á - rynek energii elektrycznej · i energi pan, pani dr beacie k pi skiej, kierownikowi...
TRANSCRIPT
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
Poj cie zrównowa onego rozwoju...
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
Poj cie zrównowa onego rozwoju...
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
Poj cie zrównowa onego rozwoju...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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]
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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
Charakterystyka elementów i systemów...
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,
Technologie wykorzystania energii...
- 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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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)
Technologie wykorzystania energii...
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
Ciep a woda u ytkowa
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
Technologie wykorzystania energii...
Qgeo
Ciep a woda u ytkowa
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Technologie wykorzystania energii...
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
Porównanie geotermalnego ród a...
- 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
Porównanie geotermalnego ród a...
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
Porównanie geotermalnego ród a...
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
ród o: Opracowanie w asne
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
Porównanie geotermalnego ród a...
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
ród o: Opracowanie w asne
77
Porównanie geotermalnego ród a...
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
ród o: Opracowanie w asne
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
Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...
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
Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...
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
Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...
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
Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...
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
Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...
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
Zasoby i mo liwo ci wykorzystania...
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
100
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
(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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
- 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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
- 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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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
Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu
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