A vulkánok, gejzírek és hőforrások jelenléte igen korán sugallhatta figyelmesebb őseinknek, hogy a Föld belsejében fölöttébb meleg lehet. A XVII. század elején a bányák tárnamélysége elérte a néhány száz métert, ezekben a falak egyszerű tapogatása utalt arra, hogy a hőmérséklet annál nagyobb, minél távolabb vagyunk a felszíntől. Mai ismereteink szerint a belső hő két fő forrásból származik: kisebb része még a bolygóképződés során legbelül esett csapdába, a többi a hosszú élettartamú radioaktív izotópok (főleg 40Na, 232Th, 235U és 238U) bomlásának eredménye. A Föld magjában uralkodó hőmérsékletre nagyon széles sávban szóródó becslések léteznek (5000–8000 °C), ez szépen mutatja, hogy vannak még bőven homályos részletek ezen a területen is. Az viszont biztos, hogy a „központi fűtés” nem pótolja a felszínen kisugárzott energiát, a Föld belső átlaghőmérséklete lassan, de folyamatosan csökken [1]. Egyébként a vulkánok félelmetes kitörései a becslések szerint a teljes hőveszteségnek kevesebb mint 1%-áért felelősek.

A geotermikus energia első gyakorlati alkalmazásai már a XIX. század elején megszülettek. Itália középső, igen aktív vulkáni tevékenységéről és különösen forró hőforrásairól ismert területén (Larderello megye) például a bórsav [B(OH)3] bepárlásához a hévizek energiáját használták fel. Ugyanitt kezdődött a „bányászott” gőz ipari és háztartási felhasználása, sőt az első elektromos generátort is ezen a környéken helyezték üzembe 1904-ben [2]. Ezt követően egy sor országban kezdték el a geotermikus energia kiaknázását, főleg olyan területeken, ahol az egyéb lehetőségek igencsak korlátozottak (pl. Izland). A többi megújuló forráshoz, különösen a nap- és szélenergiához képest a belső hő hangsúlyos előnye, hogy ahol hozzáférhető, ott igen stabilnak, szinte kimeríthetetlennek tűnik, és ingadozása csekélynek mondható. A XX. század második felében a technológiai fejlesztések fő célja az volt, hogy a hasznosítás „méretgazdaságossága” elérje a piaci versenyképesség szintjét, azaz egyre nagyobb mennyiségű hő kivonásával egyre több elektromos energiát tudjanak termelni, emellett egyre több fogyasztó fűtési igényét elégítsék ki. Eközben sikerült egy-két kellemetlen tapasztalatra is szert tenni, ami igen gyakran történik meg azokban az esetekben, mikor egy alkalmazási kísérlet az alapos háttérismeretek összegyűjtését jócskán megelőzi.

Geotermikus energiakészletek, kiaknázási technológiák
A felszínre érkező belső hőáram felmérésére a legmegbízhatóbb információt a mélyfúrások során rutinszerűen elvégzett hőmérsékletmérések nyújtják. Szerencsére ilyen adatok több tízezernyi helyről hozzáférhetők, mind szárazföldi, mind óceáni fúrásokból. Az 1. ábra a felszíni hőáramsűrűség (hőfluxus) földrajzi eloszlását mutatja be, amelyet a mérési adatok számítógépes modellt alkalmazó finomításával állítottak elő [3].

1. ábra. A felszíni hőáramsűrűség globális eloszlása, mW/m² egységekben [3]
 

 A térképen azonnal feltűnik, hogy a hőfluxus eloszlása rendkívül inhomogén, valamint a „forró” pontok többsége egybeesik a tektonikus lemezek azon éleivel, amelyek egymástól távolodnak. Ezeken a helyeken mai ismereteink szerint a folyékony földköpeny magmájának feláramlása mintegy széttolja a lemezeket, ezért az olvadt, izzó kőzetek sokkal közelebb kerülnek a szilárd kéreghez. A felszíni hőáram globális átlagértéke kb. 87 ± 2 mW/m² (mW = milliwatt, 10–3 watt) [4]. A hideg helyeken (pl. Európa) ez az érték csak 46 mW/m², míg Izland környékén eléri a 136 mW/m² szintet [3]. Hazánk területe a földrészen meleg helynek számít, 90–100 mW/m² (0,09–0,1 W/m²) körüli értékekkel, ez jól látszik a 2. ábrán. Viszonyítási alapként nem árt felidézni, hogy a Napból érkező sugárzási energia éves középértéke nagyjából 137 W/m², kiátlagolva az ország egész területére, azaz a belső hőnél majdnem 1500-szor több. Az is beszédes adat, ha Magyarország teljes energiafelhasználását területi átlagként fejezzük ki. Ennek értéke a 2008-as évben 0,41 W/m² körül alakult, azaz ha a geotermikus energia minden „morzsáját” veszteség nélkül sikerülne az ország minden négyzetcentiméteréről csapdába ejteni (ami ugye elvileg is lehetetlen), akkor is csak a szükségletek negyedére lenne „fedezet”.

2. ábra. A felszíni hőfluxus eloszlása Magyarország körzetében (forrás: ELTE TTK, Geofizikai Tanszék, Dövényi Péter, 2002 [5])

 A Föld belső hőjének hasznosítási technológiái három nagyobb mélységi „fokozatra” oszthatók, eltekintve attól a szerencsés esettől, ha sikerül közvetlenül megcsapolni egy nagy hozamú gejzírt. 

i) Egyre jobban terjednek az egyedi lakóházak vagy esetleg háztömbök fűtésére használatos hőszivattyús berendezések. Ezeknél zárt csővezetékhurkot fektetnek csekély (20–150 m) mélységre, ahol a talajhőmérsékletnek már nem észlelhető semmilyen évszakos ingadozása. Ez a stabil hőmérsékletű (14–17 °C) közeg a téli fagyos időben fűtésre, nyáron pedig hűtésre használható fel pont olyan módon, ahogy a hűtőszekrényünk működik. Ehhez egy szivattyú keringeti a vezetékkörben a hőszállító folyadékot, azaz szükséges hozzá külső energia felhasználása is, tipikusan villanyáram. Egy modern berendezéssel az elfogyasztott elektromos energia ötszörösének megfelelő hőenergiát is lehet szállítani a két „hőtartály” között, azaz a hagyományos hűtő/fűtő rendszerekhez képest jelentős megtakarítás adódhat. 

ii) Minthogy a földkéregben a hőmérsékleti gradiens átlagos értéke nagyjából 2,5–3 °C/100 m, 2–3 km mélységben 75–100 °C hőmérsékletre számíthatunk. Hazánkban a tipikus gradiensértékek a globális átlag kétszerese körül alakulnak, így egy adott mélységben a hőmérsékletek is jóval magasabbak; részben ennek köszönhető a termálvíz gyakori előfordulása. Ebben a (mélyfúrási szempontból) közepes mélységben máshol is gyakran vízrétegek találhatók, amelyek szivattyúval megcsapolhatók, ha maguktól nem törnek felszínre. Elektromos generátorok meghajtásához ~150 °C-nál alacsonyabb hőmérsékletű víz nemigen használható, ezért a közepes mélységből kitermelt geotermikus energia elsődleges felhasználási területe szintén a fűtés (ipari méretekben). A termálvíz közvetlen keringetése ritkán megoldható, mert a magas oldott ásványtartalom igen kellemetlen következményekkel járhat, ami többnyire agresszív korróziót és dugulásokat okozó vízkövesedést jelent. 

iii) Tipikusan 3–6 km mélységben a kéreg hőmérséklete többnyire eléri azt a nagyságrendet, ami gőzturbinák meghajtásához szükséges. Ezen a szinten már fölöttébb ritkán található víz, ezért az igazán nagy léptékű hasznosításra az ún. „forró száraz szikla” („hot dry rock”) technológiát dolgozták ki, melynek vázlata a 3. ábrán látható. Az ötlet igen frappáns. A hőenergia kinyerésére nem elegendő egy zárt csőhurok lesüllyesztése, mert a hőátadás hatásfoka az érintkező hideg/meleg felületek nagyságával arányos. Ezt a felszínen is mindenféle lemezes hőcserélő-konstrukciókkal oldják meg, csak éppen ilyesmit nem lehet 5–6 km mélyre letuszkolni. Ehelyett azt fundálták ki, hogy a csőhurkot megnyitják (a valóságban persze ez két szomszédos furatot jelent). A leszálló ágban nagy nyomással hideg vizet pumpálnak a forró szikla közepébe, melyben egyrészt a hőmérsékleti sokk, másrészt az extra nyomás hatására repedések keletkeznek. Az egyre növekvő repedésrendszer előbb-utóbb kiterjed a felszálló furatig, ahol az átszivárgó és eközben felforrósodó vizet ki lehet szivattyúzni (3. ábra). Ez a fajta „mélységihő-bányászat” számos helyen beindult főleg kísérleti jelleggel, mára már néhány éves tapasztalat összegyűlt a technológiáról. Minthogy a nagy léptékű hasznosítás terén kétségtelenül ez számít a legígéretesebb eljárásnak, a továbbiakban két konkrét projekt tanulságait szeretnénk ismertetni.

3. ábra. Mélységi kéreghő kiaknázására tervezett erőmű vázlata. A kékkel jelölt vezetéken nagy nyomású hideg vizet fecskendeznek a 3-6 km mélyen található forró sziklába, a víz a repedéseken átszivárogva felmelegszik, ezután a pirossal jelölt furaton keresztül kiszivattyúzzák [2]
 

„The Geysers”, Kalifornia
A világ legnagyobb, ipari léptékű áramtermelésre legrégebben használt geotermikus erőműrendszere San Franciscótól 120 km-re, északra található. A több mint 350 furattal rendelkező, 23 különálló erőmű névleges összkapacitása 1500 MW (összehasonlításképpen: a felújított paksi blokkok egyenként 500 MW teljesítményűek), ám a termelő kapacitás ennek csak 63 %-a, kb. 950 MW (ennek okára visszatérünk). Az alcím idézőjelének oka, hogy az elnevezés nem egy településre utal, hanem egy nagyjából 100 km²-es sziklás területre, melyet gőzölgő és gázokat pöfögő hőforrások borítottak. Kezdetben termálfürdő létesült a völgyben, az erőművi berendezések a múlt század hatvanas éveitől kezdve lépésről lépésre épültek fel. A generátorokat még nem a 3. ábrán vázolt mélységihő-bányászat táplálta. Eleinte a nagy nyomással magától felszínre törő gőzforrások energiáját közvetlenül hasznosították, majd a hetvenes évektől kezdve először a kondenzvizet, majd az ezredforduló táján már a környékbeli települések szennyvizét is visszavezették a mélységi rétegekbe a termelés szinten tarthatósága miatt. Az újnak számító „forró száraz szikla” technológia bevezetése valójában még kísérleti stádiumban van ezen a területen is, ám az évtizedek alatt felhalmozott működési tapasztalat mindenképpen tankönyvi példává tette a már meglévő létesítményeket.

4. ábra. A világ legnagyobb geotermikus erőművében (The Geysers, USA) előállított gőzmennyiség (piros) és bepumpált víztérfogat (kék) 109 font/év egységekben, valamint az M >= 1,2 szeizmikus események száma (zöld, skála jobbra) 1979 és 1999 között [6]

 Szép fotókat nagy számban találni a világhálón a „The Geysers” kulcsszavakra keresve. Ennél tanulságosabb talán a 4. ábrán látható grafikon alaposabb szemrevételezése, amely két évtized legfontosabb összegzett üzemeltetési adatairól készült. Kezdjük először a piros görbével, amely az előállított gőz mennyiségét mutatja (ez egyben a megtermelt elektromos energiának is jó mérőszáma). A geotermikus energia, mint kimeríthetetlen forrás „mítoszának” mond ellent az a tény, hogy az 1987-es év csúcsteljesítménye után a generátorok hajtására megfelelő minőségű gőz mennyisége folyamatosan csökkent, majdnem a felére. Ez részben a túlzott tempójú kitermelés mellékterméke (a természetes kürtők mellé százával készültek a mesterséges furatok), részben a nyolcvanas évek elején kezdődött hideg vizes visszatáplálás (4. ábra, kék görbe) miatt bekövetkezett hőmérséklet-csökkenés nem kívánt következménye (10 °C hőmérsékletesés már elég ahhoz, hogy gazdaságtalan legyen az áramtermelés). Nem véletlen, hogy a csúcsévet követően lefékezték a bepumpálást, reménykedve a forró réteg mielőbbi visszamelegedésében. Erre azonban még várni kell, a jelenlegi bizonytalan becslések szerint nagyjából 50–300 (!!) évet, melynek legfontosabb fizikai oka a kőzetek rossz hővezető képessége. Amíg ez nem következik be, a generátorokat a már említett csökkentett teljesítménnyel kénytelenek üzemeltetni.

 Nem kevésbé tanulságos a 4. ábra zöld görbéje sem, amely a regisztrált szeizmikus események számát mutatja az idő függvényében (skála a jobb oldalon). A terület geológiailag nyilván igen aktív, két törésvonal is található a közelben, ám egyik sem halad át közvetlenül a fúrási zóna alatt. A gőz kitermelésének és a hideg víz bepumpálásának természetes velejárója a kőzetek repedezése, ami mikroszkopikus földrengéseknek is tekinthető, és műszerekkel detektálható. A Richter skála szerinti 3-as magnitúdónál kisebb szeizmikus eseményeket érzékszerveinkkel nemigen lehet észlelni, a mérések szerint az M = 4 szintet is csak két tucatnyi mikrorengés érte el a kérdéses területen. Mégsem állítható, hogy a mélyben zajló folyamatok minden részletéről megnyugtató ismereteink lennének. Az 1987–1996 közti évtizedben a betáplált víz és kitermelt gőz mennyisége folyamatosan csökkent, míg a szeizmikus események száma folyamatosan nőtt, a kezdeti gyakoriság mintegy ötszörösére. Ennek ellenére a szűkebb közvélemény sem tűnik különösebben aggódónak [7], bár az is igaz, hogy a kaliforniai ingerküszöb nyilván magasabb, mint a világ szeizmikusan nyugodtabb területein.

A bázeli lecke
A bázeli (Svájc) geotermikus erőmű esete elég nagy visszhangot váltott ki főleg a német nyelvű sajtóban, az azóta eltelt pár évben a részleteket inkább a szakirodalomban vették górcső alá [8–10]. A „Deep-Heat-Mining-Projekt Basel” néven futó kísérleti erőmű 5 km mélységből tervezte a felmelegített hévíz kitermelését 6 MW villanyáram és 17 MW fűtési hő előállításához, pontosan a 3. ábrán vázolt konstrukcióval. Manapság a hőerőművek már csak kettős hasznosítással épülnek (legalábbis az OECD országokban), ugyanis a „hulladékhő”-pazarlás újabban elfogadhatatlan gyakorlatnak minősül. A fűtési rendszerekhez történő csatlakoztatás viszont megköveteli, hogy az erőmű a felhasználókhoz a lehető legközelebb épüljön fel, adott esetben a város közepén. A korábbi, máshol szerzett tapasztalatok alapján sűrű szeizmikus mérőhálózatot telepítettek a környékre, hogy nyomon követhessék a mélybeli események alakulását. A várakozások be is jöttek, a hideg víz bepumpálását követően egyre több repedést detektáltak, jó részüknek a centrumát is sikerült lokalizálni (5. ábra). Ahhoz kétség sem fért, hogy az aktivitást közvetlenül az erőmű indítása váltotta ki, ugyanis Bázel szeizmikus szempontból igen nyugodt helynek számít: az utolsó feljegyzett jelentős földrengés 1356-ban történt; igaz, hogy ekkor a Szent Vince-katedrális két tornya is a Rajnába omlott.

5. ábra. A bázeli geotermikus erőmű (piros kereszt) körzetében azonosított szeizmikus események felszíni térképe (Google Maps). A négyzetek nagysága a mikrorengések erősségével arányos [8]

 A próbaüzem 2006. december 2-án minden gond nélkül elkezdődött, az első napokban rendben is mentek a dolgok. A 6. ábra kék görbéje mutatja, hogy fokozatosan emelték a víz nyomását, ami egyre több szeizmikus mikroeseményt váltott ki (6. ábra, oszlopok). Előzetesen rögzítették, hogy a Richter-skála szerinti 2,9-es magnitúdójú rengés lesz a riasztási küszöb, melynek észlelése után leállítják a pumpálást. 8-án, az éjszaka közepén egy 2,6-os esemény következett be, a biztonság kedvéért mégis elkezdték csökkenteni a nyomást (6. ábra), ám ekkor jött a meglepetés. A délutáni csúcsforgalom idején egy 3,4-es rengés rázta meg a várost, nem kis pánikot keltve a lakosok körében.

6. ábra. A 2006. december 8-án kiváltott M = 3,4 erősségű földrengés körüli események idősora. Oszlopok jelölik a szeizmikus események számát óránként, pirossal a lokalizált forrású események kiemelve, a kék vonal a leszálló ág víznyomását jelöli (skála jobbra). Alul az M > 0,5 események magnitúdója látható [9]

 Ez a szint egy földrengésekkel sújtott területen nem számít említésre méltónak (bár ne feledjük, a Richter-skála logaritmikus, azaz egy M = 3,4-es rengéskor felszabaduló energia éppen kétszer több, mint egy 2,7 nagyságúnál). Az észlelhető földmozgás meglehetősen nagy zajjal járt, sok kisebb épületkárt jelentettek még a szomszédos Német- és Franciaországból is, a biztosítók fizettek, mint a katonatiszt (a teljes összeg nagyjából 9 millió svájci frank lehetett). A 6. ábrán nem látszik, de a leállítást követően még hónapokig észleltek a mélyből szeizmikus aktivitást, három rengés közülük meghaladta az M = 3,0 szintet. A projektet a szűk hatnapos próbaüzem után befagyasztották, a szakemberek három évig vizsgálódtak, végül a svájci kormány 2009. december 10-én a végleges bezárás mellett döntött.

Mesterséges földrengések
Természetesen régóta ismert, hogy az emberi tevékenység földrengéseket tud gerjeszteni. A geológusok egyik leghasznosabb mérési módszerévé vált a kisebb-nagyobb robbantásokat követő lökéshullámok terjedésének vizsgálata. A szándékos robbantásokon kívül mindenféle bányászati tevékenység, mélyfúrás, de a vízzáró gátak mögötti tározók feltöltése is bizonyítottan képes a kéregben mozgásokat kiváltani. Még csak az sem igaz, hogy a bázeli geotermikus kísérlet okozta volna a legnagyobb hasonló rengést: az említett „The Geysers” területen M = 4,6-os eseményt is mértek, igaz, hogy az ottani létesítmények legalább elég messze vannak a nagyobb településektől.

 Jogosan kérdezheti a tisztelt Olvasó, hogy mi is a célja ennek a rövid ismertetésnek, esetleg csak riogatás? Szándékaim szerint erről szó sincsen. Pusztán arra szeretném felhívni a figyelmet, hogy mindenfajta természetátalakító tevékenységnek megvan a maga pozitív és negatív oldala, ezen belül minden energiatermelő technológia rejt magában valamennyi kockázatot. A kockázatok reális mérlegelése elengedhetetlen, érzelmekre hagyatkozva nem lehet fontos döntéseket hozni. Véleményem szerint az atomenergia ugyanúgy nem ördögtől való dolog, mint ahogy a megújuló források ismert hasznosítási módozatai sem jelentenek panaceát az emberiség minden eljövendő gondjára.
 

FORRÁSOK

[1] J. Andrews, N. Jelley: Energy science. Principles, technologies, and impact.  (Oxford University Press, Oxford, 2007)
[2] http://www.geothermal-energy.org/geo/geoenergy.php
[3] N. M. Shapiro, M. H. Ritzwoller: Inferring surface heat flux distributions guided  by a global seismic model: particular application to Antarctica. Earth Planet.  Sci. Lett., 223, 213–224 (2004)
[4] H. N. Pollack, S. J. Hurter, J .R. Johnson: Heat flow from the Earth’s interior:  analysis of the global data set, Rev. Geophys., 31, 267–280 (1993)
[5] http://geophysics.elte.hu/atlas/geodin_atlas.htm 
[6] B. Smith, J. Beall, M. Stark: Induced seismicity in the SE Geysers field, California,  USA. In: Proceedings of World Geothermal Congress 2000, 2887–2892.
 http://www.geothermal-energy.org/iga_pub.php?sub=WGC_Proceedings
[7] K. Harmon: How does geothermal drilling trigger earthquakes? Sci. Am. June 29, (2009)
[8] http://www.seismo.ethz.ch/basel/
[9] T. Kraft et al.: Enhanced Geothermal Systems: mitigating risk in urban areas. EOS, Transact. Amer. Geophys. Union, 90, 273–275 (2009)
[10] D. Giardini: Geothermal quake risks must be faced. Nature, 462, 848–849 (2009)
 
 

 NK 72037