Ekologiczne źródło energii

Kiedy pod koniec XIX wieku Ignacy Łukasiewicz tworzył na Podkarpaciu kolebkę światowego przemysłu naftowego, zapewne nie przypuszczał, że ponad sto lat później będzie miał również duży wkład w rozwój zupełnie nowej, alternatywnej odmiany energii. Setki odwiertów, które służyły do eksploatacji, a dziś ze względu na wyczerpanie się zasobów przeznaczane są do likwidacji, mogą być przydatne w geoenergetyce. To stosunkowo nowy dział energetyki, zajmujący się wykorzystaniem ciepła pochodzącego z wnętrza ziemi.

- Do jego pozyskania, tak jak w przypadku innych źródeł niekonwencjonalnych, w tym odnawialnych, ponieść trzeba wysokie koszty inwestycyjne. W dużej części składają się na nie prace górnicze, polegające na wierceniu drogich otworów. Tymczasem adaptacja już istniejących będzie znacznie mniej kosztowna - uważa prof. Andrzej Gonet z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Ciepło zgromadzone pod powierzchnią ziemi pochodzi jeszcze z czasów narodzin naszej planety oraz z procesu rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Ciepło geotermalne skumulowane jest właśnie w skałach oraz płynach znajdujących się w skalnych porach i szczelinach. Jego źródłem mogą być również wulkany i gejzery. Jeszcze do niedawna powszechny był pogląd, że energię geotermalną można wykorzystywać tylko w miejscach, gdzie warunki geologiczne umożliwiają jej samorzutne wypływy bądź jest ona łatwo dostępna. Tymczasem okazało się, że można ją pozyskiwać dosłownie wszędzie, a jedyna różnica wynika z nasilenia i warunków występowania ciepła pod kątem jego eksploatacji z górotworu. Oczywiście, najkorzystniej byłoby, gdyby występowała jak najbliżej powierzchni terenu. Ponieważ jednak temperatura skał rośnie wraz z głębokością, o wiele wartościowsze są stosunkowo głębokie otwory wiertnicze. Istotnym czynnikiem, determinującym w głównej mierze głębokość, z jakiej pozyskuje się wodę geotermalną, jest położenie warstwy wodonośnej.

Głowica eksploatacyjna odwiertu

- Czy to w wulkanach, czy w gejzerach niezbędny jest czynnik grzewczy, który przetransportuje ciepło ze złoża do odbiorcy. Rolę tę spełnia woda, która dostaje się do gorących skał, a następnie otworami wiertniczymi eksploatowana jest na powierzchnię i transportowana do użytkownika.

Nowa funkcja odwiertów

Problem pojawia się w momencie, gdy w danej strefie nie występują dostatecznie duże źródła wód głębinowych albo wręcz nie ma ich wcale. Czy przekreśla to możliwość wykorzystania energii geotermalnej? Prof. Andrzej Gonet słusznie założył, że nie.

- Wtedy można tę energię eksploatować ze skał, m.in. za pośrednictwem otworowych wymienników ciepła, które instaluje się w odwiertach - wyjaśnia mój rozmówca, który wraz z dr. inż. Tomaszem Śliwą opracował sposób wymiany ciepła geotermalnego pomiędzy górotworem a powierzchnią ziemi, oparty na istniejących już odwiertach.

Polega on na ich adaptacji właśnie na otworowe wymienniki ciepła. Instaluje się je w szczelnym odwiercie oczyszczonym z ropy. Najefektywniej przedsięwzięcie to wygląda w momencie, gdy odbiornik ciepła znajduje się w niewielkiej odległości. W przeciwnym wypadku powiększają się nie tylko koszty realizacji, ale przede wszystkim straty energii cieplnej. Budowa wymienników nie jest zbyt skomplikowana. To system rur połączonych w taki sposób, że część z nich stanowi istniejącą obudowę odwiertu, a nowe tworzą wewnętrzną kolumnę. Mogą one być wykonane z podwójnych rur stalowych z przestrzenią pierścieniową wypełnioną azotem albo z utrzymywanym w niej podciśnieniem. Naukowcy z AGH proponują jednak inne, znacznie prostsze rozwiązanie, a mianowicie zastosowanie rur z tworzyw sztucznych. Muszą być jednak wykonane tak, aby ich ściana była jak najlepszym izolatorem ciepła.

- Tworzy się w ten sposób układ cyrkulacyjny, składający się z przestrzeni pierścieniowej, którą nośnik ciepła płynie w kierunku dna odwiertu, ogrzewając się od otaczającego górotworu, a powraca na powierzchnię już ogrzany wewnętrzną kolumną rur izolujących - tłumaczy zasadę działania prof. Gonet.

Istotną rolę w całym procesie pełni nośnik ciepła, wprowadzany do otworowego wymiennika z powierzchni. Tym nośnikiem może być równie dobrze woda, jak i roztwór glikolu, stosowany w celu obniżenia temperatury zamarzania. Po wprowadzeniu ciecz cyrkuluje już w układzie zamkniętym, czyli na linii otworowy wymiennik - rurociąg - odbiorca ciepła - rurociąg - otworowy wymiennik. Jest to możliwe dzięki specjalnemu korkowi uszczelniającemu, który należy wykonać w odwiercie. Dzięki temu strefy dopływu mediów złożowych do odwiertu zostają odizolowane i układ staje się przez to zamknięty. Krążenie w nim nośnika ciepła umożliwia pompa obiegowa oraz głowica cyrkulacyjna, znajdująca się na wylocie odwiertu, przy powierzchni terenu.

- Cyrkulująca ciecz podczas przemieszczania się w dół ogrzewa się od górotworu. Na dnie, w punkcie zwrotnym wpływa do wnętrza izolacyjnej kolumny rur, którą transportowana jest z powrotem. Otrzymane ciepło będzie ciepłem niskotemperaturowym, nie nadającym się do wykorzystania w celach grzewczych - przestrzega dr Tomasz Śliwa.

Urządzenie wiertnicze

Ale wcale nie znaczy to, że jest bezużyteczne. Aby wykorzystać je do ogrzewania mieszkań, potrzeba temperatury znacznie wyższej. W związku z tym, że różne systemy ciepłownicze - w zależności od wymagań odbiorcy ciepła - potrzebują różnych temperatur, należało pomyśleć o sposobie dopasowania temperatury do wymagań konkretnego odbiorcy energii. Problem udało się rozwiązać poprzez dodanie do systemu pompy ciepła, która umożliwia zagospodarowanie ciepła nawet o niskich temperaturach.

- Pompa na powierzchni odbiera ciepło niskotemperaturowe od czynnika grzewczego, cyrkulującego w odwiercie i po podniesieniu jego temperatury oddaje go czynnikowi grzewczemu krążącemu w odbiorczym systemie grzewczym lub ogrzewać będzie wodę użytkową. W ten sposób podniesie stan energetyczny tego ciepła do wyższej, użytecznej temperatury - dodaje dr Śliwa.

UNIWERSALNA ENERGIA

Zagospodarowanie ciepła zawartego w skorupie ziemskiej do celów grzewczych wydaje się najbardziej opłacalne z szerokiego wachlarza zastosowań energii geotermalnej. Niemniej jej uniwersalność sprawia, że można ją stosować również w celach leczniczych, rekreacyjnych, rolniczych, a nawet do produkcji prądu elektrycznego.

- Żeby jednak przesyłać tę energię na duże odległości, trzeba wpierw zamienić ją na elektryczną. W tym celu niezbędne jest źródło o wysokiej temperaturze, przekraczającej 100C. Istniejące technologie uzyskiwania prądu z niższych temperatur są skomplikowane i obecnie mało opłacalne - wyjaśnia prof. Gonet.

Otworowe wymienniki ciepła wykonuje się na szeroką skalę głównie w Szwajcarii, ale cieszą się one powodzeniem również w USA, Szwecji oraz w Niemczech. Moi rozmówcy swoje badania praktyczne skoncentrowali na odwiertach kopalni ropy naftowej Iwonicz Zdrój.

- Opracowaliśmy projekt wykonania instalacji grzewczej opartej na dwóch przeznaczonych do likwidacji odwiertach do ogrzewania sanatorium Excelsior. W tej chwili trwają prace zmierzające do realizacji inwestycji. Przeprowadzone analizy wykonaliśmy dzięki modelowaniu matematycznemu, zarówno procesów wymiany ciepła, jak też rachunku ekonomicznego.

Do ogrzewania w sanatorium Excelsior wybrano wodę użytkową, mając na względzie stosunkowo niską wymaganą temperaturę i całoroczne obciążenie źródła ciepła. A im niższa temperatura wymagana oraz im dłuższy czas i stopień obciążenia, tym lepiej - przekonują naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej. W Iwoniczu odwierty znajdują się na terenie parku uzdrowiskowego, około 300 m od budynku sanatorium.

- Ze względów technicznych i ekonomicznych ich konstrukcje nie ulegną zmianie. Wykonane zostaną jedynie korki uszczelniające do głębokości 470 i 590 m. Koszt likwidacji dwóch odwiertów wynosi około 300 tys. zł, a koszty adaptacji oscylują wokół tej wartości, co oznacza, że przy niewielkich nakładach finansowych zamiast likwidować odwierty, można je zaadaptować na otworowe wymienniki ciepła - podkreśla dr Tomasz Śliwa.

W Iwoniczu z odwiertów można uzyskać 50 kW mocy grzewczej. Jest to wartość optymalna, wynikająca z konstrukcji odwiertów, a zwłaszcza ich głębokości. Moc ta może jednak ulec zwiększeniu, choćby poprzez podłączenie kolejnych zaadaptowanych odwiertów.

- Ze względu na różnorodność przeznaczenia ciepła, wynikającą z rozbudowanego systemu grzewczego w sanatorium, najkorzystniejsze jest wykorzystanie ciepła do ogrzewania wody użytkowej. Umożliwi to pracę pompy ciepła z wysoką sprawnością oraz znacznie dłuższe i pełniejsze wykorzystanie źródła energii.

Otworowe wymienniki ciepła przechwytują energię przepływającą ku powierzchni ziemi ze średnim strumieniem 60 miliwatów na m2 oraz odbierają energię z otaczającego odwiert górotworu. Szacunkowo z 20-metrowego odcinka odwiertu można uzyskać 1 kW mocy grzewczej. A to oznacza, że do ogrzania domu jednorodzinnego, wykonanego w nowej technologii, wystarczy np. jeden odwiert na głębokość 200 m.

I DLA MAŁYCH, I DLA DUŻYCH

Jeśli przyjąć, że koszt wiercenia jednego otworu do głębokości 3000 metrów oscyluje wokół 10 mln zł, co stanowi ponad połowę kosztów inwestycyjnych, staje się jasne, dlaczego w uprzywilejowanej sytuacji są gminy posiadające już na swoim terenie takie odwierty, wykonane wcześniej, np. przy okazji poszukiwań geologicznych. Tak jest w Iwoniczu, tak też jest na niemal całym Podkarpaciu. Odwierty w kopalniach gazu i ropy naftowej rzadko pełnią już swoją funkcję. Znaczna ich część, w tym otwory „negatywne”, czyli takie, które z punktu widzenia przemysłu naftowego są zbyteczne, mogą zostać zlikwidowane. Mogą, ale wcale nie muszą. Po przeprowadzeniu niezbędnych zabiegów rekonstrukcyjnych, mogłyby być wykorzystane właśnie jako źródło energii geotermalnej. Zapewne gra warta jest świeczki, ale autorzy projektu zwracają uwagę, iż adaptacja istniejących odwiertów napotykać może na pewne trudności. Abstrahując już od ich stanu technicznego, problem stanowić może lokalizacja. Wiadomo, że służąc eksploatacji gazu bądź ropy, musiały znajdować się na peryferiach dużych skupisk ludzkich. W odniesieniu do energii geotermalnej odległość ta działa na niekorzyść. Dlatego w takich przypadkach energię cieplną można zagospodarować jedynie lokalnie. Problemy występują także przy zbyt dużych zasobach energetycznych. Wtedy najrozsądniejsze wydaje się wykorzystanie wody w systemie kaskadowym. Podobne rozwiązania funkcjonują np. w Islandii. Chodzi o to, by po oddaniu ciepła na potrzeby generowania np. energii elektrycznej i ogrzewania wybranych obiektów, np. suszarni czy szklarni, woda geotermalna posłużyła w basenach uzdrowiskowo-rekreacyjnych.

- Energia geotermalna może być wykorzystywana do celów grzewczych równie dobrze w małych miastach, jak i w dużych aglomeracjach. Przykłady Paryża czy Reykjaviku pokazują, że może to być nawet bardziej efektywne niż w małych miejscowościach. Szczególnie dlatego, iż w dużych miastach istnieje już infrastruktura w postaci sieci ciepłowniczych do rozprowadzania ciepła - przekonuje prof. Andrzej Gonet, który zagadnieniami związanymi z energią geotermalną zajmuje się już od kilkunastu lat.

Skojarzenie konieczności ochrony środowiska z porządkowaniem infrastruktury na starych złożach i związane z tym likwidacje odwiertów, dały impuls do badań nad wymiennikami otworowymi. Rozpoczynając je prof. Gonet miał na względzie również aspekt społeczny. Pracownicy likwidowanych kopalń ropy naftowej mogliby przecież przekwalifikować się na operatorów energii geotermalnej. Dla tak biednego regionu, jakim jest Podkarpacie, ma to istotne znaczenie. A spośród wszystkich większych miast w Polsce to właśnie Rzeszów posiada najlepsze rozpoznanie geologiczne, wynoszące 1 otwór na 2 km2 powierzchni miasta. W dodatku jest już infrastruktura ciepłownicza, dzićki czemu inwestycje geotermalne mogą być realizowane przy znacznie mniejszych kosztach. Podkarpacie upatruje swej szansy w geotermii i może tak, jak przed laty, będzie wytyczać nowe drogi postępu.