1

Eleonora Solik-Heliasz

Główny Instytut Górnictwa

40-166 Katowice, plac Gwarków 1

e-mail:

[e-mail]

Projekt pozyskania energii z wód zlikwidowanej kopalni węgla kamiennego

Streszczenie

Z kopalń węgla kamiennego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym odprowadzane jest łącznie

około 416 m

3

wód na minutę. Zawarty w nich potencjał cieplny (moc cieplna) został

określony na ponad 220 MW (Solik-Heliasz 2007, 2009). Potencjał ten ocenia się jako

znaczny, stąd stał się on przyczynkiem do podjęcia działań zmierzających do wykorzystania

energii do celów utylitarnych. Opracowano nowatorski projekt technologiczny pozyskania

energii w siłowni geotermalnej bazującej na wodach pochodzących wypompowywanych ze

zlikwidowanej kopalni „Katowice”. Siłownia dostarczy 3035 kW energii cieplnej oraz 600

kW energii elektrycznej. Wykonany rachunek ekonomiczny wykazał, że koszty inwestycyjne

pozyskania jednostki energii w nowym układzie technologicznym są większe, niż

w tradycyjnym, bazującym na węglu, czy gazie ziemnym, jednak koszty eksploatacyjne będą

niższe. Bardzo dobry jest również osiągnięty efekt ekologiczny. Zaproponowane rozwiązanie

może być aplikowane w kolejnych kopalniach węgla, po dostosowaniu do lokalnych

warunków górniczo-ruchowych.

Słowa kluczowe: GZW, siłownia geotermalna, wody kopalniane, instalacja geotermalna,

energia geotermalna.

1.

Wprowadzenie

W obszarze Górnośląskiego Zgłębia Węglowego (GZW) istnieją różnorakie

możliwości pozyskania energii z wód podziemnych. Jedną z nich stwarzają wody

wypompowywane z kopalń węgla kamiennego. Zagadnienie możliwości pozyskania energii

cieplnej z wód kopalnianych było przedmiotem badań prowadzonych od połowy lat 90-tych

(Ostaficzuk, Heliasz 2000, Bajtoś 2002, Bloomquist 2002, Solik-Heliasz, Małolepszy 2002).

Interesowano się głównie zasobami energii geotermalnej, natomiast w mniejszym stopniu

2

zajmowano się uwarunkowaniami geologicznymi i górniczymi jej pozyskania (Burke 2002,

Kubski 2002, Solik-Heliasz, Skrzypczak 2005). W Polsce jak dotąd nie mamy doświadczenia

w realizacji kopalnianych instalacji geotermalnych. Dopiero opracowany projekt

technologiczny pozwolił zmierzyć się z realnymi problemami i rozwiązać je (Solik-Heliasz,

Skrzypczak i in. 2007).

2.

Cel zadania

Celem zadania było określenie możliwości pozyskania energii z wód kopalnianych.

Prace miały określić techniczne warunki jej odbioru oraz zdefiniować czynniki, które mogą

stanowić przeszkodę w jej pozyskaniu. Zadanie udało się pomyślnie zrealizować.

Opracowano projekt instalacji pozyskującej energię na potrzeby projektowanego Muzeum

Ś

ląskiego w Katowicach. Instalacja ta pozwoli na całkowite pokrycie potrzeb w zakresie

energii cieplnej oraz prądu elektrycznego dla budowanego obiektu. Zdobyto pierwsze

doświadczenia, które mogą być wykorzystane przy projektowaniu następnych instalacji.

3.

Charakterystyka dolnego źródła energii

Dolnym źródłem energii cieplnej są wody wypompowywane ze zlikwidowanej

kopalni „Katowice” szybem Bartosz II. Szyb zlokalizowany jest około 150 m od

projektowanego obiektu.

Kopalnia „Katowice” została zamknięta w 2001 roku. Nadal utrzymywane jest jednak

odwodnienie wyrobisk górniczych, ze względu na połączenia hydrauliczne istniejące między

kopalniami usytuowanymi w północnej części GZW (Rogoż, Posyłek 1998). Zatopienie

jednej z nich mogłoby zagrażać następnym. Z tego względu w kopalni „Katowice” zatopiono

jedynie najniżej położone wyrobiska górnicze, a nadmiar wód wypompowywany jest na

powierzchnię terenu i kierowany do kanału zrzutowego wód podziemnych, a następnie

odprowadzany do rzeki Rawy (Ryc. 1).

Ryc. 1

Możliwości pozyskania energii cieplnej z wód kopalnianych zależą od szeregu

czynników naturalnych i technicznych. Bodaj najpoważniejszy z nich dotyczy wybiegu

czasowego (w latach), w którym kontynuowane będzie odwadnianie wyrobisk górniczych.

3

Tylko odpowiednio długotrwałe pompowanie wód z danej kopalni może prowadzić do

zamortyzowania się instalacji geotermalnej. Jednak ten wybieg czasowy nie zawsze jest

znany. Zależy on od czynników geologicznych, ekonomicznych i często politycznych. Jednak

ze względu na potrzeby projektowe należy go ocenić, co każdorazowo wymaga

przeprowadzenia szczegółowej analizy geologicznej i górniczej, zidentyfikowania połączeń

hydraulicznych danej kopalni z kopalniami sąsiednimi oraz uwzględnienia istniejących

zasobów kopaliny. W odniesieniu do kopalni „Katowice” stwierdzono, że odwadnianie

wyrobisk górniczych będzie musiało być prowadzone wiele lat, to jest do zakończenia

eksploatacji górniczej we wszystkich kopalniach zlokalizowanych we wschodniej części

GZW. Wydaje się to odpowiednio długim okresem czasu na eksploatację i pozyskanie energii

z zaproponowanej instalacji.

Kolejnymi czynnikami są: miejsce odbioru energii, przerwy w pompowaniu wód

kopalnianych oraz fluktuacje natężenia pompowania. W opracowanych założeniach

projektowych stwierdzono, że ze względu na brak doświadczenia w pierwszej kopalnianej

instalacji geotermalnej pozyskanie energii nastąpi w najprostszym technologicznie układzie,

to jest po wypompowaniu wód kopalnianych na powierzchnię terenu i w bliskim sąsiedztwie

szybu odwodnieniowego. W ten sposób: 1/ nie zakłóci się dotychczasowego systemu

odprowadzania wód do rzeki oraz 2/ wykorzysta się fakt, że koszt pompowania ponosi

instytucja obsługująca kopalnię (w tym przypadku Spółka Restrukturyzacji Kopalń, poprzez

budżet Państwa). Wprawdzie wody odprowadzone na powierzchnię terenu wykazują niższą

temperaturę niż w wyrobiskach dołowych, jednak ocenia się, że w tym konkretnym

przypadku zasoby energii zawarte w wodach są większe, niż potrzeby projektowanego

obiektu.

Następną cechą wód kopalnianych są możliwe przerwy w ich pompowaniu. Mogą one

być spowodowane m.in. awariami systemów pompowych oraz brakiem płynności w dostawie

prądu elektrycznego. W latach 2003-2007 w kopalni „Katowice” przerwy trwały łącznie 5 dni.

Jednak teoretycznie mogą one trwać do 14 dni – na tyle bowiem przewidziano pojemność

podziemnych zbiorników utworzonych w wyrobiskach górniczych, służących do przejęcia

awaryjnego dopływu wód. Ponieważ przerwa w dostawie wody kopalnianej oznacza brak

dostawy energii geotermalnej, z tego względu w projekcie instalacji geotermalnej wymagane

było opracowanie odpowiednich rozwiązań zabezpieczających. Rozważano budowę

rezerwowych kotłowni (na gaz lub inny nośnik konwencjonalny lub odnawialny, np. energię

solarną), bądź rezerwowych zbiorników (basenów) służących do przetrzymywania wód

kopalnianych w okresach przerw w pompowaniu.

4

Na ogół dużej elastyczności w projektowaniu wymaga również uwzględnienie

fluktuacji w ilości wód odprowadzanych na powierzchnię terenu. Ilość wypompowywanych

wód zależy od czynników górniczych oraz hydrogeologicznych. Przykładowo kopalnię

„Katowice” cechuje znaczna korelacja między wielkością opadów atmosferycznych,

a natężeniem dopływów wód do wyrobisk górniczych. W latach 2003-2008 średnia roczna

ilość wód odprowadzonych z wyrobisk kopalni zmieniała się od 5,3 do 6,3 m

3

/min. (Ryc. 2).

Ryc. 2

Przy przeciętnej temperaturze wód na wylocie z szybu wynoszącej 19,3

0

C-19,8

0

C, zasoby

energii (moc cieplna) wynosi 4,1-5,1 MW. Jednak wyniki automatycznego monitoringu wód

wykazały duże, dobowe zróżnicowanie ilości pompowanych wód (Vademecum 2008).

W zależności od dnia tygodnia (Ryc. 3) i pory roku zmieniają się one od 3,9 do niemal

9 m

3

/min. Wody kopalni „Katowice” wykazują mineralizację 3-5 g/l oraz zawartość

zawiesiny w granicach 5-40 mg/l (Ryc. 4a,b). Są to wody twarde, o pH 6,8-7,2.

Ryc. 3

Ryc. 4 a,b

4.

Charakterystyka siłowni geotermalnej i uzyskane efekty ekologiczne

Celem dostosowania instalacji geotermalnej do potrzeb grzewczych przyszłego

obiektu, przeanalizowano różne warianty ogrzewania (Solik-Heliasz, Skrzypczak i in. 2007).

Przedmiotem zainteresowania były sprężarkowe pompy ciepła, absorpcyjne pompy ciepła,

sprężarkowe pompy współpracujące z agregatem kogeneracyjnym oraz tytułem porównania -

klasyczne węzły ciepłownicze bazujące na węglu kamiennym i na gazie ziemnym.

Uwzględniając obecne koszty urządzeń i nośników energii, najbardziej ekonomicznym

rozwiązaniem okazało się wykorzystanie sprężarkowych pomp ciepła wraz z agregatami

kogeneracyjnymi.

W skład instalacji geotermalnej weszły 3 pompy ciepła i 1 rezerwowa oraz 2 agregaty

kogeneracyjne zasilane gazem ziemnym (Ryc. 5). Całkowita moc cieplna instalacji wyniesie

3035 kW, co pokryje w całości potrzeby grzewcze budowanego obiektu. W układzie tym

uzyska się wodę o parametrach 60

0

/45

0

C. Ponadto, w agregatach kogeneracyjnych

5

wytworzona zostanie energia elektryczna o mocy 600 kW, która będzie wykorzystana do

napędu pomp ciepła i na cele własne obiektu.

Ryc. 5

Do układu będą dostarczane wody kopalniane w ilości minimum 1,83 m

3

/min,

o temperaturze około 19

0

C. Oznacza to, że w porównaniu do całkowitej ilości wód

wypompowywanych z kopalni, istnieje ponad 50% ich rezerwa, którą można wykorzystać do

innych celów lub przez innego użytkownika. Rezerwowym źródłem ciepła na okres

przestojów w pompowaniu będzie kotłownia gazowo-olejowa. Ponadto ze względu na

możliwe przerwy w pompowaniu, przewidziano budowę zbiornika akumulacyjnego

o pojemności 900 m

3

. Będzie to zbiornik przepływowy zlokalizowany na kanale zrzutowym

wód kopalnianych (Ryc. 1). Przewidziany na kanale by-pass nie zakłóci dotychczasowego

systemu odprowadzania wód kopalnianych do rzeki.

Wyniki analizy ekonomicznej wykazały, że nakłady inwestycyjne na nową instalację

będą większe, niż w układzie tradycyjnym opartym na węglu kamiennym, jednak koszty

eksploatacyjne będą wyraźnie mniejsze. Bardzo dobry jest również uzyskany efekt

ekologiczny. Urządzenia siłowni geotermalnej są praktycznie bezemisyjne. Wielkość emisji

gazów w instalacji siłowni wyniesie zaledwie 76,8 Mg CO

2

/rok. Dla porównania, dla

wytworzenia

porównywalnej

ilości

energii

cieplnej

i

elektrycznej

pochodzącej

z konwencjonalnego źródła (węgla kamiennego), emisja zanieczyszczeń wyniosłaby 3686,7

Mg CO

2

/rok.

5.

Podsumowanie

Zaproponowana kopalniana instalacja siłowni geotermalnej jest w pełni

zautomatyzowanym, nowoczesnym układem technologicznym. Zrealizowany projekt dotyczy

typowej kopalni węgla kamiennego i typowych warunków górniczo-ruchowych w GZW.

Można mieć nadzieję, że uzyskane wyniki będą mogły być zastosowane również w innych

kopalniach, po dostosowaniu instalacji do lokalnych warunków geologiczn-górniczych.

Szansę upatruje się zwłaszcza w kopalniach zlikwidowanych, które utrzymują pompowanie

wód, jednak nie są obciążone różnorodnymi problemami związanymi z zabezpieczeniem

ruchu górniczego.

6

Literatura

1.

Bajtoš P.: Energia geotermalna niskiej entalpii w wodach kopalnianych na Słowacji.

W: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002.

2.

Bloomquist R.: Ekonomika zastosowania systemów geotermalnych pomp ciepła dla

budynków komercyjnych i użyteczności publicznej. W: Energia geotermalna

w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002.

3.

Burke T.: Wykorzystanie zatopionych wyrobisk w Szkocji jako źródła energii

geotermalnej. W: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002.

4.

Kubski P.: Koncepcja ciepłowni zagospodarowującej energię zawartą w wodzie

kopalnianej. W: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych. Sosnowiec, 2002

.

5. Ostaficzuk S., Heliasz Z.: Ekologiczne możliwości utylizacji zamykanej kopalni

węgla – restrukturyzacja z perspektywą. Prace Wydz. Nauk o Ziemi U. Śl., 2000.

6.

Rogoż M., Posyłek E.: Przewidywane zmiany warunków hydrogeologicznych

związane

z

likwidacją

kopalń

w

Górnośląskim

Zagłębiu

Węglowym.

W: Hydrogeologia obszarów zurbanizowanych i uprzemysłowionych. Wyd. U. Śl.,

Katowice, 1998.

7.

Solik-Heliasz E., 2007

.

Możliwości wykorzystania energii geotermalnej z wód

czynnych i zlikwidowanych kopalń w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.

Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, Zrównoważony Rozwój, 2.

8.

Solik-Heliasz E., red.: Atlas zasobów energii geotermalnej w regionie górnośląskim –

utwory neogenu, karbonu i dewonu. Katowice, 2009.

9.

Solik-Heliasz E., Małolepszy Z.: Możliwości wykorzystania energii geotermalnej

z wód kopalnianych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Mat. Międzynarodowej

konferencji naukowej pt.: Energia geotermalna w kopalniach podziemnych, Ustroń,

2002.

10.

Solik-Heliasz E., Skrzypczak M.: Czynniki warunkujące odbiór ciepła z wód

zlikwidowanych kopalń na Śląsku. Przegląd Górniczy, 2005, 11.

11.

Solik-Heliasz E., Skrzypczak S., Skrzypczak M., Bieniecki M., Augustyniak I.

Poligon prac związanych z wykorzystaniem ciepła z w wód kopalnianych dla

obiektów planowanych na terenie byłej kopalni „Katowice” (rejon ulic Nadgórników

i Kopalnianej). Wykonane przez konsorcjum GIG-VERT. Dokumentacja GIG, 2007

(nie publikowana).

7

12.

Vademecum. Biuletyn informacyjny Spółki Restrukturyzacji Kopalń S.A.

w Katowicach, 2008.

8

projektowany obiekt

kanał zrzutowy wód kopalnianych

do rzeki Rawy

zbiornik
retencyjny

szyb Bartosz II

Ryc. 1. System odprowadzania wód z wyrobisk górniczych kopalni „Katowice”

9

5,20

5,40

5,60

5,80

6,00

6,20

6,40

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

m

3

/m

in

Ryc. 2. Ilość wód wypompowanych z kopalni „Katowice” w latach 2002-2008

10

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

1-11-2008

11-11-2008

21-11-2008

1-12-2008

m

3

/m

in

Ryc. 3. Fluktuacje ilości wód wypompowywanych z kopalni

11

a/

Substancje rozpuszczone w wodzie

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

02

.0

6.

13

02

.0

9.

02

03

.0

7.

14

04

.0

7.

15

05

.1

2.

09

06

.0

2.

28

06

.0

9.

14

07

.0

4.

27

m

g

/l

b/

Zawarto

ść

zawiesiny

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

02

.0

6.

13

03

.0

3.

17

03

.0

7.

14

04

.0

2.

23

04

.0

7.

15

05

.0

6.

28

05

.1

2.

09

06

.0

2.

28

06

.1

2.

06

m

g

/l

Ryc. 4 a,b. Chemizm wód kopalnianych

12

moc cieplna

3035 kW

gaz ziemny

odprowadzenie

wód kopalnianych

m

o

c

e

le

k

tr

y

c

z

n

a

6

0

0

k

W

PC

PC

PC

agregat

kogeneracyjny

dopływ wód kopalnianych 1,83 m3/min

1664 kW

2,852 Nm3/min

89 5

kW

Rys. 5. Schemat siłowni geotermalnej