Alacsony hőmérsékletű, folyadékalapú geotermikus rendszerek hosszú távú megújulásának modellezése



Geotermikus energia alatt a földi hőáram következtében a földkéregben mindenütt jelenlévő nem szoláris eredetű belső hőt értjük. Mivel a földhő a többi megújuló energiaforrással ellentétben nem a Napban végbemenő termonukleáris reakcióból ered, ezért a szó szoros értelmében a geotermikus energia nem is nevezhető megújuló energiának (Böszörményi, 2008). Az általánosan elfogadott nézet mégis az a geotermikus energiával kapcsolatosan, hogy a technikai-társadalmi rendszerek időskáláján megújuló energiának tekinthető, mivel geológiai léptékben mérhető időre nincs szükség a regenerációhoz.

Magyarország geotermikus adottságai világviszonylatban is kiválóak. Készletszámítások alapján, a földkéregben tárolt, illetve utánpótlódó hőenergia nagyon sokáig fedezné az ország energiaszükségletét, ha azt gazdaságosan ki tudnánk nyerni és fel tudnánk használni. A nemzetközi irodalomban a geotermikus energia hasznosításán kizárólag az energia kinyerését értik, Magyarországon ez főképp a termálvíz, a 30º C-nál magasabb hőmérsékletű víz hasznosításához kapcsolódik. Ennek oka, hogy hazánk területének több mint 70%-án található termálvíz.  Mivel a geotermikus energiát, és így a termálvizet is helyi szinten, lokálisan célszerű használni, ezért az ilyen típusú beruházások gyorsíthatják a vidék gazdaságának fejlődését, megindíthatja a hátrányos helyzetű térségek, települések felemelkedését.

A geotermikus energiával kapcsolatosan gyakran hangzik el, hogy megújuló, illetve az, hogy fenntartható. Axelsson és társai (Axelsson et al., 2005) szerint a megújuló kifejezés a geotermikus készlet természetére, míg a fenntartható kifejezés a geotermikus készlet használatára vonatkozik.

A megújuló geotermikus készlet megismerése nehéz feladat, számtalan kérdés merül fel vizsgálata során. Milyen mértékben és milyen időskálán érvényes a megújulás? Meghatározható-e a geotermikus mező élettartama, a rezervoár energiatartalma, a kitermelhető termálvíz hőmérséklete, az energia- és víz utánpótolódás üteme? Milyen módon reagál a rendszer az olyan külső tényezőkre, mint a vízkivétel, a víz visszasajtolás, a csapadékvíz- vagy szennyezőanyag beszivárgás? A felszín alatti heterogén és anizotróp földtani környezetben található vízkészletek megismerése nehéz és költséges, ezért sokszor nem áll rendelkezésre megfelelő számú mérési adat. Mivel a geotermikus tározó (rezervoár) viselkedése jelentős szerepet játszik a jövőbeni fenntarthatóságban, a működési költségek és megtérülés optimalizálásában, ezért szükség van egy kellően pontos és hatékony modellre a megújulás szimulációjára. Az ilyen problémákra nyújtanak megoldást az olyan termodinamikai és áramlástani modellek, mint az esésgörbe elemzés, az osztott paraméterű numerikus modell és a koncentrált paraméterű modell. A dinamikusan utánpótolódó, megújuló geotermikus energiavagyon csak konkrét tározókra, kutakra határozható meg, ezért a vizsgálatot is a kúthoz közel, helyi szinten kell megoldani. Minél közelebb vannak a kutak egymáshoz, annál nagyobb az egymásra hatás, ezért helyi szinten, lokálisan a koncentrált paraméterű modellel közelíthető meg legjobban a valóság (Csébfalvi és Pálné Schreiner, 2011).

A koncentrált paraméterű modellvizsgálatban a geotermikus rendszert egy olyan folyékony fázisú hidrotermális rendszernek tekintik, amelyben a rezervoár három, egymással összefüggő, egymáshoz kapcsolódó tartály sorozatából áll. A tartályok közötti kapcsolatot az 1. ábra mutatja.

Háromtartályos (soros) geotermikus rendszer részei és a közöttük lévő kapcsolat a koncentrált paraméterű modellben. /Pálné Schreiner Judit Axelsson (1989) alapján/



Az Axelsson (Axelsson, 1989) által először leírt koncentrált paraméterű modell (Lumped Parameter Model – LPM) a jövőbeni történéseket írja le analitikus válaszfüggvényeket alkalmazva, nemlineáris úton. A modell a geotermikus rezervoárt, mint egy egyszerű- vagy kevés homogén rácspontot tartalmazó rendszert vizsgálja. Az LPM használatával egy adott geotermikus rendszer fluidum és/vagy energiatermelési potenciálja határozható meg különböző feltételezett rezervoár menedzsment forgatókönyvek esetére. Így például előre jelezhető a nyomásváltozás (vízszintváltozás) a jövőbeni használat olyan különböző alapeseteire, mint a természetes állapot, a kiaknázási állapot visszainjektálás nélkül és a kiaknázási állapot visszainjektálással. Axelsson a modell alapjául szolgáló differenciálegyenletet numerikusan oldotta meg.

Az LPM modell klasszikus numerikus megoldása időigényes, költséges és nagy mennyiségű, drágán beszerezhető terepi adatot igényel. A numerikus közelítés hátránya még, hogy a halmozódó hibák félrevezető információt adnak a hosszú távú termeléspotenciálra és a beavatkozás (például visszainjektálás) várható hatására vonatkozóan is. E kutatás újdonsága, hogy az LPM modell kiértékelése szimbolikusan, a DSolve Statement of Mathematica 8.0. szoftverrel történt. A szimbolikus kezelés kiiktatja a numerikus számítás problémáit, megszűnteti a hibalehetőségeket, kezelése egyszerű, gyors, pontos és a kapott eredmény szemléletes. Az előbbi megállapítások szemléltetése, egy akadémikus példán keresztül történik.

Axelssonhoz hasonlóan feltételezzük, hogy a példa fizikai paraméterei empirikusan nyert, nem lineárisan illeszkedő vagy szakértők által meghatározott adatok. Az időhorizont ötven év, az idő mérésének egysége hónap, így a teljes időhorizont ábrázolható a skálán. A természettől elrugaszkodott fizikai paraméterek alkalmazásával hangsúlyozzuk, hogy a két emberöltőnyi időhossz túl hosszú ahhoz, hogy bemutassuk az alapvető módszertani problémákhoz kapcsolódó hosszú távú előrejelzést, a szezonalitás figyelembevételével (Csébfalvi és Pálné Schreiner, 2011). A példában az adatok a következőek:


Az első öt év néhány trendje a szezonalitás és néhány véletlen variáció figyelembevételével alacsony hőmérsékletű, folyadék alapú geotermikus rendszerben /Pálné Schreiner Judit/


Zárt modell, pesszimista forgatókönyv esetén a nyomás csökkenés folyamata az idő függvényében /Pálné Schreiner Judit/


Zárt modell, pesszimista forgatókönyv esetén a nyomás csökkenés folyamata az idő függvényében /Pálné Schreiner Judit/



A PTE PMMIK Építőipari Szakmai Intézet, Infrastruktúra és Mérnöki Geoinformatika- valamint a Szilárdságtan és Tartószerkezetek Tanszékeken elvégzett közös kutatásból látható, hogy a geotermikus rendszerek megújulásának vizsgálatakor a koncentrált paraméterű modell numerikus megoldását szimbolikus megoldással lehet helyettesíteni. Előnye a megoldásmódnak, hogy kevesebb a módszertani probléma és ezért egyszerűbb, gyorsabb a kezelése. A szimbolikus megoldás további pozitív hatása, hogy kibővíthető vele a modell, mivel az idősík nyújtható. A nyújtott idősíknak a termálvíz használatok hosszú távú, fenntartható kitermelési módjának meghatározásakor fontos a szerepe.

Irodalom
Axelsson, G. (1989): Simulation of pressure data from geothermal reservoir by lumped parameters models. 14th Workshop on geothermal Reservoir Engineering, Stanford, 1989.
Axelsson, G. et al. (2005): Sustainable Management of GeothermalResources and Utilizationfor 100–300 Years. – Proceedings World GeothermalCongress 2005, Antalaya, Turkey (24–29 April) 2. (CD-ROM) 8.
Böszörményi L. (2008): Geotermikus energiát hasznosító technológiák időszerű problémái. Debreceni Egyetem Műszaki Kar,Debrecen, 2008.53 p.
Csébfalvi, Anikó - Pálné Schreiner, Judit (2011): A Net Present Value Oriented Hybrid Method to Optimize the Revenue of Geothermal Systems with Respect to Operation and Expansion In: B.H.V.Topping, Y.Tsompanakis (szerk.) Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing: ISSN 1759-3433




Nanotechnológia építő-anyagipari alkalmazása


A nanotechnológia építőipari alkalmazási lehetőségei közül a hőszigetelés az a terület, ahol legszembetűnőbb az eltérés a normálméretű- és a nano szerkezetű anyagok tulajdonsága és viselkedése között. A nanoméretű porozitás esetén, az anyagok hővezetési tényezője, már nem arányos a testsűrűséggel, mint ahogy ezt legtöbb építőanyag esetében tapasztaljuk. Az eltérő hőszigetelési tulajdonságok csak fokozódnak, ha az anyag hőszigetelését nem a pórusrendszerébe bezárt levegő adja, hanem egy vákuumtér.


Épített környezetünk természetes radioaktivitása


Amióta ember él a Földön, radioaktív sugárzásnak van kitéve, egyrészt a világűrből, másrészt a talajból és a lakóépületeink anyagában lévő radioaktív-izotópoktól ér minket sugárzás. Napjainkban egyre többet foglalkozunk a környezetvédelem problémáival, ezen belül lakókörnyezetünk állapotával. Így gyakran előtérbe kerül a lakóépületekben, illetve a munkahelyeken mérhető radioaktív sugárzás mértéke, és ennek sugár-egészségügyi hatása. Figyelmeztető jel, hogy az utóbbi évtizedekben tapasztalható rákos megbetegedések gyakorisága, a statisztikai adatok szerint, összefüggésbe hozható az épített környezetünk természetes radioaktivitásával.