Page Not Found - Forum Akademickie

Błąd 404 - Strona o podanym adresie nie istnieje



Badania naukowe

Ekologiczne ¼ród³o energii

Odwierty, które kiedy¶ s³u¿y³y do eksploatacji z³ó¿ ropy naftowej czy gazu ziemnego, dzi¶ z powodzeniem mo¿na wykorzystaæ do pozyskiwania energii geotermalnej.
Mariusz Karwowski

Kiedy pod koniec XIX wieku Ignacy £ukasiewicz tworzy³ na Podkarpaciu kolebkê ¶wiatowego przemys³u naftowego, zapewne nie przypuszcza³, ¿e ponad sto lat pó¼niej bêdzie mia³ równie¿ du¿y wk³ad w rozwój zupe³nie nowej, alternatywnej odmiany energii. Setki odwiertów, które s³u¿y³y do eksploatacji, a dzi¶ ze wzglêdu na wyczerpanie siê zasobów przeznaczane s± do likwidacji, mog± byæ przydatne w geoenergetyce. To stosunkowo nowy dzia³ energetyki, zajmuj±cy siê wykorzystaniem ciep³a pochodz±cego z wnêtrza ziemi.

- Do jego pozyskania, tak jak w przypadku innych ¼róde³ niekonwencjonalnych, w tym odnawialnych, ponie¶æ trzeba wysokie koszty inwestycyjne. W du¿ej czê¶ci sk³adaj± siê na nie prace górnicze, polegaj±ce na wierceniu drogich otworów. Tymczasem adaptacja ju¿ istniej±cych bêdzie znacznie mniej kosztowna - uwa¿a prof. Andrzej Gonet z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Ciep³o zgromadzone pod powierzchni± ziemi pochodzi jeszcze z czasów narodzin naszej planety oraz z procesu rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Ciep³o geotermalne skumulowane jest w³a¶nie w ska³ach oraz p³ynach znajduj±cych siê w skalnych porach i szczelinach. Jego ¼ród³em mog± byæ równie¿ wulkany i gejzery. Jeszcze do niedawna powszechny by³ pogl±d, ¿e energiê geotermaln± mo¿na wykorzystywaæ tylko w miejscach, gdzie warunki geologiczne umo¿liwiaj± jej samorzutne wyp³ywy b±d¼ jest ona ³atwo dostêpna. Tymczasem okaza³o siê, ¿e mo¿na j± pozyskiwaæ dos³ownie wszêdzie, a jedyna ró¿nica wynika z nasilenia i warunków wystêpowania ciep³a pod k±tem jego eksploatacji z górotworu. Oczywi¶cie, najkorzystniej by³oby, gdyby wystêpowa³a jak najbli¿ej powierzchni terenu. Poniewa¿ jednak temperatura ska³ ro¶nie wraz z g³êboko¶ci±, o wiele warto¶ciowsze s± stosunkowo g³êbokie otwory wiertnicze. Istotnym czynnikiem, determinuj±cym w g³ównej mierze g³êboko¶æ, z jakiej pozyskuje siê wodê geotermaln±, jest po³o¿enie warstwy wodono¶nej.

G³owica eksploatacyjna odwiertu

- Czy to w wulkanach, czy w gejzerach niezbêdny jest czynnik grzewczy, który przetransportuje ciep³o ze z³o¿a do odbiorcy. Rolê tê spe³nia woda, która dostaje siê do gor±cych ska³, a nastêpnie otworami wiertniczymi eksploatowana jest na powierzchniê i transportowana do u¿ytkownika.

Nowa funkcja odwiertów

Problem pojawia siê w momencie, gdy w danej strefie nie wystêpuj± dostatecznie du¿e ¼ród³a wód g³êbinowych albo wrêcz nie ma ich wcale. Czy przekre¶la to mo¿liwo¶æ wykorzystania energii geotermalnej? Prof. Andrzej Gonet s³usznie za³o¿y³, ¿e nie.

- Wtedy mo¿na tê energiê eksploatowaæ ze ska³, m.in. za po¶rednictwem otworowych wymienników ciep³a, które instaluje siê w odwiertach - wyja¶nia mój rozmówca, który wraz z dr. in¿. Tomaszem ¦liw± opracowa³ sposób wymiany ciep³a geotermalnego pomiêdzy górotworem a powierzchni± ziemi, oparty na istniej±cych ju¿ odwiertach.

Polega on na ich adaptacji w³a¶nie na otworowe wymienniki ciep³a. Instaluje siê je w szczelnym odwiercie oczyszczonym z ropy. Najefektywniej przedsiêwziêcie to wygl±da w momencie, gdy odbiornik ciep³a znajduje siê w niewielkiej odleg³o¶ci. W przeciwnym wypadku powiêkszaj± siê nie tylko koszty realizacji, ale przede wszystkim straty energii cieplnej. Budowa wymienników nie jest zbyt skomplikowana. To system rur po³±czonych w taki sposób, ¿e czê¶æ z nich stanowi istniej±c± obudowê odwiertu, a nowe tworz± wewnêtrzn± kolumnê. Mog± one byæ wykonane z podwójnych rur stalowych z przestrzeni± pier¶cieniow± wype³nion± azotem albo z utrzymywanym w niej podci¶nieniem. Naukowcy z AGH proponuj± jednak inne, znacznie prostsze rozwi±zanie, a mianowicie zastosowanie rur z tworzyw sztucznych. Musz± byæ jednak wykonane tak, aby ich ¶ciana by³a jak najlepszym izolatorem ciep³a.

- Tworzy siê w ten sposób uk³ad cyrkulacyjny, sk³adaj±cy siê z przestrzeni pier¶cieniowej, któr± no¶nik ciep³a p³ynie w kierunku dna odwiertu, ogrzewaj±c siê od otaczaj±cego górotworu, a powraca na powierzchniê ju¿ ogrzany wewnêtrzn± kolumn± rur izoluj±cych - t³umaczy zasadê dzia³ania prof. Gonet.

Istotn± rolê w ca³ym procesie pe³ni no¶nik ciep³a, wprowadzany do otworowego wymiennika z powierzchni. Tym no¶nikiem mo¿e byæ równie dobrze woda, jak i roztwór glikolu, stosowany w celu obni¿enia temperatury zamarzania. Po wprowadzeniu ciecz cyrkuluje ju¿ w uk³adzie zamkniêtym, czyli na linii otworowy wymiennik - ruroci±g - odbiorca ciep³a - ruroci±g - otworowy wymiennik. Jest to mo¿liwe dziêki specjalnemu korkowi uszczelniaj±cemu, który nale¿y wykonaæ w odwiercie. Dziêki temu strefy dop³ywu mediów z³o¿owych do odwiertu zostaj± odizolowane i uk³ad staje siê przez to zamkniêty. Kr±¿enie w nim no¶nika ciep³a umo¿liwia pompa obiegowa oraz g³owica cyrkulacyjna, znajduj±ca siê na wylocie odwiertu, przy powierzchni terenu.

- Cyrkuluj±ca ciecz podczas przemieszczania siê w dó³ ogrzewa siê od górotworu. Na dnie, w punkcie zwrotnym wp³ywa do wnêtrza izolacyjnej kolumny rur, któr± transportowana jest z powrotem. Otrzymane ciep³o bêdzie ciep³em niskotemperaturowym, nie nadaj±cym siê do wykorzystania w celach grzewczych - przestrzega dr Tomasz ¦liwa.

Urz±dzenie wiertnicze

Ale wcale nie znaczy to, ¿e jest bezu¿yteczne. Aby wykorzystaæ je do ogrzewania mieszkañ, potrzeba temperatury znacznie wy¿szej. W zwi±zku z tym, ¿e ró¿ne systemy ciep³ownicze - w zale¿no¶ci od wymagañ odbiorcy ciep³a - potrzebuj± ró¿nych temperatur, nale¿a³o pomy¶leæ o sposobie dopasowania temperatury do wymagañ konkretnego odbiorcy energii. Problem uda³o siê rozwi±zaæ poprzez dodanie do systemu pompy ciep³a, która umo¿liwia zagospodarowanie ciep³a nawet o niskich temperaturach.

- Pompa na powierzchni odbiera ciep³o niskotemperaturowe od czynnika grzewczego, cyrkuluj±cego w odwiercie i po podniesieniu jego temperatury oddaje go czynnikowi grzewczemu kr±¿±cemu w odbiorczym systemie grzewczym lub ogrzewaæ bêdzie wodê u¿ytkow±. W ten sposób podniesie stan energetyczny tego ciep³a do wy¿szej, u¿ytecznej temperatury - dodaje dr ¦liwa.

UNIWERSALNA ENERGIA

Zagospodarowanie ciep³a zawartego w skorupie ziemskiej do celów grzewczych wydaje siê najbardziej op³acalne z szerokiego wachlarza zastosowañ energii geotermalnej. Niemniej jej uniwersalno¶æ sprawia, ¿e mo¿na j± stosowaæ równie¿ w celach leczniczych, rekreacyjnych, rolniczych, a nawet do produkcji pr±du elektrycznego.

- ¯eby jednak przesy³aæ tê energiê na du¿e odleg³o¶ci, trzeba wpierw zamieniæ j± na elektryczn±. W tym celu niezbêdne jest ¼ród³o o wysokiej temperaturze, przekraczaj±cej 100C. Istniej±ce technologie uzyskiwania pr±du z ni¿szych temperatur s± skomplikowane i obecnie ma³o op³acalne - wyja¶nia prof. Gonet.

Otworowe wymienniki ciep³a wykonuje siê na szerok± skalê g³ównie w Szwajcarii, ale ciesz± siê one powodzeniem równie¿ w USA, Szwecji oraz w Niemczech. Moi rozmówcy swoje badania praktyczne skoncentrowali na odwiertach kopalni ropy naftowej Iwonicz Zdrój.

- Opracowali¶my projekt wykonania instalacji grzewczej opartej na dwóch przeznaczonych do likwidacji odwiertach do ogrzewania sanatorium Excelsior. W tej chwili trwaj± prace zmierzaj±ce do realizacji inwestycji. Przeprowadzone analizy wykonali¶my dziêki modelowaniu matematycznemu, zarówno procesów wymiany ciep³a, jak te¿ rachunku ekonomicznego.

Do ogrzewania w sanatorium Excelsior wybrano wodê u¿ytkow±, maj±c na wzglêdzie stosunkowo nisk± wymagan± temperaturê i ca³oroczne obci±¿enie ¼ród³a ciep³a. A im ni¿sza temperatura wymagana oraz im d³u¿szy czas i stopieñ obci±¿enia, tym lepiej - przekonuj± naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej. W Iwoniczu odwierty znajduj± siê na terenie parku uzdrowiskowego, oko³o 300 m od budynku sanatorium.

- Ze wzglêdów technicznych i ekonomicznych ich konstrukcje nie ulegn± zmianie. Wykonane zostan± jedynie korki uszczelniaj±ce do g³êboko¶ci 470 i 590 m. Koszt likwidacji dwóch odwiertów wynosi oko³o 300 tys. z³, a koszty adaptacji oscyluj± wokó³ tej warto¶ci, co oznacza, ¿e przy niewielkich nak³adach finansowych zamiast likwidowaæ odwierty, mo¿na je zaadaptowaæ na otworowe wymienniki ciep³a - podkre¶la dr Tomasz ¦liwa.

W Iwoniczu z odwiertów mo¿na uzyskaæ 50 kW mocy grzewczej. Jest to warto¶æ optymalna, wynikaj±ca z konstrukcji odwiertów, a zw³aszcza ich g³êboko¶ci. Moc ta mo¿e jednak ulec zwiêkszeniu, choæby poprzez pod³±czenie kolejnych zaadaptowanych odwiertów.

- Ze wzglêdu na ró¿norodno¶æ przeznaczenia ciep³a, wynikaj±c± z rozbudowanego systemu grzewczego w sanatorium, najkorzystniejsze jest wykorzystanie ciep³a do ogrzewania wody u¿ytkowej. Umo¿liwi to pracê pompy ciep³a z wysok± sprawno¶ci± oraz znacznie d³u¿sze i pe³niejsze wykorzystanie ¼ród³a energii.

Otworowe wymienniki ciep³a przechwytuj± energiê przep³ywaj±c± ku powierzchni ziemi ze ¶rednim strumieniem 60 miliwatów na m2 oraz odbieraj± energiê z otaczaj±cego odwiert górotworu. Szacunkowo z 20-metrowego odcinka odwiertu mo¿na uzyskaæ 1 kW mocy grzewczej. A to oznacza, ¿e do ogrzania domu jednorodzinnego, wykonanego w nowej technologii, wystarczy np. jeden odwiert na g³êboko¶æ 200 m.

I DLA MA£YCH, I DLA DU¯YCH

Je¶li przyj±æ, ¿e koszt wiercenia jednego otworu do g³êboko¶ci 3000 metrów oscyluje wokó³ 10 mln z³, co stanowi ponad po³owê kosztów inwestycyjnych, staje siê jasne, dlaczego w uprzywilejowanej sytuacji s± gminy posiadaj±ce ju¿ na swoim terenie takie odwierty, wykonane wcze¶niej, np. przy okazji poszukiwañ geologicznych. Tak jest w Iwoniczu, tak te¿ jest na niemal ca³ym Podkarpaciu. Odwierty w kopalniach gazu i ropy naftowej rzadko pe³ni± ju¿ swoj± funkcjê. Znaczna ich czê¶æ, w tym otwory „negatywne”, czyli takie, które z punktu widzenia przemys³u naftowego s± zbyteczne, mog± zostaæ zlikwidowane. Mog±, ale wcale nie musz±. Po przeprowadzeniu niezbêdnych zabiegów rekonstrukcyjnych, mog³yby byæ wykorzystane w³a¶nie jako ¼ród³o energii geotermalnej. Zapewne gra warta jest ¶wieczki, ale autorzy projektu zwracaj± uwagê, i¿ adaptacja istniej±cych odwiertów napotykaæ mo¿e na pewne trudno¶ci. Abstrahuj±c ju¿ od ich stanu technicznego, problem stanowiæ mo¿e lokalizacja. Wiadomo, ¿e s³u¿±c eksploatacji gazu b±d¼ ropy, musia³y znajdowaæ siê na peryferiach du¿ych skupisk ludzkich. W odniesieniu do energii geotermalnej odleg³o¶æ ta dzia³a na niekorzy¶æ. Dlatego w takich przypadkach energiê ciepln± mo¿na zagospodarowaæ jedynie lokalnie. Problemy wystêpuj± tak¿e przy zbyt du¿ych zasobach energetycznych. Wtedy najrozs±dniejsze wydaje siê wykorzystanie wody w systemie kaskadowym. Podobne rozwi±zania funkcjonuj± np. w Islandii. Chodzi o to, by po oddaniu ciep³a na potrzeby generowania np. energii elektrycznej i ogrzewania wybranych obiektów, np. suszarni czy szklarni, woda geotermalna pos³u¿y³a w basenach uzdrowiskowo-rekreacyjnych.

- Energia geotermalna mo¿e byæ wykorzystywana do celów grzewczych równie dobrze w ma³ych miastach, jak i w du¿ych aglomeracjach. Przyk³ady Pary¿a czy Reykjaviku pokazuj±, ¿e mo¿e to byæ nawet bardziej efektywne ni¿ w ma³ych miejscowo¶ciach. Szczególnie dlatego, i¿ w du¿ych miastach istnieje ju¿ infrastruktura w postaci sieci ciep³owniczych do rozprowadzania ciep³a - przekonuje prof. Andrzej Gonet, który zagadnieniami zwi±zanymi z energi± geotermaln± zajmuje siê ju¿ od kilkunastu lat.

Skojarzenie konieczno¶ci ochrony ¶rodowiska z porz±dkowaniem infrastruktury na starych z³o¿ach i zwi±zane z tym likwidacje odwiertów, da³y impuls do badañ nad wymiennikami otworowymi. Rozpoczynaj±c je prof. Gonet mia³ na wzglêdzie równie¿ aspekt spo³eczny. Pracownicy likwidowanych kopalñ ropy naftowej mogliby przecie¿ przekwalifikowaæ siê na operatorów energii geotermalnej. Dla tak biednego regionu, jakim jest Podkarpacie, ma to istotne znaczenie. A spo¶ród wszystkich wiêkszych miast w Polsce to w³a¶nie Rzeszów posiada najlepsze rozpoznanie geologiczne, wynosz±ce 1 otwór na 2 km2 powierzchni miasta. W dodatku jest ju¿ infrastruktura ciep³ownicza, dziæki czemu inwestycje geotermalne mog± byæ realizowane przy znacznie mniejszych kosztach. Podkarpacie upatruje swej szansy w geotermii i mo¿e tak, jak przed laty, bêdzie wytyczaæ nowe drogi postêpu.

Page Not Found - Forum Akademickie

Błąd 404 - Strona o podanym adresie nie istnieje