Termálvizek hulladékhőjére alapozott geotermális fűtési rendszer

A hőszivattyús fűtési megoldások közül a legnagyobb hatékonysággal működő rendszerek a melegvíz-hőforrásúhőszivattyús rendszerek, ahol a hőt elfolyó termálvízből vagy ipari hulladékvízből (pl. hűtővíz) nyerjük ki. A melegvízből történő hőhasznosítás SCOP értéke (a hőszivattyú által megtermelt hőenergia és a felhasznált villamos energia hányadosa szezonális szinten) eléri a 6-7-es értéket, mely érték a talajszondás vagy hidegvizes hőszivattyús rendszerek esetében 4-4,5, a levegő alapú hőszivattyús rendszerek esetében 3-3,5 – tehát a melegvíz-hőforrásúhőszivattyús rendszerek esetében jelentős hatékonyság többletről beszélünk. A termálvízre alapozott geotermális hőszivattyús rendszerek a magas költséghatékonyság mellett a környezeti fenntarthatóság szempontjából is a legoptimálisabb fűtési megoldásoknak tekinthetők. Jelen szakcikk a Magyar Hőszivattyú Szövetség (MAHŐSZ) 2023 évi Konferenciáján elhangzott előadás írásos változata. 

A termálvíz hulladékhőjében rejlő fűtési potenciál

Magyarországon jelenleg több mint 1000 db aktív geotermális kút működik. Ezek több mint 1/3-át balneológiai célokra hasznosítják, ahol a kitermelt termálvizet nem lehet visszasajtolni a vízadó rétegbe és jellemzően magas hőmérsékleten (25-40ºC) elengedésre kerül a környező élővizekbe. Ez egyrészt jelentős környezeti terhelést jelent, másrészről hatalmas hőenergia potenciál megy ezzel veszendőbe. Ezen felül a fűtési céllal hasznosított termálkutak esetében is gyakori helyzet, hogy a kitermelt termálvizet közvetlenül hasznosítják fűtési célra, majd a 40-50ºC vagy akár magasabb hőmérsékletű termálvíz visszasajtolásra kerül. Ez ugyancsak jelentős hőpazarlást jelent, hiszen az ilyen magas hőmérsékletű termálvízből speciális hőszivattyús technológia alkalmazásával további jelentős hőenergiát lehetne kivonni és azt költséghatékony módon hasznosítani.

A melegvíz-hőforrású, ezen belül is a termálvizek hulladékhőjére alapozott geotermális hulladékhő-víz típusú hőszivattyús rendszer alkalmas termálfürdők, önkormányzati épületek, üzemcsarnokok, üvegházak és társasházak fűtésére. E rendszer alkalmazásával környezetileg fenntartható és gazdaságosan üzemeltethető fűtési rendszer hozható létre és a földgáz felhasználása jelentősen csökkenthető, vagy akár teljesen megszüntethető.

Az alábbiakban a geotermális hulladékhő-víz típusú hőszivattyús fűtési rendszer főbb elemeit mutatjuk be (lásd 1. ábra).

Termálkút hulladékhő

A termálkút hulladékhője két részből tevődik össze: 

• Használt és elfolyó termálvíz hőenergiája: haa gyógyfürdőből a medencék leürítésekor vagy egy üvegház termálvízzel történő passzív fűtését követően átlagosan 30ºC hőmérsékletű víz kerül elengedésre, akkor azt hőszivattyúval 10-15 ºC-ra lehet gazdaságosan lehűteni, és így a termálvízből a maradék hőenergiát kinyerni. 
• Kútból kilépő vízből levett hőenergia: a legmagasabb hőfokú gyógymedence feletti hőmérséklet tartomány (pl. ha a termálkút kútfej hőmérséklete 50ºC és a ráépült és üzemelő gyógyfürdő legmagasabb felhasznált vízhőfoka 42ºC, akkor a hasznosítható hőmérséklet különbség 8ºC).

Puffertároló

A puffertároló (lásd 2. kép) jellemzően a földbe süllyesztve kerül kiépítésre és mérete kb. 50-250 m³ (a pontos méret a rendszer részletes specifikációjától függ). A puffertároló két részre van osztva: az egyik rész tárolja a termálvizet (termálvizes tárolórész), a másik (tisztavizes tárolórész) egy hőcserélőn keresztül felmelegített tiszta vizet (tápvíz) tárol – ez utóbbi kerül keringtetésre a rendszerben, e tiszta víz jut el a hőszivattyúkhoz.

A puffertárolós megoldás tekinthető a legoptimálisabb megoldásnak a következők miatt:

• A puffertárolóra elsődlegesen hőtárolási céllal van szükség, hogy a leghidegebb időszakban, illetve akkor, amikor csak részbeni hőutánpótlás áll rendelkezésre (pl. amikor a gyógyfürdő medencéinek a feltöltése zajlik és nem áll rendelkezésre használt elfolyó termálvíz), a fűtési rendszer zavartalanul tudjon üzemelni.
• A rendszer önszabályozó a hőmérsékleti szintek tekintetében. Abban az esetben, ha a hőszivattyúk folyamatosan teljes terheléssel működnek és a hőszivattyúk az elpárologtató oldalon nem láthatók el a tervezett hőmérsékletű tápvízzel, a termálvizes tárolórész hőmérséklete a szabályozó által meghatározott szintre csökkenhet, és így a hőszivattyúknak leadható energia mennyisége jelentősen megnő, a rendszer működőképes marad. Ez azt jelenti, hogy a tiszta melegvíz (tápvíz) viszonylag állandó hőmérsékleten (5-8 ºC-os eltéréssel) keringtethető.
• Az állandó keringtetett vízhőmérséklet és a szabályozható térfogatáram miatt (amelyet szintén a hőszivattyúk vízigényének megfelelően szabályozunk az épületek hőigényétől függően) a hőszivattyúkat nem sorba, hanem párhuzamosan, egymástól függetlenül kell csatlakoztatni, hogy minden hőszivattyú elpárologtatójához azonos hőmérsékletű víz jusson, még akkor is, ha a hőszivattyúkat egy távfűtési rendszer hőközpontjába vagy különböző épületek hőközpontjaiba telepítjük. Ez garantálja a magas SCOP értéket. Ha nem építenénk ki puffertárolót, akkor a hőszivattyúkat sorba kellene kapcsolni, ami azt jelentené, hogy a sorban lévő hőszivattyú csak az előző hőszivattyú(k) által előhűtött vizet használhatná (akár 15ºC alá csökkentve), ami alacsonyabb SCOP értéket eredményezne működés közben.
• A tiszta víz keringtetése miatt a hosszú csőszakaszokon és a hőszivattyúknál nem képződhet a termálvíz keringtetéséből fellépő ásványi anyag lerakódás, vagy korrózió és nem lép fel ebből adódó karbantartási költség növekmény. 

Tápvíz vezeték hálózat

A geotermális hőszivattyús fűtési rendszerbe bevont épületeket tápvíz vezetékpár köti össze a termálkút mellett kiépítésre kerülő puffertárolóval. Ha a geotermális hőszivattyús rendszer távfűtési rendszerhez csatlakozik, akkor a tápvíz vezetékpár a puffertárolót a távfűtési rendszer hőközpontjával köti össze. E tápvíz vezeték hálózaton kerül keringtetésre a puffertárolóban tárolt és felmelegített tiszta víz, ami a hőenergiát szállítja az épületekhez.

Villamos- és irányítástechnika

E rendszer teszi lehetővé azt, hogy az épületek folyamatos melegvíz (tápvíz) ellátása automatikusan történjen, e rendszer szabályozza a folyamatos víz utánpótlást és térfogatáramot, figyelembe véve az összes rendszerelem működését (puffertároló hőmérséklet, tápvíz hőmérséklet, épületek hőigénye). A beépített szabályozási rendszer biztosítja a távoli elérés és rendszermonitoring lehetőségét is. 

Magas hőmérsékletű speciális hulladékhő-víz típusú hőszivattyúk

E speciális hőszivattyúk az egész fűtési rendszer kulcsfontosságú elemei. A hőszivattyúkat a csatlakoztatott épületek hőközpontjaiba, vagy a meglévő távfűtési rendszer hőközpontjába telepítjük. A hőszivattyúk teljesítménye megfelel a geotermális fűtési rendszerbe bevont különböző épületek hőteljesítmény igényének, vagy a távhő hőközpont teljes hőteljesítmény igényének. Ezekkel a speciális hőszivattyúkkal a tápvíz hőenergiája jelenlegi ismereteink szerint a Magyarországon forgalmazott berendezésekénél  jóval magasabb hatékonysággal hasznosítható a talajszondás vagy hidegvizes hőszivattyúkkal szemben.  

A beépítendő hőszivattyúknak speciális feltételeknek kell megfelelniük:

• Képesnek kell lenniük magas tápvíz hőmérsékleten történő működésre (40 ºC vagy annál magasabb hőmérsékletű tápvíz hőenergiájának hasznosítására és kinyerésére, a tápvíz lehűtésére szolgáló előtét hőcserélő használata nélkül);
• Képesnek kell lenniük magas, legalábbi 70 ºC-os előremenő fűtési hőfokszint előállítására az épületek szekunder fűtési rendszerében vagy a távfűtési rendszerben;
• Magas átlagos szezonális hatékonysággal (SCOP) kell működniük, ez biztosítja a rendszer költséghatékony működését. 
• Ha az épületeket jelenleg földgázzal fűtik (ez a leggyakoribb), a hőszivattyúk bivalens rendszerben is telepíthetők: a hőigény nagy részét a hőszivattyúk fedezik, csak rendkívül alacsony külső hőmérséklet esetén kell a meglévő gázfűtésnek hozzájárulnia a fűtési igény kielégítéséhez – a bivalens rendszer lehetővé teszi a geotermális fűtési rendszer költséghatékony kiépíthetőségét.

A Geowatt Kft. által kifejlesztett Vaporline® GWT hulladékhő-víz hőszivattyúk (lásd 3. kép) megfelelnek mindezen szigorú kritériumoknak és optimális megoldást nyújtanak a geotermális (és egyéb ipari) hulladékhő fűtési célú hasznosítására.

A Vaporline® GWT hőszivattyúk az alábbi főbb sajátosságokkal és előnyökkel rendelkeznek:

• A Vaporline® GWT hőszivattyúk speciális, R134 hűtőközeggel működő kompresszorral szerelt hőszivattyúk, melyek működési tartománya 40ºC/85ºC (elpárologtató/kondenzációs hőfok), ami messze meghaladja a standard, R134 hűtőközeggel működő kompresszorral szerelt hőszivattyúk működési tartományát (jellemzően 22 ºC/65 ºC elpárologtató/kondenzációs hőfok) – lásd 2. ábra.

• A hulladékhő közvetlenül, 20 ºC és 45 ºC között, előtét hőcserélő közbeiktatása nélkül hasznosítható, ami magas tápvíz hőmérsékletnél és közepes (~60ºC) előremenő fűtési hőfokszintnél nagyon magas COP értéket (>7) eredményez. Ezzel szemben a standard hőszivattyúk esetében a tápvíz hőmérsékletét először előtét hőcserélővel le kell csökkenteni 30 ºC alá (ellenkező esetben a hőszivattyú működésképtelen), ami 60 ºC előremenő fűtési hőfokszint esetében csupán COP=4 hatékonysági értéket jelent. 
• Az előremenő fűtési hőfokszint 50ºC-82ºC között szabályozható, ami a meglévő, sok esetben korszerűtlen hőleadó rendszerrel rendelkező épületek esetében is lehetővé teszi a geotermális hőszivattyús fűtési rendszer kiépítését, jelentősebb szekunder oldali korszerűsítési igény nélkül.
• 8 különböző fűtési teljesítmény kategória (40-300 kW) érhető el, valamint jelenleg zajlik az ipari méretű (~1 MW fűtési teljesítényű) hőszivattyúk kifejlesztése.
• A kétfokozatú működés és a teljesítményszabályozás lehetővé teszi a részterheléses üzemet alacsonyabb üzemeltetési költséggel;
• Mikroprocesszoros hűtőkör-szabályozás és külső hőmérséklet alapú szabályozás biztosítja a magas COP értékeket különböző körülmények között, stabil teljesítmény szabályozással, ami magas SCOP (6-7) értéket eredményez.
• Lehetőség van több hőszivattyú kaszkád üzemmódban történő üzemeltetésére, amelyek nagyobb teljesítményt és fűtési hőenergiát biztosítanak (pl. távfűtési rendszerekben).

A nagyatádi geotermális hőszivattyús rendszer

2022-ben került beüzemelésre a fentiek szerint kiépített geotermális hőszivattyús fűtési rendszer Nagyatád városában, ahol első körben 5 db városi közintézmény (gyógyfürdő, városháza, irodaház, kulturális központ és turisztikai központ) került bekötésre a fűtési rendszerbe. A nagyatádi rendszer hőellátását a város központjában lévő termálkút hulladékhője biztosítja. A termálkút átlagos hozama ~800 m³/nap (555 l/min), üzemi kútfej hőmérséklete: 50 ºC, az elfolyó termálvíz átlagos hőfokszintje: 25-30 ºC. 

A Nagyatádon kiépített geotermális hőszivattyús rendszer (lásd 6. ábra) esetében a termálvízből kinyerhető, elpárologtató oldali teljesítmény: 530 kW, ami a tervezett SCOP=6,0 átlagos hatékonysági érték mellett mintegy 630 kW geotermális fűtési teljesítményt jelent. 

A rendszer teljes megvalósítási költségigénye (projekt előkészítés, beruházás, projekt menedzsment) bruttó 300 millió Ft volt. Az önkormányzat saját kimutatása alapján – a földgáz alapú fűtéssel összevetve – mintegy 51 millió Ft éves energiaköltség megtakarítás érhető el, ami 5,9 éves megtérülési időt jelent. Mivel az önkormányzat a beruházást 100%-os európai uniós támogatással tudta megvalósítani, így a rendszer már az első működési évtől megtérülőnek tekinthető.

A geotermális hulladékhő-víz típusú hőszivattyús rendszer újszerűsége

Költséghatékonyság:

• A geotermális energia fűtési célú hasznosítása a lehető legoptimálisabb, legköltséghatékonyabb módon történik meg, mivel nincs szükség új kút fúrására, ha már van termálkút, mivel a projekt a hulladékhő hasznosítására összpontosít; 
• Az infrastrukturális költségek csökkentése érdekében bivalens fűtési rendszer alkalmazható.

Komplex megközelítés: 

• A rendszer egyidejűleg hasznosítja a geotermikus energiát, valamint speciális, nagy hatékonyságú hőszivattyúk segítségével növeli a geotermikus energia hasznosításának hatékonyságát; 
• A geotermális hőszivattyús rendszer napelemes rendszer kiépítésével kombinálható, ami kiváltja a beépítendő hőszivattyúk többlet villamos energia igényét.

Környezeti fenntarthatóság: 

• A rendszer a geotermális hulladékhő hasznosításra törekszik, mely hőenergia a vázolt műszaki megoldás nélkül teljes mértékben veszendőbe megy;
• A hulladékhő hasznosítása csökkenti a környezet hőterhelését is a 15 ºC alá lehűtött termálvíz által; 
• A műszaki megoldás jelentősen csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását, hiszen jelentős mértékű földgáz felhasználásából eredő károsanyag kibocsátást takarít meg.

Márton György, okleveles közgazdász, energiamenedzser
Fodor Zoltán, gépészmérnök