á - Rynek energii elektrycznej · i Energi PAN, Pani Dr Beacie K pi skiej, Kierownikowi...

AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

im. Stanis awa Staszica

w Krakowie

Wydzia

Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

Kierunek

Elektrotechnika

ukasz Mruk

„Analiza mo liwo ci wykorzystania

niekonwencjonalnych róde energii w obiekcie

budowlanym”

Opiekun

Prof. dr hab. in .

Romuald W odek

Kraków 2004

Spis tre ci

Spis tre ci

Przedmowa .......................................................................................................... 4

1. Wst p .............................................................................................................. 5

2. Cel i zakres pracy .......................................................................................... 7

3. Poj cie „Zrównowa onego rozwoju energetycznego” w odniesieniu do

rozwoju energii odnawialnej w Polsce ........................................................ 8

4. Energia geotermalna .................................................................................... 12

4.1. Wprowadzenie ......................................................................................... 12

4.2. Sposoby pozyskiwania energii geotermicznej ......................................... 17

4.3. Charakterystyka wód geotermalnych ....................................................... 21

4.4. Dziedziny wykorzystania energii geotermalnej ....................................... 25

4.5. Charakterystyka warunków geotermalnych w Polsce ............................. 28

4.5.1. Zarys warunków geotermicznych Polski ...................................... 29

4.5.2. Zasoby wód geotermalnych w Polsce ........................................... 30

5. Charakterystyka elementów i systemów pozyskiwania i wykorzystania

energii geotermicznej .................................................................................. 32

5.1. Ogólna klasyfikacja ................................................................................. 32

5.2. Podstawy wymiany ciep a w geotermalnych wymiennikach ciep a ....... 34

5.3. Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej ... 38

5.4. Geotermalne systemy wydobywczo – przetwarzaj ce ........................... 49

6. Technologie wykorzystania energii geotermalnej w ciep owniach i

elektrowniach ............................................................................................... 56

6.1. Podstawowe uk ady systemów energii geotermalnej w ciep ownictwie. 60

6.2. Podstawowe schematy ciep owni geotermalnych .................................. 63

6.3. Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrowniach i

elektrociep owniach .............................................................................. 66

6.4. Przegl d udanych przedsi wzi ze róde geotermicznych w Polsce .. 69

7. Porównanie geotermalnego ród a ciep a ze ród em

konwencjonalnym ........................................................................................ 73

Podsumowanie ................................................................................................... 79

DODATKI .......................................................................................................... 82

2

Spis tre ci

A. Zasoby i mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych

w Ma opolsce - zarys ............................................................................. 83

A.1. Wyst powanie wód geotermalnych w Ma opolsce ......................... 83

A.2. Wytypowane strefy do wykorzystania energii geotermalnej .......... 87

B. Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu .............................. 93

B.1. Charakterystyka hydrogeotermalna niecki podhala skiej .............. 93

B.2. Zarys historyczny zagospodarowania wód geotermalnych

na Podhalu ...................................................................................... 95

B.3. Geotermalny system ciep owniczy na Podhalu .............................. 100

B.3.1. Geneza projektu ..................................................................... 100

B.3.2. Aspekt techniczny ................................................................. 101

B.3.3. Efekt ekologiczny .................................................................. 105

Spis literatury .................................................................................................. 108

3

Przedmowa

Przedmowa

Niniejsza praca „Analiza mo liwo ci wykorzystania niekonwencjonalnych

róde energii w obiekcie budowlanym” zosta a po wi cona jednemu

z odnawialnych róde energii którym jest szeroko rozumiana energia

geotermiczna. Podj cie si pisania takiego tematu na wydziale elektrycznym,

z jednej strony mo e by ciekawym uzupe nieniem wiedzy, w troch innym

zakresie ni ta zdobyta w trakcie realizacji studiów, z drugiej jednak strony

stanowi pewne wyzwanie, z uwagi na konieczno szukania nowych róde

informacji. Decyzja o podj ciu pisania pracy magisterskiej na taki w a nie

temat, wynik a z zainteresowania odnawialnymi ród ami energii, jak równie

z sentymentu dla Podhala, gdzie obok wspania ej górskiej przyrody, istnieje

jeszcze jedno naturalne bogactwo tego regionu – energia geotermalna.

W trakcie poszukiwa materia ów potrzebnych do realizacji niniejszej

pracy, na „geotermalnym szlaku” pojawiali si yczliwi ludzie, s u cy swoj

rad i pomoc . Dlatego w tym miejscu autor sk ada serdeczne podzi kowania, w

szczególno ci Panu Dr in . Wies awowi Bujakowskiemu, Kierownikowi

Zak adu Energii Odnawialnej w Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnymi

i Energi PAN, Pani Dr Beacie K pi skiej, Kierownikowi Laboratorium

Geotermalnego PAN w Bia ym Dunajcu oraz Panu Mgr in . Tomaszowi

Misarko, pracownikowi PEC Geotermia Podhala ska S.A., za okaza pomoc,

oraz cenne uwagi i wskazówki. Pragn równie serdecznie podzi kowa

opiekunowi pracy, Panu Prof. dr hab. in . Romualdowi W odkowi, za

po wi cony czas, yczliwo i opiek naukowo – techniczn .

Kraków, czerwiec 2004 ukasz Mruk

4

Wst p

1. Wst p

wiat pocz tku XXI wieku nastawiony jest na konsumpcyjny styl ycia,

równie w dziedzinie energetyki. Zwi kszaj ce si potrzeby energetyczne

i zwi zane z tym szybkie wyczerpywanie si surowców mineralnych, to objaw

post pu technologicznego, który w por nie skierowany na odpowiednie tory mo e

przyczyni si do nieodwracalnych zmian globalnego klimatu Ziemi. Rabunkowa

gospodarka zasobami paliw kopalnych, zagra a nie tylko stabilno ci energetycznej

przysz ych pokole , ale przede wszystkim zwi zana jest z ogromn dewastacj

i zatruwaniem rodowiska naturalnego. Trzeba otwarcie powiedzie , e znacz cy

w tym udzia ma wiatowa energetyka zawodowa i przemys owa, oparta w a nie

w przewa aj cym stopniu na spalaniu paliw kopalnych w tym w gla – najwi kszego

„truciciela” naszej ziemskiej atmosfery. Dalsza eksploatacja paliw

konwencjonalnych w obecnym stopniu, mo e doprowadzi w przysz o ci do

realnego kryzysu paliwowego oraz do przekroczenia bariery ekologicznej

o niewyobra alnych skutkach klimatycznych. Jedynym lekarstwem wydaje si wi c

wprowadzanie technologii energooszcz dnych oraz zast powanie paliw

konwencjonalnych – niekonwencjonalnymi, odnawialnymi ród ami energii.

Uzyskany w ten sposób cel, ograniczenia rabunkowej gospodarki zasobami

kopalnymi i zmniejszenia zanieczyszczenia rodowiska, powinien by realizowany

jak najszybciej. Tak rozumiana proekologiczna modernizacja sektora paliwowo –

energetycznego jest jak najbardziej po dana, i na szcz cie zauwa a si coraz

wi ksze zainteresowanie i dzia ania zmierzaj ce ku temu celowi. Obecnie wiele

pa stw na wiecie zda o sobie spraw z dobrodziejstw wynikaj cych ze stosowania

odnawialnych róde energii (O E) i coraz cz ciej si gaj po ten typ energii, jako

alternatyw dla róde konwencjonalnych.

Polska jako kraj cz onkowski Unii Europejskiej, zobowi zany jest do

ograniczenia udzia u paliw konwencjonalnych w bilansie energetycznym kraju, na

rzecz energii pozyskiwanej z O E na poziomie 12% w 2010 roku. Fakt ten

wymusza wi c podejmowanie konkretnych dzia a zmierzaj cych do zrealizowania

naszych zobowi za wobec UE pod tym wzgl dem. Jest to powa ne wyzwanie, ale

mimo wszystko realne do osi gni cia, bowiem wed ug licznych analiz, krajowe

zasoby O E mo liwe do pozyskania pod wzgl dem technicznym i ekonomicznym

wynosz 25 ÷ 30%, w odniesieniu do ca kowitego bilansu energetycznego Polski.

5

Wst p

W ród zasobów energii odnawialnych w Polsce, znacz cy udzia ma energia

geotermalna, bowiem jak udokumentowano, na obszarze niemal 90% naszego kraju,

wyst puj zbiorniki wg bnych wód termalnych. Najbardziej zasobne i korzystne

pod wzgl dem parametrów geotermalnych s obszary Ni u Polskiego oraz Podhala

gdzie ju obecnie istnieje kilka zak adów geotermalnych, zapewniaj cych

ogrzewanie i ciep wod u ytkow okolicznym miastom. Na wiecie ten rodzaj

energii równie rozwija si w szybkim tempie i oprócz wykorzystania do celów

grzewczych, energia geotermalna znajduje zastosowanie w ró nych dziedzinach,

w tym równie , przy odpowiednich warunkach do produkcji pr du elektrycznego.

Zagadnienia wykorzystania energii geotermalnej, s obecnie realizowane w ramach

specjalistycznego dzia u energetyki zwanego geoenergetyk .

W niniejszej pracy energia geotermalna stanowi przedmiot zainteresowania

pod wzgl dem mo liwo ci jej wykorzystania w warunkach polskich do celów

grzewczych w budownictwie.

6

Cel i zakres pracy

2. Cel i zakres pracy

Celem pracy jest przedstawienie rozwi za umo liwiaj cych wykorzystanie

niekonwencjonalnych róde energii w obiekcie budowlanym, na przyk adzie

energii geotermicznej, ze szczególnym uwzgl dnieniem energii geotermalnej. W

pracy zwrócono g ównie uwag na mo liwo ci pozyskania i wykorzystania energii

geotermalnej do celów grzewczych, i zwi zanego z tym efektu ekologicznego

z tytu u zast pienia energi odnawialn i czyst , konwencjonalnych róde energii

opartych na spalaniu paliw kopalnych.

Zakres pracy obejmuje zatem:

- zagadnienia geologiczne zwi zane z energi geotermiczn ,

- ogóln charakterystyk hydrogeologiczn wyst powania energii

geotermalnej na obszarze Polski z uwzgl dnieniem potencjalnych zasobów

wód podziemnych i mo liwej do pozyskania z nich energii,

- przegl d ró nych sposobów pozyskiwania i wykorzystania

przypowierzchniowej energii geotermicznej i wg bnej energii geotermalnej,

- rodzaje i rozwi zania techniczne ciep owni geotermalnych z uwzgl dnieniem

przystosowania do nich odbiorców ciep a,

- efekt ekologiczny zwi zany z wycofywaniem ciep owni konwencjonalnych

na rzecz ciep owni geotermalnych,

- zarys udanych przedsi wzi geotermalnych w Polsce,

- analiz mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych w Ma opolsce,

- charakterystyk zagospodarowania geotermii na Podhalu.

7

Poj cie zrównowa onego rozwoju...

3. Poj cie „Zrównowa onego rozwoju energetycznego”

w odniesieniu do rozwoju energii odnawialnej w Polsce

Poj cie „Zrównowa onego rozwoju energetycznego” zrodzi o si z rosn cej

ogólno wiatowej troski o ujemne skutki jakie niesie za sob zaspakajanie coraz

wi kszych potrzeb ludzko ci w zakresie zaopatrzenia w energi , jaka zarysowa a

si w ko cu XX wieku [3].

Coraz wi ksze zapotrzebowanie na energi pierwotn uwarunkowane

rozwojem gospodarczym i przyrostem ludno ci na Ziemi, powoduje wyczerpywanie

si konwencjonalnych surowców energetycznych, jakimi s paliwa kopalne. Jednak

nie wyczerpywanie si naturalnych zasobów paliw konwencjonalnych, lecz globalne

ska enie rodowiska naturalnego produktami ich spalania: py ami, tlenkami siarki,

azotu i w gla, jest najwi kszym zagro eniem dla ludzko ci. Bez wprowadzania

rodków zaradczych polegaj cych na oszcz dzaniu energii, zast powaniu

tradycyjnych no ników innymi, bardziej przyjaznymi dla rodowiska naturalnego,

trudno b dzie zahamowa dalsz degradacj otaczaj cego nas wiata. Problematyka

ta omawiana by a na wielu konferencjach mi dzynarodowych, m.in. na Szczycie

Ziemi w Rio De Janeiro, oraz wiatowym Szczycie Klimatycznym w Kioto w 1997

roku, jak równie na wielu wiatowych Kongresach Energetycznych. Polityka

energetyczna sta a si wi c jedn z wa nych zasad zrównowa onego rozwoju

energetycznego, który umo liwia zaspokojenie potrzeb energetycznych, nie b d c

równocze nie szkodliwym dla rodowiska.

Idea zrównowa onego rozwoju energetycznego obejmuje dwa podstawowe

kierunki dzia a polegaj ce na:

zapewnieniu dostatecznej ilo ci energii obecnie i w przysz o ci,

zmniejszeniu szkodliwo ci oddzia ywania paliw na rodowisko naturalne.

Bior c pod uwag wyczerpywalno paliw kopalnych oraz ich szkodliwy

wp yw na otaczaj ce nas rodowisko, podejmuje si odpowiednie kierunki dzia a ,

maj ce tym zagro eniom zaradzi poprzez [3]:

zwi kszenie udzia u odnawialnych róde energii (biomasa, energia

geotermalna, energia wiatru, s o ca, wody) w globalnym bilansie

energetycznym,

zwi kszenie efektywno ci wykorzystania energii (technologie

energooszcz dne), tak by, zu ywaj c mniej energii, mo na by o zapewni

8


odpowiedni poziom us ugi energetycznej (komfort cieplny, poziom

o wietlenia itp.)

Konieczno oszcz dnego traktowania zasobów kopalnych w wiecie,

a szczególnie ochrony naszego naturalnego rodowiska, to wymogi stawiane

ludzkiej dzia alno ci politycznej i gospodarczej. Równie z konieczno ci takiej

dzia alno ci mamy do czynienia w Polsce, gdzie najwi kszy udzia w bilansie emisji

zanieczyszcze rodowiska, zw aszcza emisji SO2, ma energetyka zawodowa (rys.

3.1.). Zmniejszenie emisji SO2, jak równie CO2 i NOX, b dzie mo liwe tylko

wtedy, gdy zostan podj te odpowiednie kroki w zakresie oszcz dnego

wykorzystywania energii i jej pozyskiwania ze róde odnawialnych.

Poprawa stanu rodowiska naturalnego poprzez wykorzystywanie

odnawialnych róde energii (O E), uzale niona jest w du ej mierze od tego

w jakim stopniu polityka ekologiczna, zostanie zintegrowana z polityk

gospodarcz , co le y obecnie w kwestii Rz du. Mo na jednak powiedzie , e

energetyka odnawialna, jak do tej pory, nie mia a priorytetu w polityce gospodarczej

pa stwa, a pojedyncze zapisy dotycz ce tej energii mia y raczej charakter

ród a zanieczyszcze powietrza w Polsce

2368

11541250

360

157

406

128

623

200118

0

521

131

470

46

417

0

1195

0

500

1000

1500

2000

2500

SO2 NO2 Py

Rodzaj zanieczyszczenia

[tys. to

n]

Ogó em En.zawodowa En.przemys owa

Tech.przemys owe Inne ród a stacjonarne ród a mobilne

Rys. 3.1. Zestawienie róde zanieczyszcze powietrza w Polsce

ród o: Opracowanie w asne na podstawie [13]

9


deklaratywny. Nie mniej jednak wprowadzenie w ycie przez Sejm RP w 2001 roku

„Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce”, by o wa nym momentem

dla przysz ego rozwoju róde odnawialnych w Polsce. W/w dokument zak ada

zwi kszenie udzia u energii ze róde odnawialnych w bilansie paliwowo –

energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i do 14% w roku 2020. Kolejnym

krokiem sprzyjaj cym rozwijaniu si energetyki niekonwencjonalnej w Polsce, by o

uchwalenie Rozporz dzenia Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Socjalnej z dnia

30 maja 2003 roku, w sprawie obowi zku zakupu energii elektrycznej i ciep a

z odnawialnych róde energii, oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu

z wytwarzaniem ciep a. Fakt ten, jak równie nasze zobowi zania wobec Unii

Europejskiej (12% w 2010 r) w tym temacie, przyczyni y si do wi kszego

zainteresowania wprowadzeniem odnawialnych róde energii w Polsce, w tym

równie technologi pozyskiwania energii geotermalnej. Jednak za o enia musia y

zosta skonfrontowane z aktualnymi mo liwo ciami pozyskiwania energii

odnawialnych w Polsce. Na prze omie kilku ostatnich lat dokonano szeregu analiz,

dotycz cych oszacowania potencja u technicznego O E na terenie naszego kraju. W

prace zaanga owane by y mi dzy innymi: Europejskie Centrum Energii

Odnawialnej przy Instytucie Budownictwa Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa

(EC BREC), oraz Bank wiatowy. Istniej jednak pewne rozbie no ci w ocenie

potencja u technicznego O E wyst puj cych w Polsce wg poszczególnych

ekspertyz, nie mniej jednak mo na stwierdzi , e oko o 30% rocznego

zapotrzebowania na energi pierwotn w Polsce (na rok 2000) mo na uzyska

z odnawialnych róde energii (rys. 3.2.). Z danych zawartych w na rysunku 3.2.,

wynika e najwi kszy potencja energetyczny posiada biomasa, oko o 810 PJ, a

z pozosta ych O E mo e z ni konkurowa w a ciwie tylko energia geotermalna.

Energia geotermalna prócz tego e zajmuje drugie miejsce w ród odnawialnych

róde energii pod wzgl dem potencja u technicznego (200 PJ) , posiada równie

inna wa n cech daj c jej przewag nad pozosta ymi O E. Energia geotermalna

jest mianowicie pozbawiona zale no ci od zmiennych warunków pogodowych

i klimatycznych, co w porównaniu np. z energi wiatrow czy s oneczn daje jej

znaczn przewag , je eli chodzi o stabilno energetyczn .

10


Udzia O E w bilansie energetycznym kraju *)

810

200

55 50 36

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Odnawialne ród a energii

En

erg

ia [

PJ

]

Biomasa 70,38% En.geotermalna 17,38% En.s oneczna 4,78%

En.wodna 4,34% En.wiatrowa 3,12%

W Polsce istniej znaczne zasoby odnawialnych róde energii, których

wykorzystanie w przysz o ci mo e zrealizowa plan energetyczny kraju, zawarty

w „Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce”, co z pewno ci przyczyni

si równie do polepszenia komfortu ycia ludzi przez ograniczenie emisji do

atmosfery szkodliwych dla zdrowia gazów. Jednak aby tak si sta o, potrzebna jest

wi ksza wiadomo i przekonanie ludzi do takiej formy energii, ale przede

wszystkim konkretne dzia ania Rz du, wspieraj ce rozwój O E.

Rys. 3.2. Potencja energetyczny O E w Polsce, mo liwy do wykorzystania pod

wzgl dem techniczno – ekonomicznym

*) - Energia z O E mo liwa do pozyskania wynosi ok. 1151 PJ co stanowi ok.

30% rocznego zapotrzebowania na energi pierwotn w Polsce (ok. 4000 PJ -

2000r), 1 PJ = 1015

J

ród o: Opracowanie w asne na podstawie [13], [35]

11

Energia geotermalna

12

4. Energia geotermalna

4.1. Wprowadzenie

Energia geotermiczna jest wewn trznym ciep em Ziemi, zgromadzonym

w magmie, ska ach i p ynach (woda, para wodna, ropa naftowa, gaz ziemny itp.)

wype niaj cych pory i szczeliny skalne. Energia geotermalna obejmuje natomiast

cz energii geotermicznej zawartej w wodzie, parze wodnej oraz gor cych

suchych ska ach.

Ciep o wn trza Ziemi pochodzi cz ciowo z procesów formowania si naszej

planety w przesz o ci, a cz ciowo jest ciep em pochodz cym z innych

wewn trznych róde ciep a, do których nale procesy naturalnego rozk adu

pierwiastków promieniotwórczych (uranu, toru, potasu), oraz procesy cieplne

zachodz ce w j drze ziemi.

Ciep o Ziemi nagromadzone w jej wn trzu jest ogromne. Do g boko ci

oko o 10 km przekracza 50 000 – krotnie ilo ciep a, jak mo na uzyska ze

wszystkich z ó paliw tradycyjnych, czyli ropy naftowej, w gla i gazu ziemnego

oraz z pierwiastków promieniotwórczych wykorzystywanych w energii

atomowej.

Zachodz cy nieustannie proces przep ywu ciep a od wn trza Ziemi ku

powierzchni warstw skorupy, spowodowany strumieniem cieplnym, jest ci g ym

ród em ciep a dla formacji skalnych, od których z kolei nagrzewa si woda

wype niaj ca ich wolne przestrzenie – zwana wod geotermaln .

Zag biaj c si w g b Ziemi, temperatura wzrasta, osi gaj c

w wewn trznym j drze warto nawet 6200 °C (rys. 4.1.).

Rys. 4.1. Budowa wn trza Ziemi

ród o: [33]

do 6200 °C

ok. 2800 °C

ok. 1000 °C

Km:

0 – 100

100 – 2900

2900 – 5100

5100 – 6300

Energia geotermalna

Ten przyrost temperatury zwi zany ze zmian g boko ci nosi nazw gradientu

geotermicznego lub stopnia geotermicznego i jest czynnikiem decyduj cym

o lokalnych warto ciach temperatury ska a tym samym o temperaturze wody

wype niaj cej pory i szczeliny skalne. Temperatura ziemi bezpo rednio w pobli u

jej powierzchni (do ok. 10 km) zmienia si w przybli eniu liniowo wraz

z g boko ci i wzrasta rednio o ok. 33 °C na 1 km, tak e na g boko ci 3 km –

wynosi w przybli eniu 100 °C.

Gradient geotermiczny nie jest taki sam na ca ym obszarze Ziemi. W ró nych

rejonach geograficznych naszego globu mo e on osi ga znaczne anomalie zarówno

dodatnie jak i ujemne w porównaniu z warto ci redni . Przyk adem anomalii

dodatnich s rejony du ej aktywno ci wulkanicznej (gdzie gradient osi ga warto ci

nawet 60 °C/km), a anomalii ujemnych – strefy wiecznej zmarzliny, gdzie ujemna

temperatura si ga nawet g boko ci 1 kilometra. W Polsce rednia warto gradientu

geotermicznego wynosi oko o 30 °C/km.

Szczególnie sprzyjaj ce warunki do powstawania systemów

geotermalnych, wyst puj w obr bie kraw dzi p yt litosfery (rys. 4.2.) w tzw.

strefach ryftowych i strefach subdukcji.

Rys. 4.2. Dynamika Ziemi

ród o: [33]

13

Energia geotermalna

Strefy ryftowe stanowi miejsca o mniejszych mi szo ciach skorupy i litosfery, do

których dop ywa gor ca materia z g bi Ziemi. W strefach subdukcji tworzy si

skorupa kontynentalna, dzia aj intensywne procesy tektoniczne powoduj ce

sp kania. W miejscach tych mamy do czynienia z wulkanizmem i wysokim

strumieniem cieplnym. ród em ciep a s tutaj gor ce ska y magmowe, których

temperatura osi ga warto ci kilkuset stopni Celsjusza, co przyczynia si do

wyst powania takich zjawisk jak gor ce ród a czy gejzery. Dla istnienia takich

zjawisk, prócz gor cych ska wulkanicznych blisko powierzchni, potrzebne s

równie wody z opadów zasilaj ce ska y wodono ne, którym to ska y magmowe

oddaj swoje ciep o (rys. 4.3.). Do obszarów bogatych w takie zjawiska nale

mi dzy innymi: Islandia, Nowa Zelandia, Japonia, Filipiny, Indonezja i zachodnie

wybrze e Stanów Zjednoczonych – gdzie wyst puj z o a energii geotermalnej

o wysokich temperaturach na niedu ych g boko ciach. Z o a tego typu systemów

geotermalnych, maj ograniczony zasi g i wyst puj przewa nie na obszarach s abo

zamieszka ych i mniej dost pnych.

Rys. 4.3. Schemat systemu geotermalnego z dominuj cym udzia em pary

ród o: [33]

14

Energia geotermalna

Bior c pod uwag wykorzystanie energii geotermalnej na potrzeby ludzko ci,

znaczenia nabieraj z o a geotermalne w postaci par lub wód, które nadaj si do ich

praktycznego wykorzystania. To praktyczne wykorzystanie dotyczy wód, które

znajduj si na g boko ciach umo liwiaj cych ich op acaln ekonomicznie, oraz

mo liw technicznie eksploatacj . Obecnie uwa a si , e taka praktyczna

eksploatacja, za pomoc otworów wiertniczych, mo liwa jest dla g boko ci

wynosz cej do 3 ÷ 4 km.

Ze wzgl du na charakter no nika energii, z o a geotermalne dzielimy na:

z o a par geotermalnych – wyst puj cych w obszarach wspó czesnej lub

niedawnej dzia alno ci wulkanicznej, gdzie ród em ciep a ogrzewaj cym wody,

która przechodzi w stan pary, s komory i ogniska magmowe zalegaj ce p ytko pod

powierzchni terenu (1 ÷ 3 km). Temperatury w z o u par na g boko ci 1 km

przekraczaj 150 ÷ 200 °C,

z o a wód geotermalnych – których wyst powanie charakteryzuje si znacznie

wi kszym rozprzestrzenieniem ni z o a par. Ciep o ogrzewaj ce wody geotermalne

pochodzi g ównie z j dra Ziemi, dlatego ich wyst powanie nie ogranicza si jedynie

do obszarów wulkanicznych. Temperatura w z o ach par na g boko ci 1 km jest

oczywi cie ni sza od 150 °C, ale z o a te s atwiejsze w eksploatacji, odbiorze oraz

przesyle energii cieplnej. Ocenia si , e oko o 70 krajów dysponuje zasobami wód

geotermalnych, które mog by wykorzystywane w sposób ekonomicznie op acalny.

Na terenie Polski z o a par geotermalnych nie wyst puj , s natomiast

znaczne zasoby wód geotermalnych wyst puj cych w basenach sedymentacyjnych

i strukturalnych, które w wielu miejscach charakteryzuj si odpowiednimi

warunkami do ich ekonomicznego wykorzystania.

Ocena mo liwo ci wykorzystania energii z ó geotermalnych, jest zazwyczaj

poprzedzona szczegó owymi badaniami geosynoptycznymi, które maj na celu

oszacowanie tzw. zasobów energii geotermalnej.

Ca kowite zasoby energii geotermalnej pochodz cej z wn trza Ziemi s

ogromne, jednak tylko niewielka ich cz mo e by wykorzystana w celach

u ytkowych, ze wzgl du na ograniczenia techniczne i op acalno ekonomiczn

aktualnych technologii pozyskiwania energii z wn trza Ziemi.

Przedstawiaj c zasoby energii geotermalnej, dokonuje si pewnego ich

podzia u ze wzgl du na sposób pozyskiwania tej energii, oraz podzia u

uwzgl dniaj cego ich warto pod k tem obj to ciowo – energetycznym.

15

Energia geotermalna

Bior c pod uwag sposób pozyskiwania energii geotermalnej, jej zasoby

dzieli si na dwa rodzaje [10]:

Zasoby hydrogeotermalne – gdzie no nikiem ciep a s naturalne, wolne

wody podziemne, eksploatowane otworami wiertniczymi,

Zasoby petrogeotermalne – czyli energia suchych ska , lub ska wysadów

solnych, które pozyskuje si przez wprowadzenie wody otworami

wiertniczymi do gor cych formacji skalnych.

Drugi podzia obj to ciowo – energetyczny, zasobów geotermalnych

obejmuje [10], [22]:

Ca kowite zasoby geotermalne – ca kowita ilo ciep a nagromadzonego

w skorupie ziemskiej do pewnej g boko ci (zwykle do 10 km), odniesiona

do redniej temperatury rocznej na powierzchni terenu. Ca kowite zasoby

obejmuj zarówno zasoby hydrogeotermalne jak i pertogeotermalne,

Dost pne zasoby geotermalne – cz zasobów ca kowitych udost pnionych

wierceniami. Ten typ zasobów przyj to oblicza do g boko ci maksymalnie

7 km, oraz dwóch g boko ci po rednich, w zale no ci od wyst powania

pi ter hydrogeologicznych (np. 3 i 5 km),

Statyczne (potencjalne) zasoby geotermalne – ca kowita obj to wody

wolnej lub ilo energii w niej zawartej, wyst puj cej w porach i szczelinach

skalnych danego zbiornika geotermalnego, mo liwa technologicznie do

wyprowadzenia otworami wiertniczymi na powierzchni Ziemi,

Dynamiczne zasoby geotermalne – obj to wody przep ywaj cej przez

przekrój poprzeczny poziomu wodono nego w jednostce czasu lub naturalny

drena wód wzd u profilu struktury,

Dyspozycyjne zasoby geotermalne – zasoby wszystkich warstw

wodono nych, wyst puj cych w skali regionalnej. S to zasoby mo liwe do

gospodarczego wykorzystania w okre lonym czasie, których pobór nie

wp ynie na ilo i jako ogólnych, sta ych zasobów wody podziemnej,

Zasoby eksploatacyjne – udokumentowana cz zasobów geologicznych,

definiowana przez ilo wody mo liw do wydobycia ze z o a w sposób

racjonalny i ekonomicznie uzasadniony, w warunkach okre lonego re imu

eksploatacji. Praktycznie zasoby eksploatacyjne obejmuj wody

o minimalnej temperaturze 50 °C, si gaj ce do g boko ci oko o 3000

metrów.

16

Energia geotermalna

Traktuj c wody podziemne jako naturalne ród o energii, najwa niejsz

spraw jest ocena ilo ci tej energii, która w przysz o ci mo e by wykorzystana.

Najpro ciej ilo energii cieplnej zakumulowanej w wodach geotermalnych

mo na oszacowa mno c obj to wód przez ró nic T pomi dzy temperatur

z o ow TZ i temperatur ko cow TK. Dokonuj c szacunków ilo ci zasobów

energii geotermalnej, jako temperatur ko cow TK przyjmuje si zazwyczaj

temperatur równ 20 °C, lub odnosi si do redniej temperatury powietrza [26_e].

Ilo ciep a zakumulowanego w wodach wyst puj cych na powierzchni

1km2, wokó otworu wykonanego lub projektowanego, mo na oszacowa na

podstawie poni szego wzoru [26_e]:

)T-T(hmq kziii

n

1

(4.1)

gdzie:q – ilo ciep a zawartego w wodach wyst puj cych w n – warstwach [Mcal/m2],

m – wspó czynnik porowato ci,

h – mi szo warstwy [m],

TZ – temperatura z o owa [°C],

TK – temperatura ko cowa wód zu ytych [°C],

n – liczba warstw.

4.2. Sposoby pozyskiwania energii geotermicznej

W zale no ci od miejsca wydobywania i przetwarzania energii geotermicznej

na inne rodzaje energii, mo na dokona podzia u na:

1. Technologie przetwarzania energii geotermicznej bezpo rednio w ziemi tj:

- geotermoelektryczne – uzyskiwanie energii elektrycznej za pomoc

pó przewodnikowych ogniw termoelektrycznych, umieszczonych

bezpo rednio w magmie lub wysokotemperaturowym p ynie,

- geotermochemiczne – prowadzenie procesów chemicznych takich

jak: polimeryzacja czy fermentacja za pomoc specjalnych reaktorów

umieszczonych w gor cych p ynach,

17

Energia geotermalna

- geotermomineralne – polegaj ce na wytworzeniu po danych z ó

w wyniku procesu krystalizacji poprzez wprowadzanie do z o a

odpowiednich reagentów.

2. Technologie wykorzystania energii geotermicznej polegaj ce na jej

przetworzeniu ju na powierzchni ziemi, na energi ciepln , elektryczn lub

wykorzystane w innych procesach technologicznych za pomoc

odpowiedniego no nika ciep a, którym mo e by :

- woda geotermalna,

- przegrzana woda geotermalna w postaci pary,

- gor ce suche ska y.

Bior c pod uwag technologie przetwarzania energii geotermicznej

wymienione w punkcie 1., nale y je traktowa raczej jako przysz o ciowe, bowiem

obecnie s to procesy o jeszcze stosunkowo ma ym rozeznaniu. Technologie

wymienione w punkcie 2., nale y zaliczy do technologii wykorzystania

i przetwarzania energii geotermalnej a wi c cz ci energii geotermicznej zawartej

w wodzie, parze wodnej, oraz gor cych suchych ska ach.

Technologie przetwarzania energii geotermalnej, bior c pod uwag aktualny

stan techniki, s mo liwe do przeprowadzenia, jednak o ich praktycznym

wykorzystaniu, decyduj zasoby energii geotermalnej na danym obszarze, parametry

tych zasobów, ale przede wszystkim zapotrzebowanie na ten rodzaj energii

i op acalno ekonomiczna takich inwestycji.

Systemy pozyskiwania energii geotermalnej s u ce do jej wydobywania z

wn trza Ziemi na jej powierzchni , obejmuj najcz ciej nast puj ce elementy [10]:

znajduj cy si na okre lonej g boko ci górotwór, z naturalnie lub

sztucznie wytworzonymi strukturami otwartych porów, wydr e ,

szczelin i p kni o okre lonej przepuszczalno ci, spe niaj cy funkcj

skalnego wymiennika ciep a,

kana y cz ce roboczy poziom skalnych wymienników ciep a

z powierzchni Ziemi,

ruchomy p ynny no nik ciep a (woda),

naziemny zespó urz dze technicznych do przetwarzania

i wykorzystania energii geotermalnej.

18

Energia geotermalna

Systemy eksploatacji energii geotermalnej (rys. 4.4. a ÷ g), ze wzgl du na

rodzaj z o a, jego po o enie i parametry mo emy podzieli na [10]:

a.) jednootworowy system eksploatacyjny z samoczynnym wyp ywem s abo

zmineralizowanej wody geotermalnej i ci nieniu artezyjskim,

b.) jednootworowy system eksploatacyjny s abo zmineralizowanej wody

geotermalnej z poziomu wodono nego o ci nieniu subartezyjskim,

z wykorzystaniem pompy g binowej PG ,

Warstwa wodono na

Sp g

Strop

Zespó urz dzewydobywczo - eksploatacyjnych

PG

a.) Rys. 4.4. b.)

c.) Jednootworowy otwarty system eksploatacyjny s abo zmineralizowanych

wód geotermalnych, z wykorzystaniem pomp g binowych, ze sztucznie

podwy szon przepuszczalno ci z o a w pobli u otworu wydobywczego,

d.) jednootworowy system eksploatacyjny z o a geotermalnego

z zastosowaniem wymiennika ciep a zanurzonego w warstwie

zmineralizowanej wody geotermalnej. Czynnikiem obiegowym mo e by

woda cyrkuluj ca w oddzielnym obiegu z odpowiednimi odbiornikami

ciep a,

e.) jednootworowy system wydobywczo – zat aczaj cy stosowany w przypadku

zmineralizowanych wód geotermalnych; woda geotermalna pobierana jest ze

z o a po o onego ni ej i zat aczana jest do z o a po o onego wy ej,

19

Energia geotermalna

20

PG

c.) d.)

f.) dwuotworowy system zamkni ty z otworami wydobywczym

i zat aczaj cym, z wymuszon cyrkulacj , stosowany w przypadku

zmineralizowanych wód geotermalnych,

g.) dwuotworowy system wykorzystania energii geotermalnej gor cych ska

na du ych g boko ciach ze sztucznie wytworzon przepuszczalno ci

w wyniku eksplozji adunków wybuchowych du ej mocy. Odbieranie

ciep a od gor cych (zeszczelinowanych) ska odbywa si w wyniku

wymuszonej cyrkulacji wody. W przypadku temperatury ska znacznie

przewy szaj cych temperatur 100 °C, cyrkuluj ca w gor cym z o u

woda zmienia si w par wodn .

e.) f.)

Energia geotermalna

ii geotermalnej z gor cych

uchych ska na obecnym etapie maj raczej charakter badawczy i do wiadczalny, a

z racji c gów w odwiertach s bardzo

rogie, wi c w najbli szych latach nie nale y powa nie rozpatrywa ich

zastoso

w ekonomicznie op acalny

wykorzystania

prz tu i wody gruntowej), oraz

wg

ciep o. Umownie mo na stwierdzi , e wody geotermalne s wodami, które mog

O wyborze jednego z w/w systemów pozyskiwania energii geotermalnej

decyduj : rodzaj z o a, po o enie oraz stopie mineralizacji – w przypadku z ó

wód geotermalnych. Technologie pozyskiwania energ

s

g.)

konie zno ci wykonywania kosztownych zabie

d

wania. Inaczej jest natomiast w przypadku technologii wykorzystania z ó

wód geotermalnych, które to obecnie znalaz y zastosowanie w kilkudziesi ciu

pa stwach na wiecie. Polska równie posiada bogate zasoby wód geotermalnych

o niskiej i redniej entalpii, które w wielu rejonach naszego kraju mog stanowi

lokalne czyste ród o energii, mo liwe do wykorzystania

sposób. W dalszej cz ci pracy przedstawiono mo liwo ci

ypowierzchniowej energii geotermicznej (ciep a grun

bnej energii Ziemi w postaci wód geotermalnych.

4.3. Charakterystyka wód geotermalnych

Wody geotermalne – s to wody wyst puj ce w g bi Ziemi, wype niaj ce

przestrzenie porowe lub szczelinowe ska przepuszczalnych, od których odbieraj

21

Energia geotermalna

22

by wykorzystane do produkcji ciep a, a wi c takie, które po wydobyciu na

powierzchni Ziemi maj temperatur wy sz od 20 °C.

Wody

turowe) – 20 ÷ 35 °C,

ody gor ce ( redniotemperaturowe) – 35 ÷ 80 °C,

r ce (wysokotemperatu w – 8

wody przegrzane (bardzowysokotemperaturowe) – powy ej 100 °C.

alna wyp ywaj ca na powierzchni Ziemi ma temperatur

, czego przyczyn jest jej wych adzanie

ratury wody zwi zana

z g boko ci jej wyst powania, uzale niona jest od gradientu geotermicznego, co

przedstawiono na rysunku 4.5.

Temperatura wody geotermalnej na danej g boko ci okre na jest za

pomoc nast puj cej zale no ci:

geotermalne w zale no ci od temperatury dzieli si na [26_c]:

wody ciep e (niskotempera

w

wody bardzo go ro e) 0 ÷ 100 °C,

Woda geoterm

ni sz od temperatury w z o u

w przypowierzchniowych warstwach Ziemi. Zmiana tempe

lo

C][HBTTR (4.2.)

gdzie:

H – g boko [km],

B – gradient geotermiczny [°C/km],

T R – rednia temperatura gruntu na powierzchni Ziemi [°C]

Rys. 4.5. Ilustracja zmian temperatury wód podziemnych ze zmian g boko ci

ród o:[10]

Energia geotermalna

t puj cych na g boko ciach umo liwiaj cych ich

op aca

alnego

masywu skalnego o wysokiej temperaturze.

Z o e przepuszczalne dla przep ywaj cej wody mo na traktowa jako swego

rodzaju wymiennik ciep a, w którym ilo przekazywanej energii na sposób ciep a,

zale y mi dzy innymi od porowato ci, mi szo ci i intensywno ci przep ywu p ynu

w samym z o u, oraz od warunków termicznych ska nieprzepuszczalnych

otaczaj cych to z o e [10].

nych, mog przyjmowa ró ne formy pod

na rysunku 4.6.

Po

eksploa

odbiorc

nast pu

Wody geotermalne nagromadzone w g bi Ziemi wyst puj na obszarach

tzw. z ó geotermalnych, – czyli naturalnych nagromadze wód w wydr eniach,

szczelinach, p kni ciach lub porach ska przepuszczalnych, otoczonych ska ami

nieprzepuszczalnymi, wys

ln eksploatacj . W z o u geotermalnym, przep ywaj cy przez warstw

przepuszczaln p yn (woda), przejmuje energi na sposób ciep a od

przepuszczalnego z o a, które to z kolei odbiera ciep o od nieprzepuszcz

Naturalne z o a wód geotermalnych, w zale no ci od warunków

wytwarzania si przestrzeni przepuszczal

wzgl dem usytuowania, zalegania i mi szo ci, co pokazano

d.)b.)

o enie z o a wód geotermalnych ma istotny wp yw na mo liwo ci jego

tacji, bowiem jest ona op acalna, je eli w pobli u istniej potencjalni

y ciep a.

Obszary wyst powania z ó wód geotermalnych mo na podzieli na

j ce formacje[10], [26_c]:

Zbiornik geotermalny – jest to zespó ska porowatych i przepuszczalnych

wype niony wodami lub parami o mineralizacji umo liwiaj cej ich

Rys .6

a.– dwi

b.– zakl

c.– war

d.– socz

. 4 . Najcz stsze przypadki naturalnych z ó geotermalnych:

e warstwy przepuszczalne (wodono ne) mi dzy warstwami nieprzepuszczalnymi,

ni cie warstwy przepuszczalnej,

stwy przepuszczalne o obr bie uskoków tektonicznych,

ewki ska przepuszczalnych

23

Energia geotermalna

praktyczne wykorzystanie, ograniczony warstwami nieprzepuszczalnymi od

góry (stropem) i od do u (sp giem),

geotermalnyBasen – jest zespo em zbiorników geotermalnych typu

warstwowego, u o onych przewa nie jeden na drugim, o kszta tach

zbli onych do niecek,

Subbasen geotermalny – jest cz ci basenu geotermalnego tworz cego

odr bny zespó obni e strukturalnych, ograniczony od innych subbasenów

strukturami utrudniaj cymi przep yw wód pomi dzy poszczególnymi

subbasenami,

Niecka geotermalna – obni ona strukturalnie cz basenu lub subbasenu,

otoczona strukturalnymi podniesieniami utrudniaj cymi przemieszczanie si

wód,

Region geotermalny – jest to obszar usytuowany przewa nie mi dzy

geotermalnych typu szczelinowego, lub

Pro

basenami, zawieraj cy zbiorniki wód

ma e zbiorniki typu warstwowego,

wincja geotermalna – jest to zespó basenów u o onych nad sob lub

obo si rzemian ska zbiornikowych

i us z ystem hydrodynamiczny, ale

ka b owuj swoj specyfik .

i charakteryzuj cymi dane z o e wód

geo m wnocze nie o sposobie eksploatacji tego z o a jak

równie o kosztach pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej s :

tem ywie [°C],

ia) [g/dm3],

neralizowane 3 ÷10 [g/dm3],

ineralizowane 10 ÷ 35 [g/dm3],

wydajno wyp ywu [m3/h],

k ebie, zbudowanych z wyst puj cych na p

zc elniaj cych. Prowincja posiada jednolity s

dy asen, subbasen czy niecka zach

Zasadniczymi parametram

ter alnych, decyduj cymi ró

peratura wody na wyp

mineralizacja wody (stopie zasolen

- s abo zmineralizowane 1 ÷ 3 [g/dm3],

- rednio zmi

- silnie zm

- solanki – powy ej 35 [g/dm3],

ci nienie wyp ywu [Pa],

- artezyjskie (samowyp yw),

- subartezyjskie,

mi szo ska wodono nych [m],

g boko stropu zbiornika wodono nego [km],

24

Energia geotermalna

przepuszczalno ,

filtracja [m/s]

4.4. Dziedziny wykorzystania energii geotermalnej

Bezpo rednie wykorzystanie energii wód geotermalnych w gospodarce

bejmuje bardzo szeroki zakres zastosowa praktycznych (rys.4.7.).

asadniczym parametrem decyduj cym o mo liwo ci wykorzystania ciep a wód

eotermalnych w konkretnej dziedzinie gospodarki jest temperatura wody na

yp ywie. Ró norodno zastosowa no nika ciep a geotermalnego w zale no ci od

go temperatury przedstawiono na diagramie Lindal’a (rys.4.8.). Diagram Lindal’a

skazuje na ogromn liczb zastosowa geotermi w realizacji ró nych procesów,

tóre znalaz y praktyczne zastosowanie w wielu krajach i zosta y uznane za

konomicznie op acalne.

o temp raktycznie nie przekraczaj cej 90 °C, geotermia mo e by

wy z bszar zakreskowany na diagramie

Lin l’ owa .

ykres uporz dkowany struktury wykorzystania energii geotermalnej na

ró

o

Z

g

w

je

w

k

e

Rys. 4.7. W

Dziedziny wykorzystania geotermii

35%

ocen

t

W polskich warunkach wyst powania z ó wód geotermalnych

eraturze p

kor ystana w mniejszej liczbie procesów (o

da a), nie mniej jednak jest to równie szeroki zakres zastos

wiecie

d o: [33]

0%

1

5%

10%

15%

20%

Ud

zia

pr

25%

ow

y

30% Ogrzew anie 34%

Balneologia 14%

Szklarnie 14%

Pompy ciep a 13%

Chodow la ryb 12%

Przemys 9%

Inne 2%

Suszarnie 1%

Odladzanie 1%

25

Energia geotermalna

Najprostszym a zarazem najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania energii

c pod uwag op acalno ekonomiczn przedsi wzi geotermalnych

naj z t tzw. system

wód geotermalnych jest jej bezpo rednie zagospodarowanie do celów grzejnych, na

przyk ad w:

gospodarce komunalnej (ogrzewanie pomieszcze i przygotowanie ciep ej

wody u ytkowej),

rolnictwie (agrotermia, suszenie p odów rolnych, hodowla, ogrzewanie

szklarni),

rekreacji (ogrzewanie wody w basenach),

przemy le (niskotemperaturowa woda technologiczna).

200

190

180

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

y

Ogrzewanie szklarni

Suszenie ryb, intensywne rozmra anie, ogrzewanie mieszka

Suszenie jarzyn, mycie i suszenie we ny

Suszenie lekkich struktur betonowych

Produkcja wody pitnej przez destylacj , koncentracja roztworów solnych

Rafinacja cukru, odzysk soli przez parowanie, konserwacja po ywienia

Suszenie produktów rolniczych, produkcja rolnicza i przemys owa

Produkcja aluminium w procesie Bayer'a

Suszenie m czki rybnej , suszenie drewna budowlanego

Produkcja ci kiej wody, suszenie wodorostów

Odparowanie wysoko skoncentrowanych roztworów

Procesy przy produkcji papieru

Konwencjonalna produkcja energii elektrycznej

70

60 Hodowla zwierz t, ogrzewanie szklarni

Przygotowanie c.w.u., przemys spo ywczy, mi sny, owocowo - warzywn

50

40

30

20 Hodowla ryb

Wyl garnie i hodowla ryb, odladzanie, biodegradacja, ogrzewanie gleby

Suszenie gleby, ogrzewanie pod ogowe, baseny k pielowe

Uprawa grzybów, belneologia, hydroterapia, rozk ad biomasy

°C

Wod

aPa

ra w

odna

Rys. 4.8. Diagram Lindal'a wykorzystania energii geotermalnej z zaznaczon stref na warunki polsród o: [10], z u

kiezupe nieniem w asnym

Bior

kor ystniejszym wykorzystaniem energii wód geotermalnych jes

26

Energia geotermalna

kas jno wyst puj cych po

sob o ania na temperatur

me m ala na poprawienie

ren rotu nak adów

inwest

i szych wymaganiach cieplnych. Odpowiednie usytuowanie

„stopni” kaskady w obr bie sieci ciep owniczej, o zró nicowanym zapotrzebowaniu

na tem eratur wody w ró nych procesach, pozwala na optymalne wykorzystanie

ciep a zawartego w wodzie geotermalnej. Zastosowanie w najni szym stopniu

kaskady, spr arkowej pompy ciep a umo liwia wykorzystanie wody

o temperaturze mniejszej od 20 °C , jako dolnego ród a ciep a dla tej pompy

i ponowne jej wykorzystanie. Woda sieciowa po oddaniu ciep a w ca ym obiegu

kaskady, posiada ju odpowiednio nisk temperatur i jest kierowana na wymiennik

ciep a, gdzie ponownie si ogrzewa od wody geotermalnej i ca y cykl obiegu wody

w sieci powtarza si .

kadowy. System kaskadowy jest uk adem z o onym z kole

ie dbiorców ciep a w kolejno ci malej cego zapotrzebow

diu grzewczego. Taki system wykorzystania ciep a pozw

towno ci przedsi wzi cia geotermalnego i skrócenie czasu zw

ycyjnych, pozwala bowiem na optymalne odebranie ciep a od z o a

geotermalnego.

System kaskadowy obejmuje nast puj ce przedzia y temperaturowe odbioru

ciep a[20]:

przedzia I – obejmuje zakres temperaturowy poni ej 20°C,

przedzia II – zakres temperaturowy od 20°C do 45°C,

przedzia III – zakres temperaturowy od 45°C do 65°C,

przedzia IV – zakres temperaturowy od 65°C do 90°C,

przedzia V – obejmuje zakres temperaturowy powy ej 90°C

Na rysunku 4.9. przedstawiono przyk adowy system ciep owniczy, w którym

zgodnie z ide kaskadowego wykorzystania ciep a, instalacja ciep ownicza zosta a

podzielona na poszczególne etapy wykorzystania ciep a, o parametrach

dostosowanych do zapotrzebowa poszczególnych odbiorców. Woda geotermalna

po wydobyciu na powierzchni otworem eksploatacyjnym i oddaniu ciep a wodzie

obiegu technologicznego w wymienniku ciep a, jest z powrotem wprowadzana do

z o a otworem zat aczaj cym. Kr ca w obiegu technologicznym woda sieciowa,

kierowana jest najpierw do odbiorców o najwi kszym zapotrzebowaniu na ciep o.

Po oddaniu swojej energii woda sieciowa kierowana jest kolejno do nast pnych

odbiorców, o coraz n

p

27

Energia geotermalna

Wymiennikciep a

ok. 10

5°C

80 do 90°C

55 do 65°C

35 do 45°C

do 20°C

25 do 35°C

ok.30°Cok

. 30

°C

Suszenie materia óworganicznych

Ogrzewanie mieszka

Ogrzewanie szklarni

Ogrzewanie wody w basenach

Przygotowanie wody technologicznej z

udzia em pompy ciep a

ok.100°C

II

I

Rys. 4.9. Przyk ad kaskadowego systemu odbioru ciep aI - obieg wody geotermalnej, II - obieg wody technologicznejOW - otwór wydobywczy, OZ - otwór zat aczaj cy

OW OZ

4.5. Charakterystyka warunków geotermalnych w Polsce

Polska nale y do krajów posiadaj cych bogate zasoby wód geotermalnych

o niskiej i redniej entalpii. Wody te wyst puj w przestrzeniach porowych lub

szczelinowych ska osadowych, wchodz cych w sk ad skorupy ziemskiej.

Temperatura i stopie zasolenia wód podziemnych, zale na ogó od g boko ci

zalegania ska tworz cych zbiorniki wód wg bnych, ogrzanych ciep em z wn trza

Ziemi [10].

Potencja energetyczny wód wg bnych wyst puj cych na terenie Polski,

zosta opracowany na podstawie danych uzyskanych z g bokich otworów

wiertniczych, na przestrzenie wielu lat.

Warunki geotermiczne na terenie Polski przedstawiono w [11] S.Plewy,

natomiast wyst powanie wód geotermalnych w Polsce i potencjalne zasoby zawartej

w nich energii, zosta y szczegó owo omówione w pracy [22] J. Soko owskiego.

28

Energia geotermalna

4.5.1. Zarys warunków geotermicznych Polski

Obszar Polski charakteryzuje si zmiennymi parametrami geotermicznymi,

ze wzgl du na zmienn budow tektoniczn wn trza ziemi. Zró nicowanie tych

parametrów spowodowane jest wyst powaniem na terenie naszego kraju, kilku stref

tektonicznych granicz cych ze sob tj.: prekambryjskiej platformy

wschodnioeuropejskiej, platformy paleozoicznej oraz oregonu karpackiego [11].

Zmienna budowa geotektoniczna, powoduje zmiany g sto ci strumienia

cieplnego, które to na obszarze Polski przedstawiono na rys. 4.10.

Uproszczon analiz zmian g sto ci strumienia cieplnego, oraz gradientu

geotermicznego na terenia Polski zestawiono w tab. 4.1.

Tab. 4.1. Podstawowe parametry geotermiczne w Polsce.

Formacja

geotektoniczna

Strumie cieplny [mW/m2] Gradient geotermiczny

[°C/100m]

Platforma prekambryjska 2,38 ÷52 1,96 ÷ rednio

Platforma paleozoiczna 62,4 ÷ rednio, do pow. 80 2,35 ÷ rednio

Strefa Teisseyre’a

– Tornquista 31,1 ÷ 90 2,16 – rednio, do 3,55

ród o: Zestawienie w asne na podstawie: [11], [18]

29

Rys. 4.10. Mapa zmian g sto ci strumienia cieplnego Ziemi na

obszarze Polski. Izolinie strumienia wyra one w [mW/m2]

ród o: [11]

Energia geotermalna

4.5.2. Zasoby wód geotermalnych w Polsce

Na obszarze Polski zasoby wód geotermalnych wyst puj w basenach

sedymentacyjnych, rozmieszczonych na przestrzeni trzech g ównych prowincji

geotermalnych:

Prowincji rodkowoeuropejskiej,

Prowincji przedkarpackiej,

Prowincji karpackiej.

Rozmieszczenie tych zasobów na znacznym obszarze kraju jest do

równomierne, w poszczególnych prowincjach i okr gach geotermalnych (rys. 4.11.).

Z danych hydrogeologicznych wynika, e ponad 90% zasobów wód wg bnych

znajduje si na obszarze Ni u Polskiego, w polskiej cz ci geotermalnej prowincji

rodkowoeuropejskiej [10].

Subbasen

podhala ski

Rys. 4.11. Prowincje i okr gi geotermalne w Polsce

ród o: [22]

30

Energia geotermalna

Potencjalne zasoby wód geotermalnych w Polsce, oszacowane z ich obj to ci

i temperatury w poszczególnych jednostkach geostrukturalnych, przedstawiono w

tabeli 4.2. Jak wida zasoby te, wyliczone na ponad 34 mld ton paliwa umownego

(ok. 1000 EJ), stanowi ogromny zasób energii. Nale y tutaj jednak zaznaczy , e s

to zasoby potencjalne, i tylko niewielka ich cz mo e by wykorzystana do celów

energetycznych. Ocenia si , e tylko (lub a ) oko o 7 mln tpu (200 PJ) zasobów wód

geotermalnych na terytorium Polski, jest mo liwa do wykorzystania pod wzgl dem

ekonomicznym. Warto ta stanowi równowarto zasobów energii dla oko o 400

instalacji geotermalnych, z których ka da produkuje rocznie 500 TJ ciep a.

Analiza z o owo – geologiczna wykaza a, e najbardziej korzystne warunki

temperaturowe, chemiczne, wielko ci dop ywu wód, porowato ci i mi szo ci ska

zbiornikowych wykazuj kompleksy kredowe i jurajskie w okr gach Ni u

Polskiego, prowincji rodkowoeuropejskiej[18]. Poza tym obszarem na szczególn

uwag zas uguje Subbasen podhala ski, który wykazuje unikalne w skali kraju

warunki geologiczno – z o owe, pod wzgl dem wydajno ci, temperatury,

mineralizacji i ci nienia wód geotermalnych.

Tab. 4.2. Potencjalne (statyczne) zasoby wód geotermalnych w Polsce

Prowincje i okr giObszar

[tys. km2]

Obj to

zbiornika

[km3]

Zasoby

[mln.tpu]

r. g sto

wód

[mln.m3/m

2]

r. g sto

energii

[tys.tpu/km2]

Prowincja rodkowoeuropejska

w tym:

• okr g grudzi dzko – warszawski

• okr g szczeci sko – ódzki

• okr g przedsudecko –

pó nocno wi tokrzyski

• okr g pomorski

• okr gi lubelski

• okr g przyba tycki

• okr g podlaski

222

70

67

39

12

12

15

7

6225

3110

2854

155

21

30

38

17

32 458

11 942

18812

995

162

193

241

113

28

44

42

4

1,75

2,5

2,5

2,5

146

170

280

25,5

13,5

16

16

16

Prowincja przedkarpacka 16 362 1555 23 97

Prowincja karpacka 13 100 714 8 55

Razem 251 6687 34 727 26,5 138

ród o: [22]

tpu – ton paliwa umownego; 1 tpu = 29,3 GJ

31

Charakterystyka elementów i systemów...

5. Charakterystyka elementów i systemów pozyskiwania

i wykorzystania energii geotermicznej

5.1. Ogólna klasyfikacja

Do sposobów wykorzystania energii geotermicznej, dla celów grzejnych

zalicza si systemy, w których urz dzeniem odbieraj cym ciep o, jest odpowiedni

wymiennik ciep a [10].

Wymienniki ciep a s urz dzeniami s u cymi do przekazywania ciep a

pomi dzy ró nymi czynnikami (no nikami ciep a), o ró nych temperaturach.

No nikiem ciep a s zarówno czynniki gazowe, jak i ciek e. W przemys owych

wymiennikach najcz ciej stosuje si takie no niki ciep a jak: gor ca woda i para

wodna, ale wykorzystuje si równie spaliny i podgrzane powietrze. Wymienniki

ciep a wyst puj w ró nych dziedzinach techniki i cz sto nosz nazwy okre laj ce

ich przeznaczenie np.: ch odnice, skraplacze, wytwornice pary, podgrzewacze,

przegrzewacze, parowniki itp. [4], [15].

W wymiennikach ciep a mo e wyst powa zarówno ustalona jak i nie

ustalona wymiana ciep a. Ustalona wymiana ciep a mo e wyst powa tylko w

wymiennikach o dzia aniu ci g ym. Wymienniki ciep a o dzia aniu nieci g ym mog

realizowa procesy wymiany ciep a jednorazowo lub okresowo, gdzie wyst puj

tylko nieustalone pola temperatury [15].

Zasadniczym podzia em wymienników ciep a jest ich klasyfikacja ze

wzgl du na zasad dzia ania na:

Przeponowe (rekuperatory) – gdzie oba czynniki, ogrzewaj cy i ogrzewany

oddzielone s przegrod która stanowi powierzchni wymiany ciep a. Ten

typ wymiennika pracuje w sposób ci g y, a ciep o jest odbierane od czynnika

cieplejszego i przekazywane do czynnika zimniejszego w sposób zazwyczaj

ustalony , a temperatury wówczas s ustalone i niezmienne w czasie.

Regeneratory – s to wymienniki które dzia aj w ten sposób e, posiadaj

one powierzchni wymiany ciep a z materia ów ceramicznych lub metali

(ceg y, blachy, siatki, itp.) do której najpierw wprowadzany jest gor cy

czynnik od którego odbierane jest ciep o i akumulowane w tym wype nieniu,

a nast pnie wprowadzani jest zimniejszy p yn który z kolei odbiera ciep o od

32


powierzchni wype nienia. Takie wymienniki dzia aj w sposób nieci g y,

ruch ciep a jest nieustalony, a temperatury s zmienne w czasie.

Bezprzeponowe (mieszalniki) – s to wymienniki ciep a o dzia aniu

bezpo rednim, w których wymiana ciep a odbywa si na zasadzie

bezpo redniego wymieszania si dwóch no ników o ró nych temperaturach,

a wi c oprócz wymiany ciep a wyst puje w nich równie wymiana

substancji. Ruch ciep a przebiega tutaj w sposób ci g y i ustalony, a wi c

temperatury nie zmieniaj si w czasie.

Inny podzia wymienników ciep a dotyczy:

liczby p ynów bior cych udzia w wymianie ciep a – dwuczynnikowe lub

wieloczynnikowe,

kierunku ruchu no ników ciep a – wspó pr dowy, przeciwpr dowy,

krzy owy, równoleg o – mieszany, krzy owo – mieszany,

liczby dróg przep ywu – dwudro ne, wielodro ne.

W systemach geotermicznych, jak równie w cieplnych instalacjach

przemys owych znajduj zastosowanie rekuperatory czyli przeponowe wymienniki

ciep a, które ze wzgl du na miejsce usytuowania w systemie geotermicznym

mo emy podzieli na:

a.) Powierzchniowe:

p ytowe,

rurowe,

p aszczowe,

b.) Przypowierzchniowe:

p ytkie pionowe sondy ciep a (g boko zakopania 150 ÷ 200m),

poziome kolektory ziemne (g boko zakopania oko o 2 m),

c.) G bokogruntowe (geotermalne):

naturalne,

- otwory wydobywcze,

- otwory zat aczaj ce,

g bokie pionowe sondy ciep a (g boko c zakopania powy ej

2km),

- geotermalne wymienniki z elementem Fielda,

- geotermalny wymiennik rubowy.

33


5.2. Podstawy wymiany ciep a w geotermalnych wymiennikach ciep a

Procesy wymiany ciep a w systemach geotermalnych, dotycz przede

wszystkim procesów zachodz cych pod powierzchni Ziemi, a wi c zagadnie

odbierania ciep a od gruntu b d z ó geotermanlych. Czy b dzie to p ytki kolektor

gruntowy, czy g boki otwór wydobywczy wody geotermalnej, zawsze mamy do

czynienia z obiegiem w którym no nikiem jest p yn lub para, odbieraj cy ciep o

geotermiczne, w celu wykorzystania tego ciep a na powierzchni Ziemi.

Warunki wymiany ciep a w elementach systemu geotermalnego, takich jak

gruntowe wymienniki ciep a, zw aszcza w systemach g bokootworowych s bardzo

trudne do precyzyjnego okre lenia, ze wzgl du na swoja z o on istot . Z o ono

tych procesów wynika z tego, i pewne wielko ci zwi zane z wymian ciep a mog

ulega zmianie w czasie (temperatura i strumie obj to ciowy czynnika), a inne

mog by zmienne wraz z g boko ci , ze wzgl du na niejednorodno z o a

(g sto , ciep o w a ciwe, przewodno cieplna itp.). Z o ono procesów wymiany

ciep a, powoduje e s one opisane skomplikowanymi zale no ciami

matematycznymi, których rozwi zanie w wielu przypadkach mo liwe jest jedynie

za pomoc oblicze numerycznych. Dok adna prezentacja i szczegó owe opisywanie

zasad wymiany ciep a w elementach systemu geotermalnego, znacznie wybiega

poza zakres i cel niniejszej pracy, dlatego zostanie zaprezentowana tutaj jedynie

sama istota wymiany ciep a, oraz charakterystyki temperaturowe podstawowych

gruntowych wymienników ciep a.

Najcz ciej geotermalne wymienniki ciep a s typu „rura w rurze”, czyli do

zewn trznej rury wprowadzana jest wewn trzna rura. Wymiennik taki posiada wi c

dwa kana y przep ywu, zewn trzny – pier cieniowy oraz wewn trzny –

cylindryczny. Czynnikiem przep ywu jest tutaj p yn (woda), który w jednym kanale

p yn c oddaje ciep o, a w drugim je odbiera. Wymiana ciep a miedzy czynnikami

zale y od rozk adu temperatury p ynów wzd u powierzchni wymiany ciep a,

a rozk ad temperatury zale y od kierunku przep ywu p ynów oraz od strumieni

pojemno ci cieplnych. Wzajemne usytuowanie kierunku przep ywu czynników jest

jednym z kryteriów klasyfikacji wymienników ciep a, a zarazem decyduje

o wydajno ci cieplnej tego urz dzenia. Najprostszym przypadkiem jest równoleg y

przep yw p ynów, charakterystyczny dla tzw. wymienników równoleg opr dowych,

w którym istniej dwie mo liwo ci:

wspó pr d – czyli przep yw obu czynników w tym samym kierunku,

34


przeciwpr d – czyli przep yw czynników w kierunkach przeciwnych.

Na rysunku 5.1. przedstawiono rozk ad temperatury w obydwu typach

wymienników. W przeciwpr dowym wymienniku ciep a wydajno cieplna (moc)

jest wi ksza ni we wspó pr dowym o tej samej powierzchni, mo na wi c czynnik

1 sch odzi lub czynnik 2 podgrza w wi kszym stopniu. Stosowanie uk adu

przeciwpr dowego jest wi c cz stszym przypadkiem, jednak e uk ad wspó pr dowy

jest równie niekiedy bardzo po dany, gdy rozwi zanie to zapewnia bardziej

wyrównany rozk ad temperatury przegrody w wymienniku oraz ni sze warto ci

maksymalnej temperatury cianki, co jest istotnym czynnikiem konstrukcyjnym.

Podstaw wszelkich oblicze wymienników ciep a s równania wymiany ciep a oraz

bilansu energii:

1.) Równanie wymiany ciep a (Prawo Pecleta):

TkAQ (5.1)

gdzie:

Q – wymieniane ciep o [W],

k – wspó czynniki przenikania ciep a [W/m2K],

A – powierzchnia wymiany ciep a [m2],

T11 T12

T21

T22

T11

T12

T21

T22

Tp

T2

T1

Tk

T

A

T

T21

T11

T22

Tp

T11

T21T

2

T22

AT

1T

k

T12

T12

WSPÓ PR D PRZECIWPR D

Rys. 5.1. Porównanie zmian temperatury p ynów we wspó pr dowymi przeciwpr dowym wymienniku ciep a

35


T – ró nica temperatur [K].

2.) Równania bilansu energii:

)( 121111 TTmcQ p (5.2)

)( 212222 TTmcQ p (5.3)

gdzie:

Q1 – ciep o oddane przez czynnik „1” (cieplejszy) [W],

Q2 – ciep o pobrane przez czynnik „2” (zimniejszy) [W],

m1 – przep yw masowy czynnika „1” [kg/s],

m2 – przep yw masowy czynnika „2” [kg/s],

cp1 – ciep o w a ciwe czynnika „1” [J/kgK],

cp2 – ciep o w a ciwe czynnika „2” [J/kgK],

T11 – temperatura na wlocie czynnika „1” [K],

T12 – temperatura na wylocie czynnika „1” [K],

T22 – temperatura na wylocie czynnika „2” [K],

T21 – temperatura na wlocie czynnika „2” [K].

W równaniu Pecleta (5.1) wyst puje ró nica temperatur T. Ze wzgl du na

nieliniowy rozk ad temperatury, dla wymienników dwuczynnikowych

równoleg opr dowych przyjmuje si redni logarytmiczn ró nic temperatur na

wlocie i wylocie z wymiennika T rlog:

k

p

kp

r

T

T

TTT

ln

log (5.4)

gdzie:

Tp – pocz tkowa ró nica temperatur (na wlocie) [K],

Tk – ko cowa ró nica temperatur (na wylocie) [K].

W przypadku przep ywów mieszanych (nierównoleg opr dowych), jak np.

przep yw krzy owy, równie stosuje si wzór (5.4), ale ze wspó czynnikiem

poprawkowym T.

36


k

p

kp

Tr

T

T

TTT

ln

log (5.5)

T odczytuje si z nomogramów dost pnych w literaturze [5].

Aby móc odczyta warto ci T nale y najpierw wyznaczy T rlog, jak dla

wspó pr du, oraz wielko ci P i R, obliczone ze wzorów:

max

2

2111

2122

T

T

TT

TTP (5.6)

2

1

2122

1211

T

T

TT

TTR (5.7)

Istnieje równie inna metoda do obliczania wymienników o z o onym

przep ywie czynników, tzw. metoda efektywno ci cieplnej. Efektywno cieplna

wymiennika jest definiowana jako stosunek aktualnej mocy cieplnej do mocy

cieplnej maksymalnej mo liwej, czyli:

maxQ

Q(5.7)

Maksymalna mo liwa wielko Qmax jest w rekuperatorze ograniczona maksymaln

ró nic temperatur czynników na wlocie Tmax = T11 – T21, czyli:

)( 2111minmax TTWQ (5.8)

gdzie:

Wmin – mniejsza z pojemno ci cieplnych W1 i W2.

Rzeczywista moc cieplna wynosi zatem:

)( 2111minmax TTWQQ (5.9)

37


dla W1<W2, (Wmin = W1 i Wmax = W2)

max

1

2111

1211

T

T

TT

TT(5.10)

dla W1>W2, (Wmin = W2 i Wmax = W1)

max

2

2111

2122

T

T

TT

TT(5.11)

W zale no ci od i stosunku Wmin/Wmax wyznacza si NTU („Number of heat

Transfer Units”– liczba jednostek przep ywu ciep a).

minW

kANTU (5.12)

W wymiennikach p aszczowo – rurowych zaopatrzonych w przegrody zasada

przeciwpr du jest równie naruszona, gdy w przestrzeni mi dzyrurkowej p ynie

czynnik prostopadle do p ku rur. Na skutek jednak wi kszej ilo ci skrzy owa

(przegród) warto jest najcz ciej tak bliska jedno ci, e mo na jej wp yw

pomin .

5.3. Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej

Energia zakumulowana w przypowierzchniowej warstwie gruntu (do

g boko ci oko o 10 m) jest wynikiem poch aniania energii promieniowania

s onecznego oraz wymiany ciep a z otaczaj cym powietrzem. Warto energii

zgromadzona w tej wierzchniej warstwie gruntu, uzale niona jest od zmian

temperatury gruntu. Temperatura gruntu zmienia si wraz z g boko ci

w przybli eniu sinusoidalnie, z malej c amplitud w miar wzrostu g boko ci

(rys. 5.2.).

38


X

Tzx

Tzp

Rys. 5.2. Rozk ad zmian temperatury w gruncie

Rozk ad temperatury w gruncie mo na opisa nast puj c zale no ci :

xkz

tTT ex

kzZPZX

2cos2 (5.13)

gdzie:

czcz C

1kz - dyfuzyjno cieplna gruntu [cm2/s] ; przyk adowa warto wynosi

kz 0,0046 [cm2/s],

cz – oporno cieplna w a ciwa gruntu [cmK/W],

Ccz – pojemno cieplna w a ciwa gruntu [Ws/cm3K],

= 2 f = 2 / ,

– okres zmian [s],

Tzp – amplituda zmian temperatury powierzchni gruntu [K],

x – g boko w gruncie [cm],

Amplituda zmian temperatury w gruncie wynosi:

2ex

kzZPZXM TT (5.14)

39


Natomiast przesuni cie w czasie amplitudy zmian temperatury w gruncie na

g boko ci x w stosunku do amplitudy temperatury na powierzchni ziemi wynosi:

xkz

t2

(5.15)

Sinusoidalna zmiana temperatury gruntu jest przesuni ta w stosunku do

sinusoidy temperatury powietrza. Przesuni cie w fazie zmian temperatury gruntu, w

stosunku do zmian temperatury powietrza, zwi ksza si wraz ze zmian g boko ci.

W miesi cach zimowych temperatura powietrza przy powierzchni gruntu jest ni sza

ni w g bi ziemi (rys. 5.3.), co jest zjawiskiem korzystnym z punktu widzenia

wykorzystania gruntu jako dolnego ród a ciep a dla pomp ciep a, bowiem

zapotrzebowanie ciep a jest najwi ksze w sezonie grzewczym a w tym okresie

w a nie temperatura gruntu jest relatywnie wysoka w stosunku do temperatury

powietrza.

XII III VI IX XII

20

15

10

5

0

(A)

(B)

[°C]

Miesi c

Rys. 5.3. Przebieg zmian temperatury w ci gu roku:

(A) – na powierzchni gruntu , (B) – na g boko ci 2,5 m

40


Wykorzystanie przypowierzchniowego ciep a ziemi, w bezpo redni sposób do

celów grzewczych poprzez przekazanie energii geotermicznej no nikowi w sondzie

ciep a, nie jest mo liwe ze wzgl du na zbyt niskie temperatury panuj ce

w przypowierzchniowej warstwie gruntu, si gaj ce oko o 5 ÷ 15°C. W celu wi c

wykorzystania przypowierzchniowego ciep a ziemi do celów grzewczych, niezb dne

jest zastosowanie dodatkowego urz dzenia jakim jest pompa ciep a, która umo liwia

uzyskanie odpowiednio wysokiej temperatury wody zasilaj cej instalacj .

Obecnie stosowane systemy ogrzewania niskotemperaturowego w obiekcie

budowlanym, wymagaj aby temperatura na dop ywie wynosi a co najmniej 35°C,

w przypadku ogrzewania pod ogowego, a przy innych rodzajach ogrzewania co

najmniej 60 ÷ 70°C, w zale no ci od stanu izolacji ogrzewanych budynków. W

zwi zku z tym dla zapewnienia w a ciwych temperatur wody na dop ywie do

instalacji grzejnych, najodpowiedniejsze wydaje si zastosowanie spr arkowych lub

sorpcyjnych pomp ciep a [10].

Zasadniczymi elementami systemów przypowierzchniowego wykorzystania

ciep a gruntu s – wymienniki ciep a s u ce do odbioru ciep a z gruntu w postaci

poziomych kolektorów ziemnych lub pionowych sond ciep a, oraz pompy ciep a

umo liwiaj ce uzyskanie odpowiedniej temperatury na zasilaniu instalacji grzewczej.

Kolektory ziemne wykonuje si zazwyczaj w postaci rur z tworzyw

sztucznych (polietylen, polibutylen, polipropylen), o rednicy do 2,5 i grubo ci 2,5

÷ 3mm, u o onych poni ej g boko ci przemarzania gruntu (ok. 1,5m). Rury mog

by rozmieszczone w ró nych konfiguracjach (rys. 5.4.), a wewn trz nich p ynie

czynnik obiegowy, odbieraj cy ciep o gruntu. Jako czynnik obiegowy stosuje si

wod z dodatkiem rodka przeciwzamarzaj cego (25 ÷ 30%), solank lub w

przypadku bezpo redniego odparowania – czynnik ch odniczy. Zalet tego typu

wymiennika jest atwo jego wykonania i wzgl dnie niski koszt. Wad jest

konieczno dysponowania do du powierzchni gruntu w którym ma by

umieszczony wymiennik oraz podatno na zmiany temperatury zewn trznej, co

przy d u szym okresie niskich temperatur powietrza mo e spowodowa spadek

efektywno ci pompy ciep a.

41


Rys.5.4. Uk ady po cze rur w poziomych gruntowych wymiennikach ciep a:

a) i b) – w ownicowy, c) – p tlicowy, d) równoleg y

ród o: [10]

Przyk adowe rozwi zania kolektora poziomego wspó pracuj cego z pomp

ciep a do ogrzewania domku jednorodzinnego pokazano na rysunkach 5.5.

Rys. 5.5. Kolektor ziemny w konfiguracji:

a) szeregowej,

b) podwójno – szeregowej,

c) podwójno – szeregowo – równoleg ej

ród o [10]

c)

a) b)

Gruntowe sondy pionowe podobne s do wymienników poziomych, jednak

w tym przypadku rury s umieszczane pionowo w gruncie w otworach do g boko ci

oko o 100 ÷ 200 metrów. rednica rur wynosi oko o 1,5 i wewn trz p ynie równie

42


ciecz niezamarzaj ca. Zalet tego wymiennika jest ma a podatno na zmiany

temperatury zewn trznej, ma a powierzchnia gruntu potrzebna do wykonania

wymiennika oraz dwukrotnie lepsza skuteczno wymiennika ni wymiennika

poziomego. Wad jest stosunkowo wysoki koszt wykonania wymiennika. Najcz ciej

stosowanymi rozwi zaniami sond pionowych s uk ady przedstawione na rysunku

5.6., które obejmuj [10]:

prost sond typu U,

uk ad z przep ywem przeciwbie nym,

uk ad z przep ywem koncentrycznym.

Rys. 5.6. Schematy podstawowych rozwi za gruntowych sond pionowych:

a) typ U, b) z przep ywem przeciwbie nym, c) z przep ywem wspó bie nym

ród o: [10]

Sondy pionowe w zale no ci od zapotrzebowania na ciep o mog

wyst powa jako pojedyncze, lub te pracowa (w przypadku wi kszego

zapotrzebowania na ciep o) w uk adach czonych – szeregowych lub równoleg ych.

Przyk adowe rozwi zania pionowych sond gruntowych wspó pracuj cych z pomp

ciep a do ogrzewania domku jednorodzinnego w konfiguracji szeregowej

i równoleg ej pokazano na rysunku 5.7. W przypadku czenia sond korzystniejsze

jest rozwi zanie czenia równoleg ego.

43


a) b)

Rys. 5.7. Pionowa gruntowa sonda ciep a w konfiguracji:

a) szeregowej, b) równoleg ej

ród o; [10]

Rysunek 5.8. przedstawia uk ad systemu grzejnego obejmuj cego pomp

ciep a oraz sond umieszczon w pionowym otworze. Sonda ciep a w postaci rury

wspó rodkowej umieszczona jest w otworze o odpowiedniej rednicy i g boko ci.

Sonda posiada dwa kana y przep ywu. Zewn trznym pier cieniowym kana em

wprowadzana jest ch odna ciecz, która po odebraniu ciep a wraca na powierzchni

kana em wewn trznym. Doprowadzona ciecz do pompy ciep a zostaje dalej

przekazana do instalacji ogrzewania pod ogowego.

44

Rys. 5.8. Schemat uk adu ogrzewania pod ogowego z pomp ciep a

ród o: [10]


Przypowierzchniowe instalacje geotermiczne pracuj w uk adzie

zamkni tym, czyli w takim gdzie pobieranie energii realizowane jest przez no nik

ciep a przep ywaj cy w sondzie ziemnej a oddawanie energii odbywa si na

powierzchni ziemi. Przyk ady zamkni tych instalacji geotermicznych zestawiono

w tabeli 5.1.

Tab. 5.1. Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej

NazwaG boko

zakopania [m]

No nik

ciep aUwagi

Kolektory ziemne 1,2 – 2,0 SolankaWp yw klimatu i pór roku, du a

powierzchnia

Sonda ziemna – wbijana 8 – 25 SolankaMateria – stal, tylko w gruntach

piaskowych i wirowych

Sonda ziemna – w odwiercie 20 – 100 Solanka Idealna w ska ach litych

Sonda ziemna – bezpo rednie

odparowanie w sondzie 1,5 – 50

Czynnik

ch odniczy

Materia – mied , du a ilo

czynnika ch odniczego

ród o: [10]

G sto strumienia ciep a przejmowanego przez gruntowy wymiennik ciep a

(kolektor lub sond pionow ) zale y przede wszystkim od rodzaju i struktury gruntu

( wir, glina, piasek) oraz od jego wilgotno ci. Przyjmuje si e w glebach

wilgotnych , g sto pobieranego strumienia ciep a wynosi q = 40 ÷ 50 W/m2, a w

gruntach suchych q = 10 ÷ 30 W/m2 [10]. Niejednorodno gruntu powoduje i

mamy do czynienia z nieustalonymi warunkami wymiany ciep a, wi c obliczenia

cieplne s do z o one a wyniki tych oblicze niepewne.

Obliczenia cieplne w przypadku kolektorów gruntowych dotycz okre lenia

cznej d ugo ci rur potrzebnych do uzyskania odpowiedniej mocy cieplnej,

wykorzystuj c strumie ciep a pobierany z gruntu Q0. Liniow g sto strumienia

ciep a pobieranego z gruntu i przekazywanego do kolektora poziomego okre la

wzór:

gp

LRR

T

L

QQ 0

[W/m] (5.13)

gdzie:T = T0 – T – ró nica temperatur pomi dzy temperatur gruntu (w znacznej

odleg o ci od kolektora) i temperatur czynnika na wyj ciu z kolektora [K],

45


Rp – jednostkowy opór wnikania i przewodzenia ciep a w rurze kolektora [mK/W],

Rg – jednostkowy obliczeniowy opór cieplny gruntu [mK/W].

W wyniku przekszta cenia zale no ci (5.13.), oraz wykorzystaniu e

p

p

gQQ1

0 , mo na okre li d ugo kolektora ze wzoru:

T

RRQL

gp

p

p

g

1 [m] (5.14)

Poniewa pompa ciep a pracuje okresowo, nale y to uwzgl dni poprzez

wprowadzenie wspó czynnika fh (fh = 0,5÷0,7), który koryguje warto oporu gruntu

Rg. Mamy wi c ostatecznie:

T

RfRQL

ghp

p

p

g

1 [m] (5.15)

Warto Rg zale y od w a ciwo ci fizycznych gruntu. W glebach wilgotnych

jednostkowy opór gruntu przyjmuje ni sze warto ci ni w glebach suchych. Dla

oblicze projektowych mo na przyj w przybli eniu, e warto tego oporu

zmienia si w granicach Rg = 0,55 ÷ 0,8 mK/W [10].

Jednostkowy opór cieplny wnikania i przewodzenia w rurze kolektora ziemnego

mo na okre li z zale no ci:

w

z

pww

pD

D

DR ln

2

11 [mK/W] (5.16)

gdzie:

w – wspó czynnik wnikania ciep a [W/m2K],

p – wspó czynnik przewodzenia ciep a [W/m2K],

Dw – rednica wewn trznej kolektora [m],

Dz – rednica zewn trzna kolektora [m].

Obliczenie d ugo ci rur dla sond pionowych wyznacza si równie z zale no ci

(5.15) dla poziomych wymienników gruntowych.

Strumie ciep a Q0 odbierany przez pomp ciep a z gruntu, który stanowi

dolne ród o ciep a dla pomp ciep a, zale y od zapotrzebowania wody grzejnej Qg

np. dla ogrzewania budynku), oraz od wska nika efektywno ci energetycznej

pompy ciep a p. Strumie ten mo na okre li z zale no ci:

p

p

gQQ1

0 [W] (5.17)

46


Wska nik efektywno ci energetycznej p (wspó czynnik efektywno ci) jest

wyra ony jako stosunek energii cieplnej odbieranej na poziomie ród a górnego, do

energii nap dowej pompy ciep a. Od wspó czynnika p uzale niona jest sprawno

grzania pompy ciep a , czyli stopie wykorzystania energii pierwotnej. Sprawno

pompy ciep a, definiowana jest jako stosunek energii cieplnej odbieranej na

poziomie ród a górnego, do ca kowitej energii doprowadzonej do pompy ciep a

w przeliczeniu na energi pierwotn . Sprawno grzania dla ró nych rodzajów

pomp ciep a, oraz ich porównanie z tradycyjnym ogrzewaniem przedstawiono

w tabeli 5.2.

Tab. 5.2. Sprawno grzania pomp ciep a wykorzystuj cych ciep o gruntu.

Sprawno grzania Pompa ciep a

przy p = 3 przy p = 4

Spr arkowa pompa ciep a (nap dzana energi elektryczn z

sieci)0,9 – 1,1 1,2 – 1,5

Spr arkowa pompa ciep a (skojarzone wytwarzanie energii

elektrycznej i ciep a w silnikach spalinowych) 1,5 – 1,6 1,8 – 2,0

Spr arkowa pompa ciep a (nap dzana gazowym silnikiem

wysokopr nym)1,3 – 1,8

Sorpcyjna pompa ciep a 1,2 – 1,5

Dla porównania:

Ogrzewanie energi elektryczna z sieci 0,3 – 0,4

Kocio c.o. przed 1970 ok 0,5

Nowoczesny kocio c.o. ok 0,9

Kondensacyjny kocio c.o. ok 1,0

ród o: [10]

Wspó praca pompy ciep a z instalacj centralnego ogrzewania mo e

odbywa si w oparciu o dwa podstawowe uk ady:

Uk ad monowalentny – w którym pompa ciep a stanowi samodzielne ród o

zasilania do celów grzewczych (c.o. oraz c.w.u.). Tego typu uk ad (rys. 5.9.)

powinien charakteryzowa si stabiln temperatur dolnego ród a ciep a

w ci gu roku,

47


Uk ad biwalentny (uk ad z o ony) – z pomp ciep a która stanowi

podstawowe ród o ciep a, oraz dodatkowym ród em (szczytowym) którym

mo e by np. kocio elektryczny, gazowy lub olejowy. Pompa ciep a

zaspakaja potrzeby energetyczne budynku przez wi ksz cz roku, a w

okresie najwi kszego zapotrzebowania na energi grzejn zostaje

wspomagana lub w ca o ci zast piona przez szczytowe ród o ciep a. W ród

systemów biwalentnych mo na rozró ni (rys. 5.10.):

- system rozdzielony (alternatywny) – w którym ród a

ciep a nie pracuj równocze nie, tzn. przy granicznej

temperaturze zewn trznej nast puje wy czenie pompy

ciep a, a wyst puj ce wówczas zapotrzebowanie zostaje

pokryte przez drugie ród o ciep a,

- system równoleg y – praca obydwu róde odbywa si

równocze nie,

- system mieszany – praca obydwu róde odbywa si

równocze nie ale tylko w okre lonym zakresie temperatury

zewn trznej, a przy szczytowym poborze energii cieplnej

pompa ciep a jest wy czana.

Rys. 5.9. Uk ad monowalentny

Q – zapotrzebowanie na ciep o

N – d ugo sezonu grzewczego (liczba

dni w roku)

Q

Pompa ciep a

N

Uwzgl dniaj c z jednej strony zapotrzebowanie budynku na energi ciepln ,

z drugiej strony specyfik dolnego ród a ciep a (wilgotno i rodzaj gruntu), mo na

dokona wyboru odpowiedniej pompy ciep a, wymiennika ciep a (kolektor poziomy

48


lub sonda pionowa), oraz uk adu wspó pracy ród a ciep a z instalacj centralnego

ogrzewania i ciep ej wody u ytkowej.

Kocio szczytowy

Pompa ciep a

Q

N

Pompa ciep a

Q

N

Pompa ciep a

Q

N

Kocio szczytowy

Kocio szczytowy

a)b)

c)

Rys. 5.10. Uk ad biwalentny:

a) system rozdzielony,

b) system równoleg y,

c) system mieszany.

Q – zapotrzebowanie na ciep o

N – d ugo sezonu grzewczego

(liczba dni w roku)

5.4. Geotermalne systemy wydobywczo – przetwarzaj ce

Systemy wydobywczo – przetwarzaj ce , jako uk ady pozyskiwania

i wykorzystania energii geotermalnej obejmuj nast puj ce cz ci:

zespó elementów umo liwiaj cych wydobycie energii geotermalnej

z wn trza Ziemi na jej powierzchni ,

zespó powierzchniowych rodków technicznych, pozwalaj cych,

w zale no ci od temperatury no nika ciep a, na jego wykorzystanie do celów

grzewczych, procesów technologicznych lub produkcji pr du elektrycznego

(w przypadku wysokich temperatur, przewy szaj cych znacznie 100°C).

Podstawowymi elementami systemu do wydobywania i zagospodarowania energii

geotermalnej s [10]:

49


z o e geotermalne – najcz ciej w postaci warstwy wodono nej, odbieraj cej

ciep o od szkieletu skalnego. Warstwa wodono na mo e by uznana za

swego rodzaju podziemny wymiennik ciep a,

kana y dost pu do z o a, cz ce poziom roboczy z o a z powierzchni ,

p yn jako no nik ciep a (najcz ciej woda),

specjalne oprzyrz dowanie podziemne (filtry, pompy g binowe,

zapuszczane w otworach wymienniki ciep a,

zespó urz dze , w tym powierzchniowe wymienniki ciep a,

umo liwiaj cych wykorzystanie wody geotermalnej do celów grzewczych

i/lub technologicznych,

zespó urz dze technicznych pozwalaj cych na wytworzenie energii

elektrycznej w przypadku wysokich temperatur no nika ciep a (separator,

turbina, generator),

zespó urz dze wspomagaj cych w przypadku zbyt niskiej temperatury

no nika (kot y szczytowe).

Systemy geotermalne w zale no ci od stopnia mineralizacji wody

podziemnej mog funkcjonwa jako jednootworowe lub dwuotworowe (dublety

geotermalne). Jednootworowe otwarte systemy wydobywcze znajduj zastosowanie

w przypadku wód s odkich lub s abo zmineralizowanych, o mineralizacji 1÷3g/dm3,

w których woda geotermalna po oddaniu swojego ciep a zostaje kierowana do wód

powierzchniowych. Systemy zamkni te jedno lub dwuotworowe wydobywczo –

zat aczaj ce, stosuje si w przypadku wód o wi kszym zasoleniu, gdzie woda

geotermalna po wykorzystaniu jest z powrotem zat aczana do z o a.

Poni ej zostan omówione najcz ciej spotykane rozwi zania systemów

geotermalnych jedno i dwuotworowych.

Na rysunku 5.11. przedstawiono jednootworowy otwarty system

geotermalny. Pompa g binowa PG umieszczona w otworze eksploatacyjnym OE,

s u y do wydobycia wody geotermalnej na powierzchni i dostarczeniu jej na

wymiennik ciep a WC, w którym wydobyta woda oddaje swoje ciep o wodzie

obiegu sieciowego. W przypadku z o a o ci nieniu artezyjskim, pompa g binowa

nie jest konieczna, bowiem woda posiada odpowiednie ci nienie do samodzielnego

wyp ywu na powierzchni . Kr ca w uk adzie zamkni tym woda sieciowa

doprowadzana jest do odbiorców ciep a OC, gdzie najcz ciej oddaje swoje ciep o

w indywidualnych wymiennikach ciep a zainstalowanych u konkretnych odbiorców,

50


z których to poszczególni odbiorcy czerpi ciep o na cele centralnego ogrzewania

i przygotowania ciep ej wody u ytkowej. Je eli powracaj ca woda od odbiorców

ciep a ma jeszcze wystarczaj co du entalpi , przed ponownym wprowadzeniem

na g ówny wymiennik ciep a WC, mo e zosta wykorzystana do innych celów (np.

agrotermia, rekreacja, itp.) Woda geotermalna po oddaniu ciep a jest kierowana do

powierzchniowego zbiornika retencyjnego ZP, gdzie mo e zosta wykorzystana

jeszcze do innych celów tj: do nawadniania, hodowli ryb a nawet po uprzednim

przygotowaniu do celów pitnych. Niewykorzystana woda geotermalna mo e by

wprowadzona do rzek lub jezior, poniewa posiada nisk mineralizacj . Otwarty

system jednootworowy z jednej strony uniezale nia wydobycie wody od ch onno ci

z o a, lecz z drugiej strony mo e ogranicza intensywno eksploatacji ze wzgl du

na s abe uzupe nianie z o a przez przenikanie wód gruntowych.

ZP

OC

PWC

PG

Warstwa wodono na

OE

Rys. 5.11. Jednootworowy, jednowarstwowy otwarty system wydobywania

wody geotermalnej z zastosowaniem pompy g binowej

W przypadku wód geotermalnych o wi kszej mineralizacji, mo liwa jest

równie ich eksploatacja z wykorzystaniem tylko jednego otworu, ale wówczas do

otworu wprowadzane s dwie wspó rodkowo u o one rury, z których jedna pe ni

rol wydobywcz a druga zat aczaj c . Takie rozwi zanie jest przedstawione na

rysunku 5.12. Do otworu wprowadzony jest element typu rura w rurze, w wyniku

51


czego otrzymuje si kana wewn trzny i dwa kana y wsp ó rodkowe. Zastosowana

pompa g binowa umo liwia (w przypadku z o a subartezyjskiego) poprzez rur

wewn trzn wydobycie wody geotermalnej na powierzchni ze z o a po o onego

ni ej i przekazanie jej do napowietrznej instalacji geotermalnej. Zat aczanie

wykorzystanej wody o odpowiednio niskiej temperaturze, realizowane jest kana em

wspó rodkowym do wy ej po o onej warstwy wodono nej. Zasadnicz zalet

takiego rozwi zania jest mo liwo pobierania i zat aczania wody geotermalnej

jednym otworem, bez konieczno ci wiercenia osobnego otworu zat aczaj cego,

znacznie powi kszaj cego nak ady inwestycyjne systemu.

OC

PWC

PG

Warstwa wodono na

Warstwa wodono na

P

Rys. 5.12. Jednootworowy, dwuwarstwowy zamkni ty system typu

rura w rurze z pomp g binow do wydobywania wody geotermalnej

W przypadku wód silnie zmineralizowanych mo na stosowa zamkni te

uk ady dwuotworowe. Jednym z takich rozwi za jest uk ad pokazany na rysunku

5.13. Uk ad taki posiada dwa otwory z których jeden pe ni rol otworu

wydobywczego OE, a drugi zat aczaj cego OZ. Woda jak poprzednio po wydobyciu

i oddaniu swojej energii w wymienniku ciep a WC, jest z powrotem zat aczana do

warstwy wodono nej, jednak w tym wypadku za po rednictwem specjalnie

wykonanego do tego celu otworu zat aczaj cego. System dwuotworowy jest

dro szym rozwi zaniem ni system jednootworowy, ale takie rozwi zanie

52


umo liwia uzyskanie praktycznie niewyczerpalno ci z o a, ze wzgl du na ci g y

dop yw czynnika cieplnego. Zat aczana woda, zw aszcza w okresie mniejszej

eksploatacji z o a (poza sezonem grzewczym), zasila ponownie zbiornik

geotermalny. Warunkiem utrzymania w miar sta ej temperatury w z o u jest

zachowanie odpowiedniej odleg o ci pomi dzy obydwoma otworami.

PWC

PG

Warstwa

wodono na

P

OE

OZ

Rys. 5.13. Dwuotworowy, jednowarstwowy system zamkni ty z

pomp g binow do wydobywania wody geotermalnej.

Uk ad przedstawiony na rysunku 5.14., jest podobnym rozwi zaniem jak

poprzednio omówiony, z t ró nic e woda geotermalna po oddaniu ciep a

w wymienniku WC, jest zat aczana z powrotem do wy ej po o onej warstwy

wodono nej. Rozwi zanie takie jest podyktowane warunkami hydrogeotermalnymi,

w miejscu powstania instalacji.

W prezentowanych dotychczas systemach geotermalnych no nikiem ciep a

by a woda geotermalna która dopiero na powierzchni przekazywa a swoje

ciep o wodzie obiegu sieciowego. Poni ej zostan przedstawione jeszcze dwa

systemy w których odbiór ciep a geotermalnego odbywa zarówno w ziemi, jak i po

wydobyciu na powierzchni .

Uk ad zaprezentowany na rysunku 5.15., posiada dodatkowo wprowadzony

do otworu wymiennik typu Fielda z przeciwpr dowym przep ywem czynnika

53


roboczego. System posiada dwa niezale ne obiegi sieciowe, doprowadzaj ce ciep o

do dwóch grup odbiorców o zró nicowanych zapotrzebowaniach na energie

grzewcz . Praca uk adu odbywa si cyklicznie, w ten sposób, e w sezonie

grzewczym, wydobyta woda geotermalna po oddaniu ciep a w g ównym

wymienniku ciep a WC wodzie sieciowej I obiegu, zostaje skierowana do zbiornika

powierzchniowego ZP. Równocze nie poprzez wprowadzony do otworu wymiennik

Fielda, podgrzewana jest woda sieciowa zasilaj ca obieg II. Drugi cykl pracy

systemu a wi c kierowanie wody ze zbiornika retencyjnego z powrotem do z o a

nast puje w okresie wy czenia instalacji (w sezonie letnim), tym samym kana em

pier cieniowym którym poprzednio woda by a wydobywana na powierzchni .

OC

PWC

PG

Warstwa

wodono na

P

OE

OZ

Warstwa

wodono na

Rys. 5.14. Dwuotworowy, dwuwarstwowy zamkni ty system z

pomp g binow do wydobywania wody geotermalnej

Podobne rozwi zanie to system przedstawiony na rysunku 5.16., gdzie

równie ciep o geotermalne wykorzystywane jest do ogrzewania dwóch grup

odbiorców, z wykorzystaniem wymiennika Fielda. Ró nica w stosunku do uk adu

z rys. 5.15. polega na tym e uk ad mo e pracowa przez ca y rok, bowiem

zat aczanie wody odbywa si poprzez otwór ch onny, usytuowany w odpowiedniej

odleg o ci od otworu wydobywczego.

54

55

Rys.

5.1

6. D

wuotw

oro

wy, je

dnow

arst

wow

y z

amkni

ty s

yst

em z

wy

mie

nn

ikie

m t

yp

u F

ield

a, d

o w

yd

ob

yw

ania

wo

dy

geo

term

aln

ej

OC

I

PW

C

Wa

rstw

a

wo

do

no

na

OC

II

P

P

PG

ZP

OC

I

PW

C

Wa

rstw

a w

od

on

on

a

OC

II

P

P

P

PG

Rys.

5.1

5. J

ednootw

oro

wy, je

dnow

arst

wow

y o

twar

ty s

yst

em z

dodat

kow

ym

wy

mie

nn

ikie

m t

yp

u F

ield

a, d

o w

yd

ob

yw

ania

wo

dy

geo

term

aln

ej

Technologie wykorzystania energii...

56

6. Technologie wykorzystania energii geotermalnej w

ciep owniach i elektrowniach

Ciep ownie lub elektrociep ownie geotermalne wykorzystuj ce energi wód

wg bnych jako no nik ciep a dla celów grzewczych i przygotowania ciep ej wody

u ytkowej, stanowi jedn z metod bezpo redniego wykorzystania energii

geotermalnej. Decyzja o podj ciu budowy ciep owni geotermalnej, jest zazwyczaj

poprzedzana szeregiem analiz, których celem jest stwierdzenie potrzeby realizacji

takiej inwestycji. Fakt i ciep ownia geotermalna ze wzgl du na swoj specyfik jest

przyjazna dla rodowiska naturalnego, nie wystarcza na podj cie decyzji o jej

budowie. Decyduj cymi czynnikami tutaj s wzgl dy techniczno – ekonomiczne,

a wi c to czy taka inwestycja jest mo liwa do wykonania z technicznego punktu

widzenia i czy jest op acalna ekonomicznie. Ze wzgl du na ró ne warunki

hydrogeologiczne oraz naziemne okre lonego regionu, projekty geotermalne s

rozpatrywane indywidualnie dla konkretnej lokalizacji.

Ka dorazowo projekt budowy i struktury instalacji geotermalnej nale y

uwzgl dni od dwóch grup czynników [10]:

1) Warunki hydrogeologiczne:

- kolektorskie warunki hydrogeologiczne z o a ( wielko zasobów,

mi szo , porowato , przepuszczalno i wydajno ),

- warunki termiczne wody geotermalnej (temperatura, g sto , strumie

cieplny, gradient temperatury, w a ciwo ci cieplne),

- warunki chemiczne z o a (sk ad chemiczny, stopie mineralizacji,

zawarto gazów, zawarto zanieczyszcze sta ych)

2) Warunki naziemne:

- gwarancj odbioru ciep a (istniej ce lub rozbudowuj ce si osiedla,

miasta),

- koncentracja u ytkowników ciep a geotermalnego,

- parametry i charakter potrzeb,

- sposoby pokrycia aktualnego lub spodziewanego deficytu ciep a w

danym rejonie,

- struktur i stan techniczny istniej cej sieci cieplnej miast,


- warunki efektywnego zagospodarowania ciep a geotermalnego z

uwzgl dnieniem wykorzystania bez zmian lub przy niewielkich

zmianach istniej cego systemu ciep owniczego.

Po rozpoznaniu czynników zaliczonych do obydwu powy szych grup, nale y

zastanowi si , bior c pod uwag aktualny stan ciep ownictwa w danym regionie

(mie cie), jak rol b dzie pe ni planowana ciep ownia geotermalna, tzn. czy

geotermalna instalacja naziemna [10]:

- stanowi b dzie nowe, samodzielne ród o ciep a, (zast puj ce

kot owni konwencjonaln ), zasilaj ce istniej c sie ciep ownicz ,

- budowana b dzie jako samodzielny system ciep owniczy ( ród o

ciep a, sie przesy owa, instalacje odbiorcze), oparty tylko o energi

pozyskiwan z wód geotermalnych, zasilaj cy ca e miasto lub tylko

wybrane dzielnice,

- stanowi b dzie element rozbudowy i wspomagania istniej cej

ciep owni konwencjonalnej (w glowej, gazowej), wspó pracuj cy na

wspóln sie ciep ownicz ,

- stanowi b dzie niezale ne ród o ciep a, wspó pracuj ce z innymi

konwencjonalnymi ciep owniami i na wspóln sie przesy ow

i odbiorcz ,

- tworzy b dzie samodzielny system ciep owniczy, wspomagaj cy lub

wspó pracuj cy z istniej cym konwencjonalnym systemem

ciep owniczym,

- wchodzi b dzie w zintegrowany system pozyskiwania energii,

w którym w jednym ródle ciep a kojarzy si t instalacj z innymi

proekologicznymi instalacjami, takimi jak: instalacje biogazowe,

spalarnie mieci, bloki turbin gazowo – parowych itp.,

- wchodzi b dzie w sk ad systemu trigeneracji, tj. skojarzonego

wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i ch odu sieciowego.

Wyst puj ce w Polsce wody geotermalne zalicza si do wód o niskiej

i redniej entalpi, których temperatura nie przekracza na ogó 100°C. Fakt ten

powoduje i struktura naziemnej instalacji geotermalnej staje si dosy z o ona,

w przypadku zasilania istniej cego ju systemu ciep owniczego. Powodem jest to e

tradycyjne krajowe sieci ciep ownicze zasilane z ciep owni w glowych, maj

zazwyczaj parametry wody sieciowej na poziomie 150/70°C lub 130/70°C. Z tego

57


wzgl du ciep ownia geotermalna zostaje ograniczona do zasilania odbiorców

niskotemperaturowych, b d wymaga zastosowania dodatkowych urz dze

wspomagaj cych w postaci kot ów szczytowych lub pomp ciep a. Innym

rozwi zaniem mo e by przystosowanie odbiorców ciep a do geotermalnego ród a

ciep a w celu poprawienia jego efektywno ci, poprzez obni enie temperatury wody

powracaj cej z instalacji. Korzystna i zbli ona prawie do warto ci sta ej w ca ym

roku temperatura wody powrotnej, zapewni mo e sta o obci enia urz dze

ciep owni i du efektywno pozyskiwania ciep a geotermalnego.

Dla danego budynku obni enie temperatury wody powracaj cej z instalacji

c.o. mo na uzyska przez:

obni enie parametrów obliczeniowych instalacji przez:

- zmniejszenie obliczeniowego zapotrzebowania na ciep o

do ogrzewania Q. Aby w takim wypadku utrzyma

odpowiedni komfort cieplny pomieszczenia (dotrzymanie

temperatury wewn trznej) mo na to zrealizowa poprzez

termorenowacj budynku (docieplenie przegród

zewn trznych, wymiana okien itp.).

- zwi kszenie powierzchni wymiany ciep a grzejników A

(tab. 6.1.)

Tab. 6.1. Sposoby obni enia parametrów obliczeniowych instalacji c.o., z zachowaniem

komfortu cieplnego budynku.

Parametry obliczeniowe instalacji Zmniejszenie Q [%] Zwi kszenie A [%]

90/70°C 0,0 0,0

85/60°C 15,9 19,0

80/55°C 26,2 35,5

70/45°C 45,7 84,2

ród o: [10]

zwi kszenie obliczeniowego spadku temperatury wody

w grzejnikach przy zachowaniu niezmienionych parametrów

obliczeniowych instalacji (np. 90/70°C), przez zmniejszenie

ca kowitego strumienia wody kr cej w instalacji.

Obni enie temperatury wody powracaj cej z instalacji przez zmniejszenia

strumienia wody kr cej, wymusza zwi kszenia temperatury zasilania, bowiem dla

58


zapewniania odpowiedniego komfortu cieplnego w pomieszczeniu, temperatura

rednia grzejnika musi zosta na niezmienionym poziomie. Obni enie temperatury

powrotu bez konieczno ci zwi kszania temperatury zasilania, jest mo liwe w

przypadku instalacji przewymiarowanych. Dla instalacji zaprojektowanych

prawid owo mo na zmniejszy temperatur powrotu przez redukcj strumienia

wody Ø, jednak musi by to po czone ze zmniejszeniem zapotrzebowania na ciep o

Q lub zwi kszeniem powierzchni grzejników A. W przeciwnym wypadku sama

redukcja przep ywu wody przez grzejnik spowoduje obni enie temperatury

wewn trznej pomieszczenia (tab. 6.2.)

Tab. 6.2. Wp yw zmniejszenia strumienia wody kr cej Ø, na parametry instalacji

Ø [-] TZ [°C] TP [°C] Zmniejszenie Q [%] Zwi kszenie A [%] TW [°C]

1,0 90,0 70,0 0,0 0,0 20,0

0,9 90,0 68,0 1,2 0,9 19,6

0,8 90,0 65,7 2,6 2,1 19,1

0,7 90,0 62,7 4,4 3,7 18,4

0,6 90,0 58,9 6,7 5,8 17,6

0,5 90,0 53,9 9,7 8,9 16,5

TZ – temp. zasilania, TP – temp. powrotu, Ø – strumie przep ywu wody w instalacji,

TW – wewn trzna temperatura w pomieszczeniu w przypadku samej regulacji Ø.

ród o: [10]

Zbyt du a redukcja strumienia Ø mo e doprowadzi do rozregulowania instalacji

c.o., dlatego przep yw powinien by zmieniany ma ymi skokami, najlepiej na

pomoc pompy obiegowej sterowanej przetwornic cz stotliwo ci.

Obecnie stosowane energooszcz dne technologie w budownictwie, powoduj

i zmniejsza si zapotrzebowanie na ciep o do ogrzewania pomieszcze . Podobny

efekt daj prace termomodernizacyjne (docieplanie budynków, wymiana okien, itp.),

oraz montowanie elementów sprzyjaj cych oszcz dzaniu energii (termostaty,

automatyka pogodowa). Zmniejszenia zapotrzebowania na ciep o budynków

sprawia i parametry konwencjonalnych ciep owni staj si cz sto

przewymiarowane a co za tym idzie spada sprawno takich ciep owni.

W przypadku ciep owni geotermalnych zmniejszenie zapotrzebowania na ciep o jest

zjawiskiem korzystnym, bowiem wówczas w wielu przypadkach mog stanowi one

59


samodzielne ród a ciep a, lub by wspierane dodatkowymi urz dzeniami

szczytowymi tylko w najzimniejszych okresach sezonu grzewczego.

6.1. Podstawowe uk ady systemów energii geotermalnej w

ciep ownictwie.

Systemy instalacji geotermalnych stosowanych w ciep ownictwie

komunalnym, zale od parametrów wykorzystywanej wody geotermalnej, oraz od

zapotrzebowania na ciep o odbiorców. Parametry wód geotermalnych na danym

obszarze mo na przyj za sta e, jednak zapotrzebowanie odbiorców na ciep o jest

zmienne w ci gu roku w zale no ci od temperatury zewn trznej, dlatego podstaw

do projektowania uk adów geotermalnych s tzw. wykresy uporz dkowane

zapotrzebowania ciep a. Wykres taki jest bardzo pomocny przy ustalaniu koncepcji

i projektowaniu ród a ciep a, zw aszcza przy wyborze zestawu urz dze do odbioru

energii wód geotermalnych.

W zale no ci od udzia u energii geotermalnej w zaspakajaniu potrzeb

grzejnych odbiorców, mo na wyró ni trzy podstawowe uk ady systemów

geotermalnych:

Uk ad monowalentny – charakteryzuje si tym e potrzeby grzejne

odbiorców s w pe ni zaspakajane przez ciep owni geotermaln (rys. 6.1.). W

takim wypadku moc zainstalowana w ródle jest dostosowana do maksymalnego

zapotrzebowania na moc ciepln , okre lon dla obliczeniowej temperatury

zewn trznej. Uk ad ten (ze wzgl du na nadwy k mocy poza szczytem obci enia)

posiada istotn wad polegaj c na niskim wykorzystaniu mocy dyspozycyjnej

ród a geotermalnego, co prowadzi do wzrostu kosztu pozyskiwanego ciep a.

Celowo stosowania takiego uk adu jest usprawiedliwiona w przypadku wysokich

60N

Q

Centralne ogrzewanie

Ciep a woda u ytkowa

Qmax = Qgeo

Ciep owniageotermalna

Grupa

odbiorcówciep a

Rys. 6.1. Schemat blokowy i wykres uporz dkowany uk adu monowalentnego

Q – zapotrzebowanie na ciep o, Qmax. – maksymalne zapotrzebowanie na ciep o

Qgeo. – ilo ciep a pozyskana z geotermii, N – d ugo sezonu grzewczego (dni)


temperatur wody geotermalnej (ok. 100°C), i/lub kaskadowym wykorzystaniu

zapasu energii cieplnej do ró nych procesów technologicznych.

Uk ad biwalentny – uk ad w którym ciep ownia geotermalna pe ni funkcj

ród a podstawowego, wspomaganego jedynie w okresie najwi kszego

zapotrzebowania na ciep o przez kocio szczytowy (np. gazowy lub olejowy). Uk ad

taki umo liwia lepsze wykorzystanie mocy dyspozycyjnej ród a geotermalnego

przez ca y okres grzewczy, bowiem przez wi ksz cz roku potrzeby cieplne

zaspakaja ciep ownia geotermalna, a jedynie w szczycie uruchamiany jest uk ad z

kot em szczytowym, który najcz ciej stanowi istniej ca stara kot ownia (rys. 6.2.).

Uk ad biwalentny jest jednak dro szym inwestycyjnie rozwi zaniem ni uk ad

monowalentny.

Centralne ogrzewanie


Q

Qgeo < Qmax

Kocio szczytowy

Kocioszczytowy

Grupa

odbiorcówciep a

Ciep owniageotermalna

N

Rys. 6.2. Schemat blokowy i wykres uporz dkowany uk adu biwalentnego

Q – zapotrzebowanie na ciep o, Qmax. – maksymalne zapotrzebowanie na ciep o

Qgeo. – ilo ciep a pozyskana z geotermii, N – d ugo sezonu grzewczego (dni)

Uk ad kombinowany – w którym np. cz odbiorców zasilana jest przez

ciep owni geotermaln (ogrzewanie niskotemperaturowe), a pozosta cz

zapotrzebowania cieplnego zaspakaja kot ownia konwencjonalna (ogrzewanie

tradycyjne). Powi zanie obu systemów umo liwia w znacznie wi kszym stopniu

wykorzystanie mocy ród a geotermalnego i zmniejszenie kosztu produkcji

ciep a.(rys. 6.3.). Praca obu systemów wyst puje tylko w zimniejszych okresach

sezonu grzewczego a poza tym okresem kot y konwencjonalne zostaj wygaszone,

wówczas ciep ownia geotermalna przejmuje na siebie produkcj ciep a do

ogrzewania i przygotowania ciep ej wody u ytkowej.

61


Qgeo


Q

GO_1 GO_2

Kot ownia

Grupa

odbiorcówciep a 1

Kot ownia 1 Kot ownia 2

Grupa

odbiorcówciep a 2

Ciep ownia geotermalna

N

Rys. 6.3. Schemat blokowy i wykres uporz dkowany uk adu kombinowanego

GO – grupa odbiorców, Q – zapotrzebowanie na ciep o, Qmax. – maksymalne

zapotrzebowanie na ciep o, Qgeo. – ilo ciep a pozyskana z geotermii,

N – d ugo sezonu grzewczego (dni)

Wybór jednego z przedstawionych rozwi za ciep owni, dokonywany jest w

oparciu o aspekt techniczno – eksploatacyjno – ekonomiczny, uwarunkowany

lokalnymi warunkami geotermalnymi, oraz mo liwo ci racjonalnego

zagospodarowania ciep a geotermalnego, zw aszcza poza sezonem grzewczym.

Aby móc okre li wydajno grzewcz ciep owni geotermalnej, nale y

zorientowa si jakie s mo liwo ci produkcyjne danego rozwi zania. Roczn

produkcj ciep a z uj cia geotermalnego mo na obliczy na podstawie wzoru:

[GJ/rok]10)( 6

ZWpRg TTcnVQ (6.1)

gdzie:

V R – rednia roczna wydajno wody geotermalnej z otworu [m3/h],

n – ilo godzin pracy uj cia geotermalnego w ci gu roku [h/rok],

– g sto wody geotermalnej na g owicy [kg/m3],

cp – ciep o w a ciwe wody geotermalnej [kJ/(kg K)],

TW – temperatura wydobywanej wody geotermalnej [K],

TZ – temperatura zat aczanej wody geotermalnej [K].

Wielko ci V R, , cp oraz TW zale od warunków geotermalnych, pozosta e

natomiast (TZ oraz n), od sposobu zagospodarowania wydobytej wody geotermalnej.

62


63

Ilo odebranej energii z okre lonego uj cia geotermalnego, b dzie tym wi ksza im

d u szy b dzie czas pracy instalacji n, im ni sza b dzie temperatura zat aczanej

wody geotermalnej TZ, oraz im wi ksza b dzie wydajno wydobycia i warto

stopnia wykorzystania uj cia.

Zale no (6.1) mo na upro ci zak adaj c ca oroczn prac ciep owni geotermalnej

(n = 8760 h), oraz przyjmuj c bez pope nienia du ego b du, e warto iloczynu

cp jest sta a i wynosi dla przeci tnych warunków hydrogeotermalnych oko o 4030

kJ/(m3K), wówczas:

[GJ/rok])(3,35 ZWRg TTVQ (6.2)

Bior c pod uwag specyfik i potrzeby odbiorców ciep a, oraz parametry i

mo liwo ci energetyczne uj cia geotermalnego, mo na w sposób racjonalny

dokona doboru wyposa enia i uk adu geotermalnego, zapewniaj cego wysok

efektywno termodynamiczn i ekonomiczn .

6.2. Podstawowe schematy ciep owni geotermalnych

Ciep ownie geotermalne ze wzgl du na zapotrzebowanie mocy cieplnej na

danym obszarze, projektowane s zawsze indywidualnie dla danej lokalizacji i mog

przyjmowa ró ne postaci.

Ciep ownia geotermalna w uk adzie monowalentnym, wymaga aby z o e

geotermalne charakteryzowa o si du wydajno ci i odpowiednio wysok

temperatur (~ 100°C), przewy szaj c wymagania odbiorców. Przyk ad ciep owni

geotermalnej, pracuj cej w uk adzie monowalentnym pokazano na rysunku 6.4.

P

U ytkownicy ciep a

Zrzut do zbiornika powierzchniowego

OW

Rys. 6.4. Schemat ideowy uk adu

monowalentnego

P – pompa,

OW – otwór wydobywczy

WC – wymiennik ciep a


W uk adzie tym, ze wzgl du na niski stopie mineralizacji, zastosowano zrzut

wykorzystanej wody geotermalnej do zbiornika powierzchniowego (rzeka, jezioro,

itp.). W przypadku gdyby woda geotermalna posiada a dodatkowo ma

agresywno korozyjn , mo na by j bezpo rednio wprowadzi do instalacji

ciep owniczej (z pomini ciem wymiennika ciep a).

Uk ad z rysunku 6.5. reprezentuje system biwalentny, w którym zastosowano

wspó prac ród a geotermalnego ze ród em konwencjonalnym w postaci kot a

szczytowego.

P

WC

KS

P

OC

OW OZ

Rys. 6.5. Schemat ideowy uk adu biwalentnego z wykorzystaniem kot a szczytowego

OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zat aczaj cy, P – pompa, WC – wymiennik

ciep a, KS – kocio szczytowy, OC – odbiorcy ciep a.

Zastosowanie kot ów szczytowych pozwala na dogrzanie wody sieciowej

(zazwyczaj w okresie najni szych temperatur sezonu grzewczego), do temperatury

zasilania wynikaj cej z wykresu regulacyjnego. Tego typu rozwi zanie pozwala na

wykorzystanie istniej cej sieci ciep owniczej, oraz tradycyjnych kaloryferów

centralnego ogrzewania w mieszkaniach. System zaprezentowany na rysunku 6.6.

stanowi uk ad dla odbiorców ciep a o zró nicowanych potrzebach. Woda sieciowa o

najwy szej temperaturze zasila (dogrzana ewentualnie poprzez kocio szczytowy)

grup odbiorców wysokotemperaturowych. W drugim obiegu cz wykorzystanej

i sch odzonej wody stanowi dolne ród o ciep a dla pompy ciep a, w której

nast puje dogrzanie wody i jej ponowne wykorzystanie do zasilania odbiorców

64


niskotemperaturowych. W tym obiegu równie istnieje mo liwo podgrzania wody

przez kocio szczytowy.

OW

P

WC

OZ

KS

KS

WOC

NOCP

P

PC

Rys. 6.6. Schemat ideowy uk adu kombinowanego z wykorzystaniem kot a

szczytowego i pompy ciep a

OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zat aczaj cy, P – pompa, WC – wymiennik

ciep a, KS – kocio szczytowy, PC – pompa ciep a, WOC – wysokotemperaturowi

odbiorcy ciep a, NOC – niskotemperaturowi odbiorcy ciep a.

Du rol je eli chodzi o koszt jednostkowy ciep a geotermalnego, odgrywa

stopie sch odzenia wody geotermalnej zat aczanej z powrotem do z o a. Nisk

temperatur wody powrotnej a przez to wieksz efektywno ekonomiczn instalacji

geotermalnej, mo na uzyska przez tzw. kaskadowy system sch adzania wody

sieciowej. Schemat uk adu kaskadowego pokazano na rysunku 6.7. Kaskadowy

system sch adzania wody polega na zasilaniu odbiorców o ró nych potrzebach

cieplnych. Woda jest stopniowo sch adzana u kolejnych odbiorców, tak e w

ko cowej fazie obiegu technologicznego posiada ju odpowiednio nisk

temperatur .

65


OZOW

P

WC

P

KSWOC

OC

NOC

Rys. 6.7. Schemat ideowy uk adu z kaskadowym wykorzystaniem ciep a wody

sieciowej

OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zat aczaj cy, P – pompa, WC –

wymiennik ciep a, KS – kocio szczytowy, WOC – wysokotemperaturowi

odbiorcy ciep a, OC – redniotemperaturowi odbiorcy ciep a,

NOC – niskotemperaturowi odbiorcy ciep a.

6.3. Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrowniach

i elektrociep owniach

Wykorzystanie wody geotermalnej do nap du turbin w elektrowniach lub

elektrociep owniach, mo liwe jest w zasadzie dla wód o temperaturze powy ej

100°C. Nap d turbiny stanowi para o odpowiednim ci nieniu, uzyskana z wody

geotermalnej.

Istniej dwa podstawowe rodzaje elektrowni geotermalnych [10]:

- z bezpo rednim odparowaniem wody geotermalnej w rozpr aczu –

separatorze (system flash). Uzyskana w rozpr aczu para, po

usuni ciu kropelek wody w separatorze, kierowana jest do turbiny

parowej. Skroplona para wraz z wod geotermaln z rozpr acza jest

zat aczana z powrotem do z o a (rys. 6.8.).

66


Separator

Pompa

Para

Solanka

Skraplacz

Gener

Turbina

ator

-stopniem rozpr ania

Rys. 6.8. Schemat ideowy elektrowni geotermalnej z jednym

- elektrownie dwuczynnikowe (binarne). Gor ca woda geotermalna jest

kierowana wówczas do specjalnego wymiennika ciep a (parownika),

spe niaj cego rol kot a parowego dla obiegu, w którym czynnikiem

roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia, np. freon lub

amoniak. Obieg z wod geotermaln (kolor czerwony) jest oddzielony

od obiegu czynnika elektrowni (kolor zielony). Sch odzona woda

geotermalna jest kierowana w ca o ci do otworu zat aczaj cego.

Uzyskana para czynnika roboczego nap dza turbin i po skropleniu

jest przet aczana z powrotem do parownika (rys. 6.9.). Elektrownie

binarne z dwuczynnikowym obiegiem stosuje si w przypadku wód

geotermalnych silnie zmineralizowanych i agresywnych chemicznie,

oraz o ni szej temperaturze ni w przypadku elektrowni

z bezpo rednim odparowaniem wody geotermalnej.

Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce, do produkcji pr du

elektrycznego bezpo rednio w elektrowniach lub elektrociep owniach nie jest

obecnie praktykowane ze wzgl du na to, i wyst puj ce u nas wody geotermalne

posiadaj temperatur poni ej 100°C. By mo e w przysz o ci, gdy zostan

opracowane jakie nowe technologie, uda si wykorzysta redniotemperaturowe

wody geotermalne którymi dysponuje nasz kraj.

67


Turbina

Generator

Skraplacz

P

WC

OC

Wo

da

ge

ote

rma

lna

PP

1

2

3

Rys. 6.9. Schemat ideowy elektrowni geotermalnej dwuczynnikowej (binarnej)

P – pompa, WC – wymienniki ciep a, OC – odbiornik ciep a, 1 – przegrzewacz

pary, 2 – parownik powierzchniowy, 3 - podgrzewacz

Inaczej ma si sytuacja na wiecie, gdzie ju w 1992 roku czna moc

elektrowni geotermalnych wynosi a oko o 6275 MWe (tab. 6.3.), a w roku 2001

oko o 10000 MWe, co wskazuje na du dynamik rozwoju wiatowej

geoenergetyki.

Tab. 6.3. Moc elektryczna zainstalowana czynnych elektrowni geotermalnych w 1992r.

Lp. Kraj Moc [MWe] Lp. Kraj Moc [MWe]

1 Stany Zjednoczone 2979,2 12 Chiny 30,78

2 Filipiny 893,5 13 Turcja 20

3 Meksyk 725 14 Rosja 11

4 W ochy 635,2 15 Francja (Gwadelupa) 4,2

5 Nowa Zelandia 286 16 Portugalia (Azory) 3

6 Japonia 270 17 Grecja b.d.

7 Indonezja 142,75 18 Rumunia b.d.

8 Salwador 105 19 Argentyna b.d.

9 Nikaragua 70 20 Tajlandia b.d.

10 Islandia 50 21 Zambia b.d.

11 Kenia 45 Razem 6271

ród o: [10], b.d. – brak danych

68


6.4. Przegl d udanych przedsi wzi ze róde geotermicznych w Polsce

Wykorzystanie energii geotermicznej, zarówno tej przypowierzchniowej

ciep a gruntu, jak i wód geotermalnych, znalaz o w Polsce ju wiele praktycznych

zastosowa . Prezentowane poni ej przyk ady obejmuj kilka instalacji

geotermicznych o zró nicowanych parametrach, które zosta y zrealizowane

w ró nych regionach naszego kraju (rys. 6.10), a swoim istnieniem w „ wiecie

energetyki” daj przyk ad udanych przedsi wi geotermicznych.

1. Cedry Wielkie,2. Pyrzyce, 3. Mszczonów, 4. Uniejów, 5. Miechów, 6. S omniki,7. Bystrzyca K odzka,8. Podhale

Rys. 6.10. Rozmieszczenie udanych inwestycji opartych o

wykorzystanie energii geotermicznej

7

8

1

56

43

2

Krótka charakterystyka wymienionych róde :

1.) Cedry Wielkie – przyk ad w tym pomorskim mie cie dotyczy zast pienia

kot owni w glowej w szkole podstawowej, maszynowni pomp ciep a.

Zastosowano pompy ciep a typu woda – woda ALAND KAL PLUS,

z dolnym ród em ciep a w postaci odwiertów studziennych (jeden

eksploatacyjny a drugi ch onny). Moc pomp ciep a wynosi 135 kW i jest

wykorzystywana do c.o. i przep ywowego grzania wody, natomiast energia

nap dowa (dla pompy ciep a, pompy g binowej i obiegowej c.o.) jest równa

35 kW, co daje sprawno systemu blisk 4. Uk ad grzewczy obejmuje

69


instalacj grzejników niskotemperaturowych o parametrach 55/45°C,

z zaworami termostatycznymi oraz sterownikiem pogodowym.

2.) Pyrzyce – miasto licz ce 15 tys. mieszka ców, po o one w woj.

zachodniopomorskim, w którym zamiast planowanej kot owni w glowej,

zbudowano zak ad geotermalny do ogrzewania miasta. Zrealizowany

w latach 1992 – 1997 system ciep owniczy obejmuje ciep owni

geotermalno – gazow o mocy szczytowej 48 MW, 15 km. sieci cieplnej, 28

km. sieci sterowniczo – sygnalizacyjnej, oraz 66 zautomatyzowanych

w z ów cieplnych. System geotermalny obejmuje 2 otwory eksploatacyjne

z których wydobywana jest woda geotermalna z g boko ci 1600m,

o temperaturze 61 ÷ 63°C, oraz 2 otwory ch onne do których zat aczana jest

woda geotermalna o temperaturze oko o 26°C, po oddaniu ciep a w

wymienniku ciep a. Moc cieplna samej ciep owni geotermalnej wynosi 15

MW i przy wydobyciu rz du 340m3/h, zaspakaja oko o 60%

zapotrzebowania na ciep o do ogrzewania miasta (110 GWh/rok), co

pozwala na zaoszcz dzenie oko o 20 000 t.p.u. Ciep ownia wspomagana jest

w szczycie 4 kot ami gazowymi o cznej mocy 40 MW. Ciep ownicza

instalacja niskotemperaturowa o parametrach 95/45°C, wykonana jest z rur

preizolowanych oraz wyposa ona w system detekcji nieszczelno ci, co

zapewnia niskie straty ciep a.

3.) Mszczonów – siedmiotysi czne miasto w woj. mazowieckim, które w 2000

roku „wzbogaci o” si o nowoczesn ciep ownie geotermalno – gazow .

Charakterystyczn cech wykorzystywanego z o a geotermalnego jest niska

mineralizacja wody, wynosz ca 0,5g/dm3, co umo liwia zastosowanie

jednootworowego systemu geotermalnego. Wydobywana woda z g boko ci

1700m, o wydajno ci 55m3/h, wykorzystywana jest do celów

ciep owniczych oraz pitnych. Ciep ownicza cz zak adu dzia a

w uk adzie skojarzonym: woda sieciowa jest podgrzewana do odpowiedniej

temperatury za pomoc ciep a z wody geotermalnej i kot ów gazowych

wraz z absorpcyjn pomp ciep a. Ca kowita moc ciep owni wynosi ok. 10

MW, w tym ok. 2,7 MW pochodzi z absorpcyjnej pompy ciep a

wykorzystuj cej wod geotermaln . Produkcja ciep a wynosi ok. 100 TJ/rok,

przy czym w sezonie grzewczym ok. 35% ciep a dostarczanego odbiorcom

pochodzi z wody geotermalnej. Sch odzona w cz ci ciep owniczej woda

70


geotermalna jest kierowana do miejskiej sieci wodoci gowej jako woda

pitna wysokiej jako ci.

4.) Uniejów – to miasto po o one nad rzeka Wart , licz ce 3200 mieszka ców,

od sezonu grzewczego 2000/2001 ogrzewane jest za pomoc ciep owni

geotermalno – olejowej. System geotermalny pracuje w uk adzie

zamkni tym, w którym wydobywana woda podziemna o temperaturze 67°C,

z wydajno ci 68m3/h, jest kierowana na wymienniki ciep a c.o. i c.w.u., a

nast pnie po sch odzeniu do temp. ok. 40 ÷ 45°C, jest z powrotem

zat aczana do z o a. Geotermalna sie ciep ownicza licz ca blisko 10km,

objejmuje m.in. szko , dom nauczyciela, przedszkole, Gminny O rodek

Kultury, kosció , plebani o rodek zdrowia, bloki i domy jednorodzinne, o

sumarycznej liczbie przy cze równej 170. Moc ciep owni geotermalnej

wynosi 3,4 MW, która w szczycie zapotrzebowania na ciep o mo e by

wspomagana dwoma kot ami olejowymi o cznej mocy 2,4 MW. Uzyskana

moc 5,6 MW pozwala na wyprodukowanie ciep a w ilo ci 38 TJ rocznie.

W pierwszym sezonie grzewczym, produkcja ciep a wynios a 20 TJ.

5.) Miechów – miejscowo le ca na Wy ynie Krakowsko – Cz stochowskiej,

o liczbie mieszka ców ok. 12 000, gdzie jako system grzewczy dla szko y

podstawowej i gimnazjum, wykorzystano technologi pomp ciep a. Jako

ród o ciep a zastosowano pomp ciep a „Hibernatus" typu glikol-woda -W

24G3 × 2. Dolnym ród em ciep a jest kolektor gruntowy poziomy tj.

uk ad rur polietylenowych, wype nionych p ynem o obni onej

temperaturze zamarzania, umieszczony na g boko ci 1,4 ÷ 1,5 m pod ziemi .

Charakterystyk ród a ciep a przedstawiono w tab. 6.4.

Tab. 6.4. Charakterystyka pompy ciep a dla temperatury wyj ciowej Tw, po

stronie ciep ej

Tw Moc grzewcza Pobór mocy elekt. Efektywno

35°C 96,48 kW 27,90 kWh 3,46

50°C 79,84 kW 30,38 kWh 2,63

ród o: Zestawienie w asne na podstawie [28]

6.) S omniki – miasto s siaduj ce z Krakowem 25 km na pó noc. W S omnikach

zmodernizowany zosta system ogrzewania dzi ki przej ciu na ogrzewanie

niskotemperaturowe, z wykorzystaniem wód podziemnych i pompy ciep a.

71


Sprawno cieplna pompy ciep a wynosi 4,5, a uzyskiwana moc rz du 283

kW, z wykorzystaniem wody podziemnej o temperaturze ok. 17°C, pozwala

na zast pienie 60% zu ywanego gazu. Reszt zapotrzebowania pokrywa

szczytowe ród o ciep a w postaci kot a gazowego.

7.) Bystrzyca K odzka – miasto w woj. dolno l skim, w którym zastosowano

pomp ciep a, dla której dolnym ród em ciep a s cieki komunalne

z oczyszczalni cieków. Pompa ciep a ALAND o mocy 100 kW, s u y jako

ród o c.o. i c.w.u.dla hali technologicznej, uzyskuj c sprawno równ 4.

Uk ad grzewczy jest w pe ni zautomatyzowany, wyposa ony w sterownik

pogodowy i monitoring komputerowy pracy systemu.

8.) Podhale – System ciep owniczy na Podhalu zosta szerzej omówiony

w dodatku B.

72

Porównanie geotermalnego ród a...

7. Porównanie geotermalnego ród a ciep a ze ród em

konwencjonalnym

W rozdziale tym dokonano porównania ród a ciep a w postaci ciep owni

geotermalnej, z konwencjonalnymi ród ami, opartymi na spalaniu paliw kopalnych

(w giel, gaz, olej). Poni sza analiza ma na celu ukazanie wp ywu zastosowania

niekonwencjonalnego ród a ciep a, którym w tym przypadku jest energia wód

geotermalnych, na mo liwo zaoszcz dzenia paliwa konwencjonalnego, oraz

wynik ego z tego efektu ekologicznego. W obliczeniach zosta y za o one pewne

uproszczenia, które jednak dla celów porównawczych s wystarczaj ce (np. nie

uwzgl dniono sprawno ci przesy ania, regulacji i wykorzystania ciep a, a jednie

sprawno wytwarzania). Przedstawione informacje, oraz dane u yte

w obliczeniach, pochodz z analizy dost pnej literatury (tj. [4], [10], [19], [32]),

oraz przegl du ciep owni geotermalnych opisanych w [28].

W obliczeniach u yto nast puj cych zale no ci:

- moc ród a ciep a Qmax:

[MW]][6,3

]/[max

hNm

rokGJQQ (7.1)

gdzie:

- 1MWh = 3,6 GJ ( 1MW x 3600 s),

- Q – zapotrzebowanie na moc ciepln do ogrzewania budynków:

[MJ/rok]lub[kWh/rok]KEvQ (7.2)

- EV – wska nik kubaturowy zapotrzebowania na ciep o w sezonie

grzewczym [kWh/m3rok] lub [MJ/m3rok],

- K – kubatura cz ci ogrzewanej budynku [m3],

- m – stopie wykorzystania mocy szczytowej zale ny od warunków

klimatycznych:

0,470,41zakresie w)(

)(

ZMAXO

EO

TT

TTm (7.3)

w dalszych obliczeniach przyj to m = 0,44

73


- TO - obliczeniowa temperatura pomieszcze ogrzewanych [°C],

- TE - rednia temperatura powietrza zewn trznego w sezonie

grzewczym[°C],

- TZMAX - obliczeniowa temperatura powietrza zewn trznego w danej

strefie klimatycznej [°C],

- N – d ugo sezonu grzewczego [h],

- ilo zu ytego paliwa konwencjonalnego:

][t/rok]/[

]/[

WtGJWo

rokGJQD (7.4)

- WO – warto opa owa paliwa [GJ/t],

- w – sprawno wytwarzania ciep a,

- wydajno grzewcza ród a geotermalnego Qg na podstawie wzoru 6.1;

[GJ/rok]10)( 6

ZWpRg TTcnVQ

gdzie po przekszta ceniu mamy zale no na redni roczn wydajno ród a

geotermalnego V R, jak nale y uzyska , aby osi gn okre lon wydajno

grzewcz Qg, dla danych parametrów z o a geotermalnego, z uwzgl dnieniem

sprawno ci wytwarzania w:

/h][m10)(

3

6

wp

g

RTzTwcn

QV (7.5)

Za o enia obliczeniowe:

zasilane miasto liczy 10 000 mieszka ców,

miasto zlokalizowane jest na terenie wyst powania korzystnych

warunków z o a wód geotermalnych, co umo liwia ich

wykorzystanie do celów grzewczych,

obliczone zapotrzebowanie na ciep o dla ogrzewania budynków

mieszkalnych w mie cie, wynosi Q = 200 000 [GJ/rok],

standardowa d ugo sezonu grzewczego trwa od 15 pa dziernika

do 15 kwietnia, co wynosi 183 dni = 4394 h,

74


miasto wyposa one jest w sie ciep ownicz przystosowan do

ród a geotermalnego jak i konwencjonalnego,

przy obliczeniach nie uwzgl dnia si sprawno ci przesy ania,

regulacji i wykorzystania ciep a, a jedynie sprawno

wytwarzania ciep a,

warto opa ow porównywanych paliw, oraz g ówne produkty

emisji w wyniku ich spalania zestawiono w tab. 7.1.

Tab. 7.1. Warto opa owa i emisja paliw konwencjonalnych

Rodzaj paliwa Warto opa owa Emisja [kg/t]

[GJ/t] CO2 SO2 NOX

W giel kamienny 25 2500 20 5

Olej opa owy 42 1900 8 1,5

Gaz ziemny 48 1250 - 1,5

ród o: Zestawienie w asne na podstawie [13], [19], [36]

Wyniki analizy:

Parametry ciep owni geotermalnej jako samodzielnego ród a ciep a (uk ad

monowalentny):

- Tw = 80 °C (353 K),

- Tz = 40 °C (313 K),

- Iloczyn cp – dla przeci tnych warunków hydrogeotermalnych

wynosi 4030 kJ/(m3 K),

- Qg = 200 000 GJ/rok,

- n = N = 4394 h/rok (praca tylko w sezonie grzewczym),

- w = 0,96 (sprawno p ytowego wymiennika ciep a o przep ywie

przeciwpr dowym),

- szukana warto V R, w celu uzyskania zamierzonego Qg,

- szukana moc ród a ciep a Qmax.

/h][m294,12100,9640)-(8040304394

200000

10)(

3

6-6

wp

g

RTzTwcn

QV

28,7[MW]43940,443,6

000200

][6,3

]/[max

hNm

rokGJQQ

75


przyj to wydajno wody geotermalnej na poziomie V R = 300 [m3/h], oraz moc

ród a ciep a równ Q = 30 [MW]. Moc róde konwencjonalnych analogiczna.

Schematy ideowe ciep owni geotermalnej i konwencjonalnej przedstawiono na rys.

7.1.

Zestawienie uzyskanej oszcz dno ci paliwa konwencjonalnego, oraz

ograniczenia emisji szkodliwych gazów do atmosfery, w wyniku wykorzystania

energii geotermalnej przedstawiono w tabelach 7.2., 7.3., oraz na rys. 7.2. i 7.3.

Tab. 7.2. Rodzaj i ilo zu ytego paliwa

Rodzaj

ciep owniQ [MW] w

V [m3/rok]

lub D [t/rok]

Geotermalna 30 – wymiennik ciep a 0,96 V = 131 8200 wody geoterm.

W glowa 30 – kocio w glowy 0,8 D = 10 000 w gla

Olejowa 30 – kocio olejowy 0,9 D = 5 291 oleju

Gazowa 30 – kocio gazowy 0,9 D = 4 630 gazu

ród o: Opracowanie w asne

Tab. 7.3. Efekt ekologiczny wykorzystania energii geotermalnej

Emisja [t/rok] Rodzaj

ciep owni

V [m3/rok]

lub D [t/rok] CO2 SO2 NOX

Geotermalna V = 131 8200 wody geoterm. - - -

W glowa D = 10 000 w gla 25 000 200 50

Olejowa D = 5 291 oleju 10 053 42,3 7,9

Gazowa D = 4 630 gazu 5787,5 - 6,9


Analiza wykaza a e w wypadku zastosowania energii geotermalnej mo liwe

jest znaczne zaoszcz dzenie paliwa konwencjonalnego, oraz ograniczenie emisji

szkodliwych zwi zków do atmosfery. Ilo zaoszcz dzonego paliwa i zwi zany

z tym efekt ekologiczny uzale niony jest od rodzaju zastosowanego paliwa, oraz

sprawno ci wytwarzania energii cieplnej. Zast puj c kot owni w glow ,

76


ciep owni geotermaln , uzyskuje si najwi ksz oszcz dno paliwa i najwi ksze

ograniczenie emisji szkodliwych gazów do atmosfery.

Ciep owniaGeotermalna

OW - 1300 m3/hTw=80

OZ - 1Tz = 40

WC_2

77

7340

30 MWt

OW OZ

WC_1

Ogrzewane miasto(10 tys. mieszka ców)

200 000 GJ/rok

P

WC_2

Ogrzewane miasto(10 tys. mieszka ców)

200 000 GJ/rok

40 73

Kot owniakonwencjonalna

30 MWt

a) b)

P

Rys. 7.1. Schematy ideowe ciep owni:

a) geotermalnej, b) konwencjonalnej

OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zat aczaj cy, WC_1 – geotermalny wymiennik

ciep a, WC_2 – „symboliczny” wymiennik ciep a u odbiorców, P - pompa

Ilo zaoszcz dzonego paliwa i niedosz a emisja CO2

10 000

5 291 4 630

25 000

10 053

5 787,50

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

30 000

W giel Olej Gaz

[t/r

ok]

Ilo [t/r]

CO2 [t/r]

Rys. 7.2. Ilo zaoszcz dzonego paliwa konwencjonalnego i uzyskany

przez to efekt ekologiczny w postaci niewyemitowania CO2


77


Niewyemitowana ilo SO2 i NOx w wyniku

zaoszcz dzonego paliwa

200

42,3

0

50

7,9 6,9

0

50

100

150

200

250

W giel Olej Gaz

[t/r

ok]

SO2 [t/r]

Nox [t/r]

Rys. 7.3. Efekt ekologiczny w postaci niewyemitowania SO2 oraz NOX,

w wyniku zaoszcz dzonego paliwa konwencjonalnego


78

Podsumowanie

Podsumowanie

Energia geotermalna jako odnawialny i czysty ekologicznie no nik

energii, ma du e szanse sta si w przysz o ci jedn z podstawowych form

wykorzystania O E do celów energetycznych. Walory energii geotermalnej tj.

praktyczna niewyczerpywalno , znikomy wp yw na rodowisko naturalne,

powszechno wyst powania, oraz niezale no od powierzchniowych

warunków atmosferycznych, s niew tpliwe powa nym argumentem

przemawiaj cym za wprowadzaniem projektów geotermalnych w ycie, z

jednoczesnym spe nieniem za o e zrównowa onego rozwoju energetycznego.

Dokonuj c analizy mo liwo ci wykorzystania wewn trznego ciep a Ziemi

do celów grzewczych, nale y najpierw dokona podzia u rodzaju energii

geotermicznej (przypowierzchniowa czy wg bna wód geotermalnych) oraz

odbiorców ciep a pod wzgl dem zapotrzebowania na moc ciepln (odbiorcy

indywidualni czy wielkoskalowi w postaci ca ych osiedli lub miast).

Odbiorcy indywidualnych w postaci domków jednorodzinnych czy

wi kszych obiektów u yteczno ci publicznej jak szko y, o rodki zdrowia,

ko cio y, itp., jako samodzielne jednostki, wykorzystuj zazwyczaj energi

geotermiczn przypowierzchniowej warstwy gruntu. Projekty geotermiczne

w tego rodzaju inwestycjach wymagaj dobrania rodzaju dolnego ród a ciep a,

jego konfiguracji i d ugo ci (kolektor gruntowy, sonda pionowa), oraz

urz dzenia przetwarzaj cego t energi (pompa ciep a), indywidualnie dla

ka dego u ytkownika, bior c od uwag lokalne w a ciwo ci gruntu, oraz

zapotrzebowanie na energi ciepln do celów grzewczych i/lub ciep ej wody

u ytkowej. Istniej ce obecnie na rynku firmy zajmuj ce si kompleksow

obs ug inwestycji geotermicznych w tym zakresie (np. firma „Hibernatus”),

pozwalaj na szybkie zrealizowanie projektu z uwzgl dnieniem indywidualnych

potrzeb klienta. W tym zakresie wi c nie wyst puj trudno ci w mo liwo ci

wykorzystania tej formy energii niekonwencjonalnej do obs ugi cieplnej

budynków, je eli tylko potencjalny inwestor dysponuje odpowiednimi rodkami

finansowymi na ten cel.

Wielkoskalowi odbiorcy ciep a w postaci ca ych osiedli czy miast, zasilani

s zazwyczaj z centralnych ciep owni wchodz cych w sk ad miejskich

przedsi biorstw energetyki cieplnej. Wykorzystanie energii geotermicznej

w postaci energii geotermalnej wód podziemnych, dla tego typu odbiorców

79

Podsumowanie

wielkoskalowych, wymaga szerszej analizy techniczno – ekonomicznej, ni

w przypadku odbiorców indywidualnych. G ównymi czynnikami decyduj cymi

o mo liwo ci wykorzystania energii geotermalnej s warunki podziemne oraz

naziemne, determinuj ce celowo inwestycji geotermalnych. Przyst puj c do

opracowania koncepcji wykorzystania energii geotermalnej w ciep owniach lub

elektrociep owniach, nale y ka dorazowo i indywidualnie dla konkretnej

lokalizacji przysz ego zak adu geotermalnego, dokona szczegó owej analizy,

w tym przede wszystkim:

- dokona oceny zasobów energii geotermalnej na danym terenie

pod k tem jej przydatno ci do celów grzewczych (g boko

wyst powania warstwy wodono nej, wielko zasobów,

temperatura i wydajno wód, itp.),

- oceni czy w miejscu planowanej ciep owni istniej odbiorcy

ciep a, a je eli tak to jakie s ich potrzeby energetyczne

i mo liwo ci ich przystosowania do geotermalnej sieci cieplnej,

- dokona wyboru uk adu ciep owni geotermalnej ze wzgl du na

potrzeby energetyczne odbiorców (uk ad monomalentny,

biwalentny, lub kombinowany),

- oceni mo liwo ci wykorzystania wody powracaj cej z obiegu

sieciowego (posiadaj cej jeszcze odpowiednio wysok

temperatur ) do innych celów np. rekreacji, agrotermii,

lecznictwa.

W celu uzyskania wysokiej efektywno ci przedsi wzi cia geotermalnego nale y

przede wszystkim:

- zadba o odpowiednie wykorzystanie entalpi wydobywanej wody

geotermalnej (równie poza sezonem grzewczym), poprzez jej

kaskadowe wykorzystanie do ró nych celów,

- d y do obni enia temperatury wody sieciowej powracaj cej

z instalacji wewn trznej odbiorców, co zapewnia z kolei

odpowiednio nisk temperatur zat aczanej wody geotermalnej,

- dobra odpowiedni system geotermalny, a w przypadku

niewystarczaj cej ilo ci energii z niego pozyskiwanej, zadba

o dodatkowe ród o szczytowe,

80

Podsumowanie

- w sieci ciep owniczej stosowa regulacje typu ilo ciowo –

jako ciowego, z temperatur wody sieciowej uzale nionej od

warunków zewn trznych.

Zasadniczymi barierami ograniczaj cymi obecne wykorzystanie energii

geotermicznej s przede wszystkim znaczne nak ady finansowe ponoszone

w trakcie realizacji takich inwestycji, oraz wci jeszcze ma a wiadomo

spo ecze stwa o mo liwo ciach wykorzystania geotermii w ró nych dziedzinach

ycia. Bariery s jednak po to aby je pokonywa . Niewielkie koszty

eksploatacyjne zwi zane z pozyskiwaniem energii geotermalnej, oraz szerokie

mo liwo ci uzyskania dotacji i preferencyjnych po yczek z wielu instytucji

wspieraj cych inwestycje proekologiczne, znacznie skracaj czas zwrotu

nak adów inwestycyjnych. W po czeniu za z szeroko rozumian edukacj

proekologiczn i wsparciem rz du, mog sta si przyczyn wi kszego

zainteresowania potencjalnych inwestorów, wyra aj cych ch realizacji

projektów geotermalnych w Polsce.

81

DODATKI

Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...

A. Zasoby i mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych

w Ma opolsce – zarys.

A.1. Wyst powanie wód geotermalnych w Ma opolsce

Na obszarze Ma opolski wyst puj wody podziemne zlokalizowane na

obszarze pi ciu jednostek geologicznych (rys.A.1.) zró nicowanych pod wzgl dem

kszta tuj cych je procesów tektonicznych i sedymentacyjnych:

Karpaty,

Zapadlisko przedkarpackie,

Niecka miechowska,

Monoklina l sko – krakowska,

Zapadlisko górno l skie.

Rys. A.1. G ówne jednostki geologiczne województwa ma opolskiego

ród o: [1]

83


Wody wyst puj ce w obr bie tych jednostek, zlokalizowane s

w zbiornikach rozmieszczonych w wielu bardzo zró nicowanych pi trach

hydrogeologicznych:

paleozoicznych (dewon, karbon),

mezozoicznych (trias, jura, kreda),

trzeciorz dowych (miocen, paleogen),

czwartorz dowych.

Parametry wód w obr bie poszczególnych zbiorników tj: temperatura,

wydajno , mineralizacja, g boko wyst powania – decyduj o ewentualnej

przydatno ci tych wód w geotermi, gdzie praktycznego znaczenia nabieraj wody

o temperaturze powy ej 20 °C i o wydajno ci powy ej 50 m3/h [27_c].

Analizuj c wody geotermalne zlokalizowane w zbiornikach poszczególnych

pi ter hydrogeologicznych (tab.A.1.), mo na zauwa y du e zró nicowanie tych

parametrów, nawet w obr bie tego samego pi tra, dlatego te praktyczne

wykorzystanie wód na obszarze Ma opolski ma raczej lokalny charakter. Wyj tek

stanowi tutaj triasowy zbiornik podhala ski ze wzgl du na swoje szczególne

w a ciwo ci.

Tab. A.1. G ówne parametry geotermalne ró nych pi ter hydrogeologicznych

Ma opolski.

Szacowana temp.

wyp ywu [°C]

Szacowana

wydajno [m3/h]

G boko

poziomu [m]

Miocen 12 ÷ 50 30 ÷150 100 ÷ 1800

Paleogen 11 ÷55 10 ÷ 40 200 ÷ 2000

Kreda 15 ÷45 30 ÷ 100 100 ÷1600

Jura 13 ÷68 20 ÷170 200 ÷2400

Trias 17 ÷ 95 25 ÷ 190 700 ÷ 3200

Dewon i karbon 16 ÷ 60 10 ÷75 300 ÷ 3000ród o: Zestawienie w asne na podstawie [1]

Bardzo wa n cech decyduj c o mo liwo ci praktycznego wykorzystania

wód geotermalnych w ciep ownictwie, jest równie niezmienno w d u szym

okresie czasu (20 – 30 lat [27_d]) ich parametrów eksploatacyjnych. Ze wzgl du na

powy szy fakt, dla lepszego zobrazowania sytuacji hedrogeotermalnej

w Ma opolsce, opracowano map zasi gów horyzontów wodono nych

84


rozmieszczonych na tle g ównych jednostek geologicznych, co pokazano na rys.

A.2.

Zbiornik podhala ski

Zbiornik doggerski

Zbiornik cenoma ski

Nasuni cie Karpat

Rys. A.2. Zasi gi g ównych horyzontów wodono nych na obszarze

Ma opolski.

ród o: [27_d]

Charakterystyka poszczególnych zbiorników wodono nych na terenie województwa

ma opolskiego:

1. Zbiornik cenoma ski – obszarem swym obejmuje rejon niecki miechowskiej

i przedgórza Karpat. Charakterystyczn cech tego zbiornika jest to , e

wyst puj ce tutaj wody s s abo zmineralizowane i cz sto s to wody

s odkie. W obszarze karpackim horyzont cenoma ski zalega w rejonie

Dobczyc i Sieprawia w powiecie my lenickim oraz w okolicy Nowego

Wi nicza, kty, Po omia Du ego i Kamyka (pow. Bochnia). G boko wód

w karpackiej strefie cenamonu zmienia si od 1500 m (rejon Dobczyc) do

2300 m w rejonie kty, gdzie stwierdzono wody o temp. oko o 70 °C.

Przedgórze karpackie charakteryzuje si korzystnymi parametrami

85


geotemalnych wód cenoma skich na obszarach takich jak: rejon Niepo omic,

Grobli, Kocmyrzowa, Bochni, Brze nicy i Brzeska. Bardzo dobre warunki

wyst puj równie w strefie od obszaru gminy Rzezawa (66 m3/h –

samowyp yw z g boko ci ok. 1100 m) na pó noc poprzez gmin Szczurowa

(pow. Brzeski) w kierunku Koszyc (pow. Proszowice). Strefa ta zahacza

o rejon Woli Rogowskiej (pow. tarnowski). G boko ci zbiornika

cenoma skiego na obszarze przedgórza wahaj si od 200 metrów w rejonie

Kocmyrzowa do 1000 metrów w rejonie Rzezawy, co wskazuje e zakres

mo liwych do uzyskania temperatur b dzie wynosi od 20 do 30 °C.

Najwi kszy zasi g zbiornika cenoma skiego znajduje si w rejonie Niecki

miechowskiej, gdzie szczególnie interesuj ce dla geotermii s rejony:

S omnik – gdzie mimo niskiej temperatury (ok. 18°C) wyst puj wody

o du ej wydajno ci samowyp ywu 50m3/h oraz znikomej mineralizacji 0,2

g/dm3, oraz Ksi a Wielkiego, Rac awic, Uniejowa, Tarnowa, gdzie

obserwowano samowyp ywy wód o niskiej mineralizacji i temperaturze ok.

35 ÷ 40 °C [27_c].

2. Zbiornik doggerski – obejmuje monoklin l sko – krakowsk , cz niecki

miechowskiej, oraz licznymi „odnó ami” zachodzi na obszar przedgórza

karpackiego. Wyst puj ce tutaj wody posiadaj znacznie ni sze wydajno ci

ni w zbiorniku cenoma skim i wynosz przewa nie kilkana cie m3/h.

Interesuj ce parametry geotermalne wód doggeru wyst puj na obszarze

przedgórza Karpat w rejonie Woli Zabierzowskiej k/Niepo omic, oraz

w rejonie Rzezawy i Brze nicy (pow. boche ski). Wydajno ci wód s ma e

a g boko ci horyzontu wodono nego wahaj si od 500 metrów w okolicy

Kocmyrzowa, do 1900 metrów w rejonie Brze nicy, a temperatury wynosz

od 20 do 30°C. W powiecie tarnowskim w okolicy abna i Rad owa

wyst puj bardziej interesuj ce utwory doggerskie, gdzie w wykonanych

otworach stwierdzono na g boko ciach oko o 2000 metrów wody

o temperaturze ok. 55°C, ale silnie zasolone (ok. 100 g/dm3) [27_c].

3. Zbiornik podhala ski – jest najbardziej spektakularnym zbiornikiem wód

geotertmalnych na obszarze Ma opolski. Unikalno zbiornika

podhala skiego, zwi zana jest z bardzo korzystnymi warunkami

geotermalnymi wyst puj cymi na ca ym obszarze niecki podhala skiej,

w szczególno ci w horyzontach eocenu i triasu – gdzie wody geotermalne

charakteryzuj si du stabilno ci parametrów hydrotermalnych.

86


Horyzonty eocenu i triasu zawieraj wody termalne o temperaturze

przekraczaj cej miejscami 90°C ( rejon Chocho owa ) i wydajno ci do oko o

550 m3/h ( rejon Ba skiej – Ni nej ). S to wody znajduj ce si w warunkach

artezyjskich, samoczynnie wyp ywaj ce na powierzchni pod ci nieniem ok.

0,5 ÷ 2,5 MPa, a ich mineralizacja na g boko ci do 3000 metrów nie

przekracza 3 g/dm3. Szczegó owa charakterystyka niecki podhala skiej, ze

wzgl du na swoje unikalne warunki geotermalne zostanie przedstawiona

w dodatku B.

A.2. Wytypowane strefy do wykorzystania energii geotermalnej

Badania nad mo liwo ci wykorzystania energii wód geotermalnych na

obszarze Ma opolski by y prowadzone przez Polsk Akademi Nauk w Instytucie

Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi i opublikowane w 2003 roku

w opracowaniu pt. „Wyst powanie i mo liwo ci zagospodarowania energii

geotermalnej w Ma opolsce”. Zakres prac obejmowa badania hydrogeologiczne

warunków wyst powania i eksploatacji wód i energii geotermalnej w basenach

sedymentacyjnych Ma opolski.

Zasadniczym celem pracy by a identyfikacja poziomów wód, które mog by

wykorzystane jako ród o ciep a w ró nych zastosowaniach tj. ciep ownictwo,

rekreacja, lecznictwo.

W wyniku przeprowadzonej w pracy [1] charakterystyki poszczególnych

zbiorników geotermalnych rozmieszczonych w ró nych pi trach

hydrogeologicznych, opracowano szczegó owe zestawienie stref planowanego

wykorzystania energii geotermalnej na obszarze ma opolski, w postaci szeregu map

i tabel. cznie w wyniku przeprowadzonych analiz, wyznaczono 92 strefy

z potencjaln mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych. Wyznaczone strefy

charakteryzuj si du ró norodno ci je eli chodzi o takie parametry jak:

temperatura wody, wydajno eksploatacyjna, g boko wyst powania,

mineralizacja (od wody s odkiej do solanki) i ci nienie wyp ywu. Wymienione

parametry w zasadniczy sposób wp ywaj na koszty inwestycyjne przedsi wzi

geotermalnych, dlatego te , pod wzgl dem ekonomicznym w ród wytypowanych

obszarów, by y i bardzo op acalne jak i zupe nie nieekonomiczne.

Z po ród wszystkich 92 stref, wybranych zosta o 19 o szczególnie

korzystnych warunkach lokalnych wykorzystania energii geotermalnej, dla których

87


przeprowadzono szersze analizy ekonomiczne – dla ró nych wariantów

zagospodarowania energii wód termalnych (tab.A.2.).

G ównymi parametrami które zosta y u yte do oceny ka dej ze stref wg [1]

by y:

szacowane wydajno ci wód,

szacowana temperatura na wyp ywie,

warunki hydrogeologiczne: artezyjskie lub subartezyjskie, determinuj ce

u ycie pomp g binowych,

g boko zalegania stropu horyzontu wodono nego (co ma decyduj cy

wp yw na koszty wykonania uj cia otworowego),

rodzaj odwiertu (parametr decyduj cy o kosztach wykonania uj cia

otworowego),

Orientacyjna cena 1mb otworu zale nie od jego g boko ci wynosi:

- do 300 m = 1100 z /mb,

- 300 ÷ 500 m = 2000 z /mb,

- poni ej 500 m = 2200 z /mb,

jako wód: solanka lub woda s odka – ma wp yw na sposób wykorzystania

wód sch odzonych: dla solanki system dwuotworowy (eksploatacyjno –

ch onny) lub dla wody s odkiej system jednootworowy, ze zrzutem wód do

sieci wodoci gowej lub do cieków powierzchniowych,

szacowana moc cieplna optymalnego odwiertu eksploatacyjnego: przy

sch odzeniu wód do temp. 25°C (bez zastosowaniu pomp ciep a) i przy

sch odzeniu do 10°C (z zastosowaniem pomp ciep a), rzutuj ca na

szacowane koszty inwestycyjne,

szacowane zasoby dyspozycyjne energii cieplnej w dwóch wariantów

wylicze :

- max. – przy sch odzeniu do 10°C i 40% wykorzystaniu pe nej mocy

(np. c.o. + c.w.u. + obiekty ogrodnicze),

- min. – przy sch odzeniu do 25°C i 26% wykorzystaniu pe nej mocy

(np. c.o. dla obiektów basenowych ca orocznych),

szacowane koszty inwestycyjne na wykonanie instalacji opartej o ogólny

uk ad jedno – lub dwuotworowego uj cia pokazany na (rys.A.3.) (otwór

ch onny alternatywny).

88


Sk adaj si na koszty:

- odwiertu lub odwiertów (wg wcze niej okre lonego rodzaju odwiertu

i g boko ci zalegania horyzontu wodono nego),

- wymienników (wg oszacowanej mocy cieplnej),

- pomp otworowych (wg ocenionych ci nie z o owych),

- pomp obiegowych, ruroci gów (wg wska nika 500 z /mb ruroci gu

o d ugo ci: 1000 m dla uk adu dwuotworowego i 500 m dla uk adu

jednootworowego),

- budynku, przy cza energetycznego, projektu, systemu pomp ciep a,

szacowane ceny 1GJ energii cieplnej loco zak ad (bez sieci dystrybucyjnej

i modernizacji instalacji u odbiorców) w wersji min. i max. zale nie od

stopnia sch odzenia wód.

W analizie za o ono:

pokrycie nak adów inwestycyjnych w proporcji:

- 20% rodki w asne,

- 50% dotacje,

- 30% kredyt ze sp at 17 lat i oprocentowaniu 8%,

amortyzacj na poziomie 4,5%,

koszty funkcjonowania instalacji

Rys. A.3. Schemat ogólnej

instalacji do produkcji energii

geotermalnej

ród o: [1]

89

Tab

. A

.2. Z

esta

wie

nie

ener

get

ycz

no –

ekonom

iczn

e 19 o

pty

mal

nych

str

ef z

agosp

odar

ow

ania

wód t

erm

alnych

na

obsz

arze

Ma

op

ols

ki

90

Rod

zaj

od

wie

rtu

(1)

Mo

c ci

epln

a

[kW

] p

rzy

sch

od

zen

iu

wód

do:

Zaso

by

dysp

ozy

-

cyjn

e

ener

gii

ciep

lnej

[GJ

/ro

k]

Cen

a

ener

gii

loco

zak

ad

[z/G

J]

Lo

ka

liza

cja

ob

iek

tów

(str

ef)

Sza

cow

an

a

wyd

ajn

o

[m3/h

]

Sza

cow

an

a

tem

p.

wyp

yw

u

[°C

]

Wa

run

ki

hyd

ro-

geo

log

iczn

e

Gb

ok

o

po

zio

mu

[m]

eksp

zat

Ja

ko

wó

d

(so

lan

ka

–

wo

da

so

dk

a)

25°C

10°C

min

.m

ax

.

Sza

cu-

nk

ow

y

ko

szt

inw

est.

[z]

(2)

min

.m

ax

.

Kra

kó

w-

Bie

an

ów

15

01

2su

bar

t.1

20

rek

.b

rak

so

dk

a0

34

90

4 4

05

6

92

76

0

14

,76

-

ka

wic

a3

05

0su

bar

t.1

80

0re

k.

bra

ks

od

ka

87

31

39

77

18

61

76

20

3 5

59

04

01

3,0

43

0,5

2

Now

e

uk

ow

ice

60

30

sub

art.

11

00

rek

.re

k.

sola

nk

a3

49

13

97

28

74

17

62

04

64

5 7

07

16

,30

94

,78

Por

ba

Wie

lka

40

45

sub

art.

18

00

istn

.o

w.

nso

lan

ka

93

11

63

07

66

52

05

56

9 4

08

88

02

6,3

66

9,0

1

Zaw

ad

a-

ka

wic

a3

04

5su

bar

t.3

00

no

w.

no

w.

sola

nk

a6

98

12

22

57

48

15

41

72

68

6 6

60

11

,77

29

,88

Nie

cza

jna

-

Zd

ary

50

25

arte

z.6

60

rek

.b

rak

so

dk

a0

87

30

11

01

21

72

9 9

00

11

,48

-

Rod

zaj

od

wie

rtu

(1)

Mo

c ci

epln

a

[kW

] p

rzy

sch

od

zen

iu

wód

do:

Zaso

by

dysp

ozy

-

cyjn

e

ener

gii

ciep

lnej

[GJ

/ro

k]

Cen

a

ener

gii

loco

zak

ad

[z/G

J]

Lo

ka

liza

cja

ob

iek

tów

(str

ef)

Sza

cow

an

a

wyd

ajn

o

[m3/h

]

Sza

cow

an

a

tem

p.

wyp

yw

u

[°C

]

Wa

run

ki

hyd

ro-

geo

log

iczn

e

Gb

ok

o

po

zio

mu

[m]

eksp

zat

Ja

ko

wód

(so

lan

ka

–

wod

a

so

dk

a)

25°C

10°C

min

.m

ax

.

Sza

cu-

nk

ow

y

ko

szt

inw

est.

[z]

(2)

min

.m

ax

.

Fu

rman

ow

a9

06

1su

bar

t2

00

0is

tnb

rak

so

dk

a3

77

15

34

33

10

42

67

39

62

10

2 8

28

3,0

15

,35

Bu

ko

win

a

Ta

trza

ska

70

67

sub

art

24

00

istn

bra

ks

od

ka(

1,4

)3

42

24

64

42

81

67

58

58

61

89

33

08

3,1

25

,40

Ch

och

oów

19

08

2ar

tez

32

00

istn

bra

ks

od

ka(

1,2

)1

26

06

15

92

41

03

76

0

20

08

6

65

27

7 0

56

2,5

13

,92

Poro

nin

90

63

arte

z1

80

0is

tnb

rak

so

dk

a(1

,1)

39

81

55

52

32

76

67

00

39

21

65

68

42

,98

5,2

3

Rad

ów

50

60

arte

z2

00

0re

kre

kso

lan

ka

20

37

29

10

16

76

63

67

08

7 7

39

66

71

2,8

02

6,8

3

Boch

nia

-

Cik

ow

ice

70

44

arte

z1

40

0re

kn

ow

sola

nk

a1

54

82

77

01

27

42

34

94

61

0 0

44

42

91

6,8

84

4,5

5

Kra

kó

w-

Prz

yla

sek

75

40

sub

art

15

00

rek

no

wso

lan

ka

13

10

26

19

10

77

83

30

37

10

58

5

70

01

8,6

65

5,1

3

91

Tab

. A

.2. cd

.

92

92

Rod

zaj

od

wie

rtu

(1)

Mo

c ci

epln

a

[kW

] p

rzy

sch

od

zen

iu

wód

do:

Zaso

by

dysp

ozy

-

cyjn

e

ener

gii

ciep

lnej

[GJ

/ro

k]

Cen

a

ener

gii

loco

zak

ad

[z/G

J]

Lo

ka

liza

cja

ob

iek

tów

(str

ef)

Sza

cow

an

a

wyd

ajn

o

[m3/h

]

Sza

cow

an

a

tem

p.

wyp

yw

u

[°C

]

Wa

run

ki

hyd

ro-

geo

log

iczn

e

Gb

ok

o

po

zio

mu

[m]

eksp

zat

Ja

ko

wód

(so

lan

ka

–

wod

a

so

dk

a)

25°C

10°C

min

.m

ax

.

Sza

cu-

nk

ow

y

ko

szt

inw

est.

[z]

(2)

min

.m

ax

.

Kra

kó

w-

Zes

aw

ice

17

01

3su

bar

t.2

00

no

w.

bra

ks

od

ka

05

94

07

48

81

11

8 0

92

12

,10

-

Tarn

ów

-

Ta

rno

wie

c7

06

0su

bar

t.1

80

0re

k.

rek

.so

lan

ka

28

52

40

74

23

47

35

13

91

7 5

02

20

09

,18

18

,91

Tro

pis

zów

15

02

4ar

tez.

65

0re

k.

bra

ks

od

ka

02

44

40

30

83

52

18

6 6

53

5,5

3-

Brz

esk

o5

05

5su

bar

t.2

00

0re

k.

rek

.so

lan

ka

17

46

26

19

14

37

13

30

37

7 6

52

36

71

3,9

73

0,8

1

Nie

po

om

ice

50

30

arte

z8

80

rek

.b

rak

so

dk

a2

91

11

64

23

95

14

63

82

13

9 8

67

10

,34

58

,24

Rac

aw

ice

10

03

0ar

tez

90

0re

kb

rak

so

dk

a5

82

23

28

47

90

29

36

62

51

8 4

00

6,3

53

3,8

0

ród

o:

[1]

(1)

- R

od

zaj

od

wie

rtu

: is

tn.

– i

stn

iej

cy,

rek

. –

do

rek

on

stru

kcj

i, n

ow

. –

do

wy

ko

nan

ia,

bra

k –

nie

po

trze

bn

y

(1)

- K

osz

t in

wes

tycy

jny

ob

ejm

uje

: o

dw

iert

y,

wy

mie

nn

iki,

po

mp

y o

two

row

e i

ob

ieg

ow

e, r

uro

cig

i.

92

Tab

. A

.2. cd

.

Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu

B. Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu

Podhale jest unikatowym w skali Polski regionem o wyj tkowych walorach

turystycznych, krajoznawczych i wypoczynkowych. Równocze nie obszar ten

dysponuje niezwykle korzystnymi warunkami eksploatacyjnymi wód geotermalnych

zlokalizowanych w karpackim subbasenie podhala skim. Zbiornik podhala ski jest

najbardziej spektakularnym zbiornikiem wód geotermalnych na obszarze

Ma opolski. Wyst puj ce tutaj zasoby wód charakteryzuj si bardzo korzystnymi

warunkami geotermalnymi tj. temperatur , mineralizacj , wydajno ci i ci nieniem

– wyst puj cymi na niemal ca ym obszarze niecki podhala skiej a w szczególno ci

w wodono nych horyzontach eocenu i triasu – gdzie wody termalne wyró niaj si

du stabilno ci parametrów geotermalnych.

Podziemne wody geotermalne, jako czysty ekologicznie no nik energii, mog

odegra wa na rol w regionie Podhala. Wykorzystane w ciep ownictwie

przyczyniaj si do polepszenia stanu powietrza , poprzez znaczne obni enie emisji

szkodliwych gazów do atmosfery (CO2, SO2, NOX). Z kolei wykorzystanie wód

geotermalnych w lecznictwie i rekreacji z pewno ci podniesie rang oferty

turystycznej Podhala, daj c nowy impuls do rozwoju regionalnej gospodarki

i przedsi biorczo ci.

Reasumuj c – wody geotermalne mo na mia o nazwa naturalnym

bogactwem Podhala, które w przysz o ci sta si mog wielk szans na szybki

rozwój tego regionu.

B.1. Charakterystyka geotermalna niecki podhala skiej.

Poj cie „niecka podhala ska” jest u ywana do okre lenia struktury

rozci gaj cej si mi dzy pieni skim pasem ska kowym na pó nocy i Tatrami na

po udniu ( rys. B.1.).

Na stosunki hydrogeologiczne niecki podhala skiej decyduj cy wp yw

wywiera masyw tatrza ski, który jest g ównym obszarem zasilania tej struktury

wodami geotermalnymi, natomiast pieni ski pas ska kowy uwa any jest za

nieprzepuszczaln barier zamykaj c od pó nocy obszar niecki

Rejon niecki podhala skiej stanowi fragment wi kszego systemu

geotermalnego, którego pozosta a cz le y na S owacji. W granicach Polski

93


powierzchnia tego obszaru wynosi oko o 475 km2 a jego szeroko zmienia si

w zakresie od 14 km na zachodzie do 18 km na wschodzie [6].

PIENI SKI PAS

NIECKA PODHALA SKA

Pow. ok. 475 km2

Rys. B.1. Usytuowanie niecki

podhala skiej

ród o: [28] zmodyfikowane

Wyst puj cy w strukturze niecki poziom wodono ny, na którym bazuje

praktyczne wykorzystanie wód, znajduje si w zlepie cach w glanowych

i wapieniach eocenu rodkowego oraz w wapieniach i dolomitach triasu

rodkowego. Zalegaj ce tutaj wody znajduj si na g boko ci od kilkuset metrów

do 1,5 km w rejonie Zakopanego i od 2,5 do 3,5 km w pó nocnej cz ci Podhala

(rejon Ba skiej Ni nej i Chocho owa) [6], [26_c].

Temperatury wód wyp ywaj cych z wykonanych odwiertów rosn w miar

przesuwania si z po udnia ku pó nocy i tak w rejonie przytatrza skim wynosz 20 –

40 °C, poprzez oko o 60 °C w rejonie Furmanowej, Poronina, Bukowiny

Tatrza skiej, do ponad 80 °C w rejonie Bia ego Dunajca, Ba skiej Ni nej

i Chocho owa [8].

Zatwierdzone wydajno ci wód (na podstawie bada J. Soko owskiego)

z poszczególnych otworów s ró ne z tendencj (podobnie jak temperatury)

94


zwy kow ku pó nocy. Np. w rejonie Zakopanego wynosz 50 m3/h ÷ 80 m3/h a ju

w otworach wykonanych w Ba skiej Ni nej IG – 1 i PGP – 1 odpowiednio: 120

m3/h i 550 m3/h, a ich wyp ywy s samoczynne przy ci nieniu wód na g owicach

otworu dochodz cych do ok. 2,5 MPa. Obszar Podhala uwzgl dniony zosta na

wg bnych mapach rozk adu temperatur zestawionych dla obszaru Polski przez S.

Plew i innych w 1992 r. Wed ug poczynionych prac ustalono e redni gradient

geotermiczny obliczony dla niecki podhala skiej i jej pod o a waha si w zakresie

1,9 ÷ 2,1 °C/100m, przy czym w szczególno ci we fliszu niecki osi ga 2,3 – 2,8

°C/100m ( redni dla Karpat – 2,35 °C/100m ). Z kolei strumie cieplny zosta

oszacowany na 55,6 mW/m2 w otworze Zakopane IG – 1 i 60,2 mW/m2 w otworze

Ba ska IG – 1 [6] , [11].

Mineralizacja wód jest ogólnie niska ale zmienna, co jest spowodowane tym

e poszczególne pietra wodono ne niecki podhala skiej przedzielone s warstw

izoluj c utworów i owcowo – mu owcowych – co doprowadzi o do wyra nego

zró nicowania hydrochemicznego wód górnego i dolnego pi tra. Wody nale ce do

górnego pi tra wodono nego w cz ci po udniowej i rodkowej Podhala,

charakteryzuj si nisk mineralizacj w zakresie 0,2 g/dm3 do 0,4 g/dm3 i s to

g ównie wody o typie wodorow glanowo – wapniowo – magnezowym (HCO3 – Ca

– Mg), lub wodorow glanowo – siarczanowo – wapniowo – magnezowym (HCO3 –

SO4 – Ca – Mg). W dolnym pi trze wodono nym w cz ci rodkowej i pó nocnej

g ównego poziomu geotermalnego wyst puj wody o mineralizacji oko o 3 g/dm3,

reprezentuj ce przewa nie typ siarczanowo – wodorow glanowo – chlorkowo –

sodowo – wapniowy (SO4 – HCO3 – Cl – Na – Ca ) oraz siarczanowo – chlorkowo –

sodowo – wapniowy (SO4 – Cl – Na – Ca ) i siarczanowo – wapniowo – sodowy

(SO4 – Ca – Na ) [6], [8], [27_a].

B.2. Zarys historyczny zagospodarowania wód geotermalnych na

Podhalu.

Pocz tek bada geologicznych Podhala i naukowego zainteresowania

ciep ymi wodami si ga po owy XIX wieku, kiedy to w 1844 r. Ludwik Zajszner

odkry i opisa ród o w Jaszczurówce, z którego wyp ywaj ca samoczynnie woda

mia a temperatur ok. 20 °C. Ciep e ród o w Jaszczurówce (obecnie jedna

z dzielnic Zakopanego) w XIX wieku, by o miejscem z którego dobroczynnych

w a ciwo ci korzystali miejscowi górale. W okresie mi dzywojennym XX wieku

95


cieplica Jaszczurówka by a bardzo popularnym miejscem wypoczynku i kuracji

zdrowotnych.

Od ponad 30 lat wody o temperaturze 26 i 36 °C, wydobywane z odwiertów

na Anata ówce w Zakopanem zasila y basen rekreacyjny, w którego miejsce od

2001 r. budowany jest park wodny o charakterze wypoczynkowo – leczniczym .

Prace wiertnicze na obszarze niecki podhala skiej rozpocz to w 1959 r.

Promotorem tych prac by prof. Stanis aw Soko owski, który przedstawi pierwsze

plany prac badawczo – poszukiwawczych na Podhalu, uwzgl dniaj c w nich

równie problem wód geotermalnych i ich zagospodarowania (rys. B.2.).

- Otwory wiertnicze z

wodami geotermalnymi

- Pozosta e

otwory wiertnicze

Niektóre proponowane

lokalizacje geotermalnych

o rodków rekreacyjnych i

leczniczychRys. B.2. Lokalizacja otworów wiertniczych na

terenie niecki podhala skiej

ród o [8]

1 – Zazadnia IG – 1, 2 – Jaszczurówka – 1, 3 – Zakopane IG – 1, 4 – Zakopane 2

5 – Skocznia IG – 1, 6 – Hruby Regiel IG – 2, 6a – Hruby Regiel 2, 6b – Hruby Regiel 3

7 – Staników leb S – 1, 8 – Staników leb S – 2, 9 – Siwa Woda IG – 1, 10 – Ba ska

IG – 1, 11 – Bia y D. PAN – 1, 12 – Poronin PAN – 1, 13 – Furmanowa PIG – 1

14 – Chocho ów PIG – 1, 15 – Buk. Tatrz. PIG – 1, 16 – Maruszyna IG – 1

17 – Nowy Targ

96


Pierwszy otwór w tym e 1959 r. pod kierownictwem J. Go bia, wykonano w a nie

obok ród a w Jaszczurówce. Prace te jednak nie przynios y oczekiwanych

rezultatów, bowiem na g boko ci otworu 20 m uzyskano wod o temp. 22,7 °C,

jednak na wi kszej g boko ci temperatura zacz a si obni a , czego przyczyn by

dop yw szczelinami zimnych wód potoku Olczyskiego [6].

Rozpocz te w 1961 r. prace nad odwiertem Zakopane IG – 1 mo na uzna za

pocz tek „ery geotermalnej” na Podhalu, by o to bowiem pierwsze wiercenie

z którego uzyskano dop yw wód geotermalnych. Fakt ten przyczyni si do

szerszego zainteresowania mo liwo ci wykorzystania wód geotermalnych

i zaowocowa dalszymi pracami poszukiwawczymi, które ze wzgl du na swój

charakter mo na podzieli na kilka charakterystycznych okresów, co przedstawia

tab. B.1. W sumie w ci gu blisko 40 – stu lat, poczynaj c od roku 1959 do 1998,

wykonano na teranie Podhala 19 otworów, przy czym w 12 z nich odkryto zasoby

wód geotermalnych o korzystnych parametrach z o owych (tab. B.2.)

G ówne prace wiertnicze zosta y zrealizowane przez Pa stwowy Instytut

Geologiczny, Instytut Surowców Energetycznych Akademii Górniczo – Hutniczej,

Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo, oraz Centrum Podstawowych

Problemów Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi PAN (przemianowany

w 1997 r. na Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi PAN),

z wyj tkiem dwóch ostatnich otworów które w latach 1996 – 1998 wykona o PEC

Geotermia Podhala ska S.A.

97


Tab. B.1. G ówne etapy prac wiertniczych na Podhalu i uzyskane efekty.

Okres [lata] Wykonane prace Osi gni te efekty

1961 – 1963

Wykonanie otworu

Zakopane IG – 1

- pierwszy otwór z którego uzyskano

dop yw wód geotermalnych,

- geologiczne rozpoznanie pod o a w

rejonie Zakopanego.

1964 – 1986

Wykonanie 9 otworów:

Zakopane 2, Staników

leb S – 1, Staników

leb S – 2, Hruby Regiel

2, Hruby Regiel IG – 2,

Hruby Regiel 3, Siwa

Woda IG – 1, Zazadnia

IG – 1, Skocznia IG –1.

- uzyskano z niektórych otworów

dop yw wód geotermalnyvh,

- geologiczne rozpoznanie

po udniowego skrzyd a niecki

podhala skiej.

1979 – 1981

Wykonanie g bokiego

otworu badawczego

Ba ska IG – 1

- stwierdzenie zasobów wód

geotermalnych o korzystnych

parametrach z o owych i

eksploatacyjnych,

- wst pne oszacowanie potencja u

geotermalnego niecki podhala skiej,

- powy sze odkrycia sta y si podstaw

do opracowania „Projektu bada

geologicznych okre laj cych zasoby i

warunki eksploatacyjne surowców

energetycznych w niecce

podhala skiej”

( J. Soko owski i inni 1985 )

1988 – 1992

Wykonanie 5 g bokich

otworów badawczych i

eksploatacyjnych:

Bia y Dunajec PAN – 1,

Poronin PAN – 1,

Furmanowa PIG – 1,

Chocho ów PIG – 1,

Bukowina Tatrza ska

PIG/PNiG – 1.

Rozpoznanie centralnego i pó nocnego

fragmentu niecki podhala skiej:

- rozpoznanie geologiczne,

- rozpoznanie z o owe i potwierdzenie

faktu istnienia wydajnego poziomu

wodono nego w utworach eocenu

numulitowego,

- rozpocz cie prac badawczo –

rozwojowych zwi zanych z

zaprojektowaniem, uruchomieniem i

przy czeniem do geotermalnej sieci

grzewczej pierwszych obiektów i

odbiorców – Pocz tek wykorzystania

geotermii do celów ciep owniczych.

1996 – 1998

Wykonanie 2 otworów:

Ba ska PGP – 1, Bia y

Dunajec PGP – 2.

- rozbudowa sieci ciep owniczej i

przy czenie kolejnych odbiorców.

ród o: Zestawienie w asne na podstawie [6], [26_c].

98

99

Tab

. B

.2. G

ów

ne

par

amet

ry h

yd

rog

eolo

gic

zne

od

wie

rtó

w z

ud

ok

um

ento

wan

ym

i w

od

ami

ter

mal

ny

mi

Ch

ara

kte

ryst

yk

a p

itr

a w

od

on

on

ego

Ch

emiz

mw

ód

Na

zwa

otw

oru

Mie

jsco

wo

Ro

k w

yk

.

otw

oru

Gb

ok

o

otw

oru

[m

] W

yd

ajn

o

[m3/h

]

Tem

p.

na

wy

py

wie

[°C

]

sum

a s

k.

st

[g/d

m3]

Ty

p

Za

twie

rdzo

ne

zaso

by

[m3/h

]

Za

ko

pa

ne

IG –

1

Zak

op

ane

19

61

– 1

96

3

30

73

,21

69

,23

70

,36

3H

CO

3-S

O4-C

a-M

g-N

a

5

0,0

Za

ko

pa

ne

2

Zak

op

ane

19

75

1

11

3,0

27

3,0

26

0,3

26

HC

O3

-Ca

-Mg

80

,0

Siw

a W

od

a I

G –

1

D.C

ho

cho

ow

ska

*

85

6,0

3,9

52

00

,42

6H

CO

3-S

O4

-Mg

-Na

4,0

Za

zad

nia

IG

– 1

Ma

e C

iche

*

68

0,0

29

,62

20

,19

HC

O3-S

O4-C

a-M

g2

5,1

Ba

ska

IG

– 1

Bia

y D

un

ajec

1

97

9 –

19

81

5

26

1,0

12

0,0

82

2,6

9S

O4-C

l-N

a-C

a

1

20

,0

Bia

y D

un

aje

c P

AN

– 1

Bia

y D

un

ajec

1

98

9

23

94

,02

70

,08

22

,62

SO

4-C

l-N

a-C

ao

twó

r ch

on

ny

Po

ron

in P

AN

– 1

Po

ron

in

19

89

3

00

3,0

90

,06

31

,14

SO

4-H

CO

3-C

l-N

a-C

a9

0,0

Ch

och

oó

w P

IG –

1

Ch

och

oó

w1

99

0

35

72

,01

90

,08

21

,24

SO

4-C

a-N

a1

90

,0

Fu

rma

no

wa

PIG

– 1

Fu

rman

ow

a 1

99

0

23

24

,09

6,0

60

,50

,58

HC

O3

-Na

-Ca

90

,0

Bu

ko

win

a T

atr

z. P

IG/P

NiG

– 1

Bu

ko

win

a T

atrz

. 1

99

2

37

80

,06

0,0

67

1,4

9S

O4-C

l-N

a-C

a

Ba

ska

PG

P –

1

Ba

ska

19

97

2

73

1,0

18

0,0

86

3,1

2S

O4-C

l-N

a-C

a5

50

,0

Bia

y D

un

aje

c P

GP

– 2

Bia

y D

un

ajec

1

99

8

24

50

,01

75

,08

62

,7S

O4-C

l-N

a-C

ao

twó

r ch

on

ny

ród

o:

[27

_d

] -

zmo

dy

fik

ow

ane


B.3. Geotermalny system ciep owniczy na Podhalu

B.3.1. Geneza projektu

Wykorzystanie wód geotermalnych do ogrzewania budynków mieszkalnych

na Podhalu, zapocz tkowa o za o enie w latach 1989 – 1993 pierwszego w Polsce

Do wiadczalnego Zak adu Geotermalnego w Ba skiej Ni nej – Bia ym Dunajcu,

którego inicjatorem by Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi

Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. W okresie tym nast pi o przy czenie

pierwszych budynków wsi Ba ska – Ni na do ciep owniczej sieci geotermalnej,

której produkcja ciep a oparta by a o dublet geotermalny : Ba ska – IG 1 i Bia y

Dunajec – PAN 1. Przedsi wzi cie to udowodni o e ogrzewanie budynków

ciep em pochodz cym z wód geotermalnych jest technicznie mo liwe. Kolejnym

etapem by o za o enie w grudniu1993 roku przez Narodowy Fundusz Ochrony

rodowiska i Gospodarki Wodnej, Geotermi Podhala skiej S.A., która od tej pory

przej a dalsz inicjatyw w rozwoju geotermi na Podhalu, a Zak ad Geotermalny

zosta przekszta cony w Laboratorium Geotermalne, który obecnie prowadzi prace

badawcze oraz pe ni rol edukacyjn z zakresu energii geotermalnej.

W rok po za o eniu Geotermi Podhala skiej, wie Ba ska Ni na by a ju w 100%

zasilana ciep em geotermalnym (c.o. i c.w.u.) a instalacja obejmowa a ogó em 203

budynki w tym ko ció i szko . W roku 1995 ogólna ilo ciep a sprzedawanego

wynios a 18 TJ/rok. Rok 1996 to budowa Ciep owni Geotermalnej w Ba skiej

Ni nej, oraz zrealizowanie 3,5 km linii ciep owniczej do Zakopanego i pod czenie

27 gospodarstw domowych w Bia ym Dunajcu. W roku 1997 powstaje kolejny

dublet geotermalny oparty na otworach Ba ka Ni na PGP – 1 oraz Bia y Dunajec

PGP – 2. Kolejny wa ny krok nast puje w rok pó niej, kiedy to nast puje

po czenie Przedsi biorstwa Energetyki Cieplnej „Tatry” oraz Geotermii

Podhala skiej S.A., co owocuje powstaniem nowej spó ki o nazwie PEC Geotermia

Podhala ska S.A. Rok 1998 to równie uruchomienie kot owni szczytowej

w Zakopanem, zasilanej dwoma kot ami gazowymi o ca kowitej mocy 20 MW.

Pr nie rozwijaj ca si nowa spó ka, buduje w 1999 roku ponad 2200 mb sieci

ciep owniczych na terenie Zakopanego, oraz przy cza nowych odbiorców,

uzyskuj c sprzeda ciep a na poziomie 120 TJ/rok.

Do ko ca 2001 roku wybudowano ponad 28 km sieci dystrybucyjnej

w Zakopanem. Pod czono do sieci ciep owniczej, ostatni osiedlow kot owni

100


w glowo – koksow , tym samym osi gni to jeden z celów Spó ki, jakim by a

konwersja komunalnych kot owni koksowych i w glowych na wymiennikownie.

Zako czono budow magistrali ciep owniczej, cz cej Ciep owni Geotermaln

w Ba skiej Ni nej z Kot owni Szczytow w Zakopanem, która zosta a

rozbudowana do mocy 40 MW. W czerwcu uruchomiono trzy silniki gazowe

o cznej mocy 1,5 MWe i 2,1 MWt, natomiast w grudniu uruchomiono kocio

gazowo – olejowy o mocy 16 MW. Na koniec 2001 roku ciep o dostarczane

obejmuje 188 odbiorców indywidualnych w Ba skiej Ni nej, 25 odbiorców

indywidualnych w Bia ym Dunajcu, natomiast w Zakopanem – 75 odbiorców

indywidualnych, 102 du ych odbiorców i 122 bloki mieszkalne. Rok 2002 to

rozbudowa sieci ciep owniczej na terenie Zakopanego, gmin Bia y Dunajec

i Poronin. Po pod czenie kolejnych grup odbiorców, osi gni to sprzeda ciep a

w wysoko ci 250 TJ/rok. Zako czono budow Parku Wodnego w Zakopanem (stan

surowy), oraz wykonano pierwszy odcinek sieci cieplnej w kierunku Ko cieliska do

Polany Szymoszkowej. Na koniec 2002 roku czna d ugo sieci cieplnych

wynios a ponad 50 km. Do ko ca 2003 r. do geotermalnej sieci ciep owniczej

zosta o pod czonych 459 odbiorców indywidualnych, 141 odbiorców

wielkoskalowych, oraz 28 osiedlowych kot owni w glowych i koksowych

w Zakopanem. [27_g], [29].

B.3.2. Aspekt techniczny

Scentralizowany system ciep owniczy na Podhalu prowadzony obecnie prze

PEC Geotermi Podhala sk S.A. (rys. 8.3.), sk ada si z nast puj cych elementów:

systemu geotermalnego,

sieci ciep owniczej,

kot owni szczytowej w Zakopanem,

uk adu regulacji i sterowania,

instalacji wewn trznej odbiorców.

System geotermalny – obejmuje dwa otwory wydobywcze PGP – 1 i IG – 1,

którymi eksploatowana jest gor ca woda geotermalna (TW = 84 ÷ 86 °C), oraz dwa

otwory ch onne PGP – 2 i PAN – 1, którymi z kolei woda geotermalna po oddaniu

ciep a w p ytowych wymiennikach ciep a, jest z powrotem zat aczana do z o a

101


(TZ = ok. 45 °C). Odleg o pomi dzy obydwoma dubletami w linii prostej wynosi

oko o 1800 metrów. Pomi dzy odwiertami wydobywczymi i zat aczaj cymi, istnieje

ró nica ci nie statycznych równa 6 Atm (ok. 600 kPa), co umo liwia uzyskanie

samoistnego przep ywu wody geotermalnej o wydajno ci oko o 100 m3/h.

W przypadku wi kszego zapotrzebowania na ciep o, mo liwe jest zwi kszenie

wydajno ci wydobycia wody geotermalnej, nawet do warto ci 550 m3/h

(maksymalna wydajno otworu PGP – 1), przez uruchomienie dodatkowej pompy

zabudowanej w uk adzie geotermalnym. W ciep owni geotermalnej Ba ska – Bia y

Dunajec, b d cej podstawowym ród em ciep a w ca ym systemie ciep owniczym,

znajduje si pi p ytowych wymienników ciep a, o cznej mocy 40 MWt (w planie

60 MWt po zrealizowaniu trzeciego dubletu). Rol p ytowych wymienników ciep a

jest przekazanie ciep a wody geotermalnej, wodzie obiegu sieciowego.

Sie ciep ownicza – obejmuje cznie ok. 70 km, z czego g ówny ruroci g

z ciep owni geotermalnej do Zakopanego liczy 15 km. Wykonanie sieci

ciep owniczej z rur preizolowanych, oraz wyposa onej w uk ad detekcji

nieszczelno ci, znacznie ogranicza straty ciep a, tak e w g ównym ruroci gu na

odcinku 15 km spadek temperatury wynosi tylko oko o 3 °C. W planach jest

równie poprowadzenie ruroci gu w kierunku Nowego Targu o d ugo ci ok. 7 km,

po rozbudowie ciep owni geotermalnej. Poniewa uk ad wody sieciowej „rozciaga”

si na przestrzeni ró nych wysoko ci terenu (od 671 ÷ 931 m.n.p.m.) , zosta

podzielony na strefy ci nieniowe, w celu zapewnienia odpowiedniej pracy uk adu

sieciowego wykonanego na ci nienie nominalne 16 bar (ok. 1,6 kP). W kierunku

Zakopanego sie podzielona zosta a na stref 2, 3 i 4, gdzie na zasilaniu wody

sieciowej zastosowano przepompownie, a na powrocie wody sieciowej uk ady

redukcji ci nienia. W planowanej cz ci ciep oci gu do Nowego Targu sytuacja

b dzie odwrotna. bowiem na zasilaniu b d znajdowa si reduktory ci nienia, a na

powrocie przepompownie.

W sk ad magistrali ciep owniczej wchodz nast puj ce elementy [29]:

- pompownia wody sieciowej w Ciep owni Ba ska – Bia y Dunajec,

- trzy przepompownie (A – Pozawodzie 703 m.n.p.m., B – Poronin – 732

m.n.p.m, C – Ustup 762 m.n.p.m) wraz z uk adami redukcji cisnie ,

- pompownia wody sieciowej z uk adem redukcji ci nie w Kot owni

Centralnej w Zakopanem 825 m.n.p.m (D)

102


Dla utrzymania w sieci przesy owej ci nienia poni ej 16 barów zosta o

przyj te rozwi zanie separacji ci nie . Ró ne cz ci uk adu s po czone

hydraulicznie, ale pracuj na ró nych poziomach ci nie , bez spadku temperatury.

Usytuowanie i liczba przepompowni i stacji redukcji ci nie , wynika

z ukszta towania terenu, oraz przyj tego za o enia o nie przekraczaniu spadku

ci nienia w ruroci gu g ównym 70 Pa/m. Ka da z przepompowni wody sieciowej

ma zapewni odpowiednie ci nienie na wej ciu do pompowni po o onej wy ej,

natomiast reduktory ci nie na wej ciu do obiektów po o onych ni ej danej stacji

[29].

Interesuj c i nowatorska spraw , ale w pe ni skuteczn w dzia aniu, jest

zastosowanie wymienników ciep a jako uk adów zabezpieczaj cych w przypadku

nag ej awarii systemu (np. braku zasilania, wypadni cia pomp) i niemo no ci

utrzymania okre lonego poziomu ci nienia roboczego (max. 16 bar). Wbudowane

w uk ad wymienniki ciep a WC_Z1 i WC_Z2 (patrz rys. B.3.), posiadaj

odpowiedni konstrukcje zaworów i w przypadku du ego uderzenia strugi wody

pe ni rol oporu dla fali uderzenia hydraulicznego i przeciwdzia aj napr eniom

cieplnym.

Kot ownia szczytowa w Zakopanem – pe ni rol ród a dodatkowego

pokrywaj cego obci enie szczytowe systemu, w okresie kiedy ciep o geotermalne

nie b dzie w stanie pokry ca kowitego zapotrzebowania odbiorców.

W budynku kot owni znajduj si :

- dwa kot y wodne o mocy 10 MW ka dy, zasilane gazem i wyposa one

w ekonomizery o mocy 1MW ka dy, pozwalaj ce odzyska ciep o

kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach,

- jeden kocio z palnikiem dwufunkcyjnym umo liwiaj cym zasilanie gazem

lub olejem opa owym, o mocy 16 MW,

- trzy silniki gazowe typu JMS 312 GS – BL, o cznej mocy 1,6 MWe (3x540

kWe) i 2,1 MWt, (3x700 kWt) które wytwarzaj ciep o i energi elektryczn

w skojarzeniu,

- uk ad uzdatniania wody sieciowej zapewniaj cy jej w a ciw jako

o wydajno ci 35 m3/h,

- trzy uk ady ekspansyjne zabezpieczaj ce 3 i 4 stref ci nieniow oraz system

kot owy,

103


- pompy wody sieciowej o wydajno ci 3 x 250 m3/h z uk adem redukcji

ci nie i uk adem separacji.

Ze wzgl du na ró nic ci nie uk adu kot owego (6 bar) i uk adu sieciowego (16

bar), istnieje separacja obydwu tych obiegów, przez zastosowanie p ytowych

wymienników ciep a (WCS) o mocy 17 MW ka dy.

Uk ad regulacji i sterowania – jest to uk ad typu ilo ciowo – jako ciowego,

bowiem temperatura wody sieciowej jest uzale niona od temperatury zewn trznej.

Uzyskanie odpowiedniej temperatury wody sieciowej odbywa si poprzez, zmian

przep ywu wody, która z kolei odbywa si dzi ki odpowiedniej pracy pomp

sieciowych wyposa onych w przetwornice cz stotliwo ci.

Sterowanie i monitoring systemu ciep owniczego jest realizowany w sposób

zintegrowany, dla wszystkich obiektów rozmieszczonych w obr bie systemu.

Transmisja danych realizowana jest za pomoc kabla wiat owodowego u o onego

wzd u g ównego ruroci gu sieciowego i geotermalnego, dzi ki czemu informacja

uzyskana w jednym obiekcie, natychmiast dost pna jest dla innych.

Automatyzacja geotermalnego systemu ciep owniczego, realizowana jest przez

system sterowania i zdalnej akwizycji danych – SCADA, którego struktura

podzielona jest na nast puj ce poziomy [29]:

- poziom sprz towy – który obejmuje elementy wykonawcze automatyki, tj.

si ownik zaworów, silniki pomp, przetwornice zdalne ci nienia i temperatury,

- poziom sterowania i akwizycji danych – realizowane w oparciu o uk ady

mikroprocesorowe (PLC), odpowiedzialne za przetwarzanie danych

i realizuj ce lokalne algorytmy wynikaj ce z technologii systemu

ciep owniczego. Przetwarzane informacje s wysy ane do systemu

nadrz dnego, gdzie jest mo liwo bezpo redniej wspó pracy u ytkownika

ze sterownikiem,

- poziom operatorski – obejmuje stanowiska komputerowe z zainstalowanym

oprogramowaniem, spe niaj ce funkcj wizualizacji stanów pracy, warto ci

mierzonych, zdalne sterowanie urz dzeniami wykonawczymi, archiwizacji

danych pomiarowych i sygnalizacji stanów alarmowych.

Instalacje wewn trzne odbiorców – uzale niona jest od wielko ci odbiorców

ciep a którzy na potrzeby ciep owni zostali podzieleni na trzy grupy:

- odbiorcy indywidualni – o zapotrzebowaniu mocy cieplnej od kilku do

kilkunastu kW (domy jednorodzinne i inne mniejsze obiekty),

104


- odbiorcy rednioskalowi – o zapotrzebowaniu mocy cieplnej od kilkunastu

do 30 kW (pensjonaty, biura, szko y, itp.),

- odbiorcy wielkoskalowi – o zapotrzebowaniu mocy cieplnej powy ej 30 kW

(obiekty ogrzewane w przesz o ci z ma ych lokalnych kot owni w glowych).

Odbiorcy indywidualni wyposa eni s w w z y cieplne typu kompaktowego – czyli

dwufunkcyjne p ytowe wymienniki ciep a do celów c.o. oraz produkcji c.w.u., w

systemie przep ywowym (bez zasobnika ciep ej wody). Odbiorcy rednio

i wielkoskalowi wyposa eni s równie w dwufunkcyjne p ytowe w z y

kompaktowe, posiadaj ce dodatkowo system automatyki pogodowej z mo liwo ci

zaprogramowania wielu funkcji (np. obni enie nocne, wp yw wiatru). Do

monitoringu zu ytej energii wszystkie w z y wyposa one s w liczniki ciep a.

Relizacja ca o ci za o onego programu przez PEC Geotermia Podhala ska

S.A., obejmuj ca zast pienie konwencjonalnych ciep owni ciep em geotermalnym

na terenie Podhala pocz wszy od Zakopanego a sko czywszy na Nowym Targu

(poprowadzenie ciep oci gu do Nowego Targu jest obecnie w trakcie realizacji)

przewidziana na koniec 2005 roku, pozwoli na ca kowit sprzeda ciep a

w wysoko ci oko o 600 TJ/rok (tab. B.3.).

Tab. B.3. Szacunkowa sprzeda ciep a przez PEC Geotermia Podhala ska S.A.

Grupa odbiorców Obliczone zu ycie ciep a

w ci gu roku [GJ]

Udzia w ogólnym

zu yciu [%]

Gospodarstwa domowe - 1500 150 000 25

Wielkoskalowi i redni odbiorcy - 260 320 000 53

PEC Nowy Targ 130 000 22

Ogó em 600 000 100

ród o: [27_g]

B.3.1. Efekt ekologiczny

Wdro enie ogrzewania geotermalnego na Podhalu, a przez to eliminacja

konwencjonalnych ciep owni zaopatruj cych do tej pory odbiorców w ciep o,

spowodowa o w znacznym stopniu popraw stanu rodowiska naturalnego w tym

rejonie. Korzy ci lokalne zwi zane z przy czeniem do sieci geotermalnej 459

odbiorców indywidualnych, 141 odbiorców wielkoskalowych, oraz 28 osiedlowych

105


kot owni w glowych i koksowych (dane na koniec 2003 roku), obejmuj g ównie

ograniczenie emisji SO2, NOX, CO2, py ów i zwi zków organicznych.

Z bada przeprowadzonych na Podhalu przez firm KWI Consultants & Engineers

przy wspó pracy z Polska firm consultingow FC – BREC z Warszawy na zlecenie

Banku wiatowego, opracowany zosta raport st enia py u zawieszonego i SO2, za

okres 1994 ÷ 2001. Przeprowadzona analiza i badania wykaza y wyra ny wp yw

dzia ania geotermi na popraw stanu powietrza w porównaniu z okresem przed

wprowadzeniem projektu geotermalnego. Roczne st enie SO2 w okresie 1994 ÷

1998 (przed wprowadzeniem projektu geotermalnego) wynosi o 32,6 µg/m3, a na

koniec roku 200 – 17,3 µg/m3, co oznacza spadek tego st enia o 45,3 %. Z kolei

roczne st enie py u zawieszonego w okresie 1994 ÷ 1998 wynosi o 53,3 µg/m3, a w

roku 2001 – 27,8 µg/m3, co oznacza e rednioroczne st enie spad o o 49 %. W

wyniku dzia ania ciep owni geotermalnej i zrealizowanych pod cze do ko ca

2003 roku, zredukowano emisj CO2 o 41 630 ton rocznie [29]. W przysz o ci po

zako czeniu w pe ni za o e projektu geotermalnego „Podhale”, przewidywana

redukcja zanieczyszcze do atmosfery b dzie znacznie wi ksza co obrazuje tab. B.4.

Tab. B.4. Przewidywana redukcja emisji po zako czeniu projektu „Podhale”

Rodzaj emisji SO2 NOX CO2 CO Py Zwi zki organiczne

Emisja[t/rok]

1 465 705 190 693 45 016 1 855 1 543

ród o: [27_g]

Nie wyemitowanie do atmosfery tej ilo ci zanieczyszcze to efekt ekologiczny

wykorzystania wód geotermalnych na Podhalu.

106


107

107

Rys.

B.3

. S

chem

at s

yst

emu c

iep

ow

nic

zego n

a P

odhal

u r

eali

zow

aneg

o p

rzez

PE

C G

eote

rmia

Podhal

ask

a S

.A.

WC

– w

ym

iennik

cie

pa,

W

CS

– w

ym

iennik

i ci

epa

separ

acyjn

e, W

C_Z

1, W

C_Z

2 –

wym

iennik

i ci

epa

pe

ni

ce r

ol

zabez

pie

czen

ia, A

, B

, C

, D

– l

okal

izac

je p

om

pow

ni

i st

acji

red

ukcy

jnych

Uyt

kow

nicy

cie

pa

Bia

y D

unaj

eci

Poro

nin

Uyt

kow

nicy

cie

pa

Zako

pane

Uyt

kow

nicy

cie

pa

Koci

elis

ko 9

31 m

.n.p

.m.

Koty

gazo

wo-

olej

owe

35 M

W

Cie

pow

nia

Geo

term

alna

Bask

a -

Bia

y D

unaj

ec67

1 m

.n.p

.m.

Kotow

nia

Cen

tral

naZa

kopa

ne82

5 m

.n.p

.m.

PGP

- 1

550

m3/

hTw

=86

STREF

A 2

STREF

A 3

STREF

A 3

STR

EFA 2

STR

EFA 4

STREF

A 3

STR

EFA 4

STREF

A 3

A

B

CD

IG -

112

0 m

3/h

Tw=

84

PGP

- 2

PAN

- 1

Tz =

ok.

45

5xW

C

WC

WC_

Z1

WC_

Z2

WC

WC

WC

WC

WCS

Zaw

ór r

egul

acyj

ny

Pom

pa o

bieg

owa

Wze

zbi

orcz

yw

ody

z ci

epow

nige

oter

mal

nej i

kot

owni

cen

tral

nej

75

7040

7040

4070

75

50

95

Siln

iki g

azow

e

2,1

MW

t1,

5 M

We

WCS

JMS

31

2G

S-B

L

40 M

Wt

Otw

ory

wyd

obyw

cze

Otw

ory

zatac

zaj

ce

Filtr

geo

term

alny

Plan

owan

a ci

epow

nia

szcz

ytow

aw

Now

ym T

argu

25 M

Wt

Spis literatury

Spis literatury

1. Bujakowski W., Barbacki A., Paj k L.: Wyst powanie i mo liwo ci

zagospodarowania energii geotermalnej w Ma opolsce. Wyd. IGSMiE PAN

Kraków 2003

2. G adkiewicz E., K pi ska B.: Energie odnawialne na Podhalu – przewodnik

do warsztatów terenowych Nowy Targ 2001

3. Gu a A., Filipowicz M., Wyrwa A.: Energie odnawialne w strategii

zrównowa onego rozwoju energetycznego. Materia y z konferencji pt:

”Energia odnawialna – wykorzystanie biomasy”, Kraków 2003

4. Górzy ski J.: Audyting Energetyczny. Wydawnictwo Narodowej Agencji

Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2002

5. Hobler T.: Ruch ciep a i wymienniki. Wydawnictwa Naukowo – Techniczne,

Warszawa 1959

6. K pi ska B.: Model geologiczno – geotermalny niecki podhala skiej. Wyd.

IGSMiE PAN – Seria: studia, rozprawy, monografie, nr 48 Kraków 1997

7. K pi ska B.: Warunki hydrotermalne i termiczne podhala skiego systemu

geotermalnego w rejonie otworu Bia y Dunajec PAN – 1. Wyd. IGSMiE

PAN Kraków 2001

8. K pi ska B., owczowska A.: Wody geotermalne w lecznictwie, rekreacji

i turystyce. Wyd. IGSMiE PAN – Seria: studia, rozprawy, monografie, nr

113 Kraków 2002

9. Kostowski E.: Przep yw ciep a. Wydawnictwo Politechniki l skiej, Gliwice

2000

10. Nowak W., Soba ski R., Kabat M., Kujawa T.: Systemy pozyskiwania

i wykorzystania energii geotermicznej. Wydawnictwo uczelniane Politechniki

Szczeci skiej, Szczecin 2000

11. Plewa S.: Rozk ad parametrów geotermalnych na obszarze Polski. Wyd.

IGSMiE PAN Kraków 1994

12. Skoczylas A.: Przenoszenie ciep a. Oficyna Wydawnicza Politechniki

Wroc awskiej, Wroc aw 1999

108

Spis literatury

13. Soli ska M. ,Soli ski I.: Efektywno ekonomiczna proekologicznych

inwestycji rozwojowych w energetyce odnawialnej. Wyd. AGH UWN-D,

Kraków 2003

14. Staniszewski B.: Wymiana ciep a – podstawy teoretyczne. Pa stwowe

Wysawnictwa Naukowe, Warszawa 1980

15. Wi niewski S., Wi niewski T.: Wymiana ciep a. Wydawnictwo Naukowo –

Techniczne Warszawa 2000

16. Zalewski W.: Pompy ciep a – podstawy teoretyczne i przyk ady zastosowa .

Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1998

17. Praca zbiorowa pod redakcj Bujakowskiego W.: Energia geotermalna –

wiat, Polska, rodowisko. Wyd. IGSMiE PAN Kraków 2000

18. Praca zbiorowa pod redakcj Bujakowskiego W.: Wybrane problemy

wykorzystania geotermii – I. Wyd. IGSMiE PAN – Seria: studia, rozprawy,

monografie, nr 76, Kraków 2000

19. Praca zbiorowa: Doradztwo energetyczne w budownictwie. Materia y

szkoleniowe Krajowej Agencji Poszanowania Energii S.A., Warszawa 1995

20. Praca zbiorowa pod redakcj Neya R.: Wybrane problemy wykorzystania

geotermii. Wyd. IGSMiE PAN – Seria: studia, rozprawy, monografie, nr 92,

Kraków 2001

21. Praca zbiorowa: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Wyd.

Wydzia Nauk o Ziemi Uniwersytetu l skiego oraz Polska Geotermalna

Asocjacja, Sosnowiec 2002

22. Praca zbiorowa pod kierownictwem Soko owskiego J.: Prowincje i baseny

geotermalne Polski. Wyd. Polska Geotermalna Asocjacja oraz CPPGSMiE

PAN, Kraków 1995

23. Technika poszukiwa geologicznych – Geosynoptyka i geotermia. Zeszyt 4 i

5. Wyd. CPPGSMiE PAN Kraków 1999,

24. Technika poszukiwa geologicznych – Geosynoptyka i geotermia. Zeszyt 5 i

6. Wyd. CPPGSMiE PAN Kraków 1993

25. Praca zbiorowa pod redakcj naukow Bujakowskiego W.: Systemy

energetyczne wykorzystuj ce czyste, odnawialne ród a energii. Wyd.

IGSMiE PAN Kraków 2003:

109

Spis literatury

25_a – Ney R.: Warunki rozwoju energii odnawialnej w Polsce,

25_b – Seibt P.: Do wiadczenia zebrane w procesie zat aczania sch odzonych

wód geotermalnych do piaskowcowych formacji wodono nych,

25_c – K pi ska B.: System eksploatacji i kaskadowego wykorzystania

energii geotermalnej w Laboratorium Geotermalnym PAN IGSMiE w

Ba skiej Ni nej na Podhalu,

25_d – Bujakowski W.: Energia geotermalna – przegl d polskich

do wiadcze ,

25_e – D ugosz P.: Geotermia na Podhalu – 10 lat do wiadcze

26. Praca zbiorowa pod redakcj Soko owskiego J.: Polska szko a geotermalna –

mat. z konferencji III kursu 10 –12 marca 1997. Wyd. Polska Geotermalna

Asocjacja oraz CPPGSMiE PAN:

26_a – Ney R.: Procedura projektowania, pozyskiwania i wykorzystania

energii geotermalnej,

26_b – Ostaficzuk S.: Mo liwo ci i problematyka wykorzystania energii

geotermalnej w Polsce,

26_c – Soko owski J.: Definicje poj okre laj cych warunki wyst powania

zasobów energii geotermicznej i geotermalnej,

26_d – Soko owski J.: Metody oceny zasobów geotermalnych i warunki ich

wyst powania w Polsce,

26_e – Soko owska J.: Ocena zasobów geotermalnych,

26_f – Kapu ci ski J.: Optymalizacja lokalizacji otworów geotermalnych

w dostosowaniu do warunków hydrogeologicznych zbiorników wód

termalnych,

26_g – Stachowiak J.: Mo liwo ci wykorzystania energii geotermalnej w

wietle przepisów prawa geologicznego i górniczego,

26_h – Maliszewski N.: Ocena ekonomiczna inwestycji geotermalnych,

26_i – Sba ski R., Kabat M.: Uwagi do sposobów wykorzystywania wód

geotermalnych w ciep ownictwie,

26_j – Kubski P.: Pompy grzejne w ciep ownictwie

110

Spis literatury

27. IV Seminarium z cyklu Rola energii geotermalnej w zrównowa onym rozwoju

regionów na temat „Energia geotermalna w Ma opolsce – dzi i jutro”

Bukowina Tatrza ska 8 – 10 pa dziernika 2001. Wyd. IGSMiE PAN:

27_a – K pi ska B.: Wody geotermalne w rekreacji i lecznictwie –

niewykorzystywana szansa Podhala,

27_b – Chowaniec J., Poprawa D., Witek K.: Wyst powanie wód termalnych

w Polskiej cz ci Karpat,

27_c – Barbacki A.: Geologiczne warunki wyst powania wód geotermalnych

na obszarze ma opolski,

27_d – Bujakowski W.: Potencjalne mo liwo ci wykorzystania energii

geotermalnej w ma opolsce,

27_e – Pietrzyk – Sokulska E.: Turystyka i jej zrównowa ony rozwój

wyzwaniem dla geotermii w ma opolsce,

27_f – Ney R.: Dylematy polskiej polityki energetycznej na pocz tku XXI

wieku,

27_g – D ugosz P.: Projekt wykorzystania ciep a geotermalnego do celów

ciep owniczych na Podhalu – stan obecny i dalsze plany

28. Materia y niepublikowane udost pnione przez Laboratorium Geotermalne

PAN IGSMiE w Ba skiej Ni nej – Bia ym Dunajcu

29. Materia y niepublikowane udost pnione przez PEC Geotarmia Podhala ska

S.A.

30. Energia geotermalna, http://www.delfin.ise.polsl.gliwice.pl

31. Energia geotermalna, http://www.mishelle.friko.pl

32. Energia geotermalna – technologie, http://www.termomodernizacja.com.pl

33. Energia geotermalna w Polsce, http://www.mos.gov.pl

34. PEC Geotermia Podhala ska S.A., http://www.geotermia.pl

35. Strategia rozwoju energetyki odnawialnej, http://www.ibmer.waw.pl

36. Wykorzystanie pomp ciep a do ogrzewania budynków,

http://www.kape.gov.pl

37. Wykorzystanie odnawialnych róde energii w budownictwie – poradnik,

http://www.kape.gov.p

111

Spis literatury

112

á - Rynek energii elektrycznej · i Energi PAN, Pani Dr Beacie K pi skiej, Kierownikowi...

Documents

Transcript of á - Rynek energii elektrycznej · i Energi PAN, Pani Dr Beacie K pi skiej, Kierownikowi...