1

Wiesław Bujakowski Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk 31-261 Kraków, ul. Wybickiego 7, e-mail: buwi@min-pan.krakow.pl

„Wykorzystanie wód geotermalnych w kontekście: klimatycznym, rekreacyjnym, balneologicznym i ciepłowniczym”

Wstęp

W niniejszym artykule przedstawiono ogólne informacje o energii geotermalnej, jej zasobach i wykorzystaniu w świecie i Polsce. Ponadto przedstawiono wstępne wyniki prac badawczych dotyczących występowania wód geotermalnych w rejonie Warszawy. Wprowadzenie

Pierwsze wykorzystania energii geotermalnej datowane są na około 10 000 lat temu kiedy to ówcześni ludzie gromadzili się wokół miejsc naturalnych wypływów gorących wód. Miejsca takie, uznawane za szczególne, dawały zdrowie, odpoczynek i co niezwykle istotne bezpieczeństwo. Informacje o nich znajdujemy głównie w legendach i przekazach ustnych. Zapisy historyczne pochodzą ze starożytnego Rzymu, Japonii, Turcji, Chin i innych miejsc a mówią o wykorzystaniu gorących wód głównie w łaźniach, pralniach, rekreacji i w lecznictwie a także o odzyskiwaniu z nich cennych minerałów. W wydanej w 1999 roku książce pt. „Opowieści z gorącego serca Ziemi – nasze dziedzictwo geotermalne”, autorzy R. Cataldi, S. Hodgson i J. Lund (1999) opisują szereg interesujących wczesnych zastosowań energii geotermalnej począwszy od czasów prehistorycznych. Współczesne wykorzystanie energii geotermalnej, datowane od początku XX wieku, realizowane jest 3 sposobami: „Pośrednie wykorzystanie” polegające na generacji energii elektrycznej z gorących par i wód, których temperatura przekracza 150oC (parametr ten wymaga modyfikacji w związku z uruchomieniem instalacji tzw. binarnych wytwarzających energię elektryczną z wód o temperaturze znacznie niższej ok. 100oC). „Bezpośrednie wykorzystanie” polegające na odebraniu ciepła płynom geotermalnym (głównie solance i wodzie słodkiej) i skierowaniu go do użytkowników. Uznaje się, że kierunek ten dotyczy zastosowania wód o temperaturach niższych niż 150oC. „Pompy ciepła” wykorzystujące niskotemperaturowe źródła energii o temperaturze poniżej 25oC pochodzące z gruntu i płynów występujących na niewielkich głębokościach. W ostatnich latach pojawiło się wiele nowych rozwiązań technologicznych, które mogą być zastosowane przy produkcji lub wykorzystaniu energii. Wśród tego typu urządzeń i rozwiązań można wymienić: absorpcyjne i sprężarkowe pompy ciepła, agregaty kogeneracyjne (tzw. jednostki cieplno-prądowe) wykorzystujące gaz, biogaz i biomasę, turbiny prądowe, kotły na biomasę, niskotemperaturowe systemy grzewcze, ogrzewanie podłogowe i ścienne oraz wiele różnych innych rozwiązań niemal futurystycznych będących na etapie badań jak np. produkcja energii elektrycznej z ciepła gruntu. Wiele z tych rozwiązań znalazło już obecnie zastosowanie przy zagospodarowaniu energii geotermalnej. Zgodnie z definicją zawartą w „Encyklopedycznym Słowniku Sozologicznym” wydanym pod redakcją J. Dziewańskiego (1993) energia geotermalna jest to energia wnętrza ziemi skumulowana w skałach i wodach podziemnych. Źródłem jej są głównie pierwiastki

2

promieniotwórcze m.in. z szeregu uranowego, aktynowego i torowego oraz z promieniotwórczego izotopu potasu. Definicja ta nie określa wartości temperatur jakich ona dotyczy. Wynika z tego, że pojęcie energii geotermalnej dotyczy praktycznie każdej temperatury wód wgłębnych lub skał, możliwej do pozyskania i zagospodarowania. Nośnikiem energii geotermalnej mogą być naturalne płyny złożowe, zwykle wody ale także ropa naftowa, gaz ziemny i para wodna, występujące w porach i szczelinach skał budujących skorupę ziemską oraz specjalne ciecze jak np. glikol stosowany w pionowych i poziomych systemach dolnego źródła ciepła pomp grzejnych. W świetle powyższego wody i inne ciecze winne być klasyfikowane jako płyny i gazy, według temperatury określającej sposób ich wykorzystania. Podział ten bazujący na sposobie wykorzystania energii geotermalnej można przedstawić następująco: Energia geotermalna do bezpośredniego wykorzystania jako energia cieplna (nośniki o temperaturze do 100oC):

do 25oC płyny zimne, (wykorzystywane jako woda lub ciecze specjalne w sprężarkowych pompach ciepła CHP),

od 25 – 60oC płyny niskotemperaturowe, (wykorzystywane w absorpcyjnych pompach ciepła AHP),

od 60 – 100oC płyny średniotemperaturowe, (wykorzystywane bezpośrednio u odbiorcy).

Energia geotermalna do pośredniego wykorzystania poprzez produkcję energii elektrycznej (nośniki o temperaturze powyżej 100oC):

od 100 - 140oC płyny wysokotemperaturowe, (wykorzystywane w elektrociepłowniach binarnych),

ponad 140oC płyny bardzo wysokotemperaturowe, (wykorzystywane w konwencjonalnych elektrowniach geotermalnych).

Bezpośrednie wykorzystanie energii geotermalnej odnotowano w 71 krajach. Sumaryczna moc cieplna tych instalacji geotermalnych wynosi około 27 825 MWt (megawatów mocy cieplnej), z których wytwarzane jest około 261 418 TJ/rok ciepła (Lund, Freeston, Boyd 2005). W świecie ten rodzaj wykorzystania energii geotermalnej realizowany jest w 8 głównych dziedzinach (ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura bezpośredniego wykorzystania energii geotermalnej w świecie.

34,0%

14,0%0,9%13,8%

12,0%

9,2%1,0%

12,8% 2,3%

Ogrzewanie 34,0% Balneologia 14,0%

Suszarnictwo 0,9% Szklarnictwo 13,8%

Hodowla ryb 12,0% Przemysł 9,2%

Odladzanie 1,0% Pompy ciepła CHP 12,8%

Inne 2,3%

3

W bilansie wykorzystania energii geotermalnej dominujący udział, około 34%, ma ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych, socjalnych oraz wytwarzanie ciepłej wody użytkowej. Kolejne miejsca zajmują: balneologia (ok. 14%), uprawy roślin w szklarniach (ok. 13,8%), wykorzystanie niskotemperaturowych wód w pompach ciepła (ok. 12,8%), hodowla ryb ciepłolubnych (ok. 12%), przemysłowe procesy technologiczne (ok. 9,2%). Pozostałe około 4,2% zajmują suszarnie roślin, drewna, warzyw itd., procesy odladzania dróg i chłodnictwo oraz inne niekiedy bardzo egzotyczne sposoby zagospodarowania energii geotermalnej jak np. hodowla krokodyli itp.

Drugi tj. pośredni sposób wykorzystania energii geotermalnej, związany jest z wyższymi temperaturami umożliwiającymi wytwarzanie energii elektrycznej, realizowany jest w 24 krajach. Sumaryczna moc elektryczna tych instalacji wynosi około 8 912 MWel (megawatów mocy elektrycznej) z których produkowane jest około 56 798 GWh/rok energii elektrycznej (Bertani, 2005).

Szacuje się, że przedmiotem sumarycznego gospodarczego wykorzystania w skali świata jest obecnie mniej niż milionowa część procenta zasobów energii geotermalnej zgromadzonej w wierzchniej części skorupy ziemskiej. Zasoby energii geotermicznej (energii zgromadzonej w magmie, skałach i płynach), w skali globu, są praktycznie niemożliwe do oszacowania. Jest to spowodowane głównie rozmiarem i naturą zjawisk oraz procesów zachodzących w głębi Ziemi. Wody termalne w rejonie Warszawy

W regionalnym podziale struktur geologicznych rejon miasta Warszawy należy do niecki warszawskiej, w strefie przejściowej pomiędzy dwoma regionalnymi jednostkami geologicznymi o odmiennej budowie i historii geologicznej: platformą prekambryjską (wschodnioeuropejską) i platformą paleozoiczną. Plan geologiczny strefy miasta przedstawia szkicowo przekrój geologiczny biegnący w kierunku SW –NE, biegnący przez Konstancin, (ryc.2 – położenie otworów geologicznych jak na ryc.3).

Ryc. 2. Przekrój geologiczny w rejonie Warszawy

4

Ryc. 3. Otwory geologiczne ze stwierdzonymi przypływami wód termalnych w rejonie Warszawy Przeprowadzone analizy wskazują, że w rejonie tym występuje kilka poziomów wodonośnych związanych z wodami termalnymi: poziom dewoński, karboński, permski, jurajski i kredowy (ryc.2). Poszczególne poziomy wykazują jednak zróżnicowane parametry hydrogeotermalne.

Najwyższe temperatury złożowe osiągające przypuszczalnie ponad 80oC związane są z poziomem dewońskim, jednak wydajności wód (kilkanaście m3/h), położenie zwierciadła swobodnego (67 m p.p.t.), wysoka mineralizacja wód (przypuszczalnie powyżej 200 g/l) oraz zgazowanie wód złożowych ogranicza możliwości jego wykorzystania.

Poziom karboński gdzie temperatury mogą osiągać wartości około 75oC, charakteryzuje się podobną wydajnością lecz zwierciadło wód znajduje się na głębokości 230 m p.p.t., a mineralizacja wód wynosi około 230 g/l.

Wyższe wydajności uzyskano z poziomu permskiego (do 25 m3/h), gdzie temperatury złożowe szacuje się na około 60oC, jednak zwierciadło swobodne występuje na głębokości około 500 m ppt., a mineralizacja wód wynosi około 220 g/l.

Najbardziej interesujący jest poziom dolnej jury, gdzie uzyskanie wydajności wód rzędu 50 m3/h jest całkiem realne, przy czym nie można wykluczyć wydajności nawet powyżej 100 m3/h przy odpowiednim udostępnieniu złoża. Poziom ten zalegający na głębokości do 1700 m zawiera wody o temperaturze od około 40° (Wilga IG1)do około 50oC (Warszawa IG1), a zwierciadło wód będzie przypuszczalnie występować na głębokości do 30 m p.p.t. (w rejonie Sobieni nawet samowypływ). Wody te posiadają zmienną mineralizację (4 g/l Wilga IG1 – 67 g/l Warszawa IG1) , ale korzystny skład chemiczny umożliwia wykorzystanie ich w balneologii. Szczególnie istotne jest regionalne rozprzestrzenienie zbiornika dolnej jury, którego rozległa powierzchnia gwarantuje stabilność wydajności i możliwość interpolacji parametrów zbiornikowych na znaczne odległości od opróbowanych otworów.

Występujący powyżej poziom dolnokredowy (głębokość 900 m/Okuniew IG1 – do około 1100 m/Wilga IG1 i Warszawa IG1), akumuluje wody o temperaturze około 30oC. Wydajności wód z tego poziomu nie były badane stąd trudno ocenić temperatury wód na wypływie. Korzystną cechą tych wód jest ich niewielka mineralizacja.

5

Stan zasobowy i wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce W Polsce wody geotermalne występujące w zbiornikach zalegających na

głębokościach do 3000 metrów, mają na ogół temperatury nie przekraczające 100 oC. Wynika to z tzw. stopnia geotermicznego, który w Polsce waha się od 10 do 110m, na przeważającym obszarze kształtuje się na poziomie 35-70m. Wartość ta oznacza, że temperatura wzrasta o 1 oC na każde 35 - 70m. Dotychczasowe oceny zasobowe w Polsce dotyczą wód o temperaturach powyżej 20oC. Wody o temperaturach poniżej tej wartości nie były przedmiotem ocen potencjału energetycznego w skali regionalnej. Wody takie występują powszechnie, i co jest niezwykle istotne, wymagają znacznie niższych nakładów na ich udostępnienie. Są to zwykle wody słabozmineralizowane lub słodkie, co umożliwia wykorzystanie ich także do celów pitnych, a urządzenia i instalacje odbierające od nich ciepło nie muszą spełniać szczególnych warunków odporności na korozję. Ten ostatni element ma duży wpływ na koszty wytworzenia instalacji i przyszłe jej użytkowanie. Nowe technologie szeroko wkraczające w dziedzinę produkcji energii oraz jej wykorzystania umożliwiają uwzględnienie w ocenach zasobowych także tych zasobów wód, które do tej pory w nich się nie znalazły. Dla opracowania poniższego zestawienia tabelarycznego wykorzystano szacunki zasobów wód i energii geotermalnej, występujących na Niżu Polski w utworach Kredy, Jury oraz Triasu (Górecki 2006), oceny energetyczne zasobów dyspozycyjnych wód w Głównych Zbiornikach Wód Pitnych w utworach od czwartorzędu (Q) po dewon i starsze od dewonu (Kleczkowski 1990) oraz zasoby statyczne energii geotermalnej w Niecce Podhalańskiej. Tabela 1. Zasoby dyspozycyjne energii w GZWP Polski, głównych horyzontach hydrogeotermalnych Niżu Polski oraz Niecki Podhalańskiej (Bujakowski 2005).

Powierzchnia Zbiornik

Zbiornika [km2]

Udział w pow. Kraju [%]

Temperatura złożowa

[ oC ]

Zasoby dyspozycyjne energii

[ TJ/ rok ]

Główne Zbiorniki Wód Podziemnych GZWP – Q /117 zbiorników/ 45 468 14,7 10oC 38 700 TJ/rok

GZWP – Tr /14 zbiorników/

GZWP – Tr – K /1 zbiornik/

64 718

20,3

14 oC 7 192 TJ/rok

GZWP – Tr – J /1 zbiornik/ 74 0,03 14 oC 92 TJ/rok

GZWP – Tr – T /1 zbiornik/ 145 0,07 28 oC 188 TJ/rok

GZWP – Flisz karpacki Tr, Tr – K, K /1 zbiornik/

3 468 1,1 11 oC 431 TJ/rok

GZWP – K /13 zbiorników/ 32 263 10,5 14 oC 31 355 TJ/rok

GZWP – J /11 zbiorników/ 10 057 3,2 14 oC 15 839 TJ/rok

GZWP – T /9 zbiorników/ 6 650 2,1 14 oC 9 616 TJ/rok

GZWP – D i starsze /6 zbiorników/ 593 0,2 11 oC 797 TJ/rok

GZWP – RAZEM /180 zbiorników/ 52,2 104 210 TJ/rokGłówne zbiorniki hydrogeotermalne Niżu Polski

Dolnej Kredy K1 115 521 36,9 40 – 100 oC 382 000 TJ/rok

Górnej Jury J3 198 975 63,6 40 – 100 oC 224 000 TJ/rok

Środkowej Jury J2 202 225 64,7 40 – 100 oC 999 000 TJ/rok

Dolnej Jury J1 158 600 50,7 40 – 100 oC 1 731 000 TJ/rok

Górnego Triasu T3 175 900 56,3 40 – 100 oC 761 000 TJ/rok

Dolnego Triasu T1 229 525 73,4 40 – 160 oC 2 585 000 TJ/rok

RAZEM 6 682 000 TJ/rok

Zbiornik hydrogeotermalny Niecki Podhalańskiej Trias i Trzeciorzęd 475 0,15 20 - 100 oC 1 490 TJ/rok

RAZEM ZBIORNIKI: GZWP, NIŻU POLSKI, NIECKI PODHALAŃSKIEJ 6 787 700 TJ/rok

6

Przedstawione wartości obrazują zasoby dyspozycyjne energii geotermalnej i są to wartości ogromne - ok. 26 razy większe od rocznego światowego bezpośredniego wykorzystania energii geotermalnej. Dla oceny wielkości rzeczywistych, realnie możliwych do zagospodarowania, a więc zasobów eksploatacyjnych, należałoby te wartości skorygować odpowiednim współczynnikiem. Zakładając, że wykorzystane zostanie od 1% do 2,5% zasobów dyspozycyjnych to wielkość zasobów eksploatacyjnych wyniosłaby od około 68 000 TJ/rok do ok. 170 000 TJ/rok. Wielkości te stanowią równowartość zasobów energii minimum 340 zakładów geotermalnych, z których każdy pokrywa potrzeby cieplne odbiorców ze źródła geotermalnego na poziomie około 200 TJ/rok. Około 2/3 powierzchni Polski uznawane jest za perspektywiczne pod względem możliwości technologicznych zagospodarowania potencjału geotermalnego, a około 40% powierzchni kraju ma korzystne warunki dla budowy ekonomicznych instalacji tj. takich w których cena energii może być niższa od ceny energii konwencjonalnej (Ney, 1997).

Ryc. 4. Lokalizacja funkcjonujących, w budowie i planowanych geotermalnych zakładów górniczych oraz kąpielisk z wodami termalnymi w Polsce.

7

Prace badawcze i wdrożeniowe prowadzone w Polsce od połowy lat 80-ch ubiegłego stulecia, doprowadziły do uruchomienia w chwili obecnej (2009 rok) 16 zakładów wydobywających wody termalne (o temperaturze ponad 20oC), które są wykorzystywane do celów grzewczych, leczniczych i rekreacyjnych. Oprócz tego istnieje kilka tysięcy instalacji wykorzystujących ciepło gruntu w pompach ciepła (liczba tych rozwiązań została oszacowana bardzo zgrubnie z powodu braku wiarygodnych zestawień statystycznych).

Instalacje zostały sklasyfikowane w trzech grupach (tabela 2). Grupa I obejmuje instalacje funkcjonujące w oparciu o wody o temperaturze powyżej 25oC, grupa II to instalacje balneologiczne natomiast instalacje z grupy III obejmują systemy pomp ciepła, które pracują w oparciu o temperaturę poniżej 25oC pochodzącą z gruntu i wód podziemnych. Temperatura 25oC została przyjęta jako umowna granica rozdzielająca instalacje I i III grupy z uwagi na to, że jest to praktycznie maksymalna temperatura dolnego źródła dla efektywnej pracy sprężarkowych pomp ciepła. Tabela 2. Główne parametry energetyczne instalacji geotermalnych, balneologicznych i pomp ciepła w Polsce (na podstawie Kępińska 2005 - zmodyfikowane)

Lokalizacja instalacji źródła energii

Wydajność m3/godz

Temperatura oC

Moc zainstalowana całkowita /z geotermii

MWt (wartości projektowe i szacowane)

Produkcja energii TJ/rok

(wartości szacowane)

Grupa I - Instalacje ciepłownicze - wykorzystujące wody termalne (o temp. >25oC) Podhale – Bańska Niżna 670 86 80.5 / 15.5 324 Zakopane-Szymoszkowa 80 27 0.6/0.6 7.6 Podhale– Bukowina Tatrzańska 40 64,5 2.41/2.26 22.8 Zakopana-Antałówka 50 33,5 0.7/0.7 8.8 Pyrzyce 340 61 48.0 / 15.0 130 Mszczonów 60 41 7.4 / 1.1 45 Uniejów 120 68 5.6 / 3.2 19.6 Stargard Szczeciński (zakład w upadłości)

300 87 10.0 / 10.0 120

Razem 155.21 / 48.46 677.8 Grupa II - Instalacje geotermalne w zakładach balneologicznych (moce i produkcja energii – wartości oszacowane) Cieplice 27 36 - 39 0.3 / 0.3 10.0 Lądek 50 20 - 44 0.76 / 0.76 15.0 Duszniki 20 19 - 21 0.05 / 0.05 0.7 Ciechocinek 200 27 - 29 1.9 / 1.9 2.8 Konstancin 9 29 0.15 / 0.15 0.2 Ustroń 3 28 0.06 / 0.06 0.6 Iwonicz 11 21 0.14 / 0.14 0.6 Grudziądz-Marusza 20 44 0.2/0.2 1.5 Razem 3.56 / 3.56 31.4 Grupa III – Instalacje pomp ciepła wykorzystujące ciepło wód gruntowych i gruntu (o temp. <25oC) Pompy ciepła (ok. 10 000) 7 - 25 >100 / >68 >625 Razem >100 / >68 >625 SUMA WSZYSTKICH INSTALACJI

>258.77 / >120.02

>1 334.2

Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce realizowane jest, jak wspomniano

wcześniej, metodą bezpośrednią polegającą na wytwarzaniu ciepła. Sumaryczna moc cieplna zainstalowana we wszystkich trzech grupach instalacji przekracza 258 MWt w tej liczbie blisko połowa mocy (ponad 120 MWt) zabezpieczana jest z energii geotermalnej pozostała część mocy (blisko138 MWt) pochodzi z gazu, oleju opałowego i energii elektrycznej. Te tradycyjne nośniki energii wykorzystywane są do napędu pomp absorpcyjnych (gaz) i sprężarkowych (energia elektryczna) oraz w źródłach szczytowych jak kotły gazowe i

8

olejowe a także w agregatach kogeneracyjnych (np. gaz) wytwarzających energię cieplną i elektryczną. Całkowita ilość wytwarzanej rocznie energii oceniana jest na ponad 1334 TJ. Jest to wartość obejmująca wszystkie nośniki energii a więc energię geotermalną i konwencjonalną.

Szacuje się, że dla I grupy instalacji wykorzystujących wody termalne średnio około 350 TJ pochodzi z energii geotermalnej.

Druga grupa instalacji balneologicznych praktycznie w 100% zabezpiecza produkcję energii z energii geotermalnej. Można zatem przyjąć, że wielkość ta wynosi 31.4 TJ.

Trzecią grupę analizowanych instalacji stanowią sprężarkowe pompy ciepła (CHP) funkcjonujące na bazie energii cieplnej wód podziemnych i gruntu. Jak wcześniej zauważono instalacji takich jest w Polsce kilka tysięcy i są to rozwiązania zwykle o niewielkich mocach – kilku do kilkudziesięciu kW. Urządzenia te pracują wykorzystując do napędu energię elektryczną. Z szacunkowych danych wynika, że rocznie w Polsce sprzedawanych jest 1000÷1500 pomp ciepła (Joniec 2007). Pod względem mocy ponad 50% sprzedawanych pomp stanowią urządzenia o cieplnej mocy znamionowej do 70 kW, natomiast w zakresie mocy 70÷110 kW - 30% rynku. Pompy ciepła o mocy powyżej 110 kW to 8÷9% ogółu, a o mocy powyżej 150 kW - jedynie 1% sprzedawanych pomp. Polski rynek CHP jest nieporównywalny z rynkami innych państw Unii Europejskiej. Przodujące kraje stosują różnorodne zachęty głównie dotacje i ulgi dla inwestorów. W Niemczech, kraju o porównywalnych warunkach klimatycznych, w ostatnich 2 latach zainstalowano odpowiednio 45 i 55 tys. pomp ciepła. Jest to ponad 100-procentowy wzrost sprzedaży tych urządzeń, gdyż w latach 2004 i 2005 instalowano 12÷18 tys. pomp ciepła rocznie (Joniec 2007). Szacując ilość energii wytwarzanej w Polsce z CHP należy uwzględnić współczynnik efektywności energetycznej (COP), który osiąga wartości zwykle między 2.5 do 3.2 i czasami powyżej 3.5 w instalacjach bazujących na wodach podziemnych o temperaturze rzędu 20oC. Ilości energii odnawialnej wytwarzanej rocznie w tych instalacjach można zatem ocenić na około 450 TJ.

Sumaryczna ilość energii wytwarzanej ze źródła geotermalnego we wszystkich instalacjach w/w trzech grup wynosi zatem 831.4 TJ/rok co stanowi około 62% ogólnie wytwarzanej energii w zakładach geotermalnych.

Przedstawione powyżej zestawienie ma charakter poglądowy. Niestety brak spójnego

systemu monitorującego i archiwizującego dane z istniejących zakładów i ośrodków wykorzystujących wody termalne uniemożliwia precyzyjniejszą ocenę. Jakkolwiek możliwe jest dość precyzyjne określenie wielkości zainstalowanych mocy cieplnych, na podstawie urządzeń przetwarzających energię geotermalną w energię dostarczaną odbiorcy, to oszacowanie ilości konsumowanej energii z rozdziałem na energię pochodzącą ze źródła geotermalnego i źródła wspomagającego (szczytowego) jest bardzo trudne. Ciepłownicze Instalacje Geotermalne

Jak wcześniej zaznaczono w Polsce do dnia obecnego uruchomionych zostało 8 instalacji ciepłowniczych wytwarzających ciepło z wód o temperaturze ponad 25oC (grupa I w tab. 2). Instalacje te wytwarzają rocznie około 350 TJ energii z wód termalnych. Poniżej przedstawiono ogólną charakterystykę Zakładu Geotermalnego PEC Geotermia Podhalańska S.A. oraz zakład geotermalny w Mszczonowie – eksploatujący wody termalne w warunkach spodziewanych w sytuacji hydrogeotermalnej Warszawy. Zakład Geotermalny na Podhalu w Bańskiej - Białym Dunajcu

Badania realizowane na obszarze Niecki Podhalańskiej w 1981 roku, kiedy to Państwowy Instytut Geologiczny wykonał odwiert Bańska IG-,1 pozwoliły wstępnie ocenić zasoby geotermalne i ilości dostępnego ciepła. Na tej bazie Instytut Gospodarki Surowcami

9

Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk uruchomił w roku 1993 pierwszą w Polsce instalację geotermalną funkcjonującą w oparciu o dublet otworów Bańska IG-1 (otw. eksploatacyjny) i Biały Dunajec PAN-1 (otw. chłonny) (ryc. 5 i 6). Po uruchomieniu doświadczalnej instalacji komercyjnym wykorzystaniem i rozbudową projektu zajęła się specjalnie powołana w 1995 roku, firma „PEC Geotermia Podhalańska S.A.”. Natomiast IGSMiE PAN powołał do życia Laboratorium Geotermalne, w którym prowadzone są badania m.in. nad kaskadowym wykorzystaniem energii geotermalnej.

Ryc. 5. Schemat doświadczalnej instalacji Bańska IG-1–Biały Dunajec PAN-1 System ciepłowniczy PEC Geotermia Podhalańska S.A. (Geotermia Podhalańska 2003) składa się z trzech głównych obiegów w obrębie, których znajdują się dwa główne źródła energii (ryc. 6).

Układ geotermalny ze źródłem geotermalnym Sieć ciepłownicza ze źródłem szczytowym Instalacje wewnętrzne odbiorców

Ryc. 6. Schemat instalacji geotermalnej na Podhalu.

10

Układ geotermalny. Podstawowym źródłem energii dla całego systemu jest węglanowy horyzont wodonośny (triasu i eocenu numulitowego) nawiercony, na głębokości około 2200 – 3100 m ppt, odwiertami eksploatacyjnymi Bańska IG-1 i Bańska PGP-1 i odwiertami chłonnymi Biały Dunajec PAN-1 i Biały Dunajec PGP-2. Sumaryczna wydajność odwiertów eksploatacyjnych wynosi 670 m3/godz., temperatura wód na wypływie osiąga 86oC, ciśnienie statyczne na głowicy przekracza 2.7 MPa, ponadto wody mają bardzo niską mineralizację całkowitą na poziomie 3 g/dm3. Wody termalne wydobywające się na powierzchnię bez użycia agregatów pompowych otworowych kierowane są na system wymienników płytowych, o mocy 35 MW, gdzie oddają ciepło wodzie sieciowej obiegu wtórnego. Po przejściu przez wymienniki ochłodzona woda termalna transportowana jest rurociągiem tzw. zrzutowym do stacji pomp, które zatłaczają ją odwiertami chłonnymi do horyzontu wodonośnego. Moc źródła geotermalnego wynosi około 15.5 MWt Sieć ciepłownicza. Sieć ciepłownicza bierze swój początek na wymiennikach geotermalnych i w całości wykonana jest w nowoczesnej technologii rur preizolowanych. Straty temperatury na rurociągu centralnym o długości ok. 15 km wynoszą 2-3oC. W skład sieci wchodzą oprócz rurociągu, pompownie wody sieciowej oraz trzy przepompownie z układami redukcji ciśnień, które wymusiła skomplikowana sytuacja ciśnień układzie związanych z dużymi różnicami położenia npm poszczególnych odcinków sieci. Źródło geotermalne wspomagane jest źródłem szczytowym na które składają się: dwa kotły gazowe (po 10 MWt każdy) z ekonomizerami (po 1 MWt każdy), jeden kocioł gazowo-olejowy (15 MWt), trzy agregaty kogeneracyjne gazowe (o łącznej mocy 2.1 MWt i 1.5 MWel ). Sumaryczna moc źródła szczytowego wynosi 39.1 MWt i 1.5 MWel. Instalacje wewnętrzne. Sieć ciepłownicza dostarcza wodę sieciową do odbiorców. U każdego odbiorcy jest zainstalowany indywidualny węzeł grzewczy który jest dostosowany do potrzeb odbiorcy obejmujących centralne ogrzewanie (c.o.) i przygotowanie ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). W sieci występują trzy rodzaje indywidualnych węzłów z wymiennikami o mocach: 15 kW c.o./33 c.w.u., 25 kW c.o./ 43 kWc.w.u. i 33 kW c.o./ 50 kW c.w.u. Węzły wyposażone są w system kontrolno-pomiarowy umożliwiający rozliczanie dostarczanej energii. W 2008 r. sprzedaż energii w PEC Geotermia Podhalańska S.A. osiągnęła około 324 000 GJ. W wyniku realizowanych podłączeń od 1999 roku uzyskiwano rosnącą rokrocznie wartość redukcji emisji CO2 aż do ponad 30 tys. ton w 2008 r. Wartości tych redukcji zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Redukcja emisji CO2 (w tys. ton rocznie)- narastająco Emisje CO2 Jednostka 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Emisje

bazowe

razem

t CO2 16,825 15,551 20,937 23,960 33,409 27,762 30,184 31,771 33,727 35,371

Emisje

projektu

razem

t CO2 11,970 10,319 8,250 5,150 11,260 4,300 5,560 6,606 4,384 4,462

Redukcja

emisji t CO2 4,855 5,231 12,687 18,854 22,148 23,462 24,624 25,165 29,343 30,909

11

Zakład Geotermalny w Mszczonowie Miasto Mszczonów położone jest przy drodze Katowice - Warszawa, ok. 50 km na SW od Warszawy. Liczba mieszkańców miasta przekracza 6 tys. W czerwcu 1994 roku z inicjatywy władz samorządowych Żyrardowa powstała jako spółka akcyjna „Geotermia Żyrardowska”. Rok później w wyniku dużego zainteresowania eksploatacją wód geotermalnych, rozszerzyła swoją działalność, inwestując w dwóch innych miastach byłego województwa skierniewickiego: Mszczonowie i Skierniewicach. W konsekwencji zmieniono nazwę na „Geotermia Mazowiecka” S.A. Głównym zadaniem spółki była budowa trzeciego w Polsce (po Podhalu i Pyrzycach) zakładu geotermalnego. Projekt przewidywał eksploatację wód ze zrekonstruowanego odwiertu Mszczonów IG-1. Otwór ten wykonany był przez Instytut Geologiczny w 1977 roku. Po przeprowadzeniu w roku 1997/98 przez IGSMiE PAN rekonstrukcji odwiertu udostępniono poziom wodonośny i przeprowadzono testy eksploatacyjne (Bujakowski 2000a).

UNIEJÓW

Ryc. 7. Lokalizacja Zakładu w Mszczonowie oraz w Uniejowie na tle zasięgu utworów kredy dolnej Charakterystyka złoża w otworze Mszczonów IG-1; złoże dolna kreda (piaskowce) głęb. stropu/spągu 1602/1714 m. ppt miąższość 112 m temperatura 41oC wydajność 60 m3/h mineralizacja 0.5 g/l (woda słodka) Podmszczonowskie wody termalne są w stanie skutecznie ogrzać Mszczonów do momentu, gdy temperatura powietrza nie spadnie poniżej -5oC – w tej sytuacji woda musi być już podgrzewana gazem. Dodatkowo Mszczonowska geotermia dysponuje wodą słodką (z gł. ok. 1700 m ppt), co jest rzadkością w skali światowej. W Europie podobna instalacja działa w podmonachijskim Erding.

12

Ryc. 8. Schemat technologiczny instalacji zakładu geotermalnego w Mszczonowie System działa w podobnym układzie jaki funkcjonuje w Pyrzycach. Woda termalna wydobywana jest z wykorzystaniem agregatu pompowego umieszczonego w otworze Mszczonów IG-1. Z uwagi na niewielką spoistość piaskowców złożowych kredy dolnej, instalacja wydobywcza wzbogacona została o separator cząstek stałych i stanowisko do poboru wydobywanego z wodą złożową materiału piaszczystego. Na głowicy odwiertu zainstalowano typowe dla odwiertów geotermalnych stanowiska aparatury kontrolno-pomiarowej strumienia wypływu, temperatury oraz pomiaru głębokości zwierciadła wód. Ryc. 9. Ujęcie wód geotermalnych Mszczonów IG-1 i Absorpcyjna pompa ciepła w Zakładzie w Mszczonowie Moc całkowita zainstalowana w tym zakładzie wynosi 7.4 MWt. W tej liczbie mieści się absorpcyjna pompa ciepła o mocy 2.7 MWt oraz gazowe kotły niskotemperaturowe zabezpieczające potrzeby cieplne odbiorców w okresach spadku temperatury zewnętrznej. Pompa ciepła funkcjonuje w oparciu o wody termalne schładzając je do około 25oC, ocenia się że moc systemu pochodząca z wód termalnych wynosi około 1.1 MWt. Roczna produkcja energii wyniosła w 2004 roku około 45 000 GJ. Mszczonowska inwestycja geotermalna to znaczące dla lokalnego rynku przedsięwzięcie, polegające na wykorzystaniu wód termalnych do celów grzewczych. Ciepłownia geotermalna w Mszczonowie zastąpiła działające do niedawna trzy miejskie kotłownie węglowe, które co roku emitowały do atmosfery 15 ton związków azotu, 60 ton związków siarki, 9700 ton dwutlenku węgla oraz 145 ton pyłów. Po zastosowaniu zasilania geotermalnego i współdziałającego z nim dodatkowego systemu gazowego – emisja pyłów spadła do zera,

Otw. Mszczonów IG-1

Lakos Separator

System pomiarowo - zliczający

13

znikły również związki siarki, związki azotu spadły zaledwie do poziomu jednej tony, a dwutlenku wydziela się teraz czterokrotnie mniej. Kąpieliska geotermalne

Na ryc. 4 zaprezentowano lokalizację 16 zakładów górniczych oraz lokalizację 6 kąpielisk geotermalnych funkcjonujących przy zakładach górniczych. Są to następujące ośrodki:

1. „Termy Podhalańskie firmy Kurort” - uruchomiony na wiosnę 2008 roku i wykorzystujący wody termalne z Zakładu Górniczego PEC Geotermia Podhalańska S.A.,

2. „Kąpielisko geotermalne na Polanie Szymoszkowej” - próbnie uruchomione w końcu 2007 roku a działające komercyjnie od VI.2009 roku w oparciu własny zakład górniczy eksploatujący wody termalne z odwiertu Szymoszkowa GT-1,

3. „Aqua Park Zakopane” wykorzystujący od XII.2006 r., wody termalne z własnego zakładu górniczego eksploatującego ujęcia otworowe Zakopane IG-1 i Zakopane 2.

4. „Terma Bukowina Tatrzańska” – uruchomiona w XII.2008 r., wykorzystująca wody termalne z własnego Zakładu Górniczego eksploatującego wody odwiertem Bukowina Tatrz. PIG-1.

5. „Termy Mszczonowskie” – uruchomione w VI.2008 roku i wykorzystujące wody termalne z Zakładu Górniczego Geotermii Mazowieckiej S.A.,

6. „Termy Uniejów” – uruchomione w VII. 2008 r., i wykorzystujące wody termalne z Zakładu Górniczego Geotermii Uniejów Sp. z o.o.,

Jak widać z powyższego zestawienia rok 2008 był najobfitszy w otwarcia kąpielisk geotermalnych. Uruchomiono wówczas 4 obiekty, jedynie zakopiański „Aqua Park” i kąpielisko na polanie Szymoszkowej mają nieco dłuższy żywot. Poniżej przedstawiono fotografie dwóch ośrodków, jeden z centralnej Polski i drugi z południa kraju, wykorzystując zdjęcia zamieszczone na ich stronach internetowych.

Ryc. 10. Widok na „Termy Mszczonowskie” (www.mszczonow.pl) Ryc. 11. „Kąpielisko geotermalne na polanie Szymoszkowej (www.szymoszkowa.com.pl)

14

Kaskadowy system wykorzystania energii geotermalnej Interesującym przykładem zagospodarowania energii geotermalnej jest system

kaskadowy funkcjonujący na Podhalu w Laboratorium Geotermalnym IGSMiE PAN (ryc. 12) umożliwiając demonstrację i prowadzenie badań wielokierunkowego zagospodarowania energii geotermalnej (Bujakowski 2000). Kaskadowy odbiór ciepła odbywa się na pięciu stopniach wykorzystania ciepła i zbudowany jest na obiegu wtórnym wody ciepłowniczej.

Ryc. 12. Kaskadowe wykorzystanie energii geotermalnej Laboratorium Geotermalnym IGSMiE PAN na Podhalu

Pierwszy poziom tego systemu stanowi geotermalna sieć ciepłownicza zaopatrująca w

ciepło, do c.o. i produkcji c.w.u. indywidualne budynki mieszkalne, bloki mieszkalne i obiekty użyteczności publicznej. Wykorzystywane są tu najwyższe temperatury wody złożowej tj. 86-65oC. Ten obieg ciepłowniczy, obsługiwany jest przez głównego operatora systemu geotermalnego firmę „PEC Geotermia Podhalańska S.A.”

Drugi poziom kaskady stanowi suszarnia drewna, której układ grzewczy zaprojektowany został dla temperatury 60oC. Powszechnie używane suszarnie drewna wykorzystują temperaturę znacznie wyższą, przekraczającą 90oC. Użycie niższego parametru wydłuża nieco o kilka dni proces suszenia drewna lecz jednocześnie pozwala na uzyskanie surowca o lepszych cechach jakościowych zwłaszcza dla jego wykorzystania w przemyśle meblarskim.

Trzeci poziom odbioru ciepła reprezentuje szklarnia parapetowa, w której instalacje grzewcze zaprojektowano na temperaturę rzędu 45oC. Wykorzystanie tej temperatury do upraw szklarniowych wymagało zainstalowania blisko 3-krotnie większej powierzchni grzewczej radiatorów. W rzeczywistych warunkach kubaturowych szklarni wymóg ten mógł być spełniony poprzez zastosowanie upraw roślin na parapetach, pod którymi umieszczono

15

pakiety radiatorów. Ponadto zostały one zainstalowane także na ścianach bocznych szklarni. W szklarni prowadzone były i są uprawy warzyw i roślin ozdobnych.

Kolejnym elementem kaskady jest obiekt chowu ryb ciepłolubnych z instalacjami dogrzewu wody hodowlanej zaprojektowanymi na temperatury rzędu 35oC. Hodowla ryb ciepłolubnych wymaga posiadania źródła ciepła zabezpieczającego pokrycie potrzeb związanych z przygotowaniem wody technologicznej, której temperatura (optymalna dla rozwoju ryb) powinna mieścić się w przedziale 20-33oC. Średni przyrost jednostkowy ryb wynosił od 167% do 210%, natomiast współczynnik pokarmowy mieścił się w zakresie 1.14 do 0.93 (na 1 kg masy ryb zużyto od 1.14 do 0.93 kg paszy). Wyniki te świadczą o bardzo dobrych warunkach bytowych jakie zostały wytworzone dla rozwoju suma afrykańskiego.

Ostatni – piąty poziom funkcjonującego układu reprezentują tunele foliowe do upraw warzyw w podgrzewanej glebie. Do systemu rur kierowana jest woda ciepłownicza o temperaturze 30-40oC. Główny układ grzewczy stanowi ruszt z rur z tworzywa sztucznego zagłębionych w glebie uprawnej na głębokości 30-40 cm. Układ pomocniczy tworzy 8 rur umieszczonych ok. 50 cm powyżej poziomu gleby, po dwie wzdłuż ścian i w centralnej osi tuneli foliowych. Tak skonstruowany układ grzewczy umożliwia wydłużenie czasu prowadzenia upraw. W trudnych warunkach klimatycznych Podhala udało się uzyskać praktycznie całoroczną produkcję warzyw (z wyłączeniem okresu niezbędnego dla zabiegów pielęgnacyjnych i regeneracyjnych gleby). Uprawiane warzywa to głównie pomidor, ogórek, papryka, sałata (w różnych odmianach), rzodkiewka. Instalacje balneologiczne

Do drugiej grupy instalacji geotermalnych (tab. 2) zaliczono zakłady balneologiczne. W Polsce własności balneologiczne wód wykorzystywane są jedynie przez 8 uzdrowisk, do których zaliczyć należy między innymi (Dowgiałło 1976, Kępińska, Łowczowska 2002): Iwonicz Zdrój - uzdrowisko wykorzystuje solanki o temperaturze 20°C i wysokiej

mineralizacji (6 – 19 g/litr), bogate w brom, jod i wolny dwutlenek węgla. Ze względu na nieodnawialość zasobów wód geotermalnych eksploatacja prowadzona jest tu ze szczególną uwagą; Ciechocinek - trzema odwiertami o głębokości 1,3 – 1,4 km eksploatuje się solankę o

temperaturze 37°C. Wody mają charakter chlorkowo-sodowo, wapniowo, jodowo-bromkowy; Duszniki Zdrój - eksploatowane wody mają temperaturę 18 – 19°C – zgodnie z literą

prawa nie są to zatem wody termalne (do których zalicza się wody o temperaturze naturalnej powyżej 20°C). Obniżona temperatura wód związana jest z dużą ilością rozpuszczonego w nich dwutlenku węgla, który rozprężając się na skutek spadku ciśnienia wychładza je; Lądek Zdrój - eksploatuje się tu wody o temperaturze 20 – 45°C i mineralizacji 160 – 280

mg/litr. Podsumowanie Zainteresowanie wykorzystaniem energii i wód termalnych w naszym kraju zdecydowanie wzrosło w ostatnich latach. Przełomowy był ubiegły 2008 rok, kiedy to otwarte zostały 4 kąpieliska geotermalne, obecnie w 2009 roku trwają prace przy kolejnych 6 zakładach i w kilkunastu nowych miejscach trwają wstępne prace dokumentacyjne. Warte podkreślenia jest to, że główne zainteresowanie ukierunkowane jest na cele rekreacyjno – lecznicze. Jest oczywistym, że przykład innych krajów miał ogromny wpływ na decyzje polskich inwestorów. Na Słowacji wykorzystanie geotermii do tych celów ma rangę priorytetu gospodarczego kraju dzięki czemu uruchomionych zostało tam ponad 40 kąpielisk. W Polsce niestety mamy do czynienia z działaniami wprawdzie silnych i odpornych na wszelakie stresy ale tylko jednostek.

16

Rejon miasta Warszawy cechuje się obecnością zbiorników z wodami termalnymi, które najprawdopodobniej mają interesujące własności balneologiczne oprócz oczywiście podwyższonych temperatur. Szczególnie piaskowce Liasu posiadają wody, o których wydano opinię na podstawie analiz chemicznych wód z otw. Wilga IG-1 że „występująca tu woda ma wybitnie leczniczy charakter zarówno w aspekcie kuracji pitnych jak i kąpieli”. Niższa zawartość bromu (2,66 mg/l) i składników stałych wskazywała, że jest to woda o mineralizacji 3,3 g/l, hipotermalna, chlorkowo-sodowa, borowa. Orzeczenie stwierdza ponadto, że w przypadku zamiaru butelkowania należy wodę odżelazić i odmanganić. Trwające prace analityczne mają odpowiedzieć na pytanie jakiego potencjału energetycznego można się spodziewać i w którym kierunku winno iść zagospodarowanie tego lokalnego bogactwa. Odpowiedzi na m.in. te pytania umożliwią podjęcie racjonalnych decyzji. Literatura 1. Bertani R., 2005 - World geothermal generation 2001-2005: State of the Art. Proceedings

World Geothermal Congress 2005. Antalya, Turkey. 2. Bujakowski W. (red.), 2000a – Wybrane problemy wykorzystania geotermii – I. Wyd.

IGSMiE PAN. Studia Rozprawy Monografie. Nr 76. Kraków. 3. Bujakowski W. 2005 – A Review of Polish Experiences in the use of geothermal water.

Proceedings World Geothermal Congress 2005. Antalya, Turkey 4. Bujakowski W., 2000b – Pilotowy projekt wykorzystania ciepła geotermalnego do upraw

warzyw i chowu ryb w Laboratorium Geotermalnym IGSMiE PAN na Podhalu. Czasopismo Techniczne Nr 58-63.

5. Cataldi R., Hodgson S.F., Lund J.W., 1999 – Stories from a heated Earth. Geothermal Resources Council and International Geothermal Association.

6. Dowgiałło J.,1976 – Wody termalne Sudetów. Acta Geol. Pol., vol. 26, nr. 4, Warszawa 7. Dziewański J., 1993 – Encyklopedyczny Słownik Sozologiczny. Wyd. PAN. 8. Górecki W. (red), 2006 – Atlas zasobów geotermalnych na Niżu Polskim. Kraków. 9. Górecki W. (red.), 1995 – Atlas zasobów energii geotermalnej na Niżu Polski. Wyd.

Towarzystwo Geosynoptyków „GEOS”. Kraków. 10. Joniec W., 2007: Rynek pomp ciepła. Rynek Instalacyjny nr 11/2007 11. Kępińska B., 2005 – Geothermal energy country update report from Poland, 2000-2004.

World Geothermal Congress. Turky. 12. Kępińska B., Łowczowska A., 2002 – Wody geotermalne w lecznictwie, rekreacji i

turystyce. Studia Rozprawy Monografie. Wyd. IGSMiE PAN. Kraków. 13. Kleczkowski A., 1990 – Objaśnienia mapy obszarów Głównych Zbiorników Wód

Podziemnych (GZWP) w Polsce wymagających szczególnej ochrony. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków.

14. Lund J. W., Freeston D. H., Boyd T. L., - 2005 – World-wide direct uses of geothermal energy 2005. Proceedings World Geothermal Congress 2005. Antalya, Turkey.

15. Ney R., 1997 – Zasoby energii geotermalnej w Polsce i możliwe kierunki jej wykorzystania. W: Materiały z seminarium naukowego pn. Problemy wykorzystania energii geotermalnej i wiatrowej w Polsce. Wyd. IGSMiE PAN. Kraków-Zakopane.

16. www.mszczonow.pl 17. www.szymoszkowa.com.pl