Ciepłownie geotermalne w Polsce stan obecny i planowany Autorzy: prof. dr hab. inż. Władysław Nowak, dr inż. Aleksander A. Stachel ( Czysta Energia lipiec/sierpień 2004) Pomimo znacznego potencjału energetycznego wód geotermalnych w Polsce dopiero 10 lat temu rozpoczęła się ich techniczna eksploatacja jako ekologicznego źródła ciepła. Do początku lat 90. wody termalne wykorzystywane były przede wszystkim w balneologii i rekreacji. Natomiast w latach 1993-2003 zbudowano i uruchomiono w Polsce sześć instalacji ciepłowniczych bazujących na energii gorących wód podziemnych, a budowa kolejnych obiektów jest planowana w najbliższej przyszłości. Instalacje geotermalne Funkcjonujące w 2002 r. Planowane do realizacji w najbliższych latach Inne planowane Uzdrowiska z wodami geotermalnymi Rys. 1. Mapa istniejących i planowanych zakładów geotermalnych w Polsce na tle okręgów i subbasenów geotermalnych 1 Pracujące ciepłownie geotermalne różnią się między sobą stosowanymi rozwiązaniami technicznymi. Różnice te wynikają przede wszystkim z odmiennych parametrów wód geotermalnych, wielkości pozyskiwanych mocy cieplnych oraz wielkości i rodzaju odbiorców ciepła. Podstawowe dane przedstawione zostały w tabeli. Podstawowe dane ciepłowni geotermalnych funkcjonujących w Polsce Parametr charakteryzujący Bańska - Biały Dunajec Pyrzyce Mszczonów Uniejów Bańska Niż. - Biały Dunajec Słomniki k. Krakowa Rok uruchomienia 1994 1996 1999 2001 2001 2002 Temperatura wody w złożu [ C] 86 61 40 67-70 76-80 17 Głębokość złoża [m] 2000-3000 1500-1650 1600-1700 ~2000 2500 300 Mineralizacja [g/l] 3 120 0,5 6,8-8,8 3 - Wydatek [m 3 /h] 120 2x170 60 68 550 260 Całkowita moc cieplna [MW t ] 9 50 12 4,6 125 3,5
Planowane instalacje geotermalne Obserwowany w ostatnich latach wzrost zainteresowania wykorzystaniem energii geotermalnej skutkuje powstaniem szeregu prac studialnych dotyczących warunków geologicznych, technicznych i ekonomicznych budowy ujęć geotermalnych w określonych miejscowościach. Większość z nich została oparta na koncepcjach i opracowaniach naukowców z Centrum Podstawowych Problemów Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie oraz Politechniki Szczecińskiej 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 (np. opracowane pod kierunkiem prof. Góreckiego obszerne studium zawierające ocenę możliwości zagospodarowania energii geotermalnej w 22 miejscowościach położonych na obszarze synklinorium mogileńsko-łódzkiego czy studium dotyczące budowy ciepłowni geotermalnych w 27 miejscowościach na obszarze niecki szczecińskiej i północnej części monokliny przedsudeckiej opracowane przez zespół prof. Sokołowskiego). Z analizy tych prac wynika, że budową ciepłowni gotermalnych zainteresowane są m.in. Inowrocław, Cieplice Zdrój, Lądek Zdrój, Konstancin, Ustroń, Iwonicz, Duszniki, Żyrardów, Skierniewice, Koło, Czarnków, Poddębice, Ślesin, Szczecin, Chociwel, Nowogard, Wągrowiec, Kraków, Myślenice czy Sucha Beskidzka. W chwili obecnej najbardziej zaawansowane są prace przy budowie ciepłowni w Stargardzie Szczecińskim 6,11. Miasto posiada scentralizowany system grzewczy, który dostarcza ciepło do ok. 75% mieszkańców. Źródłem energii jest ciepłownia o mocy zainstalowanej 116,3 MW, wyposażona w kotły opalane węglem. Ciepło doprowadzane jest do odbiorców za pomocą sieci przesyłowej długości 37 km, współpracującej z 252 węzłami cieplnymi. W 1998 r. został zaaprobowany projekt, w którym przyjęto koncepcję budowy instalacji geotermalnej współpracującej z dotychczasowym źródłem ciepła. Budowana instalacja geotermalna (rys. 2) będzie różniła się od tych już istniejących w Polsce. Ze względu na wartości temperatur wydobywanej wody instalacja będzie składać się tylko z dubletu geotermalnego, w skład którego wejdzie otwór produkcyjny GT-1 i otwór zatłaczający GT-2, oraz geotermalnego wymiennika ciepła o mocy 14 MW. Woda geotermalna wydobyta przy pomocy pomp głębinowych będzie kierowana do wymiennika, a następnie zatłaczana do tej samej warstwy wodonośnej poprzez otwór iniekcyjny. Ciepło zawarte w wodzie geotermalnej przekazywane będzie w wymienniku do wody sieciowej powracającej z instalacji grzejnych miasta. Kotłownia PEC Sieć przesyłowa Odbiorcy ciepła Wymiennik geotermalny Filtr Filtr Otwór GT-1: produkcyjny Otwór GT-2: zatłaczający Rys. 2. Uproszczony schemat systemu ciepłowniczego w Stargardzie Szczecińskim Obecnie ukończone zostały prace związane z drążeniem otworów dubletu. Otwór wydobywczy osiągnął głębokość 2672 m i dostarcza wodę o temperaturze 86,9 C oraz mineralizacji zbliżonej do mineralizacji wody w Pyrzycach. Otwór zatłaczający został wykonany jako odwiert kierunkowy, co pozwoliło usytuować głowice obu otworów w niewielkiej odległości od siebie (~8 m), przy roboczej odległości pomiędzy dolnymi końcami otworów ok. 1500 m. Uruchomienie instalacji ma nastąpić jeszcze w tym roku. W pierwszym etapie inwestycji energia pozyskiwana z wody geotermalnej będzie pokrywać całoroczne zapotrzebowanie na ciepło niezbędne do przygotowania c.w.u. W dalszych planach zakłada się wykorzystanie wód geotermalnych do celów rekreacyjnych oraz produkcyjnych (rolnictwo, hodowla ryb itp.).
Podobny sposób wykorzystania wód geotermalnych został przyjęty w ciepłowni, której budowa planowana jest w Kole 3. Projekt zakłada budowę instalacji eksploatującej wodę geotermalną z utworów kredy dolnej jednym otworem produkcyjnym i jednym chłonnym. Woda geotermalna wydobywana otworem produkcyjnym za pomocą pompy głębinowej kierowana będzie do wymienników ciepła, w których przekaże ciepło do wody sieciowej obiegu wtórnego, a następnie do otworu chłonnego. Otworem tym powróci do tej samej warstwy wodonośnej. Koncepcja budowy wiąże się z występującymi w okolicy wodami o temperaturze 80-95 C, mineralizacji 90-100 g/dm 3 i ciśnieniu subartezyjskim. Woda sieciowa obiegu wtórnego zasilać będzie systemy grzewcze odbiorców oraz układy przygotowania c.w.u. W miarę potrzeb woda sieciowa opuszczająca wymienniki ciepła zostanie dodatkowo podgrzana w kotłach szczytowych. W Zakopanem w końcowym stadium realizacji znajduje się obiekt, który po oddaniu do eksploatacji będzie wykorzystywał wody geotermalne do celów innych niż ciepłownictwo 7. Na Antałówkach budowany jest wielofunkcyjny kompleks pod nazwą Park Wodny Zakopane, składający się m.in. z zespołu odkrytych i zamkniętych basenów kąpielowych oraz innych obiektów wodnych, służących celom rekreacyjnym i rehabilitacyjnym. Woda będzie tu dostarczana z istniejących w pobliżu odwiertów Zakopane IG-1 i Zakopane 2. Wysoka temperatura wody na wypływie z odwiertów (37 i 26 C) umożliwi funkcjonowanie otwartego kąpieliska zewnętrznego również w okresie zimowym. Także ogrzewanie całego obiektu odbywać się będzie ciepłem pozyskiwanym z wody geotermalnej. Przekazanie obiektu do eksploatacji planowane jest już w tym roku. Z energii geotermalnej można pozyskać również energię elektryczną Ostatnio podjęte zostały działania mające na celu doprowadzenie do rozpoczęcia w Polsce prac nad budową instalacji umożliwiającej pozyskiwanie z energii geotermalnej nie tylko ciepła, ale również energii elektrycznej 5,9. Literatura w tym względzie jest niezbyt bogata, zwłaszcza, gdy dotyczy wykorzystania wód geotermalnych o średniej entalpii, czyli wód, z jakimi w warunkach polskich najczęściej mamy do czynienia. Tymczasem niedawno wykonana została interesująca analiza możliwości skojarzonego wytwarzania energii z wód geotermalnych pozyskiwanych głębokim otworem wydobywczym zlokalizowanym na terenie Politechniki Łódzkiej 12,13. Rozważania prowadzone były na podstawie analiz prostych obiegów termodynamicznych (para wodna, pary czynników niskowrzących) oraz sprzężonych w tzw. układy binarne, przy czym w analizach wykorzystano dostępne charakterystyki wód geotermalnych i ich zasobów energetycznych możliwych do pozyskania głębokim otworem wydobywczym. Zastosowanie głębokich odwiertów jest w warunkach polskich o tyle korzystnym rozwiązaniem, że umożliwia uzyskanie wody geotermalnej o temperaturach powyżej 120 C. Rysunek 3 przedstawia jeden z analizowanych schematów elektrociepłowni geotermalnej. Pozyskiwana z otworu eksploatacyjnego gorąca woda przepływa przez wymiennik ciepła, oddając w nim ciepło do czynnika obiegowego siłowni, np. wody. Podgrzana w wymienniku woda obiegowa dopływa do wytwornicy pary, gdzie przechodzi w parę nasyconą wskutek obniżenia ciśnienia na zaworze dławiącym. Para nasycona dopływa do turbiny, gdzie wykonuje pracę, napędzając generator elektryczny, a następnie ulega skropleniu w skraplaczu. Skropliny ponownie wtłaczane są do wymiennika, mieszając się jednocześnie z wodą opuszczającą rozprężacz. ZD Wymiennik geotermalny G Generator TNP Turbina Skraplacz Wytwornica pary Pompa cyrkulacyjna WWS QU Pompa geotermalna Pompa skroplin QNT OZ OW Rys. 3. Uproszczony schemat elektrociepłowni geotermalnej
Należy zaznaczyć, że w układzie tym woda geotermalna opuszczająca wymiennik geotermalny ma nadal bardzo wysoką temperaturę. W związku z tym zawarte w niej ciepło może być wykorzystane do celów grzewczych za pomocą dodatkowego wymiennika wody sieciowej, zaś pozostałe ciepło niskotemperaturowe może służyć do ogrzewania innych urządzeń i obiektów, np. sportowo-rekreacyjnych. Podsumowanie Doświadczenia zdobyte w trakcie projektowania, budowy i eksploatacji istniejących instalacji geotermalnych umożliwiają lepsze i szybsze przygotowanie projektów techniczno-ekonomicznych oraz budowę i uruchamianie kolejnych inwestycji. Modernizację istniejących sieci ciepłowniczych, węzłów cieplnych i sieci wewnętrznych w budynkach należy prowadzić równolegle z budową ciepłowni geotermalnej. Niezmiernie ważne jest kompleksowe zagospodarowanie energii geotermalnej, najlepiej w systemach kaskadowego odbioru ciepła. Biorąc pod uwagę duże zasoby wód geotermalnych oraz istniejące opracowania studialne dotyczące możliwości ich wykorzystania w wielu miejscowościach w Polsce, można wyrazić pogląd, że w najbliższych latach liczba ciepłowni geotermalnych powinna znacznie wzrosnąć. Budowa ciepłowni geotermalnych jest ekonomicznie uzasadniona przede wszystkim w miejscowościach o dużej liczbie mieszkańców i rozbudowanym przemyśle. Należy spodziewać się, że w pobliżu ciepłowni geotermalnych będą powstawać także inne obiekty wykorzystujące energię geotermalną, np. obiekty o przeznaczeniu typowo rekreacyjnym (parki wodne) czy typowo rolniczym i przemysłowym (szklarnie, suszarnie produktów rolnych, suszarnie drewna, baseny do hodowli ryb itp.). Tworzenie rozbudowanych sieci o zróżnicowanych temperaturowo odbiorcach ciepła sprzyja większej efektywności pracy ciepłowni i bardziej efektywnemu wykorzystaniu energii wód geotermalnych. Przewiduje się, że dynamiczny rozwój ciepłowni geotermalnych w Polsce powinien nastąpić dopiero w latach 2020-2050. prof. dr hab. inż. Władysław Nowak, dr inż. Aleksander A. Stachel, Politechnika Szczecińska, Katedra Techniki Cieplnej Źródła 1. Sokołowski J.: Metodyka oceny zasobów geotermalnych i warunki ich występowania w Polsce, Materiały Polskiej Szkoły Geotermalnej, III Kurs, Wyd. PGA i CPPGSMiE PAN, Kraków Straszęcin 1997. 2. Górecki W.: Atlas zasobów energii geotermalnej na Niżu Polskim, Wyd. Towarzystwo Geosynoptyków GEOS, Kraków 1995. 3. Górecki W., Kuźniak T., Kozdra T.: Zasoby wód i energii geotermalnej na Niżu Polskim oraz możliwości ich przemysłowego wykorzystania, Międzynarodowa Konferencja Odnawialne Źródła Energii, Warszawa 10-11.12.2001. 4. Kabat M., Nowak W., Sobański R.: Zasady wykorzystania energii wód geotermalnych do celów ogrzewczych budynków. Projekt KBN Nr 7TO7G-010-10, Szczecin 1999 (niepublikowane). 5. Kabat M., Nowak W., Sobański R. i inni: Możliwości wykorzystania energii geotermalnej przy modernizacji elektrowni Pomorzany i Szczecin, Opracowanie dla Zespołu Elektrowni Dolna Odra, Szczecin 1994 (niepublikowane). 6. Kabat M., Nowak W., Sobański R. Stachel A.: Wstępne studium uwarunkowań geologicznych i organizacyjnych przesłanek wykorzystania systemu geotermalnego w Stargardzie Szczecińskim. Techniczne i organizacyjne możliwości wykorzystania zasobów geotermalnych do zasilania układu ciepłowniczego miasta, Opracowanie dla PROEKO Sp. z o.o., Warszawa 1998 (niepublikowane). 7. Kępińska B.: Energia geotermalna w Polsce stan i perspektywy wykorzystania. Międzynarodowa Konferencja Odnawialne Źródła Energii, Warszawa 10-11.12.2001. 8. Ney R., Sokołowski J.: Wody geotermalne Polski i możliwości ich wykorzystania, Nauka Polska, Nr 6, 1987.
9. Nowak W., Sobański R., Kabat M., Kujawa T.: Systemy pozyskiwania i wykorzystania energii geotermicznej, Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2000. 10. Sokołowski J.: Zarys programu działań w zakresie energii geotermalnej, Instal 10(2001). 11. Kozłowski T., Malenta Z.: Cooperation of a geothermal heat source with a conventional district heating system in Stargard Szczeciński. IX International Symposium Heat Transfer and Renewables Sources of Energy, Międzyzdroje 2002. 12. Chodkiewicz R., Hanausek P., Porochnicki J.: Pozyskiwanie energii elektrycznej ze źródła geotermalnego (na przykładzie możliwości wykorzystania otworu wiertniczego na terenie Politechniki Łódzkiej), Cieplne Maszyny Przepływowe, 120 (2001). 13. Porochnicki J., Chodkiewicz R., Krysiński J.: Elektrociepłownia geotermalna, Czysta Energia, 1 (2001).