The technological design of geothermal plant for producing energy from mine waters

• Autorzy: Solik-Heliasz E. , Skrzypczak M.

Warianty tytułu

PL

Projekt siłowni geotermalnej do produkcji energii z wód kopalnianych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The results of the analysis on extracting heat from mine waters have been presented. The abandonem underground Katowice coal mine has been used as an example. The result is a technological design for 3,000 kW thermal plant producing 600 kW of electric power. The proposed configuration has been adapter to specific conditions of mine waters pumping system: mainly to changes of water flow, possible break in pumping and the system of carrying mine waters to the environment. Our research show that extracting heat from low-temperature sources like mine waters can be economically and ecologically efficient, if appropriate technology is used and local geological and mining conditions are taken into consideration.

PL

W obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) z 53 kopalń węgla kamiennego odprowadzane jest około 600000 m3 wód na dobę o temperaturze od 13 C do 23 C. Określony dla nich potencjał cieplny (moc cieplna) wynosi łącznie około 220 MW (Solik-Heliasz, 2007b). Potencjał ten zmienia się w poszczególnych kopalniach od 0,3 do ponad 10 MW - w wielu z nich jest więc duży i warty wykorzystania. W Europie istnieją już kopalniane instalacje geotermalne opierające się na pompach i wymiennikach ciepła, jak choćby w Anglii, Holandii, na Słowacji, jednak w Polsce brak było dotąd tego typu rozwiązań. Wcześniejsze, polskie prace wskazywały na możliwe ograniczenia w pozyskaniu energii z wód kopalń w GZW (Kubski 2002, Solik-Heliasz i Małolepszy, 2002, Solik-Heliasz i Skrzypczak, 2005). Ograniczenia te nie zostały wcześniej szczegółowo zweryfikowane w toku prac aplikacyjnych. Dopiero projekt technologiczny siłowni geotermalnej pozwolił zmierzyć się z konkretnymi problemami oraz zaproponować odpowiednie rozwiązania. Celem projektu było opracowanie ekonomicznie efektywnego układu do pozyskania energii cieplnej z wód kopalnianych i do produkcji prądu elektrycznego oraz uzyskanie znaczącego efektu ekologicznego w postaci obniżenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Przedmiotem zainteresowana były wody zlikwidowanej kopalni Katowice wypompowywane w ilości średnio 5,4-6,2 m3/min, a odbiorcą energii, projektowany obiekt muzeum śląskiego w Katowicach. Wody kopalniane na wylocie z szybu wykazują temperaturę 19,3 C - 19,8 C. Ich mineralizacja wynosi około 4 g/l, a zawartość zawiesiny, 10-30 mg/l. Po wypompowaniu na powierzchnię są odprowadzane kanałem zrzutowym do rzeki Rawy. Określony dla wód kopalni Katowice całkowity potencjał energii cieplnej wynosi, w zależności od natężenia pompowania, 3,7-6,9 MW. Możliwości odbioru energii wynikają w odniesieniu do tej kopalni ze zbiegu kilku korzystnych czynników: a) znacznej ilości wód i ich zadawalającej temperatury (powyżej 19 C), b) małej odległości od szybu do przyszłego odbiorcy energii (150 m) c) potrzeby pompowania wód, celem zapewnienia bezpieczeństwa prowadzenia eksploatacji innym kopalniom, wreszcie c) ponoszenia przez Państwo jednej ze znaczących pozycji kosztów instalacji geotermalnej, jaką jest koszt pompowania wód na powierzchnię terenu. W fazie badawczej przeanalizowano różne warianty ogrzewania projektowanego obiektu. Przeanalizowano wykorzystanie: sprężarkowych pomp ciepła, absorpcyjnych pomp ciepła, sprężarkowych pomp współpracujących z agregatem kogeneracyjnym wytwarzającym energię elektryczną do napędu pomp ciepła, jak również klasycznego węzła ciepłowniczego bazującego na węglu kamiennym lub kotłowni gazowej. Z punktu widzenia potrzeb i efektów najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem okazało się wykorzystanie sprężarkowych pomp ciepła wraz z agregatami kogeneracyjnymi. Mając na uwadze potrzeby cieplne przyszłego obiektu, w skład instalacji geotermalnej weszły 3 pompy ciepła i 1 rezerwowa oraz 2 agregaty kogeneracyjne zasilane gazem ziemnym (Rys. 1). Całkowita moc cieplna instalacji wyniesie wówczas 3035 kW, co w całości pokryje potrzeby grzewcze budowanego obiektu. W układzie tym uzyska się wodę o parametrach 60 C/45 C. Ponadto w agregatach kogeneracyjnych wytworzona zostanie energia elektryczna w ilości 600 kW, która będzie wykorzystana do napędu pomp ciepła, a jej nadwyżka zostanie przeznaczona na cele własne projektowanego obiektu i w dalszej kolejności może być odsprzedana operatorowi systemu dystrybucyjnego. Rezerwowym źródłem ciepła na okres przestojów w pompowaniu będzie kotłownia gazowo-olejowa. Instalacja siłowni geotermalnej została zaprojektowana elastycznie, co wynika z potrzeb energetycznych oraz z charakteru dostawy wód kopalnianych. Największe wyzwanie stanowiły okresy przerw w pompowaniu, związane z: 1) pompowaniem wód głównie nocą oraz z przestojami w ciągu dnia, wynikające z obowiązujących taryf za energię elektryczną 2) potencjalnymi awariami pomp, ich naprawami lub przerwami w dostawie energii elektrycznej zasilającej pompy, bądź z czynnikami natury górniczej. W toku prac zaproponowano system pozyskania energii cieplnej nie ingerujący w obecny system odprowadzana wód do środowiska. Ciepło odbierane jest po wypompowaniu wód na powierzchnię terenu, ze zbiornika retencyjnego posadowionego na kanale zrzutowym wód kopalnianych. Zaprojektowany "by-pass" na kanale umożliwi kierowanie wód w zależności od potrzeb do urządzeń siłowni lub ich ominięcie (Rys. 2). W przypadku kopalni Katowice, ze względu na stosunkowo długie, kilkunastogodzinne przerwy, przewidziano budowę zbiornika akumulacyjnego zlokalizowanego w podziemiach budynku technologicznego, o pojemności 900 m3 (Rys. 2). Zaproponowana kopalniana instalacja siłowni geotermalnej jest w pełni zautomatyzowanym, nowoczesnym układem technologicznym. Wyniki analizy ekonomicznej wykazały, że nakłady inwestycyjne na nową instalację będą większe, niż w układzie tradycyjnym opartym na węglu kamiennym, jednak koszty eksploatacyjne będą wyraźnie mniejsze. Prosty czas zwrotu, SPBT instalacji siłowni w wariancie komercyjnym wyniesie 15,5 lat, przy dofinansowaniu w wysokości 50%, 7,7 lat, a w przypadku dofinansowania 85%, 2,3 lata. Progowa wartość dofinansowania dla zapewnienia opłacalności projektu (NPV > 0) wynosi 28,3%. Dofinansowanie jest realne, zważywszy na wiele możliwości proponowanych przez fundusze unijne i polskie. Bardzo korzystny jest również uzyskany efekt ekologiczny. Urządzenia siłowni geotermalnej są praktycznie bezemisyjne. Wielkość emisji gazów w instalacji siłowni wyniesie zaledwie 76,8 Mg CO2/rok. Dla porównania, dla wytworzenia porównywalnej ilości energii cieplnej i elektrycznej pochodzącej z konwencjonalnego źródła (węgla kamiennego), emisja zanieczyszczeń wyniosłaby 3686,7 Mg CO2/rok. Jak wykazały wyniki badań, siłownia geotermalna bazująca na niskotemperaturowych wodach kopalnianych oraz wysokosprawnej kogeneracji może być interesującą propozycją pozyskania dodatkowej ilości energii, którą można przeznaczyć na cele grzewcze i klimatyzacyjne. W GZW istnieje wiele kopalń o znacznym potencjale cieplnym zawartym w wodach kopalnianych (Solik-Heliasz, red., 2009), i o podobnych warunkach górniczo-środowiskowych, jak w prezentowanym przypadku. Potencjał ten powinien być w większym stopniu wykorzystywany, co pozwoliłoby uzyskać wymierne korzyści ekonomiczne i ekologiczne.

Słowa kluczowe

EN

geothermal energy at Upper Silesian Coal Basin (GZW); geothermal plant; geothermal installation; heat extraction from mine waters; Katowice coal mine

PL

siłownia geotermalna; kopalniana instalacja geotermalna; pozyskanie energii cieplnej z wód kopalnianych; instalacja geotermalna w kopalni Katowice; energia geotermalna; Górnośląskie Zagłębie Węglowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 54, no 3
• Strony: 563--572
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Solik-Heliasz E.

autor

Skrzypczak M.

• Central Mining Institute, Pl. Gwarków 1, 40-160 Katowice, Poland,

Bibliografia

• Bajtoš P., 2002. Energia geotermalna niskiej entalpii w wodach kopalnianych na Słowacji. (w:) Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec.
• Bilans zasobów kopalin i wód podziemnych w Polsce (w/g stanu na 31.XII.2006). Warszawa, 2007.
• Bloomquist R., 2002. Ekonomika zastosowania systemów geotermalnych pomp ciepła dla budynków komercyjnych i użyteczności publicznej. (w:) Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec.
• Burke T., 2002. Wykorzystanie zatopionych wyrobisk w Szkocji jako źródła energii geotermalnej. (w:) Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec.
• Kubski P., 2002. Koncepcja ciepłowni zagospodarowującej energię zawartą w wodzie kopalnianej. (w:) Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec.
• Ostaficzuk S., Heliasz Z., 2000. Ekologiczne możliwości utylizacji zamykanej kopalni węgla – restrukturyzacja z perspektywą. Prace Wydz. Nauk o Ziemi U. Śl.
• Rogoż M., Posyłek E., 1998. Przewidywane zmiany warunków hydrogeologicznych związane z likwidacją kopalń w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. (w:) Hydrogeologia obszarów zurbanizowanych i uprzemysłowionych. Wyd. U. Śl., Katowice.
• Sokołowski J., 1985. Prowincje, baseny i zbiorniki geostrukturalne, geotermalne i ropogazonośne Polski. (w:) Stan rozpoznania i perspektywy wykorzystania wód termalnych. Kraków.
• Solik-Heliasz E., 2007a. Możliwości wykorzystania ciepła z zatopionych zrobów górniczych w obszarze GZW. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, III.
• Solik-Heliasz E., 2007b. Możliwości wykorzystania energii geotermalnej z wód czynnych i zlikwidowanych kopalń w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, Zrównoważony Rozwój, 2.
• Solik-Heliasz E., red., 2009. Atlas zasobów energii geotermalnej w regionie górnośląskim - utwory neogenu, karbonu i dewonu. Katowice.
• Solik-Heliasz E., Małolepszy Z., 2002. Możliwości wykorzystania energii geotermalnej z wód kopalnianych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Mat. Międzynarodowej konferencji naukowej pt.: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych, Ustroń.
• Solik-Heliasz E., Skrzypczak M., 2005. Czynniki warunkujące odbiór ciepła z wód zlikwidowanych kopalń na Śląsku. Przegląd Górniczy, 11.
• Staśko D., Kaliski M., 2006. Model oceny bezpieczeństwa energetycznego Polski w aspekcie prognoz energetycznych na lata 2005-2020. Archives of Mining Sciences, vol. 51, no 3.
• Vademecum, 2008. Biuletyn informacyjny Spółki Restrukturyzacji Kopalń w Katowicach.