A felső kéregbeli hőterjedés modellezése és alkalmazási lehetőségei

Modelling heat transport processes of the upper crust and its possible application in East Hungary

Buday, Tamás

Kozák, Miklós

Földtudományok doktori iskola

DE--Természettudományi és Technológiai Kar -- Ásvány- és Földtani Tanszék

2015-10-16T20:53:20Z

2015-10-16T20:53:20Z

2015

2015-10-30

geotermikus energia

geothermal energy

hővezetés

numerikus modellezés

hőszonda

geotermikus gradiens

Kelet-Magyarország

heat conduction

numerical modelling

borehole heat exchanger

geothermal gradient

East Hungary

Földtudományok

Természettudományok

A geotermikus energia hasznosítása az elmúlt évtizedekben dinamikusan fejlődik, melynek elsődleges oka, hogy olyan területeket is be lehet vonni a hőkinyerésbe, melyek klasszikus értelemben nem rendelkeznek kiváló, vagy jó geotermikus adottságokkal. Ennek két lehetősége a sekély rendszerek energiatartalmának hőszivattyús hasznosítása, illetve az ún. EGS módszer (jövőbeni) elterjedése. Ezáltal nem csak azért fontos megújuló a földhő, mert folyamatosan rendelkezésre áll, hanem azért is, mert majdnem mindenhol kinyerhető valamilyen formában a felső kéreg különböző mélységi szintjeiből. Ezek további terjedése a geotermikus energia hasznosításának gyors előretörését elősegítheti, egyelőre elsősorban közvetlen felhasználás céljából, ugyanakkor a jelenleg alkalmazott technológiák nagy része a földtani környezet hosszútávú hűlését eredményezi. A rendszerek termelhetősége általában több tíz év, de a kőzetek hűléséből származó etikai, jogi, gazdasági és földtani problémák megismerése szükségszerű és időszerű. Hazai és nemzetközi energetikai kutatások egyre gyakrabban fordulnak a geotermikus energia kinyerésének optimalizálása felé, mely elsősorban földtani, hőtani, épületgépészeti megfontolásokon alapul. A doktori disszertációban bemutatott kutatásoknak az alapját olyan projektek adták, melyekben kutatóként, esetenként a geotermikus témarész vezetőjeként-koordinátoraként vettem részt. E projektekben elvégzett munkék alapján a disszertáció kutatási céljaként az elméleti hőmérsékleti modellek és terepi mérések összehasonlítását és értelmezését, kiépítések és üzemeltetési gyakorlatok hatásának elvi modellekben történő vizsgálatát tűztem ki, bemutatva a kapott eredmények alkalmazhatóságát egy kelet-magyarországi mintaterületen. A természetes hővezetési folyamatok és a zárt rendszerű hőkivétel hatására kialakuló hőmérséklet-eloszlást a Fourier I. törvény differenciálegyenletének különböző peremfeltételek közötti megoldásai segítségével vizsgáltam. Ehhez négy különböző helyen elvégzett mérés sekély zónákra vonatkozó hőmérsékleti adatsorát elemeztem. Az összetettebb geometriák és hőszondás hőkivételek hatásának meghatározására véges differenciás numerikus modellt fejlesztettem Free Pascal környezetben, amit az egyszerű hőmérséklet-eloszlások segítségével validáltam. Ezután ezt a numerikus modellt használva a modell paramétereinek változtatásával meghatároztam a kiépítés és az üzemeltetés hatását a hőközvetítő fluidum várható hőmérsékletváltozására, és ebből következően a hőszivattyú működéséhez szükséges áram előállításakor keletkező CO2 mennyiségére. Létavértes környezetében kijelölt 206 km2-nyi mintaterületen a rendelkezésre álló szeizmikus szelvények, kútdokumentációk és szakirodalom alapján vizsgáltam az aljzat és a sekély, 100 m-ig tartó felszínközeli zóna geotermikus energiatermelésbe vonhatóságát EGS, GEOHIL, zárt hőszondák, talajkollektorok és talajvizes hőszivattyús rendszerek esetében. A fejlesztett numerikus modell az elméleti eredményekből meghatározható értékeket a vizsgálatok szintjének megfelelő pontossággal írja le hőkivételek szuperpozíciója esetén is. A természetes rendszerekben mért folyamatok modellezésében a modell kvalitatív leírásra minden esetben alkalmas volt, a kvantitatív leírás azonban nem minden esetben volt pontos. Ennek oka – figyelembe véve az elméleti modellek hőmérséklet-eloszlásával való egyezőséget – elsősorban a terepi monitoringrendszerek adatait jellemző hibákra vezethető vissza. Ilyen lehet a rétegsort, felszín alatti vízmozgást leíró ismeretek hiánya, a szondák mélységének vagy távolságának nem megfelelő megválasztása és kivitelezése, a kezdeti feltételek nem megfelelő részletességű ismerete, stb. A mélyből érkező közel állandó értékű hőfluxus és a felszín felől érkező periodikus hőmennyiség hatására kialakuló hőmérsékleti eloszlást több sekély monitoringrendszer adatainak a segítségével vizsgáltam. A modellben leírt fáziseltolódás és amplitúdócsökkenés a vizsgált területeken kimutatható, de a hőmérséklet növekedése nem. Ennek oka a felszíni átlaghőmérséklet változása, melynek következtében a felszínen nem alakul ki hőmérsékleti egyensúly. Ezt a mérések során igazoltan a városi hősziget jelenség okozza. Meghatároztam Debrecen környékének jellemző hőmérsékleti profilját, melyben a korábbi mélységfüggetlen geotermikus gradiensű modellek finomításaként 4 különböző geotermikus gradiensű szakaszt tudtam kimutatni. A sekély rendszerek környezetében kialakuló hőmérsékletmező vizsgálatának segítségével az elméleti modell illesztésével elvégeztem egy többlépcsős szondateszt felszín alatti monitoringadatokon alapuló kiértékelését, melyre a szakirodalomban nem találtam példát. A módszer segítségével a mérés közbeni hibák kiküszöbölhetők, ezáltal a kapott eredmény megbízhatósága növekszik. A hőszondás rendszerek környezetében kialakuló hőmérséklet-eloszlást vizsgálva bizonyítottam, hogy a hagyományos kiépítési módszerek a működés paramétereit (egy vizsgált hőszonda esetén) csak néhány százalékkal befolyásolják. Ez a földtani adottságokra is igaz olyan területeken, mint a Tiszántúl, ahol viszonylag nagyfokú a kifejlődés hasonlósága és nincs lokáli termikus felfűtöttség a sekély zónákban. Ezekben az esetekben a kiépítés költségeinek növekedése és a rendszerek üzemelési költségeinek csökkenése alapján kell meghatározni azt, hogy a beruházó milyen kiépítést támogat (pl. termikusan javított tömedékelő használata). Az üzemeltetési módszerek változtatása (kivett fajlagos hőteljesítmény növelése) jelentősen (több tíz százalékkal) ronthatja az üzemeltetés feltételeit és drasztikus túlhűlésekhez vezethet. A szondamezők esetében vizsgáltam a telepítési távolság hatását a hőkivétel során kialakuló hőmérsékletcsökkenésre és a hőutánpótlódás dinamikájára. Megállapítható, hogy egy csak hőtermelésen alapuló szondamező esetében még 9 méteres szondatávolság esetén is jelentős az eltérés a magányos szondák üzemeltetése során kialakuló hőmérsékletekhez képest, és ennél a szondatávolságnál is kialakulhat túlhűlés. Kisebb szondatávolság esetén ez rövidebb idő alatt és nagyobb hőmérséklet-csökkenéssel jelentkezik, melyet azonban megfelelő hőbetáplálási módszerekkel mérsékelni lehet. Ezek közül kiemelném a hőkivételt megelőző hőbetáplálás szerepét, illetve azt, hogy a hőbetáplálás olcsó és könnyen felszín alá juttatható többlethőt igényel, ami aktív hűtéssel, illetve napkollektoros rendszerek alkalmazásával teljesíthető. Az aljzat szerkezeti elemeinek és kőzeteinek vizsgálatával kimutattam, hogy az EGS rendszerű technológiák esetében kedvező feltétel az aljzat meglévő feszültségtere, melynek elsődleges irányai a nagyszerkezeti vonalakhoz igazodóan esetünkben ÉK-DNy-i orientációjúak. A vizsgált területen a vetősűrűség és a vetőmenti breccsaövek jelenléte miatt a kinyílások a feltolódási síkok és a haránttörések mentén várhatók. Főként ez utóbbiak gyakran szubvertikális pozíciója azonban kevéssé kedvező, mert így az áramlási útvonalak egy része a kisebb hőmérsékletű, kisebb mélységű zónákban alakul ki. A breccsaövek eltérő kompaktsága miatt könnyebben kialakulhatnak hidraulikus rövidzárak (sebességanomáliák) is melyek a termelést lehetetlenné tehetik. A GEOHIL rendszerek esetében a telepítés a kiemelt aljzathátak környezetében perspektivikus, de az eredeti kiépítést a hazai földtani viszonyoknak megfelelően módosítani szükséges. Ennek legfontosabb eleme, hogy a felső zónában szükséges a béléscső beépítése, ami a laza üledékek megtartását szolgálja. A fúrás helyének kijelölése során kerülni kell az ismert törésrendszereket és vetőzónákat, melyek jelenléte gátolja a nyitott falú lyukkiépítést. Ha a fúrás mégis feltár ilyen zónákat, úgy az aljzatban is szükséges a béléscső használata, ami kisebb kitermelhető hőmennyiséget fog jelenteni. Az energetikai hatékonyság növelhető, ha a termelőcső hővezető-képessége csökkenthető. A zárt sekély rendszerek a földtani adottságokra kevésbé érzékenyek, elterjedésüknek elsősorban gazdasági gátjai vannak. Kimutatható azonban, hogy a vízbázisvédelmi területek több település esetében átfedésben vannak a hőszondás rendszerek potenciális telepítési helyeivel, mely esetekben a hazai jogszabályok a szondák kiépítését környezeti hatásvizsgálat elkészítésén alapuló engedélyeztetéshez kötik. Ez a vizsgált vízbázisok többségében maximalizált, 50 m-es szondahosszakat és a fagyálló folyadék használatának tiltását jelentheti, de akár a teljes rendszer kiépítését is megtilthatják. E területek a közeljövőben tehát a hőszondás rendszerek kiépítésének jelentős korlátaivá válhatnak. A szondahosszak csökkenésével egyre inkább előtérbe kerül a felszíni hőutánpótlódás geotermikus potenciálra gyakorlolt szerepe, a szondamezők kiépítésének és üzemeltetésének hőraktározás révén történő optimalizálása. A geotermikus energia termelésének optimalizálása vonatkozó eljárások úgy növelik a rendelkezésre álló potenciált (a földtani vagyont), hogy a rezervoárokat nem terhelik túl, azaz a rendszerek működésének fenntarthatósága javul. A sekély zónák esetében egyre inkább felértékelődik a hőraktározás szerepe, mely segítségével a rendszerek regenerálódása segíthető. Az általam választotthoz hasonló modellterületek ilyen típusú feldolgozása: az adat- és szakirodalmi forrásgyűtés, a különböző módon termelhető mélységzónák elkülönítése, a hidrogeotermikus potenciál kiaknázásának földtani és technikai behatárolása előkészítő fázisa a konkrét területi energetikai tervezésnek és lehetőséget nyújt a hasonló körzetek adottságainak összehasonlítására. A megfelelő tervezői, kivitelezői, üzemeltetői és jogalkotói hozzáállással a hazai geotermikus adottságokhoz még jobban illeszkedő geotermikus energia szektor fejleszthető, mellyel a tervdokumentációkban megfogalmazott energetikai, környezetvédelmi és egyéb célok hatékonyabban elérhetők.

Geothermal energy utilization has been dynamically developing in the last decades. The primary reason for this is that areas having neither excellent nor good geothermal potential, in a traditional sense, can also be involved into heat power exploitation. It can be achieved in two ways: (1) heat pumps using the heat stored in shallow systems, (2) EGS power plants, so far with the possibility of future installation. Thereby, another reason for the importance of geothermal energy beside that it is persistently available, is that it can be exploited from different depths of the upper crust nearly everywhere. Most of the currently applied technologies cause the long-term cooling of the surrounding geological space. The spreading of the mentioned technologies may conduce to the boom of geothermal energy primarily for direct use. The lifetime of such systems lasts several decades but to learn more about ethical, legislative, economic and geological problems resulted by the cooling of the rocks is urgent and necessary. Both Hungarian and international energy research more often focus on geothermal energy exploitation optimization which is mainly based on geological, thermodynamical and building engineering considerations. All research presented in the thesis are related to projects in which the candidate participated as a researcher and in some cases also as the leader or coordinator of the geothermal part. The research aim were the interpretation and comparison of theoretical models and field measurements, the study of the effects of different constructions and operational practices by theoretical models, presenting the results and the possible applications on a research area situated in NE Hungary. The temperature distribution caused by the natural thermal conductivity and closed-circuit heat exploitation was studied by the application of solutions of differential equation of Fourier’s Law (I.) by different boundary conditions. For this reason shallow depth temperature values measured in four different areas were studied. To define the effects of complex geometries and heat exploitation with borehole heat exchangers finite different numerical model was developed in Free Pascal which was validated by simple temperature distributions. Afterwards, using this numeric model with changed model parameters the effects of the installation and the operation on the expecting temperature changes of the heat carrier fluid, in addition the amount of CO2 related to the electricity required by the heat exchanger were defined. The possibility of geothermal energy utilization from the basement and shallow depths (from the top to -100 m) in the surroundings of Létavértes was studied based on seismic sections, well documentation and literature. The EGS, GEOHIL, deep and shallow borehole heat exchangers, soils collectors and wells were studied in detail. The developed numerical model can describe the values derived from the theoretical results with proper accuracy even in the case of the superposition of heat exploitation. The model was appropriate for qualitative description of the modelling processes measured in natural systems in every case, but the quantitative description was not always accurate. Its reason – considering the similarity with the distribution of the temperature values from the theoretical model – can be attributed to the data errors of the field monitoring system, such as the lack of description of the geological column and the subsurface water movement, the disadvantageous designing of lengths and distances of the borehole heat exchangers, lack of knowledge about initial conditions, etc. The temperature distribution formed by the nearly constant heat flux coming deep from the Earth and the heat periodically coming from the surface was studied based on data of several monitoring system. Unlike the temperature increase, both the phase shift and amplitude decrease described in the model are detected/shown in the focus area. It is explained by changes of the average surface temperature, due to which the temperature equilibrium cannot be reached on the surface. This is caused by the urban heat island (UHI) substantiated by measurements. Subsurface temperature profile of Debrecen was defined in which 4 intervals having different geothermal gradient values became separated with the refining of previous models where the geothermal gradient was independent of depth (Fig. 67.). Multi-stage BHE thermal response test was carried out based on data from the subsurface monitoring system by studying the temperature field in the surroundings of shallow systems. For this no example has been found in literature. The errors during measurements can be eliminated by applying this method, therefore the reliability of the results increases. By the numerical modelling of temperature distributions formed around operating BHEs it was proven that traditional installation methods affect the parameters of the operation (in the case of a studied BHE) only by a few percents (Fig. 68.). It can also be stated in the case of the geological properties in areas like Trans Tisza Region where the similarity of the geological development is so high spatially and there is no local positive temperature anomaly in shallow depths. In such cases the investor chooses the installation (e.g. use of thermal grouting) based on the relation of increasing installation costs and decreasing operation costs. By altering the operation methods (e.g. by increasing the extracted power per length) can significantly worsen (by tens of percent) the operation parameters and lead to a drastic overcooling. The effects of installation distance both on temperature drop and dynamism of heat recovery were also studied in the case of BHE fields during heat extraction. It can be concluded that there is a considerable difference between the forming temperature values in the case of a BHE field installed with 9 m between each BHE (overcooling occurs also in such distances) and a single BHE. In the case of smaller BHE distance, overcooling is formed earlier and with greater temperature decrease that, however, can be moderated by appropriate heat injection applications from which the option of heat injection before extraction should be highlighted. Since it requires cheap extra heat which can be easily injected into the subsurface space (thus its temperature is significantly higher than the underground temperature), it can be fulfilled/achieved by involving solar collectors into the system or by active cooling. The fact that the already existing stress field in the basement may be favourable condition for EGS technology was shown in the focus area by studying the rocks and structural elements of the basement with NE-SW striking. Here due to high density faulting and presence of brecciated zones tectonic extension can be expected along reverse and transverse faults. Transverse faults in subvertical positions are usually less favourable since these do not reach deeper zones and as a result flow units are less heated and warming up is less intense. In addition, due to the heterogeneity of the compactness of brecciated zones hydraulic short circuits (anomalies in rate of flow) can be developed easier which may make extraction impossible. Installation of GEOHIL is promising where uplifted basement blocks (ridges) occur but the original installation methods should be slightly altered according to the Hungarian conditions from which the most important is the application of drill pipes through the semi-consolidated sedimentary rocks. In the course of the identifying the location of a drilling, it is advisable to avoid such areas where fault systems may inhibit building open drillings. Drill pipes must be built in the basement, as well, if such zones are drilled, though by this the amount of the extractable heat decreases. Nevertheless, energy efficiency can be improved by applying pipes of less thermal conductivity values. Heat extraction parameters of closed shallow systems depend less on geological conditions, their spreading is inhibited for economic reasons. It was shown that water source protection zones and potential places of BHE systems overlap each other in several settlements (Fig. 69.), and in such cases according to Hungarian law, environmental impact assessment is required for licenses. This can mean that the length of BHE cannot exceed 50 m, and antifreezes cannot be applied or even the whole project may be prohibited. Therefore, the presence of such areas may become the hindrance of installation of BHEs. New methods aiming the optimization of geothermal energy extraction increase the available (technical) potential without overloading the reservoirs, consequently the sustainability of the extraction improves. The role of heat storage in shallow depths, which help regeneration, is highly appreciated. Such study of model areas like the present focus area: the data and literary source collection, the division of the different depth zones, the set up of the geological and technical conditions of extraction possibilities of hydrogeothermal potential are the part of the preparatory phase of the energy planning of a given area, in addition, great help to compare the conditions of similar areas. By adequate engineering design, construction, operation and legislative attitude a power generation sector fitting better to the Hungarian geothermal endowment could be improved. Thereby all the energetic, environmental and other goals drawn up in planning documents can be achieved more effectively.

de

magyar

angol

PhD, doktori értekezés

application/pdf

application/pdf

130

application/pdf

application/pdf

http://hdl.handle.net/2437/217122