Ugrás a tartalomhoz

Megújuló energia

Dr. Horváth József (2011)

4. fejezet - Geotermikus energia

4. fejezet - Geotermikus energia

A geotermikus energia alapja a Föld belsejében termelődő és tárolódó hő. A földbelső 99 %-a melegebb, mint 1000 oC, és mindössze kevesebb, mint 1 %-a alacsonyabb hőmérsékletű, mint 100 oC. A Föld bolygó a földfelszínen keresztül a földi hőáramot 40 millió MW teljesítménnyel adja át az atmoszférának. A Föld belső hőtartalma 10 × 1025 MJ nagyságrendű, a földkéregé 5 × 1021 MJ [4.1]. Ez utóbbi számot összevetve a világ energiafogyasztásával, ami 1014 MJ, tízmilliószor többnek adódik. A földhő tehát óriási mennyiségű, kimeríthetetlen, és mindenütt jelen van. A technikai-társadalmi rendszerek időskáláján megújulónak tekinthető.

A földhő jellemzője a többi megújuló energiafajtával szemben, hogy állandóan rendelkezésre áll, független a meteorológiai körülményektől, rugalmasan alkalmazható, alapteljesítményre ugyanúgy, mint az igények maximumának idején csúcsteljesítményre. A geotermikus energia a kitermelés helyén áll rendelkezésre, ezért decentralizáltan használható, és csökkentheti az importenergiától való függést. A használatához szükséges kutatás, kiépítés és karbantartás hazai munkahelyeket teremt, és tart meg.

A földhő, mint megújuló készlet, fenntartható módon használható. Ha nem hasznosítjuk, akkor felhasználás nélkül lép ki az atmoszférába (4.1. ábra). Minden felszín alatti hő/fluidum-kiemelés egy hőnyelőt, illetve hidraulikus depressziót hoz létre. Ez termikus és hidraulikus gradienseket generál, amelyek mentén intenzív beáramlás indul, azért, hogy a hőkihasználás által kialakult deficitet kiegyenlítse. Ezért félrevezető lehet a „hőbányászat“ kifejezés. Míg a kibányászott érc, szén stb. a kiürült telephelyen nem regenerálódik, a hő és a geotermikus fluidum előbb-utóbb visszaáramlik. Modellezési tapasztalatok alapján a hőmérséklet regenerálódásához – a rezervoár fajtájától és a kitermelés módjától függően, 95 %-os szinten – legalább annyi idő kell, mint amennyi a kitermelés ideje volt. A fenntartható termelési szint a helyi geotermikus készlet adottságainak: telepnagyság, természetes utánpótlódás stb. függvénye.

4.1. ábra - A földhő elvi hasznosítása [4.1]>

4.1. ábra. A földhő elvi hasznosítása [4.1]


Modellezési tapasztalatok alapján a hőmérséklet regenerálódásához – a rezervoár fajtájától és a kitermelés módjától függően, 95 %-os szinten – legalább annyi idő kell, mint amennyi a kitermelés ideje volt. A fenntartható termelési szint a helyi geotermikus készlet adottságainak: telepnagyság, természetes utánpótlódás stb. függvénye.

A különböző szakirodalomban a geotermikus energiának számos megfogalmazásával találkozunk.

A geotermikus energia a földkéreg belső energiája (földhő), amely energetikai céllal hasznosítható, és ami legalább 30 oC hőmérsékletű folyékony vagy gáz halmazállapotú anyagok közvetítésével (geotermikus energiahordozókkal), ezek földkéregből való kitermelésével vagy recirkuláltatásával nyert energia [4.2]. Ez a definíció az 54/2008 (III.20) Kormányrendeletben került megfogalmazásra [4.3], amely az ásványi nyersanyagok és a geotermikus energia fajlagos értékének valamint az értékszámítás módjának meghatározásáról szól.

A geotermikus energia. 

- a Föld belső alkotói között hosszú bomlási idejű radioaktív izotópok bomlása
- felső kéregben vulkáni jelenségek révén a kéregben maradó mélységi kőzetek ásványtartalmának radioaktív bomlása, és
- a kőzetek kémiai átalakulásának hőfejlődéssel járó folyamatok hatására keletkező,

a kőzetekben és pólusvízben tárolódó termikus energia, amely folyamatosan a Föld felszíne felé áramlik. Nagysága gyakorlatilag kimeríthetetlennek tekinthető. Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy a radioaktív bomlás mértéke exponenciálisan csökken, közvetlenül a Föld kialakulása után a bomlásból származó hő ötszöröse lehetett a mainak.

Szűkebb értelemben a felszín alatti víz hőtartalmában rejlő energia a geotermikus energia, hisz jelenleg, egyes szakirodalom szerint gazdaságosan a földhő csak hévíz közvetítésével hasznosítható, amit a víz nagy hőkapacitása tesz lehetővé [4.2]. Tágabb értelemben a geotermikus energia a földi hőáram következtében a kéregben mindenütt jelenlévő, nem szoláris eredetű termikus energia.

Földünk energetikai rendszerének vázlata. 

A 4,6 milliárd éve fejlődő földi anyagevolúciós rendszer változásainak alapvetően két (belső ill. külső) hajtómotorja van, amely az anomáliák, illetve az anyag- és energiaáramlások újratermelésével egy dinamikus egyensúlyközeli állapotot tart fenn. Ennek csekély kilengéseire olyan véletlenszerű külső hatások szuperponálódhatnak rá, amelyek drasztikus, ugrásszerű változásokat, klímaingadozásokat, pusztító katasztrófasorozatokat, tömeges kihalásokat okozhatnak.

Az említett két energetikai hajtóerő az úgynevezett belső és külső energia. A Föld esetében a belső energia a Föld köpenyében és kérgében (4.2. ábra) jelen lévő hasadóanyagok (radiogén izotópok) bomlásából származó hőt jelenti, amely többféle formában jut el a földfelszínig, s sugározódik ki a világűrbe. E hő termelődése sem térben, sem időben nem egyenletes, így a belőle származó hő terjedése nem tekinthető sem gömbszimmetrikusnak, sem stacionernek. A ma legkorszerűbbnek elfogadott feltevések szerint a különböző mélységzónákban termelődött hő részben diffúz módon jut el a felszínig, részben hosszan elnyúló lineáris övekben hatol fölfelé konvekciós köráramokat idézve elő a felső köpeny kváziplasztikus anyagában. Ezek az áramlási rendszerek 1–100 millió év időtartamúak, s a tartósság eltérő időtartamára jelenleg nem ismerünk megbízható magyarázatokat.

4.2. ábra - Föld belső övei és azok főbb fizikai tulajdonságai[4.4]>

4.2. ábra. Föld belső övei és azok főbb fizikai tulajdonságai [4.4]


E konvekciós áramlások mozgatják a szilárdként viselkedő legfelső, izzó állapotú köpenyzóna és a vele összeforrott, szilárd kristályos anyagokból álló földkéreg nagy méretű, úgynevezett litoszféra lemezeit (4.3. ábra). Voltaképpen az így kialakuló mozgások felelősek a felszínen is jól látható vertikális tagolódások, térszínkülönbségek, horizontális térrövidülések, gyűrődések, süllyedések, alá- és fölétolódások folyton újratermelődő jelenségeinek sokaságáért (pl. hegység- és medenceképződés, óceáni kéreg fejlődés, vulkanizmus, földrengések).

4.3. ábra - A Föld litoszférájának mozgási mechanizmusa a táguló és ütköző lemezszegélyeken [4.4]>

4.3. ábra. A Föld litoszférájának mozgási mechanizmusa a táguló és ütköző lemezszegélyeken[4.4]


A geotermikus hő ismertté vált megjelenési formái a földmag és földköpeny határán születő pozitív hőanomália foltok miatt kialakuló hengerszimmetrikusan felszín felé irányuló koncentrált hőkémények. Ezeket a felszínen 100–150 km átmérőjű forró foltokként észleljük, melyeknél a centrumban van a termikus maximum, és kifelé sugarasan fokozatosan csökken a hőmérséklet. E forró foltok (hotspotok) nagy számban váltak ismertté az elmúlt évtizedekben mind az óceáni, mind a kontinentális kéreg területén (4.4. ábra). Legintenzívebb változatai a fölöttük lassan elmozgó litoszféra lemezeket képesek átégetni, vulkánosságot idézve elő. Ilyen típusú pl. a Hawaii-szigetek és a folytatásukban ÉNy-felé húzódó Emperor-szk. több ezer kilométeres lánca, jelezve, hogy az ott működő forrófolt a fölötte elmozduló óceáni litoszféralemezt igen sok helyütt átégette, DK felé egyre fiatalodó vulkáni szigetsort hozva létre.

4.4. ábra - A Föld litoszféra lemezeinek határai, mozgásirányai és sebessége[4.4]>

4.4. ábra.A Föld litoszféra lemezeinek határai, mozgásirányai és sebessége [4.4]


A Föld belső, geotermális erői által létrehozott jelenségek és képződmények folyamatos újratermelődése gravitációs és termikus potenciálkülönbséget hoz létre. E különbségeket a napsugárzással földfelszínre jutó energiasűrűség anomáliái által kiváltott alsó légköri és hidroszférabeli anyag- és energiaáramlások (szélrendszerek, hidroszféra körfolyamatai) pusztító ereje igyekszik eltüntetni, kiegyenlíteni. E két egymással hatásában ellentétesen működő energetikai rendszer okozza a kőzetciklus szüntelen körforgását, a folyamatos változásokat, s közvetve befolyással van a Föld klímájának hosszú távú ingadozásaira is.

Az így vázolt változások hozzák létre a belső és külső földövek érintkezési zónájában a számunkra rendkívül fontos határfelületi jelenségeket (időjárás, talajképződés). Ez az a környezet, amelyben 3,8 milliárd éve megjelentek az élet első csírái, s az egyre gyorsuló, szélesedő bioevolúciós spirál fajok egyre növekvő sokaságát hozta létre. A biomasszának ez a szüntelen megújulása és változása visszahat a geológiai folyamatokra. Az élővilág elpusztult maradványai részben kőzetalkotókká válnak (lásd pl. mészkő), másrészt az éghető szervesanyag betemetődő felhalmozódásainak telepszerű képződményei alkotják a fosszilis energiahordozóinkat (szén, szénhidrogén). Ezek érlelődésében, fűtőértékének növekedésében ismét szerepet kapnak a geotektonikai folyamatok, a betemetődés sebessége és mértéke, valamint a rendszert átfűtő geotermikus földhőáramok helyi sűrűségértékei, s e körülmények fennállásának időtartama.

Az energetikában szintén szerepet játszó hasadóanyagok az előbbiekben vázolt kőzetciklus magmás folyamataihoz kapcsolódnak, az izzón folyó szilikátolvadékok kristályosodásakor kerülnek be az őket hordozó ásványokba, s rendszerint a külső erők pusztító-áthalmozó-újraülepítő munkája során jutnak el a telepszerű koncentrálódásig (lásd a mecseki perm homokkövei).

Mindezek a nyersanyagképző folyamatok napjainkban is folyamatosan zajlanak, de időtartamuk csupán a földtani időskálán mérhető léptékekben képes megvalósulni. Így az emberiség által az ipari forradalom óta egyre növekvő mértékben kitermelt energiahordozók antropogén felhasználása nagyságrendekkel gyorsabb, mint a létrehozó geológiai folyamatok sebessége.

Az előzőekből következően a földkéregben lefelé haladva folyamatosan nő a hőmérséklet, de a hőeloszlás egyenlőtlenségei és a földkéreg összetételének helyi változásai miatt ez a növekedés helyenként eltérő lehet.

Az egész földkéreg átlagát tekintve 33 m-enként nő 1 oC-kal a hőmérséklet a mélység felé. Ez az úgynevezett geotermikus mélységlépcső a pozitív hőanomáliájú területeken 5–10 m/oC-ra is lecsökkenhet, míg a negatív anomáliájú területeken 100 m/oC felé növekedhet.

A geotermikus mélységlépcső reciprokát, az úgynevezett geotermikus gradienst gyakran használjuk a műszaki gyakorlatban. Ennek értéke az említett világátlag esetében 3 oC/100m, illetve 30 oC/km.

A harmadik közismert és gyakran használt geotermikai alapfogalom a hőáram (pontosabban hőáramsűrűség), amely a földkéreg egységnyi felületén átáramló hőmennyiséget fejezi ki. A földi átlag ~74 mW/m2, amelytől jelentős eltérések lehetnek a helyi adottságok függvényében.

A föld szilárd kérge a kontinensek alatt átlagosan 30–35 km közötti vastagságú, összetétele a 2,7 g/cm3 átlagos sűrűségű gránitokak felel meg. Az óceáni kéreg mindössze 6–8 km vastagságú, összetétele a 2,9–3,1 g/cm3-es sűrűségű bázisos-ultrabázisos kőzeteknek felel meg. A Föld kérgén áthaladó földhő a nagy nyomás miatt igen tömör szerkezetű kristályos kőzeteken alapvetően vezetéssel terjed. A felszín közeli 2–3 km-es felső zónában a csökkent nyomás és a szerkezeti mozgások, valamint a kisebb tömörödöttség miatt porózus és hasadékos övben jelentős mennyiségben vannak jelen fluidumok (víz, szénhidrogének, oldott gázok), így ebben a zónában a vezetés mellett jelentős szerepet kaphat porozitástól függően az áramlással történő hőterjedés is. A harmadik, úgynevezett gázfázis megjelenése csak a felszín közeli néhány 10 m-es szakaszon jellemző, így itt a sugárzás is megjelenik, mint hőterjedési forma, de szerepe a folyamat egészét illetően alárendelt.

A hővezetéssel terjedő hőáram (q) értéke függ a hőmérsékletgradienstől (grad T) és a vizsgált kőzet egy anyagi jellemzőjétől, az úgynevezett hővezetőképességtől (k):

(4.1)

4.1. egyenlet -


Adott vízzel telt kőzettestben tárolt hőenergia (H KJ) számításához szükséges a víz és a kőzettestek sűrűségének ( kg/m3), fajhőjének (c KJ/kgoK) és a kőzet porozitásának (p), valamint a hőmérsékletének és a felszíni átlaghőmérséklet különbségének (T oK) ismerete [4.5]:

(4.2)

4.2. egyenlet -


A leggyakoribb kőzetfajták alapvető hőtani paraméterei a 4.1. táblázatban találhatók.

4.1. táblázat - A gyakoribb kőzetfajták alapvető hőtani állandói [4.6]

kőzethővezetőképesség, k (W/mK)fajhő, c (kJ/kgK)
gabbró1,9–2,81,0–1,1
bazalt1,8–2,91,2–2,1
gránit2,2–3,70,9–1,55
riolit2,3–2,81,1–1,6
tufák1,4–2,10,9–1,3
homokkő1,7–5,01,0–3,3
agyag0,8–2,81,24–3,5
mészkő2,2–4,01,0–1,6
agyagpala1,0–4,01,1–1,7
gneisz2,0–4,81,0–1,2
kvarcit5,3–8,50,99–1,33

Termikus felfűtöttség szempontjából a rezervoárokat hőbányászati szempontból három kategóriába: a kis, közepes vagy nagy entalpiájú rezervoárok közé sorolhatjuk. A három kategóriát a különböző szerzők eltérően határolják el, egyes források nem is különítik el a közepes entalpiájú rezervoárokat.

4.2. táblázat - A geotermikus rezervoárok osztályozása entalpiájuk alapján [4.2]

 Muffler – Cataldi (1978)Benderitter – Cormy (1990)Hochstein (1990)Nicholson (1993)Axelsson – Gunnlaugsson (2000)
kis entalpiájú< 90 oC< 100 oC< 125 oC< 150 oC< 190 oC
közepes 90–150 oC100–200 oC125–250 oC - -
nagy entalpiájú> 150 oC> 200 oC> 250 oC> 150 oC> 190 oC

A 4.2 táblázatból látható, hogy az egyes szerzők különféle megfontolások alapján igen eltérő hőmérsékleti intervallumokat jelölnek meg és e téren még nem történt nemzetközi egységesítés, bár időszerű lenne. A Benderitter – Cormy féle beosztás felel meg legjobban az utómagmás hidrotermás ásványparagenezisek hőmérsékletek szerinti kategorizálásának. A termálvizek többsége azonban nem köthető közvetlenül magmához, vagy magma okozta direkt felfűtődéshez, így a hűléskor belőlük kicsapódó ásványi vegyületek (pl. vízkő) sem tekinthetők magmás eredetűnek.

Hazánkban a sajátos medenceszerkezet és porózus, ill. hasadékos hévíztartó rezervoárok kategorizálásához mind genetikai, mind energetikai szempontokból a Muffler – Cataldi (1978) beosztás felel meg, így hazai meghonosodása [4.7] érthető és elfogadható.

A földkéreg felső 1 km-ének becsült hőtartalma a világ jelenlegi energiafelhasználásával számolva millió évekre elegendő [4.10] Ennek figyelembevételével jogosnak tűnik a geotermikus energiát a megújulók közé sorolni. A hő terjedésének korlátos sebessége miatt ugyanakkor szükségszerű definiálni a földhőtermelés fenntarthatóságának feltételeit. Az izlandi Orkustofnun Munkacsoport [4.8] meghatározása alapján a termelés fenntarthatóságának feltétele egy meghatározható teljesítmény-határérték alatti termelés, mely hosszú ideig (szerintük 100–300 évig) biztosítható. E definíció tehát nem tartalmazza a földi hőáram nagyságával kapcsolatos aggályokat, elfogadhatónak tartja a kőzettestek lehűtéséből kinyerhető hőmennyiség hasznosítását is, ha az kellően lassú. A jelenlegi termelési tapasztalatok alapján nem tekinthetjük fenntartható művelésűnek sem a bemutatott erőműveket, sem a legtöbb hévíztermelési módot [4.9] A középtávú gazdaságosság azonban ennél nagyobb ütemű hőkitermelést is lehetővé tesz, amennyiben a működtetőnek nem elsődleges célja a fenntarthatóság.

A geotermikus rendszereket földtani helyzetük és hőátadási helyük szerint a következő hőátadási kategóriákba osztották [4.10] , melyet a magyar szakirodalom is átvett [4.11] :

  • konvektív geotermikus rendszerek

    • hidrotermikus rendszerek nagy porozitású és permeabilitású környezetben, melyek sekély mélységű magma-benyomulásokkal kapcsolatosak

    • cirkuláló rendszerek kis porozitású, repedéses permeabilitású környezetben, normális és nagy regionális hőáramú területeken

  • konduktív geotermikus rendszerek

    • kis entalpiájú víztárolók a nagy porozitású és permeabilitású üledéksorozatokban (beleértve a rendellenes túlnyomású, litosztatikus nyomású övezeteket is), a normális és kissé magas hőáramú területeken

    • száraz forró kőzet nagy hőmérsékletű és kis permeabilitású környezetben

A felszín alatti hidrodinamikai áramlási rendszerek adott környezet- és vízföldtani provincia lokális és regionális geotermikus viszonyait pozitív vagy negatív módon egyaránt befolyásolhatják. A hidrológiai ciklus hatása leginkább a felszín közeli víztárolókban érvényesül, s a mélység felé fokozatosan veszít hatásából. E kapcsolat bizonyos mélység alatt meg is szakadhat, különösen, ha nagy kiterjedésű szigetelőrétegek települnek közben.

A felszín alatti víztípusok közül kiemelkedően legnagyobb jelentősége az ún. meteorikus vizeknek van, amelyek aktív résztvevői a hidrológiai ciklusnak, bár annak lassuló szakaszában tartózkodnak. Törések mentén 8–12 km mélységig is lejuthatnak, azonban 2000 m alatt már minimálisra csökken jelenlétük. Sekélyebb tárolókból történő kitermelés esetén utánpótlódásuk részben vagy egészben megvalósulhat, de a mélységgel ennek lehetősége rohamosan csökken. Legmélyebb ismert termálvíztároló rezervoárjaink is 2500 m-es mélységszint fölöttiek, a leggyakoribb előfordulási mélységük 600–1200 m közötti.

4.1. A geotermikus energia hazai adottságai

A geotermikus energia kiaknázási lehetőségeinek meghatározásánál figyelembe vett fizikai paraméterek közül az egyik legfontosabb a felszíni hőáram. Ennek értéke elsősorban az Alföldek területén nagy, helyenként a 110 mW/m2 értéket is elérheti (4.5. ábra), melynek elsődleges oka a vékony kéreg és a mélytörések jelenléte, az intenzív konvekció lehetősége. Figyelembe véve, hogy a kőzetek hővezetőképessége között nincs jelentős különbség, így a magas hőáram általában nagy geotermikus gradienssel társul. Ez a mutató lényeges eleme az energiatermelésnek, ugyanis adott hőmérsékletigény esetén meghatározza a kitermelés hozzávetőleges mélységét, így a beruházás költségét is.

4.5. ábra - A Kárpát-medence és környezetének hőáramtérképe [4.12]>

4.5. ábra. A Kárpát-medence és környezetének hőáramtérképe [4.12]


Mivel medenceterületeinken a termálvíztartó képződmények nagyrészt a pannóniai rétegsorban találhatók, ezért hasznos ismeretet nyújt egy olyan térkép (4.6. ábra), amely e képződménysor feküjéig adja meg a geotermikus gradiens várható értékét [4.13]

A tervezhetőség szempontjából lényeges a geotermikus gradiens mélység szerinti változása, ugyanis a mélyhőbányászat esetében fokozott anyagi kockázatot jelent az, ha az elérni kívánt hőmérséklet mélyebben található, mint a felszíni geotermikus gradiensből az becsülhető lenne. Erre példa az Európai Unió által támogatott soultzi project (Elzász), ahol a felszíni nagy geotermikus gradiens 900 m után lecsökkent, és a 200 oC-os zónát a várt 2000 m helyett 5000 m-en érték el.

A hőmérséklet (és így a gradiens) változását csak a mélyfúrások hőmérsékletméréseinek általánosításával becsülhetjük. Erre vonatkozólag mértékadó mélyfúrási adataink azt mutatják, hogy az üledékekben a geotermikus gradiens egy-egy fúrásban csupán kis mértékben változik, általánosságban a növekvő mélységgel csökken. A geotermikus gradiens teljes fúrásokra vonatkozó maximális értékei megközelítik a 60 oC/km értéket (Kaba EK-1, Hajdúszoboszló-6, Edelény E-475). Sok fúrásunkban ez az érték csupán 40 oC/km körüli, mely még mindig kb. egyharmaddal több, mint a világátlag [4.14]

4.6. ábra - Geotermikus gradiens a pannóniai képződmények feküjéig [4.13]>

4.6. ábra. Geotermikus gradiens a pannóniai képződmények feküjéig [4.13]


A megvalósítani kívánt befektetések hő- és hőmérsékletigényeinek megfelelő termelőkutak szükséges talpmélysége a fenti adatokból számolható. Hozzávetőlegesen a fürdőüzemi használathoz szükséges 45 oC-os hévizet 700–800 m-en, a 60 oC-ot 900–1200 m-en, a 100 oC-ot 1600–2000 m-en érhetjük el (4.7. ábra). A 2500 m-nél mélyebb zónákat a kompakció miatt vízmentesnek tekinthetjük. Ebből az következik, hogy az áramtermeléshez, nagyobb energiakivételhez szükséges nagy hőmérsékletű rezervoárok elterjedése területileg igen korlátozott. Legmélyebb fúrásaink (Tótkomlós-I, Derecske-I, Hód-I) alapján bizonyos helyeken 5000 m körül érhető el 200 oC körüli hőmérséklet, mely paraméter megegyezik az európai EGS project értékeivel. Jelentős különbség viszont a két eset között, hogy ott kb. 1600 m után kristályos kőzetekben kellett fúrni, míg hazánkban az említett területeken a kristályos aljzatot rendre 3635 m, 4988 m-en érték el, míg a Hód-I. 5842 m-es talpmélységével sem érte el a kristályos aljzatot [4.14]

4.7. ábra - Jellemző átlagos hőmérséklet-mélység diagram néhány Magyarországi tájegységen, pirossal kiemelve a Tiszántúlra vonatkozó összefüggés [4.14]>

4.7. ábra. Jellemző átlagos hőmérséklet-mélység diagram néhány Magyarországi tájegységen, pirossal kiemelve a Tiszántúlra vonatkozó összefüggés [4.14]


Érdemesnek tartjuk kiemelni azt a tényt, hogy hazánk ugyan világszerte közismerten jelentős geotermikus energiával rendelkezik, magas a hőáram és a geotermikus gradiens értéke, valamint viszonylag nagy mélységben is rendelkezünk jó vízadó rétegekkel, de még ezek az adottságok sem elegendőek ahhoz, hogy jelentős kiterjedésű nagy entalpiájú geotermikus mezőink legyenek, melyek energiáját változatosan és jó hatásfokkal lehet átalakítani. Ez nem csupán a magyar lehetőségek csökkenését jelenti, hanem azt, hogy a geotermikus energia jelentős mennyiségű kitermelése csak a tektonika és vulkanizmus által kialakított különleges hidrogeotermikai rendszerekben és az aktív lemezhatárok, hotspot tevékenység környezetében lehetséges. A 200 oC-os kőzethőmérséklet a mélyfúrások tanúsága szerint az ország legnagyobb részén 3000–4000 m között érhető el, mely a Békési-süllyedék és Makói-árok kivételével legtöbbször az aljzat kristályos vagy karbonátos kőzeteinek szintjét jelenti (4.8. ábra).

4.8. ábra - A 200 oC-os izotermafelület mélysége és konszolidáltsága [4.12]>

4.8. ábra. A 200 oC-os izotermafelület mélysége és konszolidáltsága[4.12]


A hazai környezetben nagy hőmérsékletű kőzettestek éppúgy lehetnek kristályosak (és emiatt pl. EGS módszerrel vagy zárt rendszerű hőszonda segítségével termelhető rendszerek) vagy kis porozitású, kis konszolidáltságú üledékek. Ez utóbbiakban nem hozható létre másodlagos porozitás, így belőlük valószínűsíthetően csak zárt rendszerű, csak a hővezetés jelenségén alapuló hőszondás termelés segítségével lehet energiát kinyerni. Az ilyen módon kinyerhető teljesítmény becsléseink szerint jóval alulmúlja az ugyanilyen hőmérsékletű víztartó rezervoárokból kinyerhető teljesítményt.

Hazánkban is előfordulnak olyan túlnyomásos tárolók, melyekben a gyors süllyedés miatt a kompakció nem tud kellő ütemben végbemenni, így a közrezárt rétegvíztartókban jelentős túlnyomás alakulhat ki. Bár ezekben a rendszerekben a geotermikus gradiens általában kisebb, mint a környezetükben, a nagy mélység miatt a hőmérséklet így is nagy lehet, ráadásul a nagy túlnyomás miatt – a H(T,p)=E(T)+pV összefüggés alapján – az entalpia (H) nagyobb lehet az azonos mélységben található magasabb hőmérsékletű, de normál nyomású rendszerekénél. Az ilyen rendszerekben a termelés megindulása a nyomás és így az entalpia csökkenésével jár, a kinyerhető teljesítmény csökkenése a rezervoár kiterjedésétől és a nyomáscsökkenés időbeli ütemétől függ. Legjelentősebb túlnyomásos tározóink a leggyorsabban süllyedő Makó-Hódmezővásárhelyi-árokban alakultak ki, melyben a mérések tanulsága szerint a porozitás – a gyors süllyedés miatt elmaradó kompakció következtében – 2000 m-nél mélyebben alig csökken [4.11]. Ennek viszont fontos következménye lehet, hogy a 3000–5000 m-es zónákban jelenlevő fluidum segítségével ennek a mélységnek az energiája zárt hőszondás kitermelés esetén konvekció segítségével nyerhető ki.

Nem megkerülhető a hévízbányászattal kapcsolatos geotermikus lehetőségek tárgyalásánál a már korábban említett hazai adottság, miszerint a jó vízadók a felső-pannóniai összletek. Így ezen rétegek vastagsága és talpmélysége is meghatározó tényező a hévíz hőmérsékletének, és energiatartalmának szempontjából. Így azokon a területeken, ahol az alsó-pannóniai összletek vastagabb kifejlődésűek, hiába érhető el mélyfúrással magas hőmérsékletű réteg, a hévíztermelés a kis fajlagos vízhozamérték miatt korlátozott.

A hévízkutatási gyakorlatban a talphőmérséklet mellékes adat, hiszen a kinyert víz hőmérsékletét a beszűrőzött vízadószint vizének felszínre érésekor mérhető hőmérséklete jelenti. Több vízadó réteg esetén ezek vizének keveredésével így egy hozamarányos átlaghőmérséklettel számolhatunk. Emiatt a kifolyó víz maximális hőmérsékletét szokták megadni, ami a felhasználó szempontjából leginkább szükséges paraméter. A legnagyobb kifolyó fluidumhőmérséklet a Délkelet-Alföldön Szentes és Szeged közötti sávban és Szentestől keletre az országhatárig terjedő sávban mérhető, értéke meghaladja a 90 oC-ot . 70 oC-tól magasabb hőmérsékletek várhatók a Körös–Maros-közén, Mosonmagyaróvár környékén, a nyugati országhatár mentén, és a belső flisöv peremein, így Hajdúszoboszló és Debrecen környékén is.

50 oC-nál melegebb hőmérsékletű vizek már az ország területének kb. feléről kitermelhetők, míg 30 oC-nál melegebb víz gyakorlatilag a középhegységeink kivételével mindenhonnan bányászható. Geotermikus „nagyhatalmi” státuszunk pontosan abban rejlik, hogy bár a fluidumok kis entalpiájúak, de az ország területén sok helyütt, viszonylag nagy mennyiségben elérhetők.

A geotermikus potenciál számszerű meghatározására számos módszert vezettek be. Ezek közül a legelterjedtebb és legegyszerűbb az ún. felszíni hőáram módszer, mely a hővezetéssel (kondukcióval) és nagy hőmérsékletű anyagok felszínre kerülésével (konvekcióval) az atmoszféra v. hidroszféra irányába terjedő energiahozamot (teljesítményt) adja meg. Ennek konduktív része az átlagos hőáramsűrűség ismeretében számolható, hazánk esetében 90–100 mW/m2-es értékkel számolva kb. 8,4–9,3 GW termikus teljesítményt jelent a teljes országterületre.

Sokkal nehezebb megbecsülni a konduktív rész szerepét az energiamérlegben, ugyanis elvben minden olyan anyagáramot figyelembe kellene venni, melynek hőmérséklete nem egyezik meg az aktuális felszíni hőmérséklettel. Ebbe nem csupán a 30 oC feletti ún. termálkutak hőkivételét (2002-ben 15,2 PJ, azaz közel 500 MWt), hanem az ennél kisebb hőmérsékletű vizek energiáját is (további 11,4 PJ, azaz 361 MWt) beleszámolhatjuk [4.15]. Így összesen mesterségesen (fúrt kutakból) évente kb. 26,6 PJ energia jut a felszínre, ami a kondukcióval felszínre kerülő energiának kb. tizede. Ez a számolás ugyanakkor nem tartalmazza a természetesen felszínre lépő hőforrások energiaértékeit. A hőárameloszlás területi egyenetlenségeit a hőáramtérképekről, a fúrt kutak elhelyezkedésének ismeretében leolvashatjuk. A legjelentősebb becsült energiakészletek az Alföldön, főként az Észak-Tiszántúlon találhatók, miközben a legmagasabb hőfokú pannóniai víztárolók a délkelet-alföldi süllyedékekben találhatók.

Elkészült Magyarország geotermikus készletének térfogati módszerrel történő meghatározása [4.16] melyhez az adathiányos helyeken interpoláció volt szükséges, ami az eredményt becslés jellegűvé teszi. Az 5000 m-es rácstávolsággal a vízadókra külön-külön és együtt is meghatározták a hővagyonunkat, melynek értéke 5000 m-es mélységig számolva 60416 EJ. Ennek kb. huszad része, kb. 2652 EJ köthető a felszín alatti vizekhez. A viszonylag kis mélységekben elérhető felső pannóniai víztartók kőzetvázában 4030 EJ energia tárolódik, ebben a zónában a vizek hőtartalma 636 EJ (4.9. ábra, idézve [4.15]).

4.9. ábra - Kőzetvázban, pórusvízben és együttesen tárolt hőmennyiségek modellezett értékei [4.15]>

4.9. ábra. Kőzetvázban, pórusvízben és együttesen tárolt hőmennyiségek modellezett értékei [4.15]


Q: negyedidőszak; Pa2: felső pannóniai; Pa1: alsó pannóniai, Pre-Pa: pannóniai és az aljzat között; 2500 m-ig; 5000 m-ig

Ennek segítségével kirajzoltatható a pannóniaitól fiatalabb porózus tározók fajlagos energiatartalma, mely kifejezés alatt a pannóniai feküig raktározott összes energiát értjük. Így az értékben együtt fejeződik ki a legfiatalabb üledékeink vastagsága, hőmérséklete és víztartalma is. A fajlagos energiaértékek maximumai szintén a Dél-Alföld keleti észén és a Kisalföldön találhatók (4.10. ábra).

4.10. ábra - A felső-pannóniai-negyedidőszaki üledékekben tárolt energia GJ/m2-ben kifejezett fajlagos mennyisége [4.14]>

4.10. ábra. A felső-pannóniai-negyedidőszaki üledékekben tárolt energia GJ/m2-ben kifejezett fajlagos mennyisége [4.14]


Mindkét becslési módszer teljes energiakészletre vonatkozik, azonban ennek kitermelhetőségére, és a kitermelés lehetséges ütemére nem ad felvilágosítást. E hiányosságban rejlenek bizonyos beruházói kockázatok, mivel egy kiépített hőkivételi rendszer gazdaságossága meghatározó módon függ a kitermelés ütemétől, s kevésbé annak hosszútávú élettartamától, fenntarthatóságától. A bizonytalanul ütemezhető jelleg miatt nehéz előtervezési szinten e készletekhez rendelni a kitermelésükhöz optimális műszaki rendszereket.

Szokásos ún. dinamikus készletbecslést alkalmazni, melyben a kitermelés lehetséges hozama is figyelembe van véve, melyet gyakran numerikus modellezéssel támogatnak. Magyarország esetében elvégzett becslések arra utalnak, hogy a visszasajtolással kitermelhető dinamikus hévízkészlet mennyisége 380 millió m3/év. Ebből évente – átlagosan 40 oC-os lehűtéssel számolva – 63,5 PJ energia nyerhető ki.

Debrecen esetében az 1000 m körüli vízadószintekben elérhető vízhőfok 55–75 oC (4.11. ábra). Egy kút telepítésekor a várható vízhozam 500–600 l/perc körüli, így a kitermelhető energia hőteljesítménye 1,5–2 MW. Az ebből kinyerhető energia tényleges mennyiségét az alkalmazott eljárások határozzák meg.

4.11. ábra - Felső-pannóniai porózus hévíztározók kitermelhető, kifolyó vizének legvalószínűbb hőmérsékleti értékei [4.17]>

4.11. ábra. Felső-pannóniai porózus hévíztározók kitermelhető, kifolyó vizének legvalószínűbb hőmérsékleti értékei [4.17]