Nr 7 - 8 (157-158) Lipiec - Sierpień 2008 r.

Z WÓD KOPALNIANYCH
ENERGIA I CIEPŁO

Rosnąca emisja gazów cieplarnianych do atmosfery, pociąga za sobą negatywne skutki ekologiczne. W związku z tym poszukuje się alternatywnych źródeł energii, których produkcja nie obciążałaby w takim stopniu, jak dotychczas, środowiska naturalnego.

Wody geotermalne to medium zawierające dużą ilość energii cieplnej. Pozyskuje się je najczęściej z dużych głębokości. Są to wody silnie zmineralizowanie i solanki zawierające dodatkowe składniki, które mogą być wykorzystywane do balneoterapii, jak również w celach turystycznych i rekreacyjnych. W poszukiwaniu kąpielisk opartych na wodach geotermalnych Polacy wyjeżdżają na Słowację, do Czech, na Węgry i w jeszcze w dalsze zakątki świata. Gdy tymczasem w Polsce, również w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym, wprawdzie silnie zindustrializowanym i o znacznym zanieczyszczeniu, istnieją duże, realne możliwości wykorzystywania ciepłych wód do różnorakich celów. Dr Eleonora Solik-Heliasz, z Zakładu Geologii i Geofizyki,Głównego Instytutu Górnictwa, kierowała programem badawczym pt. „Wody geotermalne regionu górnośląskiego – pozyskiwanie energii w celu utylitarnym” wykonanym na zlecenie Ministerstwa Środowiska. W badaniach tych brali udział specjaliści różnych branż, jako że geotermia jest dziedziną interdyscyplinarną. W efekcie tego grantu powstał specjalistyczny atlas zasobów energii geotermalnej w regionie górnośląskim, obrazujący możliwości jej utylitarnego wykorzystania. Aby sensownym, pod względem ekonomicznym, było wypompowywaniae wód z dużych głębokości, muszą one spełniać trzy warunki. Otóż na danym poziomie występować musi odpowiednio duża ilość wód, wody te muszą wykazywać podwyższoną temperaturę, oraz dodatkowo muszą istnieć sprzyjające temu procesowi uwarunkowania techniczno-ruchowe. W oparciu o te czynniki przygotowywane są ekspertyzy stwierdzające czy w danym miejscu, w danej kopalni odpompowywanie wód jest sensowne bądź też nie. Atlas zawiera 94 nowo opracowane mapy, które wyraźnie pokazują miejsca, z których celowe jest wykorzystywane wód geotermalnych do celów utylitarnych i przemysłowych. Dr E. Solik-Heliasz podkreśla, że w regionie górnośląskim największą szansę pozyskania ciepła i energii z wód posiadają kopalnie węgla kamiennego. Jako że podziemna infrastruktura hydrauliczna wielu zakładów górniczych stanowi system naczyń połączonych stąd oczywistym jest fakt, że kopalnie muszą obligatoryjnie wypompowywać swoje wody, aby nie zatopić wyrobisk górniczych kopalń sąsiadujących, w których np. prowadzona jest eksploatacja. Pompowanie wód, które jest kosztowną działalnością, musi finansować budżet państwa. Ilość wypompowywanych wód kopalnianych jest wręcz niewyobrażalna – jest to conajmniej 600 tys. m sześć. na dobę. Kopalnie wypompowują z reguły wody pochodzące z różnych poziomów wydobywczych. Są to więc wody mieszane wykazujące o temperaturę na powierzchni terenu od 13 do 23 st.C. Ale, w ogólnym rozrachunku, połączenie olbrzymiej ilości wód kopalnianych z niezbyt wysokimi temperaturami daje dużą moc cieplną. Należy podkreślić, że pomiędzy poszczególnymi kopalniami istnieje duże różnicowanie zasobów energii. Najmniejsze ilości, poniżej 0,7 MJ, dotyczą słabo zawodnionych kopalń: Anna, Szczygłowice, Pniówek, Jas –Mos – mimo, iż pierwotna temperatura górotworu w obszarach tych kopalń należy do najwyższych w GZW. Natomiast największe zasoby energii, powyżej 10 MJ, dotyczą silnie zawodnionych kopalń: Murcki, Ziemowit, Sobieski-Jaworzno, usytuowanych w rejonach o niższych temperaturach. 

- Ciepło pochodzące z wypompowywanych wód kopalnianych może być wykorzystane do celów grzewczych, to jest ogrzewania małych osiedli mieszkaniowych, hal, warsztatów, basenów miejskich, kompleksów rekreacyjnych.- wyjaśnia dr Solik -Heliasz.- Nadaje się ono do współpracy z pompami ciepła w systemach ogrzewana podłogowego i nawiewnego. Ze względu na ogólnie niską temperaturę dolnego źródła ciepła, energia ta nie jest zalecana do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej w instalacjach tradycyjnych, wysokoparametrowych, nastawionych na ogrzewanie całoroczne. Natomiast może być stosowane jako ogrzewanie wspomagające, np. poza sezonem grzewczym. 

Dodatkowe zasoby energii cieplnej są związane z zatopionymi wyrobiskami górniczymi. W 20 zlikwidowanych kopalniach węgla kamiennego na Śląsku dokonano od początku lat 90-tych kontrolowanego zatopienia części wyrobisk górniczych. Obecnie stanowią one podziemne zbiorniki zawierające wody o podwyższonej temperaturze. Określono szacunkowo wielkości zasobów energii cieplnej związanych z zatopionymi zrobami górniczymi i zawodnionym górotworem otaczającym zroby. Wynoszą one łącznie 8,2•10⁶ GJ – są więc duże i z tego względu mogą być wykorzystane gospodarczo. Godne upowszechnienia jest również wykorzystanie ciepła do odladzania nawierzchni dróg i mostów na szczególnie newralgicznych bądź „wypadkowych” odcinkach oraz muraw stadionów, boisk sportowych i placów. Ocenia się, że pozyskanie energii cieplnej z wód kopalnianych należy do optymalnych z punktu widzenia ekonomicznego. Potwierdza to instalacja uruchomiona w ubiegłym roku w holenderskiej miejscowości Heerlen, zasilana wodami ze zlikwidowanej kopalni Oranien-Nassau. Ciepło ogrzewa tamtejsze osiedle domków jednorodzinnych oraz biurowce. Instalacja sfinansowana została w 50% ze środków unijnych oraz w 50 % ze środków miejscowych władz. 

Również w Polsce, na zlecenie Muzeum Śląskiego, przy wsparciu Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego, w kwietniu bieżącego roku Główny Instytut Górnictwa, wespół z firmą VERT Energy Consulting opracowali projekt technologiczny instalacji geotermalnej służącej do odbioru ciepła z wód wypompowywanych ze zlikwidowanej kopalni Katowice. Jest to pierwsza w Polsce tego typu technologia, która bierze udział w konkursie pt. Panteon Polskiej Ekologii. Ciepło ma być wykorzystane na potrzeby grzewcze nowego Muzeum Śląskiego w Katowicach. Nowy obiekt będzie zlokalizowany w ścisłym centrum Katowic (w rejonie Spodka). Jego kubatura wyniesie 183.000 m3. Budowa infrastruktury towarzyszącej ruszy już pod koniec 2008 roku. 

Celami strategicznymi projektu są: 

• obniżenie kosztów eksploatacyjnych nowego obiektu; 
• obniżenie kosztów wytworzenia ciepła na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej;
• obniżenie kosztów zakupu energii elektrycznej; 
• ochrona środowiska dzięki obniżeniu emisji zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery w wyniku zmniejszenia ilości spalania paliw kopalnych. 

Ważną rolę pełni także edukacja społeczna w postaci promocji nowoczesnych rozwiązań energetycznych, wykorzystujących odnawialne i skojarzone źródła energii. Stworzone zostaną także możliwości prowadzenia badań naukowych nad optymalnymi lokalnymi systemami energetycznymi wykorzystującymi odnawialne i skojarzone źródła energii. Przy okazji zgromadzone zostaną doświadczenia, które mogą zostać wykorzystane przy projektowaniu następnych kopalnianych instalacji geotermalnych. 

Jakie są uwarunkowania tego nowatorskiego projektu? Kopalnia Katowice została zlikwidowana w 2001 roku, jednak pompowanie wód kopalnianych musi być utrzymane celem zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji w sąsiednich czynnych kopalniach: Staszic, Mysłowice, Wieczorek i Wesoła. Wody KWK Katowice są wypompowywane szybem Bartosz II na powierzchnię terenu i stamtąd kierowane do kanału zrzutowego wód kopalnianych a następnie odprowadzane do rzeki Rawy. Koszty pompowania i utrzymania pompowni ponosi budżet państwa. Bardzo istotnym czynnikiem ekonomicznym jest to, że pompownia znajduje się bardzo blisko, to jest w odległości zaledwie 150 m od szybu. Obecnie wody pompowane są szybem Bartosz II z głębokości 477,3 m poniżej powierzchni terenu w ilości średnio od 324 do 378 m³/godzinę. Zapotrzebowanie nominalne muzeum na wody wynosi 109,6 m³/godzinę, tak więc istnieje duża rezerwa wód kopalnianych. Pompowane wody wykazują mineralizację około 3 g/l. Ich temperatura na wylocie z szybu wynosi 19,3⁰–19,8⁰C, a potencjał ciepła możliwy do odbioru wynosi, w zależności od natężenia pompowania, 3,7-6,9 MW. Zaprojektowana instalacja nie ingeruje w dotychczasowy system pompowania i odprowadzania wód do środowiska naturalnego. Ciepło odbierane jest po wypompowaniu wód na powierzchnię, w budynku technologicznym należącym do inwestora. W budynku tym, stojącym na kanale zrzutowym wód kopalnianych, umieszczono siłownię geotermalną. Umożliwia to kierowanie wód w zależności od potrzeb do urządzeń siłowni lub ominięcie ich. 

W fazach przedprojektowych przeanalizowano różne warianty ogrzewania. Z punktu widzenia potrzeb i efektów najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem okazało się wykorzystanie sprężarkowych pomp ciepła wraz z agregatami kogeneracyjnymi. 

Rezerwowym źródłem ciepła będzie kotłownia gazowo-olejowa. Analiza ekonomiczna wykazała, że koszty eksploatacyjne instalacji pomp ciepła i agregatów kogeneracyjnych są o 43% niższe, niż eksploatacja tradycyjnego węzła ciepłowniczego. Tego typu nowoczesne instalacje mogą być dofinansowane ze środków unijnych. W przypadku dofinansowania instalacji na poziomie 50% okres zwrotu kosztów inwestycyjnych SPBT wyniesie 8,4 lat, a w przypadku dofinansowana 85%, 2,5 roku. Instalacja geotermalna, która będzie całkowicie zautomatyzowana, została zaprojektowana elastycznie, co związane jest ze specyfiką wód kopalnianych. Zabezpieczenia dotyczą głównie możliwych przerw w pompowaniu wód kopalnianych. 

Nieocenione są efekty ekologiczne wynikające z użytkowana instalacji geotermalnej. Urządzenia siłowni geotermalnej powodują radykalny spadek emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Jako poziom odniesienia do obliczeń przyjęto emisję z konwencjonalnego źródła (węgla) i wskaźniki otrzymane z PEC w Katowicach. Emisja CO₂ w przypadku przyłącza do tradycyjnej sieci ciepłowniczej wyniosłaby 3686,7 Mg CO₂/rok. Emisja CO₂ dla przyłączenia do źródła ciepła opartego o agregaty kogeneracyjne i pompy ciepła wyniesie1109,5 Mg/rok. Dodatkowym efektem ekologicznym pracy instalacji jest ograniczenie emisji CO₂ w systemowym źródle energii, bowiem praca agregatów kogeneracyjnych spowoduje obniżenie zakupu energii elektrycznej z sieci w ilości 1053,8 MWh. Emisja CO₂ dla wytworzenia energii elektrycznej wyniesie1032,7 MG/rok co oznacza, że eksploatacja projektowanego źródła ciepła spowoduje emisję do atmosfery CO₂ w ilości zaledwie: 1109,5 – 1032,7 = 76,8 Mg CO₂/rok. Można przyjąć, że projektowane źródło ciepła będzie praktycznie bezemisyjne. Porównując to z emisją z konwencjonalnego źródła, uzyska się całkowitą redukcję o wielkość 3609,9 Mg CO₂/rok. Jako rozwiązanie proekologiczne projekt siłowni geotermalnej doskonale wpisuje się w Strategię Rozwoju Województwa Śląskiego na lata 2000-2015 i Program Ochrony Środowiska Województwa Śląskiego do roku 2015, a w szerszym wymiarze w Politykę Energetyczną Państwa do roku 2025 oraz w jej Regionalny Kontekst Programowy. 

Instalacja geotermalna do odbioru ciepła z wód kopalnianych pokrywa w całości zapotrzebowanie na moc cieplną dużego, nowego obiektu Muzeum Śląskiego oraz zapotrzebowanie na energię elektryczną pomp ciepła, a jej nadwyżka będzie wykorzystana na użytek obiektu lub sprzedana do Operatora Sieci. Instalacja ta może stanowić promocję nowoczesnych i przyjaznych środowisku rozwiązań energetycznych w środowisku górniczym. Ponieważ warunki, jakie istnieją w zlikwidowanej kopalni Katowice występują również w wielu innych kopalniach węgla kamiennego, stąd opracowane rozwiązane może być szybko adoptowane do nowych warunków.

opracowała Mira Borkiewicz ( W tekście zostały wykorzystane fragmenty artykułu dr Eleonory Solik-Heliasz pt. „Możliwości wykorzystania ciepła z zatopionych zrobów górniczych w obszarze GZW”, zamieszczone w Pracach Naukowych GIG w 2007 roku ). Kolumna dofinansowana ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach