CSONTOS CSABA, SOHA TAMÁS, MUNKÁCSY BÉLA, HORVÁTH GÁBOR, HARMAT ÁDÁM, HORVÁTH GERGELY, CSÜLLÖG GÁBOR, SZABÓ MÁRIA
Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar; Környezet- és Tájföldrajzi Tanszék Absztrakt
A kutatás célja a veresegyházi geotermikus távfűtési rendszer napenergiával történő kiegészítésének, az ebben rejlő lehetőségeknek a vizsgálata. Egy összetett módszertant felhasználva megállapítást nyert a meglévő távhővezetékek köré vont 100, 200 és 300 méteres pufferzónákba eső háztartások éves hőigénye. A következő lépésben az ezek kielégítésére alkalmas napkollektor-felületek meghatározása, illetve a szezonális tárolást lehetővé tevő hőtárolók méretének és területigényének számítása következett. Végül az eredményül kapott területek vizsgálata történt meg elsősorban a környezeti fenntarthatóság szempontjából. A térinformatikai elemzés rávilágított, hogy a különböző forgatókönyvek alapján a meglévő távhőrendszer napkollektoros bővítése végrehajtható lenne, sőt, a fejlesztés akár értékes termőterületek művelésből való kivonása nélkül, kizárólag barnamezős területek felhasználásával is megvalósítható volna.
1. Bevezetés
Számos nemzetközi példa már bebizonyította, hogy különböző típusú megújuló források egymást jól kiegészítő együttes alkalmazása erőforrás-gazdálkodási szempontból indokolt, hiszen rentábilis és hosszú távon fenntartható alternatívát jelent a helyi közösségek számára. Kutatásunkban arra kerestük a választ, hogy mintaterületünkön van-e létjogosultsága egy geotermális és napenergiát ötvöző rendszer kialakításának és használatának. Kérdés, hogy mekkora teljesítménnyel kell rendelkeznie egy ilyen rendszernek, milyen természeti erőforrást, milyen technológiával használjunk fel, illetve – a környezeti, műszaki és gazdasági szempontok figyelembevételével – hová helyezhetők el a kiválasztott berendezések.
Távfűtés a 21. században
A századunkban jelentkező energetikai kihívásokra az egyik legjobb válasz egy világosan látszó európai trend, a távfűtéses rendszerek fejlesztése és bővítése. A technológia gyors terjedésének magyarázata, hogy meglepően hatékony, kényelmes, jól szabályozható, valamint gazdaságos (Werner 2017). A jövőben a negyedik generációs távfűtőrendszerek elterjedése várható, amiben a felületfűtés és -hűtés használatával alacsony hőmérsékletű (~50°C-os) vízzel is képes a kívánt szobahőmérséklet elérésére (Lund et al. 2016; Schmidt et al. 2017). Az e tekintetben egyik leggyorsabban fejlődő országban, Dániában, a távhőrendszerek közel 31 000 km hosszú vezetékhálózata kétharmadot közelítő arányban biztosítja az otthonok és közintézmények melegét. Ráadásul a biomassza és földgáz alapú kogenerációs erőművek mellett gyors ütemű fejlődés figyelhető meg a napkollektorok és a hőszivattyúk telepítésében is (Internet1; Sayegha 2017). Az észak-európai országban már több mint 100 távfűtéses rendszerbe integráltak jelentős napkollektorok-kapacitásokat, és itt, Silkeborgban található a világ legnagyobb ilyen létesítménye is (Internet2).
A veresegyházi geotermikus rendszer
Az első geotermikus próbafúrást 1987-ben végezték el a városban, amely a felső triász karsztosodott mészkőréteg megnyitása révén pozitív eredménnyel zárult. A rendszerváltás és az anyagi források megteremtése után a 1992-93 között épült meg a geotermikus távfűtőrendszer első üteme (Csontos 2008). A rendszer több lépésben bővült, így 2016-ra már három termelő (összesített kitermelt vízmennyiség: ~1 350 000 m3/év) és egy visszasajtoló (összesített visszasajtolt vízmennyiség:
~1 250 000 m3/év) kútból, 19 km hosszú vezetékhálózatból és 63 darab hőközpontból állt. A beépített hőteljesítmény jelenleg eléri a 12,1 MW-ot, ami lehetővé teszi, hogy éves szinten 115 TJ (~32 000 MWh) hőenergiát értékesítsenek (Internet3; Szőke 2016).
2. Módszertan
A vizsgálati terület kijelölése
A kutatás elsődleges mintaterületét Veresegyház közigazgatási határai jelölték ki, azonban a város magjától távol eső külterületek miatt és a gazdasági realitásokat figyelembe véve ezt le kellett szűkíteni egy részletesen vizsgált területre. Ezen belül - másodlagos, tényleges mintaterületként - a meglévő távhő hálózatból kiindulva, ennek egy 1000 méteres környezetét vontuk részletes vizsgálat alá (1. ábra).
A mintaterületre eső háztartások éves hőigényének meghatározása
A város teljes lakosságának éves hőigényét egy „top-down” módszertani megközelítés alapján határoztuk meg. Amely során a rendelkezésünkre álló statisztikai és üzemeltetési adatsorokból következtettünk a különböző energiahordozók felhasználásának lehetséges mértékére. A kutatás során abból indultunk ki, hogy a meglévő távvezeték hálózat 100, 200 és 300 m-es környezetébe (2. ábra) eső lakossági felhasználók lehetnek egy esetleges bővítés elsődleges haszonélvezői. A pufferzóna méretétől függően ez 1034-2508 db háztartást jelent, ami a teljes lakásállomány 17-41%-a.
148
Geotermikus energia
Kiinduló pontként a geotermikus távfűtési rendszer adatait használtuk fel. A geotermikus hálózatra csatlakozott fogyasztók egy átlagos évben 110-115 TJ (30-32 GWh) hőmennyiséget használnak fel évente (Szita G. 2016). A termálvíz hőjéből főként a közintézmények és a városba települt ipari fogyasztók részesülnek. Ugyanakkor a háztartások alig 6%-a részesül a város gazdaságát fellendítő megújuló erőforrásból.
Földgáz
A legfontosabb hőenergia-forrás Veresegyház esetében is a földgáz. A KSH kimutatását felhasználva a 2010-2015 közötti évek lakossági gázfogyasztási adataival dolgoztunk (Internet6). Ebben az időszakban a város éves átlagos lakossági földgáz-felhasználása 8,82 millió m3-re tehető. Ez a magyar lakosság számára biztosított földgáz fűtőértékével számolva és a főzésre felhasznált földgáz mennyiségével korrigálva 77,12 GWh/év hőmennyiséget jelent.
Biomassza és villamos energia
A gázfogyasztással szemben a biomasszából előállított hőmennyiségről a hiányos hivatalos statisztikai adatok miatt csak becslésekre lehet hagyatkozni, ahogyan a kiegészítő villamos fűtés (pl. fürdőszobai hősugárzók) terén is. A 2011-es népszámlálási adatok alapján, a település háztartásainak 31,5%-a használt valamilyen mértékben biomassza alapú tüzelőanyagot. Tehát a lakosság tényleges hőigénye 15-25%-kal is magasabb lehet, mint ami csak a földgáz felhasználásból következne.
A fentieket összefoglalva: számításaink szerint a település háztartásainak hőenergiamixét jelenleg 2%-ban a geotermikus távfűtés, 81%-ban földgáz, és 17%-ban a biomassza és kisebb részben a villamos energia teszi ki. Ez alapján a lakosság átlagos hőenergia-szükségletét ~95 GWh/év +/- 10%-ra becsültük. A további kalkulációkhoz tartozó háromféle hőigényt a város teljes lakossági hőenergia-felhasználása alapján határoztuk meg, amelynek sarokpontjait az összes háztartás száma (6123 db) és éves hőigénye képezte:
• I. forgatókönyv: 100 m-es pufferzóna: 16 GWh/év hőigény;
• II. forgatókönyv: 200 m-es pufferzóna: 27,3 GWh/év hőigény;
• III. forgatókönyv: 300 m-es pufferzóna: 39 GWh/év hőigény - ez már kis mértékben meghaladja a jelenleg üzemelő 1. ábra: Veresegyház átnézeti térképe a város közigazgatási határával és a részletesen vizsgált területtel
2. ábra: A távvezeték pufferzónáiba eső lakóépületek és a meglévő fogyasztók
geotermikus távfűtőrendszer éves hőtermelését (32 GWh).
A napkollektoros hőtermelés
A napkollektorok területigénye jelentős, ezért kulcsfontosságú a környezeti, gazdasági és műszaki szempontból egyaránt megfelelő helyszínek felkutatása, ami csak térinformatikai támogatással képzelhető el.
Természeti szempontok
Az elemzésből a TeIR (Országos Területfejlesztési és Területrendezési Információs Rendszer) adatbázis alapján eleve kiestek a természetvédelmi értéket képviselő területek (így a helyi jelentőségű természetvédelmi területek is), a vizes élőhelyek és környezetük, valamint – védettségüktől függetlenül – az összes erdő. A település területrendezési és fejlesztési terve a városon átfutó Sződrákosi- és Mézes-patakok környéke “zöld folyósóként” jelenik meg, így efféle fejlesztésekre azt sem célszerű számításba venni (Local Agenda 21 2016).
Társadalmi szempontok
A vizsgált településre a kevésbé sűrű beépítés jellemző. Az utcahálózat és az épületek elrendezése még a város központjában is nagyobb zöldfelületek kialakulását tette lehetővé. Kiindulási pontként vettük számításba, hogy a beépítettséget nem szerencsés növelni a városi rekreációs zónák kárára. Ugyanakkor a már leburkolt felületek másodhasznosítása kiemelt fontosságú, ezért a bevásárló központok és egyéb szolgáltató intézmények közelében lévő parkolók bekerültek a potenciálisan alkalmas területek közé.
A felsorolt szempontok alapján a napkollektorok számára alkalmas területeket a jelenlegi hasznosításuk alapján két fő kategóriába, azon belül pedig hat alcsoportba sorolhatjuk:
Barnamezős
• Bolygatott területek (pl. felhagyott hulladéklerakó telepek);
• Parkolók;
• Ipari létesítmények tetőszerkezetei - itt korlátozó tényező lehet a könnyűszerkezetes csarnokok alacsony teherbíró képessége.
Zöldmezős
• Degradált gyep területek;
• Elvadult bokros-cserjés területek;
• Szántóföldek, intenzíven hasznosított mezőgazdasági területek;
A családi házakat a műszakilag bonyolult és aránytalanul költséges megvalósítás miatt nem vettük figyelembe (Rämä–
Mohammadi 2017).
3. Eredmények
Hőigények és az ehhez szükséges napkollektor-mezők méretei
• A hagyományos síkkollektorokkal történő hőtermelés Veresegyházon a besugárzás átlagos jellemző mértéke alapján
~500 kWh/m2-re becsülhető éves szinten (Internet5; Internet6; Noussana et al. 2017). Ennek figyelembevételével méretezhető a háromféle méretű napkollektor-mező, amelynek fő jellemzői a három forgatókönyvben szerepelnek (1.
táblázat).
Az eredményként kapott napkollektor felületek nem számítanak kiemelkedően nagynak, számos hasonló méretű rendszer működik Dániában. Ugyanakkor problémaként merül fel, hogy hőtermelés és a hőigény időben nem esik egybe, így tehát a napkollektorok rendszerbe illesztése a szezonális energiatárolás problémáját is felveti (3. ábra).
1. táblázat: A napkollektorok nettó és bruttó területigénye
2. táblázat: A forgatókönyvek alapján számított éves hőmérleg és az ehhez tartozó szezonális tárólókapacitás szükséges térfogata és területfoglalása
Forgatókönyvek: I. 100 m-es puffer II. 200 m-es puffer III. 300 m-es puffer A település összes háztartása
Lakosok száma (db) 1034 1757 2508 6123
Háztartások hőigénye (GWh/év) 16 27,3 39 95
Napkollektor felület (m2) 31 900 54 600 77 900 190 000
Szükséges alapterület (m2) 72 600 124 100 177 100 432 000
Az összes háztartás %-ban 16,9 28,7 41,0 100
Forgatókönyvek: I. 100 m-es puffer II. 200 m-es puffer III. 300 m-es puffer
Teljes éves hőigény (GWh) 16 27,3 39
Hőtöbblet nyáron (GWh) 7,3 12,5 17,8
Szezonális hőtároló (m3) 105 000 180 000 255 000
Bruttó területigény (m2) 16 400 28 100 40 000
* A számítások föld alá süllyesztett, forróvizes szezonális tárolók vonatkoznak.
**Az eltérő talajviszonyok miatt a tárolók mélysége 5-15 m között változhatnak. A valóságban a bruttó terület igény +/- 25%-os különbségek is előfordulhatnak.
150
A hőtárolás gyakorlata
A hatalmas tömegű felszín alatti forróvizes tárolókban a gyakorlati tapasztalatok alapján egy köbméterre vetítve 70 kWh energiát lehet elraktározni szezonálisan. A hőveszteségek a legmodernebb szigetelőanyagok használatával sem kerülhetők el, a hosszú tárolás alatt jelentkező hőveszteségek a dániai gyakorlatban 35-40% körüli értéket mutatnak (Planenergi 2013;
Xu et al. 2014). A hőtárolás lehetőségének feltárására elvégezett számításainkat a 2. táblázatban foglaltuk össze.
A dániai gyakorlatban a fenti hőveszteséget hőszivattyúk segítségével igyekeznek a környezeti hő felhasználásával visszapótolni. A rendszer komplexitását jól jelzi, hogy a dán napkollektoros távfűtőrendszerekhez kapcsolt hőszivattyúk csak akkor kapcsolnak be és pótolják az elveszett hőt, amikor az időjárásfüggő megújulók által termelt többlet villamos energia miatt az áram ára kifejezetten alacsony (Galindo Fernández et al. 2016; Mangold – Deschaintre 2015). Ez a megoldás összekapcsolja a villamosenergia-hálózatot és a távfűtési rendszereket, amelyek egymást kiegészítve megfelelő választ képesek adni az időjárástól függően termelő szélturbinák és napelemek változó teljesítményére.
Felszínborítás interpretáció
Veresegyház 28,56 km2-es közigazgatási területéből 5,86 km2, azaz a leggazdaságosabban számításba vehető 20,5%-ra történt alapos elemzés. Az eredményekből kitűnik, hogy a napkollektorok telepítéséhez, a barnamezős és zöldmezős területek külön-külön is bőségesen biztosítanák a megfelelő területet. Ugyanakkor a zöldmezős területek hasznosítása számos fenntarthatósági kérdést vet fel, ami abból fakad, hogy az ebbe a kategóriába eső földek több mint 70%-a értékes termőterület, a maradék közel 30%-ot a degradált gyep és az elvadult bokros-cserjés területek teszik ki (4. ábra).
A barnamezős területek hasznosításában jelentős potenciál rejlik, még annak ellenére is, hogy kiterjedésük nem különösen nagy. Még a legnagyobb területigényű III. forgatókönyvben (177 100 m2 alapterületű napkollektor-mező és ~40 000 m2 szezonális hőtároló) is csak a bolygatott alcsoportba sorolt területek alig több mint felének igénybe vételére volna szükség. Ugyanakkor ezek a területek egymástól elszórtan, jellemzően nagyobb (~100 000 m2 körüli) blokkokba rendeződve helyezkednek el. Néhány közülük a részletesen vizsgált terület határán, a meglévő távhőhálózattól viszonylag távol található.
Ez a térbeli elrendeződés kevésbé szerencsés, azonban nem zárja ki egy esetleges beruházás megvalósíthatóságát.
4. Következtetések
A térinformatikai vizsgálatok megerősítették, hogy Veresegyházon minden lehetőség adott egy kombinált távfűtőrendszer létrehozásához. Az elemzett forgatókönyvek mindegyike megvalósítható kizárólag a város barnamezős területeinek felhasználásával és a már meglévő infrastruktúra új funkcióval történő bővítésével.
3. ábra: A várható hőtermelés és a hőigény éves változása havi bontásban
4. ábra: Az alkalmasnak ítélt területek térbeli eloszlása alcsoportonként
Köszönetnyilvánítás
A kutatást az Országos Tudományos Kutatási Alapprogram támogatta (OTKA 112477). A kutatási program címe: “A megújuló energiaforrások alkalmazásának tájvédelmi szempontú vizsgálata hazai mintaterületeken”.
5. Irodalomjegyzék
Csontos L. (2008): Geotermikus energiára alapozott városfűtés Veresegyházon. Földhő Hírlevél, 5. pp. 1 – 6.
Galindo Fernández, M. – Roger-Lacan, C. – Gährs, U. – Aumaitre, V. (2016): Efficient district heating and cooling systems in the EU, Case studies analysis, replicable key success factors and potential policy implications. European Commission, 143 p.
Local Agenda 21 (2016): Local Agenda 21 – Veresegyház 2016-2020 programozási időszak. – Veresegyház Önkormányzata 127 p.
Lund, H. – Duic, N. – Østergaard, P. A. – Vad Mathiesen B. (2016): Smart energy systems and 4th generation district heating. Energy, 110. pp. 1– 4.
Mangold, D. – Deschaintre, L. (2015): Seasonal thermal energy storage, Report of state of the art and necessary further R+D. International Energy Agency, Solar heating & cooling program, 48 p.
Noussana, M. – Jarrea, M. – Degiorgisa, L. – Poggioa, A. (2017): Data Analysis of the Energy Performance of Large Scale Solar Collectors for District Heating. Energy Procedia, 134. pp. 61 – 68.
Planenergi (2013): Summary technical description of the SUNSTORE 4 plant in Marstal. Planenergi 7 p.
Rämä, M. – Mohammadi, S. (2017): Comparison of distributed and centralised integration of solar heat in a district heating system. Energy, 137.
pp. 648 – 660.
Sayegha, M. A. – Danielewicza, A. J. – Nannoub, T, – Miniewicza, M. – Jadwiszczaka, P. – Piekarskaa, K. – Jouhara, H. (2017): Trends of European research and development in district heating technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 68. pp. 1183 – 1192.
Schmidt, D. – Kallert, A. – Blesl, M. – Svendsend, S. – Li, H. – Nord, N. – Sipila, K. (2017): Low Temperature District Heating for Future Energy Systems. Energy Procedia, 116. pp. 26 – 38.
Szita G. (2016): How geothermal has changed people’s thinking in Veresegyház? European Geothermal Congress 2016, pp. 1 – 6.
Szőke Sz. (2016): Veresegyház: új termelőkút, új fogyasztók. Földhő Hírlevél, 13. pp. 7 – 8.
Werner, S. (2017): International review of district heating and cooling. Energy, 137. pp. 617–631.
Xu, J. – Wang, R. Z. – Li, Y. (2014): A review of available technologies for seasonal thermal energy storage. Solar Energy, 103. pp. 610 – 638.
Internetes források:
Internet1: – https://www.euroheat.org/knowledge-centre/district-energy-denmark/ Letöltés ideje: 2018. szeptember Internet2: –
http://planenergi.eu/activities/district-heating/solar-district-heating/sdh-in-dk-1988-2018/ Letöltés ideje: 2018. szeptember
Internet3: – http://porcio.hu/veresegyhaz/ Letöltés ideje: 2018.szeptember
Internet4: – http://statinfo.ksh.hu/Statinfo/haViewer.jsp Letöltés ideje: 2018. szeptember Internet5:– http://globalsolaratlas.info/?c=47.65845,19.289932,11&s=47.6492,19.272 079&m=sg:ghi Letöltés ideje: 2018. szeptember
Internet6: – http://www.naplopo.hu/tudastar/szakcikkeink-hasznos-irasaink/29-a-napkollektorokkal-hasznosithato-napenergia-mennyisege Letöltés ideje: 2018. szeptember