Kapu az Energia birodalmába - online információs portál és tudástár
  
                     

Kapcsolódó tartalom



 


          

            

                      

  

 


A geotermikus energia fizikája Nyomtatás E-mail

A geotermikus energiaforrásoknak három fontos jellemzője van:


1. Az aquiferek
(víztározó rétegek):

A természetes aquiferek általában porózus kőzetek, amelyek vizet tárolnak illetve rajtuk a víz átjuthat. A kőzetekben tárolt víz fúrással könnyen feltárható. Ezen kőzetek fontos tulajdonsága a porozitás. Nagyon fontos, hogy a geotermikus folyadék tárolására alkalmas legyen az aquifer, ez pedig csak a nagy porozitású kőzetekben lehetséges.

Adott kőzet peremeabilitásának mértékegysége a hidraulikus konduktivitás: Kw

Darcy törvénye kimondja, hogy a porózus közegen áthaladó folyadék sebessége (v) arányos az áramlást okozó nyomás grádienssel.

                                              v = Kw×H×L-1

ahol "H" az áramlást hajtó hatásos víz mennyisége, mértékegysége köbméter.

A nyomás, vagy hidraulikus grádiens (H/L) a folyásirány mentén megjelenő, L távolságban lévő víz, méterben. Adott "A" m2-es keresztmetszeten átfolyó víz térfogata (V), a sebesség (v) és a keresztmetszet (A) szorzatából számítható.

                                                   V = v×A

Így Darcy törvénye leírható, mint:

                                                   V = Kw×A×H/L

Ebből Kw interpretálható úgy, mint egységes idő alatt, egységes hidraulikus grádienssel jellemezhető, egy m2-en átfolyó térfogat.


2. A zárókőzet

A zárókőzet akadályozza meg, hogy a geotermikus folyadék az aquiferből elszökjön. A vulkanikus kőzetek, a mészkő és homokkő jó víztározó kőzetek, nagy permeabilitással rendelkeznek. Természetesen a zárt víztározó rétegekben a folyadéknyomás nagy az extrakciós pont alatt, mivel felül egy viszonylag átjárhatalan záró kőzetréteg található. A záróréteg fontosságát Olaszországban fedezték fel az 1980-as évek elején, amikor geotermikus források után kutattak a Vezúv környékén. Itt azonban csak kevés és kis nyomású geotermikus folyadékot találtak a sok vulkáni hamu miatt - hiszen teljesen permeábilis - ami a környéket borította. A víztározó kőzet fölött a forró gőz vagy víz, agyag, esetleg só réteget hoz létre a pórusok helyén, kialakítva a vízzáró réteget. Vagyis a Föld mélyén rejlő termálvizek saját maguk hozzák létre vízzáró rétegüket. Így érthető, hogy a fiatal vulkanikus területek kevés geotermikus folyadékot tárolnak.



3. A hőforrás

A magas entalpiájú területeken bőven van vulkanikus hő, azonban az alacsony entalpiájú régiókban a hőforrások két típusát különböztetjük meg:

  • Az üledékes medencékben a víztározó rétegek vizet szállítanak a mélybe, ami ott felmelegszik és hasznosíthatóvá válik. 
  • Léteznek forró, száraz kőzetek, ahol a természetes hőtermelés nagy ugyan,  de ezekhez mesterségesen kell aquifert építeni, hogy az energiát hasznosítani tudjuk.


Vulkánnal kapcsolatos hőforrások

A hő a kristályosodó magmatömegből származik. Bizonyos esetekben a vulkánban fölfelé haladó magma nem tör ki, hanem egy bizonyos nagyságú felhajtó erő hatására sűrűsége olyan lesz, mint a magmát körülvevő kőzeteké.

Az USA-ban kísérleteket végeztek, amelyek során a mélyen lévő magma közelébe fúrtak le, ahol a hőmérséklet elérheti az 1800°C-ot, és ezen a furaton át vizet cirkuláltatnak a geotermikus energia hasznosítására. A magma és a talajvíz között ritkán jön létre közvetlen interakció. A hő a közöttük lévő nagy geotermikus grádiensű kőzeten át közvetítődik.

A világ legfejlettebb geotermikus régiói kialudt vulkáni területen találhatók (Észak-Olaszország, Nyugat-USA). Ezek a területek különösen alkalmasak a hasznosításra, hiszen a felszíni kőzetek jó hőszigetelők és a felszín alatt rejlő magmatikus intrúziók csak igen lassan, úgy tíz millió év alatt fognak kihűlni.

 A magas entalpiájú területek feloszthatók gőz- és folyadék domináltakra, a rezervoár fő nyomásszabályozó fázisától függően. Azokat a rezervoárokat éri meg leginkább hasznosítani, amelyek gőzt tárolnak, hiszen  a folyékony víztől mentes száraz gőz igen produktív.

A gőzképződést elősegíti, ha a víztározó kőzetei hidrosztatikai nyomás alatt állnak (2km mélyen a nyomás elérheti a 3-3,5 MPa-t) és ha beszivárgott talajvíz határolja. Larderello és a Gejzír mező ebbe a típusba sorolhatók.

A folyadék dominált területek esetében a hidrosztatikus nyomás 1km-nél mélyebben már meghaladja a 10 MPa-t. Az elektromos áram folyadék dominált helyekről történő termelésének előnye, hogy a folyadék nagy hidrosztatikus nyomású, és az alacsonyabb nyomású felszín felé haladva a víz rögtön gőzzé alakul, amint eléri forráspontját.

A híres Wairakei mező Új-Zélandon folyadék-dominált terület, de két fázisú folyadék-gőz területek is előfordulnak, mivel a hasznosítás során lecsökkent a nyomás és a gőz egy része folyadékká alakult. Szerencsére a talajvízzóna kis permeabilitású, így meggátolja a gőz kipárolgását.


Hőforrás üledékes medencékben

A geotermikus források megismerését nagyban segíti a hővezetési egyenlet:

                                                            q = Kt×dT/z

ami Darcy törvényével analóg, de itt a q az egy dimenziós vertikális (függőleges) hőáramlás W/m2-ben megadva. A dT a hőmérsékletkülönbség egy függőleges z távolságon és így dT/z a geotermikus grádiens.
Kt a kőzet termális konduktivitása W/m/°C-ban megadva és a Kt állandó ezekre a mennyiségekre vonatkozva.

Kt egyenlő a percenként 1m2-en átáramló hő mennyiségével, ha a geotermikus grádiens 1 °C/m, az áramlás iránya mentén. Így, ha az átlagos hő áramlás 60mW/m2, el lehet érni a 60°C-os hőmérsékletet 2 km mélységig a földkéregben. A legtöbb kőzet geotermikus grádiense közel azonos 2,5-3,5 W/m/°C tartományban található, mint a homokkőnek, mészkőnek és a legtöbb kristályos kőzetnek általában.

Az agyag és agyag palák kivételével az 1-2 W/m/°C értékkel és ezek a legimpermeábilisabb kőzetek is egyben. Így az agyag hozzájárul a geotermikus források két fontos tulajdonságához, egyrészt impermeábilis rétegként működnek, másrészt növelik a geotermikus grádienst a víztározó rétegek fölött.


Az üledékes medencék hasznosításának előnyei:

 

  • A geotermikus energia nem elektromos áram termelésre történő hasznosítására is alkalmas, ahol a háttér hősugárzás nagyobb az átlagosnál. A vastag üledékréteg alatt elhelyezkedő kőzetréteget alulról az olvadt kőzetanyag cirkulációi vékonyítják.
  • A Dél-Magyar Alföld alatt a geotermikus grádiens több, mint 0,15 °C/m és 1 km mélyen már 120°C-os termálvizet lehet találni. Más területeken vastagabb üledékes réteget találhatunk. A mexikói Golf-öbölnél, Dél - Texasban és Luisianában 3-5 km mélyen 160-200 °C-os hévizet találhatunk. Mivel itt a víztározó rétegek mélyen találhatóak és fölöttük vastag impermeábilis kőzet található, az itt uralkodó nyomás helyenként meghaladja a 100 MPa-t.
  • A tárolt víz magas sótartalmú és metán gáz nyomásos. Ezek a "nagy hidrosztatikai nyomású sós vizek"  különösen fontosak az energia termelésben hiszen háromféle energiát szolgáltatnak:

o        geotermikus hőt

o        hidraulikus energiát a nagy nyomás miatt

o        nagy mennyiségű metánt, ami a vízben oldott állapotban található


Forró száraz kőzetek

A forró száraz kőzet elnevezés a víztározó rétegek felett elhelyezkedő impermeábilis, vagy csak igen kis mértékben permeábilis kőzetrétegekben tárolt hőre utal. Ezen energia források hasznosítása a tározott hő kinyerésére irányul.

Fontos hogy legyen egy mesterséges furat a megfelelően magas hőmérsékletű kőzetben, hogy rajta vizet tudjanak cirkuláltatni. A levezetett víz gőzzé alakul ami a felszínre áramoltatva elektromos áram termelésére hasznosítható. Ez a technológia azonban még csak elméletben létezik. Legalább 6 km mélyre kellene fúrni a földkéregben, ami egy igen költséges eljárás. A jelenlegi technológiával és gazdasági korlátozások között minimum 0,025°C/m-es geotermikus grádiens, 3W/m/°C-os termikus konduktivitás és 75 mW/m2-es hőáramlás szükséges a gazdaságos hasznosításhoz.

Az UK-ban, Franciaországban, Japánban és az USA-ban végzett kísérletek alapján a gránittömbök bizonyultak a legalkalmasabbnak az ilyen célú hasznosításra. Ezek a kőzetek nagy területeket foglalnak el a földkéregben, magmából kristályosodnak és természetesen nagy koncentrációban tartalmaznak kémiai elemeket, hosszú bomlási idejű radioaktív izotópokat uránt, thóriumot, káliumot.

Jelentős kutatások folynak még a franciaországi Alsace vidéken Soultzban, a német Rajna-vidéken Urachban, az új-mexikói Fenton Hillben a Los Alamos National Laboratory (LANL) által. E három területen a geotermikus grádiens 0,05-0,07°C/m között van.

Fenton Hill és Soultz területén a kristályos kőzet felett vastag üledékes réteg található. A geotermikus grádiens az üledékes rétegben 0,08-0,1 °C/m míg a kristályos kőzetben mindössze 0,028-0,05°C/m. Fenton Hill közvetlenül a Valles vulkáni kalderakülső oldalán található és a világ egyik legjobban fejlesztett geotermikus rendszere működik itt.  Az itt folytatott kutatások eredményeiből tudjuk, hogy az ilyen aktív vulkanikus területen a geotermikus erőforrások 95%-a a forró száraz kőzetekből fakad, nem pedig a forró vízből. 

Forrás: A fenti tartalom Monoki Ákos "Geotermikus energia" c. munkája felhasználásával készült, melynek eredeti változata itt
található
Közzétéve szerzői engedéllyel

 
Hungarian (formal)English (United Kingdom)

Könyv ajánló


Miről olvasna szívesen?
 

Statisztika

Tagok : 17
Tartalom : 301
Tartalom találatai : 1262975