Termálvizek és geotermia Doktori kurzus kurzuskód: gggn9224

1. Termálvizek és geotermia Doktori kurzus kurzuskód: gggn9224 tárgyfelelős: Mádlné Dr. Szőnyi Judit és Dr. Lenkey László A geotermikus készletek osztályozása és készletbecslés 1-4. fejezet: Mádlné Szőnyi Judit 5. fejezet: Lenkey László

2. A geotermikus készletek osztályozása és készletbecslés 1. A geotermikus készletek osztályozása 1.1. A MCKelvey-diagram 2. Készletszámítási módszerek 2.1. Felszíni hőáram módszer 2.2. Térfogati módszer 2.3. Kitermelési tényező 3. Tározó típusokra kifejlesztett térfogati módszer 3.1. Melegvizes víztartók 3.2. Töréses szerkezetek 3.3. Kristályos kőzetek 4. Németország geotermikus potenciálja 5. Magyarország geotermikus potenciálja

3. Magyarországon a készlet szinonimájaként a vagyon kifejezés használatos. (In situ: állam tulajdona, kitermeléssel megy át a bányavállakozó tulajdonába.) A gondolkodás a bányatörvény fogalomrendszerét követi. Geotermikus energiavagyon: a geotermikus energia számítással vagy becsléssel meghatározott része. A MCKelvey-diagram

4. 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

5. 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 A MCKelvey-diagram

6. 2. Készletszámítási módszerek • felszíni hőáram • térfogati • sík törésfelület • magmás hőmérleg módszerek

7. 2.1. Felszíni hőáram módszer P = P1 + P2 P1 = A ∙qa P2 = r∙ 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]

8. 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]

9. 2.2. 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]

10. 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 [-]

11. Porozitás

12. 2.3. Kitermelési tényező A hasznosítható energiát befolyásoló tényezők: • tározó hőmérséklete és nyomása • kútfejnél elérhető hőmérséklet és nyomás • effektív porozitás • a kutak térbeli elhelyezkedése és műszaki állapota • a 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 hőmérsékletétől függő konstans [-]

13. Visszasajtoláskor: Tt – a tározó hőmérséklete [ºC] Tin – visszasajtolt víz hőmérséklete [ºC] To – a felszíni átlaghőmérséklet [ºC] Visszasajtolás nélkül: R1 = 0,1 Ipari vagyon: Hrs = R2∙ Hr Hrs – ipari vagyon [J] R2 – második kitermelési tényező [-] Hr – hasznos földtani vagyon [J] (pontatlan)

14. 3. Tározó típusokra kifejlesztett térfogati módszer 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] Készletkategóriák Jung és társai (2002) alapján

15. Hőmérsékleti osztályok a hőenergia meghatározásához (Jung és társai, 2002 alapján) Ekiny = Eth ∙ R1Ekiny – a hasznos kinyerhető hőmennyiség [J] R1 – kitermelési tényező [-] R1 = RT ∙ RGRT – hőmérsékleti faktor [-] RG – geometriai faktor [-]

16. Evill = η∙ Ekiny Evill – nettó geotermikus árampotenciál (ipari vagyon) [J] η – hatásfok [-] A hatásfok függ: • energiaátalakító technikától • hőmérséklettől nettó és bruttó hatásfok Qmin = 50 m3/h R1 = 2,5 – 20% η100 ºC = 9% η250 ºC = 14% Egy termelő- és egy visszasajtoló-kútból álló kétkutas alapmodell (Jung és társai, 2002 alapján)

17. 3.1. Melegvizes víztartók Észak-német-medence porózus víztartó: Rotliegend

20. Lavigne (1978)

21. 3.2. Töréses szerkezetek Törés síkjában elhelyezkedő termelő- és visszasajtoló-kút

22. Felületként kezelik • (szélességükről nincs információ) • potenciál alulbecslése Hidraulikus vezetőképesség erősen változó vízvezetők vízzárók agyagos kitöltés milonitosodás irányfüggő?

23. – a hűlési zóna nagysága [m] – a kőzet hődiffuzivitása [m2s-1] – idő [s] = 10-6 m2/s = 100 év d = 340 m

24. 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

25. 3.3. 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]

26. Kristályos kőzetek hőtartalmának kiaknázási modellje

27. Közép- és dél-német kristályos terület Észak-német-medence • Rotliegend vulkanitok • Rajna-árok

29. 4. Németország geotermikus potenciálja A geotermikus áramfejlesztés technikai potenciálja 1100 EJ. Ez 550-szerese a német éves áramszükségletnek. prefix szimbólum 10-es hatvány mega- M 106 giga- G 109 tera- T 1012 peta- P 1015 exa- E 1018 évi hőszükséglet: 5 EJ évi áramszükséglet: 2 EJ

30. 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)

31. 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

32. Magyarország geotermikus energiavagyona

33. Magyarország geotermikus energiavagyona

34. Rezervoár lehűlése termelő-visszasajtoló kútpár alkalmazása esetén.

36. Rezervoár hőmérsékletének regenerálódási ideje