. A geotermális energia hasznosítása egy adott területen akkor a leggazdaságosabb, ha többcélú. Tovább növelhető a rendszer hatékonysága és gazdaságossága, ha úgy alakítjuk ki a projektet, hogy az egyik berendezésből kikerülő lehűlt víz megmaradt hőenergiatartalmát egy másik berendezésben még tovább hasznosítjuk. Egy ilyen rendszert láthatunk az alábbi ábrán: a magas hőmérsékletű termálvizet előbb villamos energia előállítására, majd pedig lakó- és mezőgazdasági épületek fűtésére, legvégül pedig gyógyászati célokra használhatjuk fel. Az adott rezervoárhő teljesítményének alapján állíthatjuk össze a rendszer elemeit.