A dolgozat célkitűzése az, hogy rámutasson arra a körülményre és sok esetben félreértésre, amely a geotermális energia értékelését a műszaki mérnöki gyakorlatban a más energiahordozóval termelt hőenergia hatásfokával veti össze. Jelen cikk szerzői korábbi dolgozataikban és Kontra Jenő habilitációs dolgozatában rámutattak az exergetikai szemlélet gyakorlati jelentőségére. Dolgozatainkban és cikkeinkben bemutattuk ennek a szemléletnek a matematikáját, az értékeléshez szükséges képleteket.
2. A hő termodinamikai értékelése
A termodinamika II. főtétele szerint a hőfokkülönbség hatására a melegebb rendszerből a hidegebb rendszerbe átlépő energiát nevezzük hőenergiának. A közölt, vagy elvont hő nem állapotjellemző. A hő tehát a hőmérséklet-eloszlás inhomogenitására létrejövő transzport-mennyiség.
A hő alapdefiníciója szerint:
(1)
Intenzív jellemző a T hőmérséklet, extenzív mennyiség az S entrópia; az entrópia-változás ∆S.
A termodinamikai átlaghőmérséklet:
(2)
Célszerű a hőközlésekre, körfolyamatokra a T-S diagramot felhasználni.
1. ábra. Exergia és anergia a T – S diagramban
A T–S diagramban a T0 környezeti hőmérséklet és a T1 hőmérséklet közötti terület jelöli az exergiát, vagyis a mechanikai munkává alakítható energiahányadot (1. ábra). A T0 alatti terület az ún. anergia, amely már nem alakítható mechanikai munkává, illetve fűtésre sem használható fel.
Az alacsony hőmérsékletű fűtéseknél, így a geotermális bázisú rendszereknél is, a hőfelhasználás hatékonyságát – termodinamikai értelemben – az exergetikai elemzéssel célszerű vizsgálni.
A gyakorlatban a fűtéstechnika legfontosabb jellemzője a fűtési szám (ξ), amely megmutatja, hogyan aránylik a fűtési energia a szükséges primer energia felhasználáshoz:
(3)
A közvetlen hőtermelés fajlagos primerenergia felhasználása:
(4)
ahol a QF jelenti a fűtési hőigényt és a QPE a primer energiát.
A folyamat termodinamikai hatásfoka legalkalmasabb módon az exergetikai hatásfokkal fejezhető ki. A fűtés teljes folyamatára a felhasznált exergiák, részfolyamatok arányait kell értelmezni, ami egyúttal a fűtés exergetikai hatásfoka:
(5)
ahol
ExPE – a tüzelőanyag exergiája,
ExQ – a fűtési hőigény exergiája.
A primer energia a tüzelőanyag mennyiségének és égéshőjének a szorzata:
(6)
Ezzel a fűtési szám értéke:
(7)
A Carnot-hatásfok felhasználásával a fűtés exergetikai hatásfoka:
(8)
ahol:
Ha – fűtőérték,
Ho – égéshő,
ηc – Carnot-hatásfok, a T0 és T1 hőmérsékletek hányadosa.
Ezáltal a fűtési szám és az exergetikai hatásfok közötti kapcsolat: a fűtési szám egyenesen arányos az exergetikai hatásfokkal:
(9)
3. Az exergia-szemlélet alkalmazása termálvizes fűtési rendszereknél
A kishőmérsékletű (termálvizes) fűtési rendszerek hatékonysági vizsgálatánál célszerűbb az exergia-szemlélet alkalmazása, szemben az entrópia-szemlélettel, mivel ez utóbbinak több hátránya van:
• az entrópia-növekedéseket nehéz pontosan megállapítani,
• nehéz a mennyiségi veszteségeket kimutatni,
• nem rendelhető hozzá folyamatábra,
• a gyakorlatban nehéz kezelni.
Termálvíz hasznosításoknál a legnagyobb exergia veszteségek:
a hőcserélőkben lejátszódó folyamatok (primer és szekunder oldalon), a fojtások, a távvezetéki veszteségek és a szivattyúzási veszteségek.
Mindezek miatt az exergetikai szemlélet többet mond az egyszerű, kazánhatásfokkal történő összehasonlításoknál. Egy nyitott hévízrendszer exergia-elemzésére mutat példát a 2. ábra.
2. ábra. Exergia-elemzés (nyitott hévízrendszer felszíni csurgalékvíz elhelyezéssel)
Jól példázza a fentieket a hévízkútba beépített búvárszivattyús termeltetés exergetikai hatásfoka. A búvárszivattyú működésével növekszik a geotermális fluidum hőmérséklete és térfogatárama. A betáplált effektív munka exergia-növelő:
(10)
ahol
IPR – a közeg tömegegységére vonatkozó betáplált effektív munka,
dQ – a primer közegnek átadott hő,
TPR – a primer közeg hőmérséklete,
To – környezeti hőmérséklet,
∆ePR – fajlagos exergia-növekedés a szívó- és nyomócsonk között.
A fűtési szám és az exergia értékek eltérő tendenciákat mutatnak néhány esetben. A fűtési szám értéke önmagában még semmit sem mond arról, hogy milyen jól használtuk ki a geológia adta lehetőségeket. Az exergia éppen erről szolgáltat információkat. A geotermális rendszer – ami földhőt hasznosít –, exergetikai jellemzők tekintetében felülmúlja a többi (például kazános) fűtési hőtermelést és felhasználást.
Ennek oka, hogy a tüzelőanyagok elégetése épületfűtésre, mint exergetikusan alsóbbrendű feladatra, pazarlás. A termikusan értéktelenebb földhő felhasználása termodinamikailag célszerűbb.
3. Összefoglalás
A geotermális energia helyes termodinamikai értékelése különösen fontos a távhő-szolgáltatásban, tekintettel a Nemzeti Energiastratégiában megfogalmazott célokra.
A geotermális energia – mélyfúrású hévízkutakból – a hévíz, mint hőhordozó által a felszínre hozva, a fűtéstechnikában szokásosnál kisebb hőfokszinten adódik a legtöbb hévízkútnál. Mégis egyre fontosabbá válik alapenergia-hordozóként a tömbfűtések, kisebb távfűtések számára. Ennek a felhasználásának távlatot nyit az épületek fajlagos hőigény-csökkentése, illetve a kishőmérsékletű fűtési hőleadók beépítésének lehetősége. Egyúttal ebbe az irányba mutat a csúcsenergia gazdálkodás – csúcskazánok üzemeltetése –, és ezáltal a földgázfelhasználás jelentős csökkentése.
Jó példa a Lakitelek Népfőiskola épületeinek átállítása földgázról termálvíz tömbfűtésre (földgáz tartalék csúcskazánokkal), ahol a kútfej-hőmérséklet mindössze 52 °C. A rendszer továbbfejlesztésére – exergetikailag – csurgalékvízhez illesztendő hőszivattyúkat tervezünk.
Irodalom
Büki G.: Erőművek, Budapest, Műegyetemi Kiadó, 2004.
Böszörményi L., Böszörményi G.: Prospect for Geothermal Energy Convension, Acta Polytechnica, Praha, 2003.
Garbai, L.: Távhőellátás. Hőszállítás. Typotex Kiadó, Budapest, 2013.
Dr. Kontra Jenő, Varga János
Szóljon hozzá
A hozzászóláshoz be kell jelentkezni.