Możliwości wdrożenia systemów grzewczych wykorzystujących energię wód geotermalnych

Transkrypt

1 59 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 1 (86) 2018, s Możliwości wdrożenia systemów grzewczych wykorzystujących energię wód geotermalnych Karol WOJCIECHOWSKI 1), Aneta BARAŃSKA-BUSLIK 1), Magdalena KRÓL 1) 1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław k.wojciechowski@cuprum.wroc.pl Streszczenie W artykule omówiono trendy wykorzystania energii wód geotermalnych w różnych branżach przemysłowych. Identyfikowane możliwości odniesiono do problemów i struktury sektora ciepłownictwa w Polsce. Szerzej przedstawiono potencjał aplikacyjny źródeł geotermalnych do zastosowań w ogrzewnictwie powierzchni szklarniowych w Polsce. Wyznaczono zależność potencjalnej powierzchni szklarni, której źródłem ciepła byłaby jedynie geotermia, od parametrów energetycznych temperatury i wydajności ujęcia. Odnosząc się do możliwości aplikacyjnych, przeanalizowano aktualną sytuację prawną w zakresie realizacji inwestycji geotermalnych Słowa kluczowe: geotermia, OZE, ogrzewanie szklarni, uregulowania prawne The possibilities of energy from geothermal waters application Abstract In the article global trends in the usage of geothermal energy in various industrial sectors were discussed. The identified possibilities were referred to the problems and structure of the heating sector in Poland. As promising application the potential of geothermal energy for greenhouses heating in Poland was presented. The dependence of surface of the greenhouse, whose source of heat would only be geothermal, on the energy parameters temperature and discharge of the intake was determined. According to the application possibilities, the current legal situation regarding the implementation of geothermal investments was analysed. Key words: geothermal energy, RES, greenhouses heating, legal regulations Wprowadzenie Problem, który muszą rozwiązać państwa Unii Europejskiej, opisano w pierwszym punkcie Dyrektywy Parlamentu Europejskiego w sprawie efektywności energetycznej [2]: Unia stoi w obliczu niespotykanych dotąd wyzwań, wynikających z rosnącego uzależnienia od importu energii i ograniczonych zasobów energetycznych, a także konieczności ograniczenia zmiany klimatu i przezwyciężenia kryzysu gospodarczego. Efektywność energetyczna jest jednym z najlepszych sposobów sprostania tym wyzwaniom. Zwiększa ona poziom bezpieczeństwa dostaw energii Unii poprzez

2 60 obniżanie zużycia energii pierwotnej oraz ograniczanie importu energii. Przyczynia się do obniżania w sposób opłacalny emisji gazów cieplarnianych, a tym samym do łagodzenia skutków zmiany klimatu. Przestawienie się na bardziej efektywną energetycznie gospodarkę powinno również doprowadzić do szybszej popularyzacji innowacyjnych rozwiązań technologicznych oraz poprawy konkurencyjności przemysłu w Unii, pobudzenia wzrostu gospodarczego i tworzenia wysokiej jakości miejsc pracy w sektorach związanych z efektywnością energetyczną. Zobowiązania, które przyjęła na siebie Polska (poczynając od protokołu w Kioto), przekładają się na zmianę i stopniową optymalizację rodzimego sektora energetycznego. Ponadto, w związku ze złą jakością powietrza, zainteresowanie opinii publicznej skupiło się na problemach z niską emisją, która jest związana przede wszystkim z korzystaniem z przestarzałych kotłów i pieców oraz wykorzystywaniem złej jakości paliw do celów ogrzewnictwa. Dodając do aspektów środowiskowych aspekty ekonomiczne (tj. trudności rynkowe w dostępie do paliwa), zrozumiałe jest poszukiwanie bezpieczniejszych alternatyw przez producentów i dużych odbiorców ciepła. Jednym z rozwiązań, proponowanych przez państwo, jest naturalne ciepło, pochodzące z głębi Ziemi, którego zagospodarowanie wpisane zostało do rządowej Strategii na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju oraz do projektu Polityka Surowcowa Państwa. Geotermia na terenie Europy zaspokaja głównie potrzeby ciepłownicze, natomiast występujące temperatury wód podziemnych tylko w nielicznych regionach pozwalają na produkcję prądu elektrycznego. Stan rozpoznania zasobów geotermalnych dla naszego kraju podsumowuje Atlas wód geotermalnych na Niżu Polskim pod redakcją Wojciecha Góreckiego [3]. Warto wspomnieć, że nawet przy niewielkim stopniu rozpoznania, ok. 40% powierzchni kraju znajduje się na terenach perspektywicznych dla wykorzystania wód geotermalnych. 1. Charakterystyka dostawców ciepła Zaostrzona polityka emisyjna wiąże się z dodatkowymi kosztami i ograniczeniami dla większości rodzimych wytwórców ciepła. Muszą się oni liczyć z zakupem pakietów emisyjnych czy modernizacją swoich kotłowni. Z drugiej strony, ceny ich usług są regulowane przez Urząd Regulacji Energetyki (dalej: URE). Koncesjonowaniu i regulacji podlegają przedsiębiorstwa ciepłownicze o mocy cieplnej przekraczającej 5 MW, które zaopatrują łącznie ok. 50% obywateli Polski [7]. URE publikuje roczne raporty, dotyczące krajowej energetyki cieplnej, na podstawie których można określić podstawowe dane na temat sektora (tabela 1, rys. 1, rys. 2). Tabela 1. Potencjał koncesjonowanego ciepłownictwa w latach (źródło: [7]) Wyszczególnienie 2002 r r r. Dynamika 2016/2002 [%] Liczba koncesjonowanych przedsiębiorstw ciepłowniczych ,87 Moc zainstalowana w MW , , ,8 76,47 Moc zamówiona w MW , , ,7 86,33

3 61 Rys. 1. Struktura przedsiębiorstw ciepłowniczych według mocy zainstalowanej w źródłach ciepła w 2002 r. i 2016 r. Źródło: [7] Rys. 2. Struktura paliw zużywanych do produkcji ciepła w 2002 r. i 2016 r. Źródło: [7] Emisje z kotłów i innych stacjonarnych urządzeń technicznych o nominalnej mocy cieplnej do 5 MW, w których następuje proces spalania paliw, monitoruje natomiast Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami (dalej: KOBiZE). Rozwojowi sytuacji z zaniepokojeniem przyglądają się przedsiębiorcy, których działalność wykorzystuje ciepło własnych kotłowni węglowych, a jednym ze sposobów na odejście od paliw stałych jest dla nich geotermia. 2. Geotermia dla agrokultury Duży potencjał ciepłowniczy z geotermii w Polsce wymaga poszukiwania optymalnej gałęzi gospodarki, dla której dedykowane rozwiązania są w stanie wygenerować najwięcej korzyści. Na świecie struktura wykorzystania ciepła geotermalnego przedstawia się następująco (tabela 2):

4 62 Tabela 2. Struktura światowego, bezpośredniego wykorzystania ciepła z geotermii. Źródło: [6] Przeznaczenie 1995 r r r r. [ MW c ] Pompy ciepła Balneologia i rekreacja Ogrzewanie budynków Ogrzewanie upraw krytych Ogrzewanie stawów hodowlanych Procesy suszenia w agrokulturze Przemysł Odśnieżanie/naśnieżanie Inne Razem Światowe trendy mają cechy wspólne z trendami na rynku polskim. Ogromny wzrost znaczenia pomp ciepła spowodowany jest dynamicznym rozwojem tej branży. Nie bez znaczenia jest fakt, że pompy ciepła odgrywają ważną rolę w przypadku geotermii o niższych temperaturach niż wymagane w danym procesie. Na drugim miejscu znajduje się balneologia i baseny rekreacyjne, które są bezpośrednio zasilane wodą złożową. Na podobną skalę wykorzystuje się geotermię w celu ogrzewania budynków, co również obserwujemy na rodzimym rynku. Niestety takiej analogii nie odnajdujemy w zagospodarowaniu ciepła dla agrokultury. Stan ten musi ulec zmianie, zwłaszcza mając na uwadze skalę tej działalności w Polsce. Oczywiście z powodu warunków klimatycznych nie jesteśmy w stanie produkować tyle warzyw, ile zachodnie potęgi tej branży, jak Hiszpania, Włochy, czy Portugalia. Głównie uprawy pod osłonami gwarantują nam jednak np. siódme miejsce w UE wśród producentów pomidorów. Powierzchnia uprawy warzyw pod osłonami w kraju wynosi ponad 7700 hektarów (średnia wielkość gospodarstwa to 0,5 ha) i odpowiada za około 20% produkcji wszystkich warzyw (GUS 2016). Zdecydowana większość producentów ogrzewa swoje uprawy kotłami węglowymi, mając przy tym problemy z zakupem paliwa (jak np. w 2017 r.). Wykorzystanie geotermii w celu zaopatrzenia szklarni czy tuneli w ciepło powinno być priorytetem, istnieją jednak również inne, bardziej niszowe pomysły zastosowań, w głównym stopniu zależnych od temperatury wody geotermalnej (rys. 3).

5 63 Rys. 3. Zastosowanie w geotermii w zależności od temperatury źródła. Źródło: [9] 3. Rozwiązania geotermalne dla upraw pod osłonami Zbliżone do polskich parametry wód termalnych ma np. Holandia, gdzie na ogrzewanie szklarni przeznacza się ok. 2,1 mld dolarów i zużywa 2% całkowitej konsumpcji gazu ziemnego (wg freshfruitportal.com). Eksperci oceniają, że dzięki wykorzystaniu ciepła z wód termalnych uda się zredukować powyższe wartości o 50%. Z takich rozwiązań korzysta Islandia, gdzie ponad połowa istniejących powierzchni szklarni zasilana jest z geotermii [1]. Na efektywność pozyskiwania ciepła z geotermii główny wpływ ma wydajność ujęcia i jego temperatura (wpływają na moc źródła), jak również mineralizacja, która determinuje koszty eksploatacyjne i poziom skomplikowania instalacji. Planując wykorzystanie ciepła głębokich wód, należy uwzględnić potrzeby potencjalnego odbiorcy. Dla upraw szklarniowych okres grzewczy będzie mocno zróżnicowany. Dynamikę zmian zapotrzebowania na ciepło przedstawia rys. 4. Zebrane dane wskazują, że największa konsumpcja przypada na styczeń, luty i marzec. Grudzień często wiąże się z przerwą konserwacyjną i organizacyjną. W okresie wakacyjnym (czerwiec-wrzesień) zimne noce odpowiadają za ponad 10% całkowitego rocznego zapotrzebowania na dogrzewanie.

6 64 Rys. 4. Zapotrzebowanie w ciągu roku na ciepło dwóch typów szklarni (nr 1 nowsza o powierzchni 1,6 ha, nr 2 starsza, o powierzchni 1,5 ha). Źródło: [8] Stosownie do wniosków z przytoczonej pracy, jednostkowe zużycie ciepła (przy uprawie pomidorów) w szklarniach nowego typu wynosi 1,3 GJ m -2, zaś w szklarniach starszego typu 1,569 GJ m -2, co przekłada się na roczne zapotrzebowanie typowej szklarni (0,5 ha) na poziomie między 6500 GJ a 7845 GJ. Szczytowy miesiąc odpowiada za ok. 21% całkowitego zapotrzebowania, tj. odpowiednio 1365 GJ i 1647 GJ. Chcąc uzyskać takie same wartości ze źródła geotermalnego (P wy ), należy określić warunki, dla jakich spełnione będzie równanie: w którym: LF średni roczny współczynnik obciążenia ujęcia [w przedziale 0,1-1]; Q nominalna wydajność eksploatacyjna wody geotermalnej [m 3 /s]; ρ w gęstość wody geotermalnej [kg/m 3 ]; c w ciepło właściwe wody geotermalnej [J/kg C]; T temperatura eksploatowanej wody geotermalnej [ C]; T z temperatura wody geotermalnej po odebraniu jej ciepła [ C]. Przyjmując nominalną moc cieplną planowanej instalacji geotermalnej i zakładając stałe wartości dla gęstości i ciepła właściwego wydobywanej wody, wzór będzie wyglądał następująco: Wynik obliczeń dla nominalnej mocy (P) cieplnej zależy od wydajności eksploatacyjnej ujęcia (m 3 /h) i potencjalnego schłodzenia, jakie uda się przeprowadzić dzięki wymiennikom lub pompom ciepła. Na potrzeby rachunków przyjęto za Góreckim W. [3] jednostopniowe schładzanie wody jedynie do 25 C. Następnie na podstawie jednostkowego zużycia otrzymuje się energię potrzebną na ogrzanie żądanej powierzchni szklarni. Korzystając z obliczonej energii przedstawiono wymaganą temperaturę źródła przy zadanych wydajnościach, jaka jest niezbędna do zaspokojenia potrzeb (rys. 5).

7 65 Rys. 5. Wpływ temperatury i wydajności ujęcia na wielkość powierzchni szklarni, której źródłem ciepła byłaby jedynie geotermia. Źródło własne Z wykresu wynika, że do ogrzania standardowej szklarni (0,5 ha) wymagane jest ujęcie wody o temperaturze 34 o C przy wydajności 50 m 3 /h. Dla większych szklarni, np. powyżej 8 hektarów wymagane warunki geotermalne zostaną spełnione dla wód o temperaturze bliskiej 100 o C przy wydajności 100 m 3 /h, bądź o temperaturze 55 o C przy wydajności 250 m 3 /h. Zastrzec należy, że zasilanie pomp ciepła przy niewystarczających temperaturach wody pobiera energię elektryczną lub gaz w zależności od współczynnika efektywności pompy cieplnej. 4. Uregulowania prawne w zakresie realizacji inwestycji geotermalnych Zainteresowanie rozwojem geotermii w Polsce, choć stale rośnie, nie znajduje właściwego odzwierciedlenia w istniejących regulacjach prawnych. Zmiany wprowadzone w ostatnich latach w niektórych ustawach i aktach wykonawczych, choć cenne, nie tworzą spójnego systemu wspierającego realizację inwestycji w omawianym sektorze. Obecne zapisy normują jedynie kwestie związane z informacją geologiczną (obniżona stawka dla celów projektowych), koncesją (jednostopniowy system udzielania koncesji wyłącznie na eksploatację wód termalnych), postępowaniem koncesyjnym (skrócona procedura poprzez m.in. ograniczenie liczby podmiotów decyzyjnych) czy opłatą eksploatacyjną (zerowa stawka). Nie uwzględniają natomiast zagadnień, istotnych z punktu widzenia potencjalnych inwestorów.

8 66 Jak wskazują eksperci, konieczne jest objęcie produkcji ciepła na bazie geotermii systemem wsparcia podobnym do stosowanego dla innych źródeł OZE na przykład wprowadzenie zielonych certyfikatów lub systemu aukcyjnego. Równie ważną sprawą jest utworzenie systemu wsparcia finansowego, w celu zniesienia barier w ramach kosztów oraz ryzyka krótko- i długoterminowego, występującego odpowiednio na etapie poszukiwawczym i eksploatacyjnym poprzez powołanie funduszu ubezpieczenia ryzyka geologicznego. Ponadto proponuje się wprowadzenie obowiązku przyłączania instalacji geotermalnych do sieci ciepłowniczych na obiegu powrotnym oraz zapewnienie operatorom ciepłowni geotermalnych możliwości stosowania taryf, bazujących na cenach referencyjnych. Powodzenie przedsięwzięcia geotermalnego w dużej mierze uzależnione jest od parametrów termicznych wód podziemnych i wydajności źródła. Dlatego najważniejszym elementem procesu inwestycyjnego jest etap prac poszukiwawczych, prowadzonych w oparciu o dostępną informację geologiczną. W świetle obowiązującego prawa woda podziemna, która na wypływie z ujęcia ma temperaturę minimum 20 o C, stanowi wodę termalną. Ustawodawca umieścił ją w grupie kopalin objętych własnością górniczą. Zasady i warunki gospodarczego wykorzystania wód termalnych w zakresie pozyskiwania ciepła regulują przepisy zawarte w poszczególnych aktach prawnych i wykonawczych, przy czym zakres ich stosowania należy odnieść do celu, jaki zamierza osiągnąć przedsiębiorca, oraz wynikających z tego prac przewidzianych do realizacji w ramach planowanej inwestycji. Zatem przyjmuje się, że ścieżka postępowania formalnoprawnego dla realizacji przedsięwzięcia geotermalnego nie ma charakteru zamkniętego, gdyż w każdym przypadku powinna być ustalana indywidualnie, w zależności od aktualnej sytuacji faktycznej inwestora oraz aktualnego stanu prawnego. Na etapie poszukiwania, rozpoznawania i udokumentowania zasobów wód termalnych wytyczne niezbędne dla ustalenia właściwej procedury znajdują się m.in. w: Ustawie z dnia 2 lipca 2004 r. o swobodzie działalności gospodarczej (DzU 2017, poz. 2168); Ustawie z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (DzU 2017, poz. 2126); Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów robót geologicznych, w tym robót, których wykonywanie wymaga uzyskania koncesji (DzU 2011, nr 288 poz. 1696); Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2016 r. w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej (DzU 2016, nr 0, poz. 2033); Ustawie z dnia 20 lipca 2017 r. Prawo wodne (DzU 2017, poz. 1566); Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 8 grudnia 2017 r. w sprawie planów ruchu zakładów górniczych (DzU 2017, poz. 2293). Natomiast działalność związana z eksploatacją wód termalnych i wytwarzaniem ciepła wymaga stosowania przepisów: Ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (DzU 2017, poz. 519); Ustawy z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (DzU 2017, poz. 1148);

9 67 Rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2010 r. w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko (DzU 2016, poz. 71); Ustawy z dnia 3 października 2008 r. o udostępnianiu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko (DzU 2017, poz. 1405); Ustawa z dnia 27 marca 2003 r. o planowaniu zagospodarowaniu przestrzennym (DzU 2017, poz. 1073); Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 28 kwietnia 2004 r. w sprawie zakresu projektu studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego gminy (DzU 2004, nr 118 poz. 1233); Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 26 sierpnia 2003 r. w sprawie wymaganego zakresu projektu miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego (DzU 2003, nr 164 poz. 1587); Ustawy z dnia 3 lutego 1995 r. o ochronie gruntów rolnych i leśnych (DzU 2017, poz. 1161); Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów zagospodarowania złóż (DzU 2012, poz. 511); Ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU 2017, poz. 1332); Rozporządzenia Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 24 sierpnia 2016 r. w sprawie wzorów: wniosku o pozwolenie na budowę lub rozbiórkę, zgłoszenia budowy i przebudowy budynku mieszkalnego jednorodzinnego, oświadczenia o posiadanym prawie do dysponowania nieruchomością na cele budowlane oraz decyzji o pozwoleniu na budowę lub rozbiórkę (DzU 2016, poz. 1493); Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 15 listopada 2011 r. w sprawie operatu ewidencyjnego oraz wzorów informacji o zmianach zasobów złoża kopaliny (DzU 2011, nr 262, poz. 1568); Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (DzU 2017, poz. 220). Powyższe zestawienie jednoznacznie pokazuje, jak wiele jest jeszcze do zrobienia w kwestii stworzenia spójnego, a jednocześnie jasnego i efektywnego systemu, który będzie wspierał rozwój geotermii w Polsce. Kluczową rolę w tym zadaniu odgrywa środowisko branżowe identyfikujące problemy i proponujące konkretne rozwiązania oraz legislator, jako podmiot odpowiedzialny za ustanowienie nowego prawa. Podsumowanie Wykorzystanie energii geotermalnej do produkcji ciepła i elektryczności należy rozpatrywać w kategoriach innowacyjności, prowadząc projekty badawczo- -rozpoznawcze, rozwijając wiedzę dotyczącą budowy geologicznej i zyskując doświadczenie nie tylko w zakresie techniki wiertniczej, ale również w zakresie inwestycji w rozwój sieci ciepłowniczej. Szacuje się, że udział energii geotermalnej w całkowitym zużyciu energii w Polsce i na świecie będzie dynamicznie wzrastać [4, 5]. Energia ta, wydaje się być zorientowana na miarę potrzeb polskich upraw pod osłonami, ponieważ temperatury wymagane do ogrzania szklarni są osiągalne na

10 68 rozległym obszarze kraju. Podobną szansę chcą wykorzystać kraje zachodnie, jak np. Islandia, która wysyła do Wielkiej Brytanii pomidory z metką geothermal tomatoes. Elementem niezbędnym do wsparcia rozwoju tego sektora jest zmiana statusu prawnego obowiązującego w Polsce, tak by nie przyczyniał się do spowalniania czy też zahamowywania realizacji inwestycji geotermalnych. Dlatego przy tworzeniu systemu wsparcia warto wzorować się na doświadczeniu środowiska branżowego i dobrych praktykach wypracowanych w innych krajach będących w czołówce pod względem stosowania geotermii (m.in. Islandia, Niemcy, Francja, Węgry, Włochy, Turcja). Bibliografia [1] Drabik A., Sowiżdżał A., Tomaszewska B, 2016, Doświadczenia Islandii w zakresie wykorzystania niskotemperaturowych zasobów energii geotermalnej,, Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia, Zrównoważony Rozwój nr 1/2016. [2] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE z dnia 25 października 2012 r. w sprawie efektywności energetycznej, zmiany dyrektyw 2009/125/WE i 2010/30/UE oraz uchylenia dyrektyw 2004/8/WE i 2006/32/WE. [3] Górecki W., 2006, Atlas zasobów geotermalnych formacji mezozoicznej na niżu polskim, AGH, Kraków. [4] Kapuściński J., Rodzoch A., 2010, Geotermia niskotemperaturowa w Polsce i na świecie. Stan aktualny i perspektywy rozwoju. Uwarunkowania techniczne, środowiskowe i ekonomiczne, Wyd. Borgis, Warszawa. [5] Kępińska B., 2013, Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce, , Technika Poszukiwań Geologicznych, Geotermia, Zrównoważony Rozwój nr 1/2013. [6] Lund, J.W., Freeston, D.H. & Boyd, T.L., 2011, Direct utilization of geothermal Energy 2010 worldwide review, Geothermics, 40(13): [7] Raport Prezesa Urząd Regulacji Energetyki Energetyka cieplna w liczbach [8] Rutkowski K., 2008, Analiza energetyczna wybranych typów szklarni, Inżynieria Rolnicza 9 (107)/2008). [9] Van Nguyen M., Arason S., Gissurarson M., Pálsson, P.G., 2015, Uses of geothermal energy in food and agriculture Opportunities for developing countries, Rome, FAO.