Wyposażenie wgłębne głębokiego otworowego wymiennika ciepła do pozyskiwania ciepła Ziemi

• Autorzy: Wolan Marian , Śliwa Tomasz , Dziadzio Piotr

Warianty tytułu

EN

Downhole equipment of a deep borehole heat exchanger to extract heat from the Earth

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono możliwości adaptacji istniejących negatywnych, zlikwidowanych lub wyeksploatowanych otworów do pozyskiwania ciepła z górotworu. Mając na uwadze liczbę odwierconych otworów w Polsce, ich położenie geograficzne, nierzadko w obszarze zurbanizowanym gmin, miasteczek, czy miast lub w niewielkiej odległości od nich, powstała idea zagospodarowania takich odwiertów i wykorzystania ciepła górotworu. W pracy przedstawiono, że licząc tylko od lat 80-tych XX wieku, w Polsce wykonano ponad 4 500 otworów o głębokości większej niż 500 m, w tym ponad 3 500 otworów o głębokości powyżej 1 000 m. Możliwość likwidacji części udostępniającej złoże otworu poprzez wykonanie kombinacji korków cementowych i mechanicznych, potwierdzone odpowiednimi próbami szczelności, stwarza warunki umożliwiające pozyskanie ciepła górotworu. Autorzy zaznaczają, że do każdego otworu należy podejść indywidualnie, analizując warunki otworowo-złożowe, położenie geograficzne, oraz możliwość wykorzystania pozyskanego ciepła. Większość tych otworów wykonana była jako otwory poszukiwawcze lub eksploatacyjne za węglowodorami. Wśród ww. otworów, oprócz wspomnianych, wykonanych za węglowodorami, również są m.in. otwory badawcze, geologiczne, geotermalne. Otwory wykonywane były na terenie całej Polski, jednak najwięcej znajduje się na południu i zachodzie kraju. Generalnie w otworach na zachodzie Polski stwierdzano wyższy stopień geotermalny i te odwierty powinny być poddane badaniom w pierwszej kolejności. W artykule przedstawiono różne warianty końcowego wyposażenia odwiertów geotermalnych jak i głębokich otworowych wymienników ciepła. Dla otworów geotermalnych przedstawiono m in. warianty z rurami kompozytowymi z włóknami szklanymi jak i stalowymi, jako kolumny eksploatacyjne z możliwością ich wymiany po kilkunastu latach. Dla wymienników ciepła przedstawiono wariant końcowego wyposażenia z wykorzystaniem rur próżniowych VIT (vacuum insulated tubing), które mają na celu zminimalizowanie wymiany ciepła pomiędzy płynem zatłaczanym, o niskiej temperaturze, a płynem odbieranym o podwyższonej temperaturze. Opisano wariant z zapuszczonymi dwoma kolumnami rur, pomiędzy którymi jako izolacja znajduje się azot o obniżonym ciśnieniu, dzięki zastosowaniu pompy próżniowej. Opisana została technologia zastosowania powyższych metod. Przedstawiono zagrożenia, jakie mogą wystąpić podczas końcowego wyposażania otworu oraz zalety i wady poszczególnych metod. Autorzy skupili się głównie na otworowych wymiennikach ciepła, w których nie wykorzystuje się płynu złożowego, lecz tworzy się zamknięty układ cyrkulacyjny. W układzie takim płyn roboczy (nośnik ciepła) tłoczony jest z powierzchni terenu w głąb otworu przestrzenią pierścieniową, gdzie ciecz się ogrzewa. Następnie ogrzany płyn transportowany jest na powierzchnię wnętrzem kolumny wewnętrznej (izolującej termicznie). Ciepło zawarte w płynie może być odebrane bezpośrednio lub za pośrednictwem pompy ciepła i wykorzystane do ogrzania różnego typu odbiorców. Pozyskiwanie ciepła z górotworu jest dość drogie biorąc pod uwagę koszt wiercenia otworu. Dlatego odwierty już wykonane, przed decyzją o ich likwidacji powinny zostać rozpatrzone pod względem możliwości wykorzystania do produkcji wód geotermalnych lub w formie otworowych wymienników ciepła.

EN

The article presents the possibilities of adapting the existing negative, liquidated or exploited boreholes for obtaining heat from the rock mass. Considering the number of boreholes drilled in Poland, their geographical location, often in the urbanized area of communes, towns or cities or in a short distance from them, the idea of developing such boreholes and using the rock mass heat was born. The paper shows that, counting only from the 1980s, over 4,500 boreholes with a depth of more than 500 m have been drilled in Poland, including over 3,500 boreholes with a depth of over 1,000 m. Combination of cement and mechanical plugs, confirmed by appropriate tightness tests, creates conditions enabling the extraction of heat from the rock mass. The authors point out that each borehole should be approached individually, analyzing the borehole and reservoir conditions, geographical location, and the possibility of using the obtained heat. Most of these wells were drilled as exploration or production wells for hydrocarbons. Among the above holes, apart from the ones already mentioned, made behind hydrocarbons, are also e.g. research, geological and geothermal wells. Holes were made all over Poland, but most of them are located in the south and west of the country. Generally, in the wells in the west of Poland, a higher geothermal gradient was found and these wells should be tested first. The article presents various variants of the final equipment of geothermal boreholes and deep borehole heat exchangers. For geothermal wells, e.g. variants with composite pipes with glass and steel fibers, as operational columns with the possibility of replacing them after several years. For heat exchangers, a variant of the final equipment with the use of VIT (Vacuum Insulated Tubing) vacuum tubes was presented, which are designed to minimize heat exchange between the injected fluid at low temperature and the received fluid at elevated temperature. A variant with two columns of pipes, between which nitrogen with reduced pressure is placed as insulation, thanks to the use of a vacuum pump, is described. The technology of applying the above methods has been described. Threats that may occur during the final equipment of the borehole are presented. The advantages and disadvantages of each method are presented. The authors focused mainly on borehole heat exchangers, in which formation fluid is not used, but a closed circulation system is created. In such a system, the working fluid (heat carrier) is pumped from the ground surface into the hole through the annular space, where the fluid is heated. Then the carrier is transported to the surface inside the inner (thermally insulating) column. There, the heat contained in the fluid can be collected directly or via a heat pump and used to heat various types of recipients. Obtaining heat from the rock mass is quite expensive considering the cost of drilling the hole. Therefore, boreholes that have already been drilled should be considered in terms of the possibility of using them for the production of geothermal waters or in the form of borehole heat exchangers before the decision to liquidate them.

Słowa kluczowe

PL

geotermia; odnawialne źródła energii; otwory geotermalne

EN

geothermal; renewable energy sources; geothermal vents

• Wydawca: Stowarzyszenie Naukowo-Techniczne Inżynierów i Techników Przemysłu Naftowego i Gazowniczego
• Czasopismo: Wiadomości Naftowe i Gazownicze
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 26, Nr 1 (287)
• Strony: 4--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wolan Marian

• PKN Orlen Grupa PGNiG
• Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, AGH, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

autor

Śliwa Tomasz

• Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Laboratorium Geoenergetyki

autor

Dziadzio Piotr

• Ministerstwo Klimatu i Środowiska w Warszawie
• Instytut Nafty i Gazu Państwowy Instytut Badawczy, Kraków, ul. Lubicz 25a, 31-503 Kraków

Bibliografia

• 1. Carlsson H., (1978), A pilot heater test in the Stripa granite. Technical Project Report No. 6. Swedish – American Cooperative Program on Radioactive Waste Storage in Mined Caverns in Crystalline Rock
• 2.Deerman J.D., Kavanaugh S.P., (1991),Simulation of Vertical U-Tube Ground-Coupled Heat Pump Systems Using the Cylindrical Heat Source Solution. ASHRAE Transactions 1991, Vol. 97 (1), pp. 287-295.ECKHART F. (1991). Grouting procedures for Ground-Source Heat Pump Systems. International Ground Source Heat Pump Association, 101 Industrial Building, Stillwater, Oklahoma 74078, USA
• 3. Dziadzio P., Śliwa T., Kępińska B., Kotyła S., Sapińska-Śliwa A., Gonet A., Głęboki otworowy wymiennik ciepła na bazie otworu wiertniczego Sękowa GT-1, VII ogólnopolski kongres geotermalny, 28–30 IX 2021, książka rozszerzonych abstraktów, red. A. Kasztelewicz, Polskie Stowarzyszenie Geotermiczne, Kraków, 2021, s. 179-182
• 4. Dziadzio P., Śliwa T., Kotyła S., Szczytowski M., Wolan M., Głęboki otworowy wymiennik ciepła w Sękowej - koncepcja innowacyjnej instalacji otworowej – pilotaż, Otwory wiertnicze istotny element przekształceń energetycznych, I Seminarium “Geoenergetyka i geotermalne pompy ciepła” na temat Górnictwo otworowe w rewolucji energetycznej, Kraków, 7–8 września 2021 r., zeszyt streszczeń, red. Tomasz Śliwa, Kraków, Wydawnictwo Laboratorium Geoenergetyki AGH, Fundacja “Wiertnictwo-Nafta-Gaz, Nauka i Tradycje”, 2021, p. 7
• 5. Fridleifsson G. Ó. (ed.), Iceland Deep Drilling Project - Feasibility Report, 2003
• 6. Gonet A., Śliwa T., Jezuit Z., Sapińska-Śliwa A., Knez D., Koncepcja wykorzystania odwiertów naftowych w Karpatach (Concep-tion of oil wells utilization in Carpathians), Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 27, z. 4, 2010, pp. 773-780
• 7. Sapińska-Śliwa A., Rosen M.A., Gonet A., Śliwa T. (2015), Deep borehole heat exchangers - a conceptual review, World Geothermal Congress : views from down
• 8. Sapińska-Śliwa A., Wiglusz T., Kruszewski M., Śliwa T., Kowalski T., Wiercenia geotermalne: techniki oraz zagadnienia poboczne: monografia (Geothermal drilling : techniques and side aspects), red. Aneta Sapińska-Śliwa, Fundacja Wiertnictwo-Nafta-Gaz, Nauka i Tradycje; Laboratorium Geoenergetyki, Kraków 2017, 174 s.(Laboratory of Geoenergetics Book Series ; vol. 3).
• 9. Śliwa T. (2012), Badania podziemnego magazynowania ciepła za pomocą kolektorów słonecznych i wymienników otworowych (Research on underground thermal energy storage by use solar collectors and borehole heat exchangers), Wydawnictwa AGH, Kraków, s. 272
• 10. Śliwa T., Analysis of a heat pump system based on borehole heat exchangers for a swimming pool complex in Krynica, S-Poland; Geothermal Training in Iceland; Reports of the United Nations University Geothermal Training Programme, Reykiavik, 1999, pp. 357-383.
• 11. Śliwa T., Gonet A., (2006), Koncepcja wykorzystania likwidowanych odwiertów złoża Turaszówka do pozyskiwania ciepła na ogrzewanie krytej pływalni (Concept of making use of closed wells in field Turaszówka for heat recovery and heating an indoor swimming pool), Wiertnictwo Nafta Gaz, R. 23/1, pp. 469–475
• 12.Śliwa T., Gonet A., Grasela A., (2006), The wells of the Lipinki oil field in the aspect of borehole heat exchangers retrained, Acta Montanistica Slovaca, R. 11, The Faculty of Mining, Ecology, Process Control and Geotechnologies (F BERG) [etc.]. - Kosice: F BERG, pp. 178-182
• 13. Śliwa T., Gonet A., Sapińska-Śliwa A., Knez D., Jezuit Z. (2015), Applicability of borehole R-1 as BHE for heating of a gas well, World Geothermal Congress : views from down under – geothermal in perspective, 19–24 April 2015, Australia - New Zealand, proceedings ed. Roland Horne, Toni Boyd, International Geothermal Association, pp. 1-10 Sapińska-Śliwa A., Rosen M.A., Gonet A., Śliwa T., Deep borehole heat exchangers- a conceptual and comparative review, International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 2016 vol. 24 iss. 1 art. no. 1630001, s. 1–15
• 14. Śliwa T., Gonet A., Sapińska-Śliwa A., Kruszewski M., Otworowe wymienniki ciepła - polska specjalność (?) ([Borehole heat exchangers - Polish specialty (?)), Wiadomości Naftowe i Gazownicze, 2019b, 22 nr 9, p. 28–29
• 15.Śliwa T., Gonet A., Sapińska-Śliwa A., Kruszewski M., Otworowe wymienniki ciepła - polska specjalność (?) (Borehole heat exchangers - Polish specialty (?)), Wiadomości Naftowe i Gazownicze, 2019, 22 nr 9, p. 28–29
• 16.Śliwa T., Gonet A., Stryczek S., Oleksy B., Munia J., Sposób adaptacji otworu wiertniczego na otworowy wymiennik ciepła, (Method of adapting a bore-hole to installation of a bore–hole–mounted heat exchanger), Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo S. A. w Warszawie Oddział Sanocki Zakład Górnictwa Nafty i Gazu w Sanoku, Int.Cl.: E21B 36/00 {(2006.01)}. Polska, Opis patentowy PL 192722 B1, Zgłosz. nr 340067 z dn. 2000-05-08, Opubl. 2006-12-29, p. 3
• 17.Śliwa T., Jaszczur M., Kruszewski M., Sapińska-Śliwa A., Bieda A., Kowalski T., Złotkowski A., A study of hydraulic characteristic for borehole heat exchangers, AGH Drilling, Oil, Gas, 2017b, vol. 34 no. 1, s. 123–139
• 18.Śliwa T., Jezuit Z.(2007), Perspectives of use of low enthalpy geothermal energy in Lipinki Community, (Perspektívy vyuzitia geotermálnej energie s nízkou entalpiou v komunite Lipinki), Geotermálne vody – ich vyuzitie a zneškodnovanie (International Conference Geothermal waters - their use and disposal), zborník z konferencie s medzinárodnou účast›ou, Tatralandia, ed. Tatiana Simková, Ministerstvo zivotného prostredia SR [etc.], ISBN 978-80-89062-54-6, pp. 138–144
• 19.Śliwa T., Kotyza J. (2003), Application of existing wells as ground heat source for heat pumps in Poland, Applied Energy, vol. 74, Elsevier, pp. 3-8
• 20.Śliwa T., Kotyza J., Dobór optymalnego otworowego wymiennika ciepła w otworze Jachówka 2K do głębokości 2870 m (Selection of optimal construction of borehole heat exchangers based on Jachówka 2K well to a depth 2870 m), Metodyka i technologia uzyskiwania użytecznej energii geotermicznej z pojedynczego otworu wiertniczego (Methodology and technology of obtaining usable energy from a single geothermal borehole), publikacja opracowana przez Zespół pod kierunkiem J. Sokołowskiego w ramach Umowy zawartej między Gminą Sucha Beskidzka i Polgeotermią Sp. z o.o. a KBN Nr 2523/C.T10-8/99 na realizację projektu celowego Nr 8T10B049 98C/3844, Kraków, 2000 S. 251–284
• 21.Śliwa T., Kowalski T., Kruszewski M., Konstrukcje otworów geotermalnych w Polsce (Geothermal wells construction in Poland), Wiadomości Naftowe i Gazownicze 2019 a, 22 nr 2, s. 15
• 22. Śliwa T., Kruszewski M., Assadi M., Sapińska-Śliwa A., The application of vacuum insulated tubing in deep borehole heat exchangers, AGH Drilling, Oil, Gas, 2017c vol. 34 no. 2, p. 597–617
• 23.Śliwa T., Kruszewski M., Zare A., Assadi M., Sapińska-Śliwa A., Potential application of vacuum insulated tubing for deep borehole heat exchangers, Geothermics, 2018, vol. 75, pp. 58–67
• 24.Śliwa T., Nowosiad T., Vytyaz O., Sapińska-Śliwa A., Study on the efficiency of deep borehole heat exchangers, SOCAR Proceedings,2016 no. 2, s. 29–42
• 25. Śliwa T., Nycz P. (2009), Możliwości pozyskiwania ciepła skał za pośrednictwem odwiertów naftowych w Karpatach (Possibility of heat exploitation from rocks utilizing oil boreholes in Carpathians), II Ogólnopolski kongres geotermalny (Dokument elektroniczny), 23–25 wrzesień, Bukowina Tatrzańska, PSG, KSE, Państwowy Instytut Geologiczny, pp. 1-11
• 26. Śliwa T., Nycz P.(2010), Analiza potencjalnych możliwości pozyskiwania ciepła skał z karpackich odwiertów naftowych (Analysis of potential possibility the heat extraction from rocks using oil wells in Carpathian Mountain), Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia Zrównoważony rozwój, R. 49, z. 1-2, pp. 119-131 27.Śliwa T., Rosen M.A., Jezuit Z. (2013), Use of oil boreholes in the Carpathian in geoenergetic systems: historical and conceptual review, Proceedings, Conference on “Sustainable development of energy, water and environment systems”, eds. Marko Ban et al., September 22-27 2013, Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Dubrovnik, Croatia 2013, s. 0762-1-0762-12
• 27. Śliwa T., Sapińska-Śliwa A., Deep borehole heat exchangers and geoenergetics – review based on Polish experiences and research, 16textsuperscript{th} SDEWES conference Dubrovnik 2021 [Dokument elektroniczny] : conference on Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems: October 10-17, 2021, Dubrovnik, Croatia: book of abstracts / ed. by Marko Ban, [et al.]. - Zagreb: Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, [2021]. - S. 613
• 28.Śliwa T., Sapińska-Śliwa A., Kotyła S., Głębokie otworowe wymienniki ciepła, Otwory wiertnicze istotny element przekształceń energetycznych, I Seminarium “Geoenergetyka i geotermalne pompy ciepła” na temat Górnictwo otworowe w rewolucji energetycznej, Kraków, 7-8 września 2021 r., Zeszyt streszczeń, red. Tomasz Śliwa, Kraków, Wydawnictwo Laboratorium Geoenergetyki AGH, Fundacja “Wiertnictwo-Nafta-Gaz, Nauka i Tradycje”, 2021, p. 8
• 29. Śliwa T., Szura M., Gonet A., Sapińska-Śliwa A. (2012), Hydraulic fracturing in systems of geothermal energy utilization (EGS, HDR), AGH Drilling Oil Gas, vol. 29/3, pp. 433-437
• 30.Śliwa T., Techniczno-ekonomiczne problem adaptacji wykorzystanych odwiertów na otworowe wymienniki ciepła, Technical and economic problems of adaptation used wells into borehole heat exchangers, PhD thesis, AGH University of Science and Technology in Krakow, Krakow 2002 (in polish), s. 132
• 31. Śliwa T., Wolan M., Mazur Ch., Adaptacja istniejących i zlikwidowanych odwiertów na głębokie otworowe wymienniki ciepła. Technologia wykonania końcowego wyposażenia otworu do pozyskiwania ciepła z górotworu. VII Ogólnopolski Kongres Geotermalny 30.09.2021
• 32. Śliwa T., Wybrane systemy geotermalne w aspekcie warunków geologicznych (Chosen geotermic systems in aspect of geology), Zeszyty Naukowe AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, tom 15, Kraków, 1998, pp. 199-208
• 33. Śliwa T., Wybrane systemy geotermalne w skałach suchych (Chosen geothermal systems in dry rocks), Konferencja Naukowa „Aktualny stan i perspektywy rozwoju górnictwa w aspekcie ochrony środowiska” (Conference on Current state and development prospects of mining in the aspect of environmental protection, proceedings). 13-14 maja 1996 r., Dniepropietrowsk, Dnipropetrovsk, Ukraine, S. 307–312, 1996
• 34.Śliwa Tomasz (2005), Otworowe wymienniki ciepła: prace geoinżynieryjne w pozyskiwaniu i magazynowaniu ciepła (Borehole heat exchangers: geoengineering in heat extraction and storage), Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne: inżynieria sanitarna, geoinżynieria, tunelowanie, górnictwo, hydrotechnika, drogi, mosty, nr 3, pp. 42-44 artykuł w czasopiśmie
• 35.Śliwa Tomasz, Andrzej Gonet (2004), The closing wells as heat source, Acta Montanistica Slovaca, R. 9, vol. 3, pp. 300–302 36.Śliwa Tomasz, Andrzej Gonet (2005), Theoretical model of borehole heat exchanger, Journal of Energy Resources Technology, vol. 127 no. 2, pp. 142–148
• 36.Śliwa Tomasz, Andrzej Gonet (2005), Theoretical model of borehole heat exchanger, Journal of Energy Resources Technology, vol. 127 no. 2, pp. 142–148
• 37. Szekszárdi A., Békési E., Tóth K., Sulyok I., Gáti M., WeHEAT SYSTEMS: a sustainable closed loop heating technology in the field of geothermal energy, European Geothermal Congress 2022 Berlin, Germany, 17-21 October 2022
• 38. Szewczyk J., Geofizyczne oraz hydrogeologiczne warunki pozyskiwania energii geotermicznej w Polsce, , Przegląd Geologiczny, Vol. 58, nr 7, p. 566-573, 2010
• 39. Wolan M., Mazur Ch., Śliwa T., Innowacyjne wgłębne wyposażenie głębokich otworowych wymienników ciepła na przykładzie otworu Sękowa GT-1, Otwory wiertnicze istotny element przekształceń energetycznych, I Seminarium „Geoenergetyka i geotermalne pompy ciepła” na temat Górnictwo otworowe w rewolucji energetycznej, Kraków, 7–8 września 2021 r., zeszyt streszczeń, red. Tomasz Śliwa, Kraków, Wydawnictwo Laboratorium Geoenergetyki AGH, Fundacja „Wiertnictwo-Nafta-Gaz, Nauka i Tradycje”, 2021, p. 9

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).