A geotermikus energia hőenergia. Hőenergiából villamos energiát hőerőgépekkel[1] tudunk termelni. A hőerőgépek képesek a hőenergiát mechanikai munkává alakítani, amit aztán tovább alakíthatunk villamosenergiává. A geotermikus erőművek tehát hőerőművek[2].
A villamosenergia termelés technológiáját alapvetően befolyásolja a geotermikus fluidum entalpiája. Hőmérsékletük alapján megkülönböztetünk alacsony, közepes és magas entalpiájú termálvizet. A hőmérséklethatárokat az egyes szakemberek különbözően állapították meg, így az alacsony/közepes határ 90-125°C között, míg a közepes/magas határ 150-225°C között mozog (1. ábra). Tehát egy kb. 200°C-os termálvíz már a legmagasabb kategóriába esik, miközben entalpiája meg sem közelíti az erőművi körfolyamatok induló entalpiáját.
Fontos megjegyezni, hogy a geotermikus energia jellemzésére használt entalpia fogalma nem azonos a termodinamikában használatossal. Esetünkben ugyanis a termálvíznek csak a hőmérséklete számít az entalpia kategóriák megkülönböztetésére. Ez nem túl szerencsés, mivel a hőmérsékleti azonosság közel sem jelent entalpia azonosságot is; azaz nem mindegy, hogy egy adott hőmérsékleten például telített víz, vagy telített gőz termelhető-e ki egy kútból.
Villamosenergia termelésre természetesen a minél magasabb hőmérsékletű fluidom az alkalmasabb. Ezért a geotermikus erőművek döntő részben magas és közepes entalpiájú mezőkre települtek. Az alkalmazható technológiára azonban a hőmérsékleten túl a kitermelt termálvíz nyomása is lényeges hatással bír.
A termodinamikai elveket boríthatja még a geotermikus fluidum minősége, elsősorban ásványi anyag tartalma is.
Áramtermelés száraz gőzzel
A legkedvezőbb eset az, amikor a fluidum hőmérséklete meghaladja a kútfejnyomáshoz tartozó telítési gőzhőmérsékletet. Ezt hívjuk százaz, vagy túlhevített gőznek. Ezt lényegében közvetlenül rá lehet engedni egy gőzturbinára, így a geotermikus fluidum egyben a termodinamikai körfolyamat munkaközege is, ami a turbinából kilépve kondenzálás után visszajuttatható a földbe. (1. ábra.)
Áramtermelés kigőzölögtetéssel
A kigőzölögtetést (flash) akkor használják, ha a fluidum hőmérséklete alacsonyabb, mint a kútfejnyomáshoz tartozó telítési gőzhőmérséklet, de azért elég magas ahhoz, hogy nyomáscsökkentéssel a fluidum egy része gőzzé váljon. (Az épületgépészetben az ilyen gőzt sarjúgőznek hívják.) A gőzképződés folyamatát T-s diagramban a 2. ábra szemlélteti. A kigőzölögtetéssel alacsonyabb nyomású telített vízgőzt és telített vizet kapunk. A gőzzel turbinában mechanikai munka termelhető, a víz pedig a kondenzátummal együtt visszasajtolható a földbe. Egy egyszeres kigőzölögtetéses (single flash) rendszer elvi kialakítását mutatja a 3. ábra.
Áramtermelés segédközeggel
Amikor a geotermikus fluidum kigőzölögtetéssel sem tehető alkalmassá ahhoz, hogy termodinamikai körfolyamat munkaközege legyen, általában azért, mert mind a nyomása, mind a hőmérséklete túlságosan alacsony, akkor használják a segédközeges (binary) módszert. Ennek lényege, hogy egy víznél alacsonyabb forráspontú közeget a geotermikus fluidummal gőz fázisúvá hevítünk, ami az előbbiekhez hasonlóan képes meghajtani egy turbinát. A módszer általánosan elterjedt megnevezése ORC, ami az angol Organic Rankine Cycle rövidítése, ami egyszerre utal a körfolyamat típusára (Rankine), illetve a munkaközegként jellemzően használt nagymolekulájú szerves anyagra (Organic). A termodinamikai hatásfok javítását célozta meg a feltalálójáról elnevezett Kalina módszer, ami annyiban különbözik csak az ORC-től, hogy a munkaközeg ebben az esetben egy olyan közegpár, ami lehetővé teszi, hogy sem az elpárolgás, sem a kondenzáció nem izoterm. A segédközeges áramtermelés elvi kialakítása a 4. ábrán látható.
A segédközeges áramtermelés jól használható megoldás akkor is, ha a kedvező termodinamikai paraméterek (magas hőmérséklet és nyomás) ellenére geotermikus fluidum minősége kizárja annak munkaközegkénti alkalmazhatóságát.
[1] A legismertebb hőerőgépek: belső égésű motorok (benzin, dízel, gáz), gőzturbinák (erőművekben), gázturbinák (repülőgép hajtómű)
[2] Hőerőművek legismertebb fajtái:
- üzemanyag szempontjából: szén-, olaj és gáztüzelésű, ill. atomerőmű
- működési elv szempontjából: kondenzációs, ellennyomású, kombinált ciklusú
