1
Eleonora Solik-Heliasz
Główny Instytut Górnictwa
40-166 Katowice, plac Gwarków 1
e-mail:
esolik@gig.eu
Projekt pozyskania energii z wód zlikwidowanej kopalni węgla kamiennego
Streszczenie
Z kopalń węgla kamiennego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym odprowadzane jest łącznie
około 416 m
3
wód na minutę. Zawarty w nich potencjał cieplny (moc cieplna) został
określony na ponad 220 MW (Solik-Heliasz 2007, 2009). Potencjał ten ocenia się jako
znaczny, stąd stał się on przyczynkiem do podjęcia działań zmierzających do wykorzystania
energii do celów utylitarnych. Opracowano nowatorski projekt technologiczny pozyskania
energii w siłowni geotermalnej bazującej na wodach pochodzących wypompowywanych ze
zlikwidowanej kopalni „Katowice”. Siłownia dostarczy 3035 kW energii cieplnej oraz 600
kW energii elektrycznej. Wykonany rachunek ekonomiczny wykazał, Ŝe koszty inwestycyjne
pozyskania jednostki energii w nowym układzie technologicznym są większe, niŜ
w tradycyjnym, bazującym na węglu, czy gazie ziemnym, jednak koszty eksploatacyjne będą
niŜsze. Bardzo dobry jest równieŜ osiągnięty efekt ekologiczny. Zaproponowane rozwiązanie
moŜe być aplikowane w kolejnych kopalniach węgla, po dostosowaniu do lokalnych
warunków górniczo-ruchowych.
Słowa kluczowe: GZW, siłownia geotermalna, wody kopalniane, instalacja geotermalna,
energia geotermalna.
1.
Wprowadzenie
W obszarze Górnośląskiego Zgłębia Węglowego (GZW) istnieją róŜnorakie
moŜliwości pozyskania energii z wód podziemnych. Jedną z nich stwarzają wody
wypompowywane z kopalń węgla kamiennego. Zagadnienie moŜliwości pozyskania energii
cieplnej z wód kopalnianych było przedmiotem badań prowadzonych od połowy lat 90-tych
(Ostaficzuk, Heliasz 2000, Bajtoś 2002, Bloomquist 2002, Solik-Heliasz, Małolepszy 2002).
Interesowano się głównie zasobami energii geotermalnej, natomiast w mniejszym stopniu
2
zajmowano się uwarunkowaniami geologicznymi i górniczymi jej pozyskania (Burke 2002,
Kubski 2002, Solik-Heliasz, Skrzypczak 2005). W Polsce jak dotąd nie mamy doświadczenia
w realizacji kopalnianych instalacji geotermalnych. Dopiero opracowany projekt
technologiczny pozwolił zmierzyć się z realnymi problemami i rozwiązać je (Solik-Heliasz,
Skrzypczak i in. 2007).
2.
Cel zadania
Celem zadania było określenie moŜliwości pozyskania energii z wód kopalnianych.
Prace miały określić techniczne warunki jej odbioru oraz zdefiniować czynniki, które mogą
stanowić przeszkodę w jej pozyskaniu. Zadanie udało się pomyślnie zrealizować.
Opracowano projekt instalacji pozyskującej energię na potrzeby projektowanego Muzeum
Ś
ląskiego w Katowicach. Instalacja ta pozwoli na całkowite pokrycie potrzeb w zakresie
energii cieplnej oraz prądu elektrycznego dla budowanego obiektu. Zdobyto pierwsze
doświadczenia, które mogą być wykorzystane przy projektowaniu następnych instalacji.
3.
Charakterystyka dolnego źródła energii
Dolnym źródłem energii cieplnej są wody wypompowywane ze zlikwidowanej
kopalni „Katowice” szybem Bartosz II. Szyb zlokalizowany jest około 150 m od
projektowanego obiektu.
Kopalnia „Katowice” została zamknięta w 2001 roku. Nadal utrzymywane jest jednak
odwodnienie wyrobisk górniczych, ze względu na połączenia hydrauliczne istniejące między
kopalniami usytuowanymi w północnej części GZW (RogoŜ, Posyłek 1998). Zatopienie
jednej z nich mogłoby zagraŜać następnym. Z tego względu w kopalni „Katowice” zatopiono
jedynie najniŜej połoŜone wyrobiska górnicze, a nadmiar wód wypompowywany jest na
powierzchnię terenu i kierowany do kanału zrzutowego wód podziemnych, a następnie
odprowadzany do rzeki Rawy (Ryc. 1).
Ryc. 1
MoŜliwości pozyskania energii cieplnej z wód kopalnianych zaleŜą od szeregu
czynników naturalnych i technicznych. Bodaj najpowaŜniejszy z nich dotyczy wybiegu
czasowego (w latach), w którym kontynuowane będzie odwadnianie wyrobisk górniczych.
3
Tylko odpowiednio długotrwałe pompowanie wód z danej kopalni moŜe prowadzić do
zamortyzowania się instalacji geotermalnej. Jednak ten wybieg czasowy nie zawsze jest
znany. ZaleŜy on od czynników geologicznych, ekonomicznych i często politycznych. Jednak
ze względu na potrzeby projektowe naleŜy go ocenić, co kaŜdorazowo wymaga
przeprowadzenia szczegółowej analizy geologicznej i górniczej, zidentyfikowania połączeń
hydraulicznych danej kopalni z kopalniami sąsiednimi oraz uwzględnienia istniejących
zasobów kopaliny. W odniesieniu do kopalni „Katowice” stwierdzono, Ŝe odwadnianie
wyrobisk górniczych będzie musiało być prowadzone wiele lat, to jest do zakończenia
eksploatacji górniczej we wszystkich kopalniach zlokalizowanych we wschodniej części
GZW. Wydaje się to odpowiednio długim okresem czasu na eksploatację i pozyskanie energii
z zaproponowanej instalacji.
Kolejnymi czynnikami są: miejsce odbioru energii, przerwy w pompowaniu wód
kopalnianych oraz fluktuacje natęŜenia pompowania. W opracowanych załoŜeniach
projektowych stwierdzono, Ŝe ze względu na brak doświadczenia w pierwszej kopalnianej
instalacji geotermalnej pozyskanie energii nastąpi w najprostszym technologicznie układzie,
to jest po wypompowaniu wód kopalnianych na powierzchnię terenu i w bliskim sąsiedztwie
szybu odwodnieniowego. W ten sposób: 1/ nie zakłóci się dotychczasowego systemu
odprowadzania wód do rzeki oraz 2/ wykorzysta się fakt, Ŝe koszt pompowania ponosi
instytucja obsługująca kopalnię (w tym przypadku Spółka Restrukturyzacji Kopalń, poprzez
budŜet Państwa). Wprawdzie wody odprowadzone na powierzchnię terenu wykazują niŜszą
temperaturę niŜ w wyrobiskach dołowych, jednak ocenia się, Ŝe w tym konkretnym
przypadku zasoby energii zawarte w wodach są większe, niŜ potrzeby projektowanego
obiektu.
Następną cechą wód kopalnianych są moŜliwe przerwy w ich pompowaniu. Mogą one
być spowodowane m.in. awariami systemów pompowych oraz brakiem płynności w dostawie
prądu elektrycznego. W latach 2003-2007 w kopalni „Katowice” przerwy trwały łącznie 5 dni.
Jednak teoretycznie mogą one trwać do 14 dni – na tyle bowiem przewidziano pojemność
podziemnych zbiorników utworzonych w wyrobiskach górniczych, słuŜących do przejęcia
awaryjnego dopływu wód. PoniewaŜ przerwa w dostawie wody kopalnianej oznacza brak
dostawy energii geotermalnej, z tego względu w projekcie instalacji geotermalnej wymagane
było opracowanie odpowiednich rozwiązań zabezpieczających. RozwaŜano budowę
rezerwowych kotłowni (na gaz lub inny nośnik konwencjonalny lub odnawialny, np. energię
solarną), bądź rezerwowych zbiorników (basenów) słuŜących do przetrzymywania wód
kopalnianych w okresach przerw w pompowaniu.
4
Na ogół duŜej elastyczności w projektowaniu wymaga równieŜ uwzględnienie
fluktuacji w ilości wód odprowadzanych na powierzchnię terenu. Ilość wypompowywanych
wód zaleŜy od czynników górniczych oraz hydrogeologicznych. Przykładowo kopalnię
„Katowice” cechuje znaczna korelacja między wielkością opadów atmosferycznych,
a natęŜeniem dopływów wód do wyrobisk górniczych. W latach 2003-2008 średnia roczna
ilość wód odprowadzonych z wyrobisk kopalni zmieniała się od 5,3 do 6,3 m
3
/min. (Ryc. 2).
Ryc. 2
Przy przeciętnej temperaturze wód na wylocie z szybu wynoszącej 19,3
0
C-19,8
0
C, zasoby
energii (moc cieplna) wynosi 4,1-5,1 MW. Jednak wyniki automatycznego monitoringu wód
wykazały duŜe, dobowe zróŜnicowanie ilości pompowanych wód (Vademecum 2008).
W zaleŜności od dnia tygodnia (Ryc. 3) i pory roku zmieniają się one od 3,9 do niemal
9 m
3
/min. Wody kopalni „Katowice” wykazują mineralizację 3-5 g/l oraz zawartość
zawiesiny w granicach 5-40 mg/l (Ryc. 4a,b). Są to wody twarde, o pH 6,8-7,2.
Ryc. 3
Ryc. 4 a,b
4.
Charakterystyka siłowni geotermalnej i uzyskane efekty ekologiczne
Celem dostosowania instalacji geotermalnej do potrzeb grzewczych przyszłego
obiektu, przeanalizowano róŜne warianty ogrzewania (Solik-Heliasz, Skrzypczak i in. 2007).
Przedmiotem zainteresowania były spręŜarkowe pompy ciepła, absorpcyjne pompy ciepła,
spręŜarkowe pompy współpracujące z agregatem kogeneracyjnym oraz tytułem porównania -
klasyczne węzły ciepłownicze bazujące na węglu kamiennym i na gazie ziemnym.
Uwzględniając obecne koszty urządzeń i nośników energii, najbardziej ekonomicznym
rozwiązaniem okazało się wykorzystanie spręŜarkowych pomp ciepła wraz z agregatami
kogeneracyjnymi.
W skład instalacji geotermalnej weszły 3 pompy ciepła i 1 rezerwowa oraz 2 agregaty
kogeneracyjne zasilane gazem ziemnym (Ryc. 5). Całkowita moc cieplna instalacji wyniesie
3035 kW, co pokryje w całości potrzeby grzewcze budowanego obiektu. W układzie tym
uzyska się wodę o parametrach 60
0
/45
0
C. Ponadto, w agregatach kogeneracyjnych
5
wytworzona zostanie energia elektryczna o mocy 600 kW, która będzie wykorzystana do
napędu pomp ciepła i na cele własne obiektu.
Ryc. 5
Do układu będą dostarczane wody kopalniane w ilości minimum 1,83 m
3
/min,
o temperaturze około 19
0
C. Oznacza to, Ŝe w porównaniu do całkowitej ilości wód
wypompowywanych z kopalni, istnieje ponad 50% ich rezerwa, którą moŜna wykorzystać do
innych celów lub przez innego uŜytkownika. Rezerwowym źródłem ciepła na okres
przestojów w pompowaniu będzie kotłownia gazowo-olejowa. Ponadto ze względu na
moŜliwe przerwy w pompowaniu, przewidziano budowę zbiornika akumulacyjnego
o pojemności 900 m
3
. Będzie to zbiornik przepływowy zlokalizowany na kanale zrzutowym
wód kopalnianych (Ryc. 1). Przewidziany na kanale by-pass nie zakłóci dotychczasowego
systemu odprowadzania wód kopalnianych do rzeki.
Wyniki analizy ekonomicznej wykazały, Ŝe nakłady inwestycyjne na nową instalację
będą większe, niŜ w układzie tradycyjnym opartym na węglu kamiennym, jednak koszty
eksploatacyjne będą wyraźnie mniejsze. Bardzo dobry jest równieŜ uzyskany efekt
ekologiczny. Urządzenia siłowni geotermalnej są praktycznie bezemisyjne. Wielkość emisji
gazów w instalacji siłowni wyniesie zaledwie 76,8 Mg CO
2
/rok. Dla porównania, dla
wytworzenia
porównywalnej
ilości
energii
cieplnej
i
elektrycznej
pochodzącej
z konwencjonalnego źródła (węgla kamiennego), emisja zanieczyszczeń wyniosłaby 3686,7
Mg CO
2
/rok.
5.
Podsumowanie
Zaproponowana kopalniana instalacja siłowni geotermalnej jest w pełni
zautomatyzowanym, nowoczesnym układem technologicznym. Zrealizowany projekt dotyczy
typowej kopalni węgla kamiennego i typowych warunków górniczo-ruchowych w GZW.
MoŜna mieć nadzieję, Ŝe uzyskane wyniki będą mogły być zastosowane równieŜ w innych
kopalniach, po dostosowaniu instalacji do lokalnych warunków geologiczn-górniczych.
Szansę upatruje się zwłaszcza w kopalniach zlikwidowanych, które utrzymują pompowanie
wód, jednak nie są obciąŜone róŜnorodnymi problemami związanymi z zabezpieczeniem
ruchu górniczego.
6
Literatura
1.
Bajtoš P.: Energia geotermalna niskiej entalpii w wodach kopalnianych na Słowacji.
W: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002.
2.
Bloomquist R.: Ekonomika zastosowania systemów geotermalnych pomp ciepła dla
budynków komercyjnych i uŜyteczności publicznej. W: Energia geotermalna
w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002.
3.
Burke T.: Wykorzystanie zatopionych wyrobisk w Szkocji jako źródła energii
geotermalnej. W: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002.
4.
Kubski P.: Koncepcja ciepłowni zagospodarowującej energię zawartą w wodzie
kopalnianej. W: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002
.
5. Ostaficzuk S., Heliasz Z.: Ekologiczne moŜliwości utylizacji zamykanej kopalni
węgla – restrukturyzacja z perspektywą. Prace Wydz. Nauk o Ziemi U. Śl., 2000.
6.
RogoŜ M., Posyłek E.: Przewidywane zmiany warunków hydrogeologicznych
związane
z
likwidacją
kopalń
w
Górnośląskim
Zagłębiu
Węglowym.
W: Hydrogeologia obszarów zurbanizowanych i uprzemysłowionych. Wyd. U. Śl.,
Katowice, 1998.
7.
Solik-Heliasz E., 2007
.
MoŜliwości wykorzystania energii geotermalnej z wód
czynnych i zlikwidowanych kopalń w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.
Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, ZrównowaŜony Rozwój, 2.
8.
Solik-Heliasz E., red.: Atlas zasobów energii geotermalnej w regionie górnośląskim –
utwory neogenu, karbonu i dewonu. Katowice, 2009.
9.
Solik-Heliasz E., Małolepszy Z.: MoŜliwości wykorzystania energii geotermalnej
z wód kopalnianych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Mat. Międzynarodowej
konferencji naukowej pt.: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych, Ustroń,
2002.
10.
Solik-Heliasz E., Skrzypczak M.: Czynniki warunkujące odbiór ciepła z wód
zlikwidowanych kopalń na Śląsku. Przegląd Górniczy, 2005, 11.
11.
Solik-Heliasz E., Skrzypczak S., Skrzypczak M., Bieniecki M., Augustyniak I.
Poligon prac związanych z wykorzystaniem ciepła z w wód kopalnianych dla
obiektów planowanych na terenie byłej kopalni „Katowice” (rejon ulic Nadgórników
i Kopalnianej). Wykonane przez konsorcjum GIG-VERT. Dokumentacja GIG, 2007
(nie publikowana).
7
12.
Vademecum. Biuletyn informacyjny Spółki Restrukturyzacji Kopalń S.A.
w Katowicach, 2008.
8
projektowany obiekt
kanał zrzutowy wód kopalnianych
do rzeki Rawy
zbiornik
retencyjny
szyb Bartosz II
Ryc. 1. System odprowadzania wód z wyrobisk górniczych kopalni „Katowice”
9
5,20
5,40
5,60
5,80
6,00
6,20
6,40
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
m
3
/m
in
Ryc. 2. Ilość wód wypompowanych z kopalni „Katowice” w latach 2002-2008
10
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
1-11-2008
11-11-2008
21-11-2008
1-12-2008
m
3
/m
in
Ryc. 3. Fluktuacje ilości wód wypompowywanych z kopalni
11
a/
Substancje rozpuszczone w wodzie
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
02
.0
6.
13
02
.0
9.
02
03
.0
7.
14
04
.0
7.
15
05
.1
2.
09
06
.0
2.
28
06
.0
9.
14
07
.0
4.
27
m
g
/l
b/
Zawarto
ść
zawiesiny
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
02
.0
6.
13
03
.0
3.
17
03
.0
7.
14
04
.0
2.
23
04
.0
7.
15
05
.0
6.
28
05
.1
2.
09
06
.0
2.
28
06
.1
2.
06
m
g
/l
Ryc. 4 a,b. Chemizm wód kopalnianych
12
moc cieplna
3035 kW
gaz ziemny
odprowadzenie
wód kopalnianych
m
o
c
e
le
k
tr
y
c
z
n
a
6
0
0
k
W
PC
PC
PC
agregat
kogeneracyjny
dopływ wód kopalnianych 1,83 m3/min
1664 kW
2,852 Nm3/min
89 5
kW
Rys. 5. Schemat siłowni geotermalnej