MODELOWANIE WARUNKÓW HYDROGEOTERMALNYCH W REJONIE MIASTA CHOCIWEL

MODELE MATEMATYCZNE W HYDROGEOLOGII pod redakcją Arkadiusza Krawca i Izabeli Jamorskiej Toruń 2014 MODELOWANIE WARUNKÓW HYDROGEOTERMALNYCH W REJONIE MIASTA CHOCIWEL Wiesław Bujakowski, Barbara Tomaszewska, Maciej Miecznik, Leszek Pająk, Antoni P. Barbacki, Robert Skrzypczak Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, ul. Wybickiego 7, 31-261 Kraków, e-mail: buwi@min-pan.krakow.pl; tomaszewska@min-pan.krakow.pl; miecznik@min-pan.krakow.pl; pajak@min-pan.krakow.pl; barbacki@min-pan.krakow.pl; robskrzy@min-pan.krakow.pl Wprowadzenie Zasoby energii geotermalnej zostały w naszym kraju dotychczas zagospodarowane w sposób bezpośredni w ciepłownictwie, rekreacji oraz balneologii (Bujakowski, 2010; Kępińska, 2013). Występowanie wód o temperaturze ok. 90 C lub wyŝszej (do ok. 150 C) stwarza moŝliwość wykorzystania energii cieplnej wód geotermalnych do konwersji w energię elektryczną w układach binarnych typu ORC (ang. Organic Rankine Cycle). Siłownia binarna typu ORC to system wytwarzający energię elektryczną, działający dzięki wykorzystaniu entalpii dwóch róŝnych płynów oddzielonych od siebie (niemieszających się). Płyn dostarczający energię (woda geotermalna) doprowadza do odparowania niskowrzącego czynnika roboczego, którego para o wysokim ciśnieniu napędza turbinę. Turbina napędza wał generatora produkującego energię elektryczną. Wykorzystanie energii wód termalnych w kogeneracji (wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej) zwiększa w znacznym stopniu opłacalność finansową przedsięwzięcia (Pająk, Bujakowski, 2013). Jednym z najbardziej perspektywicznych zbiorników geotermalnych pod kątem wykorzystania wód geotermalnych w celach energetycznych jest formacja jury dolnej w obrębie niecki szczecińskiej (Górecki, 2006; SowiŜdŜał, 2009). Wysokie wydajności z odwiertów oraz temperatury przekraczające 90 C stwarzają moŝliwość zastosowania układów binarnych w celu wytwarzania energii elektrycznej. Wstępna ocena warunków hydrogeotermalnych panujących w niecce szczecińskiej pozwoliła na wytypowanie rejonu miasta Chociwel (3,5 tys. 207

W. Bujakowski, B. Tomaszewska, M. Miecznik, L. Pająk, A.P. Barbacki, R. Skrzypczak mieszkańców, powiat stargardzki) jako obszaru perspektywicznego pod kątem wykorzystania wód termalnych w energetyce. 1. Koncepcyjny model geologiczny i parametry hydrogeotermalne Strefa Chociwla jest częścią niecki szczecińskiej jednej z głównych jednostek strukturalnych Polski. Cechsztyńsko-mezozoiczny kompleks osadowy niecki kształtowały zróŝnicowane ruchy pionowe bloków podłoŝa podcechsztyńskiego, głównie wzdłuŝ wgłębnych płaszczyzn nieciągłości tektonicznych. Ruchy te, na ogół powolne i długotrwałe, powodowały zmiany tempa i rodzaju sedymentacji, wyraŝające się zmiennymi miąŝszościami osadów, występowaniem utworów róŝnych facji oraz powstawaniem powierzchni erozyjnych. Drugim równie waŝnym czynnikiem kształtującym budowę tektoniczną niecki szczecińskiej były poziome i pionowe przemieszczenia soli cechsztyńskich, które począwszy od górnego triasu, zachodziły z niewielkimi przerwami praktycznie przez cały czas sedymentacji kompleksu mezozoicznego. W strefie Chociwla poduszka solna związana ze słupem solnym Ińska wypiętrza utwory mezozoiczne. W modelowanym obszarze Chociwla odwiercono cztery otwory nawiercające lub przebijające jurę dolną: Chociwel 2, Chociwel 3, Chociwel IG-1 oraz Oświno IG-1 (rys. 1). Strop utworów jury dolnej występuje w rejonie Chociwla na rzędnej od 1900 m n.p.m. na zachodzie do 2500 m n.p.m. na wschodzie (rys. 1). MiąŜszość utworów jury dolnej wzrasta od poniŝej 350 m na południu do ponad 650 m na północy. Wartość gęstości strumienia cieplnego szacowana jest w strefie Chociwla na 72 77 mw/m 2 (Szewczyk, Gientka, 2009), natomiast średni gradient na 3,12 C/100 m. Temperatura wody w osiowej części niecki, w partii stropowej, osiąga prawie 90 C (w otworze Chociwel 3 89 C). Uwzględniając gradient oraz miąŝszość jury dolnej rzędu 450 m, w spągowej partii zbiornika w warstwach mechowskich temperatura moŝe przekraczać 95 C. Mineralizacja wody w strefie Chociwla kształtuje się na poziomie od poniŝej 100 g/dm 3 na SW do powyŝej 125 g/dm 3 na NE. Wśród utworów dolnojurajskich najlepsze parametry zbiornikowe mają piaszczyste warstwy mechowskie (hetang-synemur dolny) zalegające w spągowej części zbiornika, a nieco gorsze piaszczyste warstwy radowskie (synemur górny), zawierające przewarstwienia utworów słabo przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych, wykształconych w postaci mułowców i iłowców. W strefie Chociwla współczynnik filtracji utworów dolnojurajskich wynosi od ok. 3,5 10 2 m/s do ok. 4 10 2 m/s, natomiast przewodność hydrauliczna wynosi od 1,0 10 2 m 2 /s do 2,25 10 2 m 2 /s, wzrastając ku NW (SowiŜdŜał, 2009). Korzystne parametry zbiornikowe przekładają się na wysokie wartości potencjalnych wydajności otworów, które w strefie Chociwla mogą przekraczać 250 m 3 /h (Górecki, 2006; SowiŜdŜał, 2009). 208

MODELOWANIE WARUNKÓW HYDROGEOTERMALNYCH W REJONIE MIASTA CHOCIWEL Rys. 1. Mapa stropu utworów dolnej jury w strefie Chociwla z przyjętą w modelowaniu lokalizacją dubletu 2. Model numeryczny termiki górotworu Model numeryczny strefy obejmującej miasto Chociwel opracowano dla wymiaru powierzchniowego 15,44 km 13,56 km (rys. 2). NajwyŜszą warstwę modelu o rzędnej 1700 m n.p.m. stanowią osady kredy, jury górnej oraz jury środkowej. Strop wodonośnych osadów jury dolnej zawiera się w przedziale rzędnych od ok. 1800 m n.p.m. do ok. 2530 m n.p.m. NajniŜszą warstwę modelu, znajdującą się w przewaŝającej części w obrębie triasu górnego oraz częściowo w triasie środkowym, wyznacza rzędna 3300 m n.p.m. Model numeryczny został podzielony na 52 równoległe warstwy, z czego 48 warstw kaŝda o miąŝszości 25 m, obejmuje cały kompleks jury dolnej na obszarze modelu (rys. 2). W ramach zastosowanej schematyzacji załoŝeń modelowych nie uwzględniono rozkładu pola hydrodynamicznego zbiornika dolnojurajskiego. Było to spowodowane trudnością w osiągnięciu kierunku przepływu wód zaprezentowanego w skali regionalnej przez zespół profesora Góreckiego (1995), 209

W. Bujakowski, B. Tomaszewska, M. Miecznik, L. Pająk, A.P. Barbacki, R. Skrzypczak pomimo uwzględnienia mineralizacji wód w poszczególnych warstwach oraz zastosowaniu odpowiednich warunków brzegowych. Rys. 2. Model numeryczny strefy Chociwla W modelu wykorzystano warunek brzegowy I rodzaju (T(t), p(t) = const) oraz warunek brzegowy II rodzaju (gęstość strumienia ciepła q = const). W części stropowej modelu, którą stanowią osady kredy oraz jury górnej i środkowej, przyjęto stałą w czasie wartość ciśnienia złoŝowego oraz temperatury. W najniŝszej warstwie modelu na rzędnej 3250 m n.p.m. (centrum geometryczne warstwy) załoŝono stały dopływ ciepła o gęstości strumienia w zakresie 72 77 mw/m 2, wzrastający ze wschodu na zachód (Szewczyk, Gientka, 2009). Utwory jury dolnej na obszarze modelu Chociwel obejmują pięć wydzieleń litostratygraficznych. Począwszy od stropu w otworze Chociwel 3 (z = 2013,5 m n.p.m.) w kierunku spągu jury dolnej (z = 2353,5 m n.p.m.) są to kolejno: warstwy kamieńskie (miąŝszość h = 10 m), warstwy gryfickie (h = 18 m), warstwy komorowskie (h = 142 m), warstwy łobeskie (h = 17 m) oraz warstwy radowskie i mechowskie (łącznie h = 153 m) (Zboińska, 1987). Poza najbliŝszym sąsiedztwem otworu Chociwel 3, udział poszczególnych warstw w budowie warstwowej modelu został interpolowany metodą krigingu na podstawie otworów przewiercających jurę dolną i znajdujących się w niedalekim sąsiedztwie obszaru modelu (Kania 1, Grzęzno 2, Dobrzany 1). Spąg jury dolnej zalega najgłębiej w okolicy otworu Chociwel IG-1, na rzędnej ok. 2950 m n.p.m. Poziomy wodonośne stanowią przede wszystkim kompleksy piaskowcowe leŝące w dolnych warstwach jury dolnej, tj. warstwy mechowskie oraz radowskie. Przepuszczalność tych utworów wynosi średnio 1145 md (SowiŜdŜał, 2009). Nieznacznie gorszymi parametrami 210

MODELOWANIE WARUNKÓW HYDROGEOTERMALNYCH W REJONIE MIASTA CHOCIWEL filtracyjnymi charakteryzują się warstwy komorowskie, zbudowane z piaskowców z wkładkami iłowców i mułowców (k = 531 md) oraz warstwy kamieńskie (k = 435 md). Warstwy łobeskie (k = 1 md) oraz gryfickie (k = 0,01 md), zbudowane w głównej mierze z iłowców, stanowią warstwy słabo przepuszczalne lub nieprzepuszczalne. Utwory jury dolnej podścielają iłowce triasu górnego o znacznej miąŝszości (h = 537 m w otworze Chociwel 3). Kalibracja modelu polegała na wykonaniu szeregu symulacji mających na celu odtworzenie w stanie stacjonarnym temperatur zbliŝonych do profilu termicznego zmierzonego w otworze Chociwel 3. Ze względu na głębokość zalegania, najwyŝszych temperatur w spągu utworów dolnojurajskich naleŝy spodziewać się w okolicy otworu Chociwel IG-1. 3. Model numeryczny eksploatacji wód termalnych Warstwy radowskie i mechowskie, leŝące w części spągowej jury dolnej, charakteryzują się najwyŝszymi wartościami przepuszczalności oraz temperaturami złoŝowymi w zakresie 90 C 95 C (w sąsiedztwie dubletu zakładanej lokalizacji). Symulowaną eksploatację prowadzono z obu tych poziomów o łącznej miąŝszości ok. 200 m. Przyjęto, Ŝe temperatura zatłaczanej solanki będzie wynosić 30 C, co pozwoliłoby na wykorzystanie ciepła wód termalnych zarówno do wytwarzania energii elektrycznej w układach binarnych, jak i na zagospodarowanie pozostałego ciepła w systemie kaskadowym (cele grzewcze, rekreacja, balneologia i inne). W modelu przyjęto, Ŝe odległość pomiędzy otworem produkcyjnym i chłonnym będzie wynosić 1200 m. Wobec wysokiej przepuszczalności wodonośnych piaskowców dystans ten powinien być wystarczający do uzyskania stabilnej temperatury na wypływie przez cały okres symulowanej eksploatacji wynoszącej 50 lat. W modelu przyjęto stałą wydajność dubletu wynoszącą 275 m 3 /h. Wyniki symulacji zastosowanego wariantu eksploatacji wskazują, Ŝe wychłodzenie wód złoŝowych w strefie przyfiltrowej otworu produkcyjnego wyniesie zaledwie 2 C po okresie 50 lat. Spadek ciśnienia złoŝowego w strefie otworu produkcyjnego wyniesie natomiast ok. 0,16 MPa. Obliczona represja ciśnienia wywołana zatłaczaniem solanki w otworze chłonnym wyniosła ok. 0,33 MPa. PowyŜsze wartości zmian ciśnienia uwzględniają wyłącznie warunki przepływu przez warstwę złoŝową. Nie uwzględniają natomiast oporów przepływu w samym odwiercie, które przy duŝych wydajnościach mogą przewyŝszać zmiany ciśnienia (depresja lub represja) wywołane przez eksploatację samego złoŝa. Podsumowanie Maksymalna szacowana moc brutto elektrowni binarnej moŝe wynieść ok. 590 kw, przy strumieniu równym 275 m 3 /h i temperaturze głowicowej 89 C. W tych warunkach najkorzystniejszymi parametrami termodynamicznymi charakteryzuje się czynnik roboczy R227ea. Schłodzona woda geotermalna o temperaturze 53,3 C po opuszczeniu systemu ORC moŝe 211

W. Bujakowski, B. Tomaszewska, M. Miecznik, L. Pająk, A.P. Barbacki, R. Skrzypczak zostać wykorzystana do celów grzewczych. Przy załoŝeniu temperatury zatłaczania wody geotermalnej równej 30 C uzyskuje się dodatkowo ok. 6,9 MW mocy cieplnej (przyjęto parametry termodynamiczne właściwe solance, Miecznik, 2013) moŝliwej do dalszego zagospodarowania. Ujęcie geotermalne cechuje się zatem znaczącą nadwyŝką mocy cieplnej moŝliwej do zagospodarowania. Inwestycja związana z udostępnieniem energii geotermalnej będzie w analizowanym przypadku wymagała odwiercenia nowych otworów tworzących dublet geotermalny. Niestety w znaczący sposób wpłynie to na poziom nakładów inwestycyjnych, wśród których sam koszt odwiercenia dwóch nowych otworów szacuje się na ponad 46 mln złotych. Literatura BUJAKOWSKI W., 2010 Wykorzystanie wód termalnych w Polsce (stan na rok 2009). Przegląd Geologiczny nr 7: 580 588. GÓRECKI W. (red.), 1995 Atlas zasobów energii geotermalnej na NiŜu Polskim. ZSE AGH, Towarzystwo Geosynoptykow GEOS. Kraków. GÓRECKI W. (red.), 2006 Atlas zasobów geotermalnych na NiŜu Polskim. Formacje mezozoiczne. ZSE AGH. Kraków. KĘPIŃSKA B., 2013 Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce, 2012 2013. Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, ZrównowaŜony Rozwój. Vol. 52, nr 1: 5 24. MIECZNIK M., 2013 Błąd szacowania potencjału dla wytwarzania energii elektrycznej w instalacjach binarnych typu ORC związany ze zmiennością parametrów termodynamicznych wody geotermalnej. Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, ZrównowaŜony Rozwój. Vol. 52, nr 2: 155 166. PAJĄK L., BUJAKOWSKI W., 2013 Energia geotermalna w systemach binarnych. Przegląd Geologiczny nr 11/2 2013, tom 61: 699 705. SOWIśDśAŁ A., 2009a Analiza geologiczna i ocena zasobów wód i energii geotermalnej formacji mezozoicznej niecki szczecińskiej. Rozprawa doktorska. KSE AGH, Kraków, dostęp: http:// winntbg.bg.agh.edu.pl/rozprawy2/10123/full10123.pdf. SZEWCZYK J., GIENTKA D., 2009 Terrestrial heat flow density in Poland a new approach. Geological Quarterly Vol. 53, 1: 125 140. ZBOIŃSKA A., 1987 Dokumentacja wynikowa odwiertu poszukiwawczego Chociwel 3. Dokumentacja archiwalna. CAG PIG-PIB. Warszawa.